教学配套课件:金融数学(第四版).ppt
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- 教学 配套 课件 金融 数学 第四
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1、1 如何度量速度?距离/时间 瞬时速度?如何度量利率?利息/本金 利息力(连续复利)?2 借用他人资金需支付的成本,或出让资金获得的报酬。利息存在的合理性 资金的稀缺性 时间偏好 资本生产力1.1 利息的基本函数 利息(interest)的定义:3 本金(principal):初始投资的资本金额。累积值(accumulated value):一段时期后收到的总金额。利息(interest)累积值与本金之间的差额。关于利息的几个基本概念4积累函数(Accumulation function)累积函数:时刻0的1元本金在时刻 t 的累积值,记为a(t)。性质:a(0)=1;a(t)通常是时间的增函
2、数;当利息是连续产生时,a(t)是时间的连续函数。注:一般假设利息是连续产生的。5例:常见的几个积累函数(1)常数:a(t)=1(2)线性:a(t)=1+0.1 t(3)指数:a(t)=(1+0.1)t6a(t)(1 0.1)t a(t)1 0.1t 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20()1a t -104230517对应哪些实例?累积函数?a(t)t018请计算时刻 1 的500元在时刻 2 的累积值是多少。解:例 假设累积函数为500 =500 2.5=1250a(t)=1+t29 实际利率 i 等于某一时期开始时投资1单位本金,在此期间末获得的利息:i a(1)a(0)实
3、际利率i是某个时期获得的利息金额与期初本金之比:i 金息本利初期期当1.2 实际利率(effective rate of interest)10 实际利率经常用百分比表示,如8%;利息是在期末支付的;本金在整个时期视为常数;通常的计息期为标准时间单位,如年、月、日。若无 特别说明,实际利率是指年利率。注:11把1000元存入银行,第1年末存款余额为1020元,第2年末存款余额为1050元,求第一年和第二年的实际利率分别是多少?i1 2%i2 2.94%问题:整个存款期间的实际利率是多少?整个存款期间的年平均实际利率是多少?(后面讨论)例:121.3 单利(simple interest)假设在
4、期初投资1,在每个时期末得到完全相同的利息金 额 i,这种计息方式称为单利,i 称为单利率。特点:只有本金产生利息,而利息不会产生新的利息。单利的积累函数满足下述性质:a(0)1a(1)1 ia(t)1 it13单利的累积函数14 常数的单利并不意味着实际利率(effective rate)是常数!a(n)a(n 1)n a(n 1)(1 in)1 i(n 1)1 i(n 1)i1 (n 1)i因此,实际利率是 n 的递减函数。问题:为什么在每个时期所获的利息金额相等,而实际 利率却越来越小呢?单利与实际利率的关系:i15例若每年单利为8,求投资2000元在4年后的积累值和利息。累积值为:20
5、00(1 4 8%)2640所得利息的金额为2640 2000 640 2000 8%4利息金额本金 利率 时期16(1)精确单利,记为“实际/实际”(actual/actual):投资 天数按两个日期之间的实际天数计算,每年按365天计算。(2)银行家规则(bankers rule),记为“实际/360”:投资 天数按两个日期之间的实际天数计算,而每年按360天计算。(3)“30/360”规则:每月按30天计算,每年按360天计算。两个给定日期之间的天数按下述公式计算:360(Y2 Y1)30(M2 M1)(D2 D1)其中支取日为Y2年M2 月D2 日,存入日为Y1年M1 月D1 日。单利
6、的应用:t 的确定,t=投资天数/每年的天数17 若在1999年6月17日存入1000元,到2000年3月10日取 款,年单利利率为8,试分别按下列规则计算利息金 额:(1)“实际/实际”规则(2)“30/360”规则(3)“实际/360”规则例:18(1)从1999年6月17日到2000年3月10日的精确天数为267 (应用EXCEL),因此利息金额为1000 0.08 58.52(2)根据“30/360”规则,投资天数为360 1 30 (3 6)(10 17)263因此利息金额为1000 0.08 58.44(3)根据“实际/360”规则计算的利息金额为1000 0.08 59.3319
7、a(t1)a(t2)(1 it1)(1 it2)1 it i2 t1t2(1 it)a(t)分两段投资将产生更多利息。分段越来越多,产生的利息是否会趋于无穷大?单利的缺陷:不满足一致性 含义:问题:令 t=t 1 +t2则20 复利:利息收入计入下一期的本金,即所谓的“利滚利”。例:假设年初投资1000元,年利率为5,则年末可获利50 元,因此在年末有1050元可以用来投资。如果按照1050元来计算,将在次年末获得利息为52.5元,比只按照1000元投资要多获得利息2.5元。1.4 复利(compound interest)在单利情形下,前期的利息没有在后期产生利息。21 余额1i可以在第二年
8、初再投资,在第二年末积累值为(1+i)+(1+i)i=(1+i)2;在第三年末累积值为(1+i)2+(1+i)2 i=(1+i)3 持续,在第 t 年末,累积函数为a(t)(1 i)t复利的积累函数 考虑期初投资1,它在第一年末的积累值为1i;22复利的累积函数23复利与实际利率的关系 常数的复利率意味着实际利率也为常数a(n)a(n 1)n a(n 1)(1 i)n (1 i)n 1(1 i)n 11 i(1 i)1i24单利与复利之间的关系(假设单利和复利的年利率相等)单利的实际利率逐期递减,复利的实际利率保持恒定。当 0 t 1时,复利比单利产生更大的积累值。当 t=0 或 1 时,单利
