기초 금융수학 11-채권(3)
두 채권을 수익률 변화에 대한 가격 민감도를 가지고 두 채권을 비교할 수도 있다. 다시 말하면 수익률 y(m)이 Δy(m)만큼 바뀌면 백분율 가격변화(percent price change)가 어느 정도 영향을 받는지 비교할 수 있다. 그러므로 백분율 가격 변화P(y(m)+Δy(m))−P(y(m))P(y(m))를 각 채권에 대해 계산하고, 수익률이 같은 채권들에서 이 값의 절댓값이 더 큰 채권이 더 위험하다.
예: 20년 만기 9% 만기 상환채와 15년 만기 7% 만기 상환채의 만기 수익률이 모두 6%이다. 수익률이 1% 증가할 때 위험한 것은?
답: y(m)=0.06, Δy(m)=0.01이므로 백분율 가격변화는 다음과 같다.P((0.06+0.01)−P(0.06)P(0.06)=P(0.07)P(0.06)−1 첫째 채권에 대해 m=2, r=0.092=0.045, n=2×20=40이고P(y(m))=100{0.0451−(1+y(m)2)−40y(m)2+(1+y(m)2)−40}이므로 P(0.06)=134.672, P(0.07)=121.355이고 첫째 채권에 대해 P(0.07)P(0.06)−1=−0.0989이다. 이것은 수익률 1% 증가에 대한 백분율 가격 변화가 약 9.9% 감소를 뜻한다.
둘째 채권에 대해 m=2, r=0.072=0.035, n=2×15=30이고 같은 방법으로 P(0.06)=109.8, P(0.07)=100이므로 P(0.07)P(0.06)−1=−0.0893이다. 이것은 수익률 1% 증가에 대한 백분율 가격 변화가 약 8.9% 감소를 뜻한다.
그러므로 첫째 채권이 둘째 채권보다 더 위험하다.
국소적 선형성(local linearity)에서 다음의 근사식이 작은 Δy(m)에 대해 성립하고P(y(m)+Δy(m))−P(y(m))P(y(m))≈Δy(m)dPdy(m)이를 다음과 같이 나타낼 수 있다.P(y(m)+Δy(m))−P(y(m))P(y(m))≈Δy(m)P′(y(m))P(y(m)) P(y(m))>0, P′(y(m))<0이므로 백분율 가격 변화의 부호는 y(m)의 변화의 부호와 반대이다. 일반적으로 수정 듀레이션(modified duration)을 다음과 같이 정의하고v=−P′(y(m))P(y(m))음의 부호는 v가 양수가 되기 위해 도입한 것이고 단위는 시간이다. 이 정의에서 다음의 근사식이 성립한다.P(y(m)+Δy(m))−P(y(m))P(y(m))≈Δy(m)v y=y(m)m이므로P(y(m))=100{r1−(1+y)−ny+(1+y)−n}이고dPdy(m)=dPdydydy(m)=dPdy1m이므로 식을 정리하면 v는 다음과 같다.v=−1y(m)r{1+y+ny−(1+y)n+1}−ny2(1+y){r[(1+y)n−1]+y}예: 만기수익률이 6%이면 다음 채권의 수정 듀레이션과 백분율 가격 변화는 어떻게 되는가?
(a) 20년 만기인 9% 만기 상환채, (b) 15년 만기인 7% 만기 상환채
답:
(a): m=2, r=0.092=0.045, y=0.062=0.03, n=2⋅20=40이므로 v=10.663이고 백분율 가격 변화는 다음과 같다.P(0.06+Δy(m))−P(0.06)P(0.06)≈−10.663Δy(m) 그러므로 수익률이 1% 증가하면 백분율 가격 변화는 약 10.663% 감소한다.
(b): m=2, r=0.072=0.035, y=0.062=0.03, n=2⋅15=30이므로 v=9.502이고 백분율 가격 변화는 다음과 같다.P(0.06+Δy(m))−P(0.06)P(0.06)≈−9.502Δy(m) 그러므로 수익률이 1% 증가하면 백분율 가격 변화는 약 9.502% 감소한다.