9、和复利产生相同的累积值。复利单利5.554.543.532.521.510.51.5250126 It is known that 1000 invested for 4 years will earn 250.61 ininterest,i.e.,that the value of the fund after 4 years will be 1250.61.Determine the accumulated value of 3500 invested at the same rate of compound interest for 13 years.Exercise27Solution
10、:28 累积:在时刻零投资1,在时刻 t 的累积值是多少?贴现:在时刻零投资多少,才能在时刻 t 累积到 1?时刻 t 的1单位在时刻0的价值称为贴现函数,用a-1(t)表示。0 t1 a(t)a-1(t)11.5 贴现(discount)29贴现函数(discount function)注:除非特别申明,今后一概使用复利。单利的贴现函数 复利的贴现函数a 1(t)(1 it)1a 1(t)(1 i)t30贴现因子:discount factort 年贴现因子:t-year discount factor累积因子:accumulation factort 年累积因子:t-year accumu
11、lation factor几个术语:v vt (1+i)(1 i)t31实际贴现率 期末 本金实际利率 期末累 初本金期初本金金期本-初值期积值初积期累值-末积期累实际贴现率:d(effective rate of discount with compound interest)实际贴现率等于一个时期的利息收入与期末累积值之比:利息=期末累积值-期初本金(期末比期出多百分之几?)(期初比期末少百分之几?)期末累积值32 假设年实际贴现率为 d,请计算期末的1相当于期初的多少?解:令其等于X,则由贴现率的定义,有X 1 d1 X1X=1-d例d01133实际利率 i 与实际贴现率 d 的关系(1
12、)1当期利息:i1 1+ii d 1 i根据贴现率的定义:034实际利率 i 与实际贴现率 d 的关系(2)期末的1元在期初的现值为:1-d1-d 11当期利息:dd i 1 d根据利率的定义:035注:把期末支付的利息 i 贴现到期初,等于在期 初支付的 d。换言之,期末的 i 相当于期初的d。证明:d i i v实际利率 i 与实际贴现率 d 的关系(3)d iv36v(1 d)贴现函数可表示为累积函数可表示为a 1(t)=t (1 d)ta(t)=t (1 d)t证明:d 1 1 v1 i 1 i实际利率 i 与实际贴现率 d 的关系(4)解释:期末的1在期初的现值可以表示为 v,或1
13、d。v=1 di 101137本金(Principal)利息(interest)累积值(Accumulated value)1i1+i1-dd1解释:1元本金在期末有 i 元利息,(1 d)元本金在期末有d元利息。产生(i d)元利息差额。原因:原始本金有d元差额,赚取的利息正好是id。实际利率 i 与实际贴现率 d 的关系(5)本金之差:d 利息之差 di证明:d i v i (1 d)i id利息之差:i d 38i d=id例:i=5%=1/20,d=1/21实际利率 i 与实际贴现率 d 的关系(6)i d 1/n 1 1 1/n n 1证明:1 idi39 问题:(1)贴现率随着利率
14、变化的规律?(2)利率随着贴现率变化的规律?401 i利率问题:如果利率等于-1?利率 i 和贴现率d 的关系 d 贴现率i41贴现率问题:如果贴现率等于1?贴现率 d 和利率 i 的关系 i 1 dd利 率42 面额为100元的一年期零息债券的价格为95元,同时,一年期储蓄的利率为5.25,如何进行投资选择?存款还是 购买债券?例43解:比较贴现率:零息债券的贴现率 d 5%储蓄的贴现率 d i/(1+i)=4.988 392 i(4)a(4)1 4 i(4)3.52%4 44 44 44 4if 0 t 3if t 30.02tt 0.054 tdt a(4)e0 ,a(4)e0.14 t
15、 dt 0.02tdt 0.05dt 0.14Solution:93440033 Bruce deposits 100 into a bank account.His account is credited interest at a nominal rate of interest i convertible semiannually.At the same time,Peter deposits 100 into a separate account.Peters account is credited interest at a force of interest of .After 7
16、.25 years,the value of each account is 200.Calculate(i-).Exercise:94Bruces account after 7.25 years is worth:i 2 7.25100 1 200 i 9.79285%Peters account after 7.25 years is worth:100e7.25 200 9.56065%so i 0.2322%2 95 At time 0,K is deposited into Fund X,which accumulates at a force of interest t=0.00
17、6t2.At time m,2K is deposited into Fund Y,which accumulates at an annual effective interest rate of 10%.At time n,where n m,the accumulated value of each fund is 4K.Determine m.Exercise96Solution:For the fund X,So,n=8.8499.For the fund Y,ln2ln1.1m=8.8499 7.2725=1.5775n 2K e 0 0.006t dt 4K2K (1 10%)n
18、 m 4Kn m 7.272597Exercise Tawny makes a deposit into a bank account which credits interest at a nominal interest rate of 10%per annum,convertible semiannually.At the same time,Fabio deposits 1000 into a different bank account,which is credited with simple interest.At the end of 5 years,the forces of
19、 interest on the two accounts are equal,and Fabios account has accumulated to Z.Determine Z.98For Fabios account,a(t)=1+it and t=i/(1+it).At time t=5,2 ln(1.05)=i/(1+i5).So,2ln(1.05)1-10 ln(1.05)Z 1000 1 5 (0.1905)1952.7599 Solution:For Tawnys bank account,a(t)1 0.1 (1.05)2tddt2t2t2t2t2t2t 2 and the
20、 force of interest is t lna(t)2 ln(1.05)i 0.1905 例:在2000年1月1日,A在银行账户存入X,按单利10%计息;在同一天,B在另一个银行账户也存入X,按利息力 2t 计息。从第四年末到第八年末,两个账户t t2 k赚取的利息相等,请计算 k。100从第四年末到第八年末,该账户赚取的利息为A(8)A(4)0.4XA(4)X1 4(0.10)1.4XA(8)X1 8(0.10)1.8X解:令2000年1月1日为零时刻,对A的账户有:101从第四年末到第八年末,该账户赚取的利息为48XA(8)A(4)k16 kk64 kk2tkA(4)A(8)对B的
21、账户有:XXee4t dt08t dt0XX102t2t由题意可知,这两个利息金额相等,即48X0.4Xk故有 k=120。103 Jennifer will repay her loan by making one payment of 800 at the end of year 10.Brian will repay his loan by making one payment of 1120 at the end of year 10.The nominal semi-annual rate being charged to Jennifer is exactly onehalf th
22、e nominal semiannual rate being charged to Brian.Calculate X.(X=568.14)Exercise Brian and Jennifer each take out a loan ofX.104令 i(2)/2 i,即得下页的方程(2)2(2)2解:直接根据题意写出方程为:X 1120 1X 800 12i(2)(2)10 210 2jji105x(1+i)20=800 x(1+2i)20=1120Dividing these equations(1+2i)/(1+i)20=1120/800=1.4i=(1.4)1/20 1/2 (1
23、.4)1/20=0.017259x=800/(1+0.017259)20=568.14106 例:t 1 t基金B以利息力函数 t (t 0)累积。分别用 aA(t)和 aB(t)表示它们的累积函数。令 h(t)aA(t)aB(t),计算使 h(t)达到最大的时刻T。基金A以利息力函数 1 (t 0)累积;107 h(t)=t 2t2,h(t)=1 4t,因此当t 1/4 时,h(t)达到最大。aB(t)exp(0 1 2s2 ds)1 2taA(t)exp(0 1 sds)1 tt 4s 2解:t 1108Find m,the equivalent annual compound inter
24、est rate,and the equivalent annual compound discount rate.Solution:Exercise:109110孟生旺中国人民大学统计学院http:/ annuity)永续年金(Perpetuity)每年支付m次的年金(mthly payable annuity)连续年金(continuous payable annuity)112最初的涵义:一年付款一次,每次支付相等金额的一系列 款项。现在的含义:一系列的付款(或收款)。年金(annuity)113年金的类型按支付时间和支付金额是否确定,分为确定年金(Annuity-certain)和风险
25、年金(contingent annuity)。按支付期限长短,分为定期年金(period-certain annuity)和 永续年金(Perpetuity)。按支付时点,分为期初付年金(annuity-due)和期末付年 金(annuity-immediate)。按开始支付的时间,分为即期年金和延期年金(deferred annuity)。按每次付款的金额是否相等,分为等额年金(level annuity)和变额年金(varying annuity)。1141 1 1 1 10 1 2 3 n-1 n1、期末付年金(Annuity-immediate)期末付年金的含义:在 n 个时期中,每个
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