식P=100rn∑k=1(1+y)−k+100(1+y)−n에서 때로 유용한 v에 대한 식을 유도하자.pk={r(1+y)−k(1≤k≤n−1)(r+1)(1+y)−n(k≥n)라 하면P=100n∑k=1pk,dpkdy=−kpk(1+y)−1이므로v=−1PdPdy(m)=−1mPdPdy가 되어 다음의 식이 성립한다.v=1m(1+y)∑nk=1kpk∑nk=1pk=1m(1+y)∑nk=1k(1+y)−k+n(1+y)−nr∑nk=1(1+y)−k+(1+y)−n -만기를 고정할 때 액면 이자율이 증가하면 수정 듀레이션은 감소한다.dvdr=−1m(1+y)∑nk=1(n−k)(1+y)−k−n{r∑nk=1(1+y)−k+(1+y)−n}2<0이므로 수정 듀레이션은 액면 이자율에 대한 감소함수이다.
액면 이자율이 높을수록, 투자는 더 빨리 상환되므로 수정 듀레이션은 더 낮아진다.
-만기를 고정할 때 수익률이 증가하면 수정 듀레이션은 감소한다.mdvdy=−(∑nk=1k2pk)(∑nk=1pk)−(∑nk=1kpk)2(1+y)2(∑nk=1pk)2−∑nk=1kpk(1+y)2(∑nk=1pk)(코시-슈바르츠 부등식) 이므로 수정 듀레이션은 수익률에 대한 감소함수이다.
수익률이 높을수록 투자는 더 빨리 상환되므로 수정 듀레이션은 더 낮아진다.
lim이므로 v는 수평점근선을 갖고, 이 점근선은 액면 이자율의 영향을 받지 않는다.

-수정 듀레이션은 듀레이션과 밀접하게 연관되어 있다.\begin{align*}v&=\frac{1}{m(1+y)}\frac{r\sum_{k=1}^{n}{k(1+y)^{-k}}+n(1+y)^{-n}}{r\sum_{k=1}^{n}{(1+y)^{-k}}+(1+y)^{-n}}\\&=\frac{1}{(1+y)m}\frac{r\sum_{k=1}^{n}{k(1+y)^{n-k}}+n}{r\sum_{k=1}^{n}{(1+y)^{n-k}}+1}\\&=\frac{1}{1+y}d\end{align*}이므로 d는 다음과 같다.d=-\frac{1}{ym}\frac{r\{1+y+ny-(1+y)^{n+1}\}-ny^{2}}{\{r[(1+y)^{n}-1]+y\}} d=(1+y)v이므로 v가 r에 대해 감소함수라는 사실에서 듀레이션은 액면이자율의 감소함수이다. 왜냐하면 액면이자율이 증가하면 채권 소유자는 이자기간마다 더 많이 받게 되고, 그것이 듀레이션을 감소시키기 때문이다. 그런데 d=(1+y)v와 v가 y에 대한 감소함수라는 사실에서 d가 y에 대한 감소함수라고는 할 수 없다. 그러나 실제로 듀레이션은 수익률에 대해 감소함수이다.
듀레이션은 현금흐름을 받아들이는 데 걸리는 가중평균시간이므로, 수익률이 높아지면 현금회수가 빨라지고 따라서 듀레이션이 짧아진다.
d=(1+y)v, \displaystyle\lim_{n\,\rightarrow\,\infty}{v}=\frac{1}{y^{(m)}}이므로 다음 식이 성립한다.\lim_{n\,\rightarrow\,\infty}{d}=\frac{1+y}{y^{(m)}}=\frac{1+\frac{y^{(m)}}{m}}{y^{(m)}}참고자료:
An Introduction to the Mathematics of Money Saving and Investing, Lovelock, Mendel, Wright, Springer
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