σμimplied vol · KKmax(S−K,0)udβρᵢⱼfat tailsPnL · drawdownyield · TdSₜ = μSₜ dt + σSₜ dWₜC = S·N(d₁) − K·e⁻ʳᵀ·N(d₂)σₚ² = wᵀΣwd₁ = [ln(S/K) + (r + σ²⁄2)T] ⁄ σ√T∂V/∂t + ½σ²S²·∂²V/∂S² + rS·∂V/∂S − rV = 0Sharpe = (Rₚ − R_f) ⁄ σₚVaR₉₉ = μ − 2.33σρ = Cov(X,Y) ⁄ σₓσᵧE[Rₚ] = Σ wᵢ·E[Rᵢ]φ(x) = e^(−x²/2) ⁄ √2πE[Rᵢ] = R_f + βᵢ(E[Rₘ] − R_f)dXₜ = θ(μ − Xₜ)dt + σ dWₜσ²ₜ = ω + α·ε²ₜ₋₁ + β·σ²ₜ₋₁C − P = S − K·e⁻ʳᵀΔ = ∂V/∂S Γ = ∂²V/∂S²p = (e^(rΔt) − d) ⁄ (u − d)rₜ = ln(Pₜ ⁄ Pₜ₋₁)E[Xₜ₊₁ | ℱₜ] = Xₜf* = (bp − q) ⁄ bz = (x − μ) ⁄ σP(N=k) = λᵏe^(−λ) ⁄ k!Θ = −∂V/∂Tν = S·φ(d₁)·√Tmin wᵀΣw s.t. wᵀμ = μ*∫Σ∂∞λ
σμimplied vol · KKmax(S−K,0)udβρᵢⱼfat tailsPnL · drawdownyield · TdSₜ = μSₜ dt + σSₜ dWₜC = S·N(d₁) − K·e⁻ʳᵀ·N(d₂)σₚ² = wᵀΣwd₁ = [ln(S/K) + (r + σ²⁄2)T] ⁄ σ√T∂V/∂t + ½σ²S²·∂²V/∂S² + rS·∂V/∂S − rV = 0Sharpe = (Rₚ − R_f) ⁄ σₚVaR₉₉ = μ − 2.33σρ = Cov(X,Y) ⁄ σₓσᵧE[Rₚ] = Σ wᵢ·E[Rᵢ]φ(x) = e^(−x²/2) ⁄ √2πE[Rᵢ] = R_f + βᵢ(E[Rₘ] − R_f)dXₜ = θ(μ − Xₜ)dt + σ dWₜσ²ₜ = ω + α·ε²ₜ₋₁ + β·σ²ₜ₋₁C − P = S − K·e⁻ʳᵀΔ = ∂V/∂S Γ = ∂²V/∂S²p = (e^(rΔt) − d) ⁄ (u − d)rₜ = ln(Pₜ ⁄ Pₜ₋₁)E[Xₜ₊₁ | ℱₜ] = Xₜf* = (bp − q) ⁄ bz = (x − μ) ⁄ σP(N=k) = λᵏe^(−λ) ⁄ k!Θ = −∂V/∂Tν = S·φ(d₁)·√Tmin wᵀΣw s.t. wᵀμ = μ*∫Σ∂∞λ
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Roteiro de Python›Módulo 4 · Precificação de renda fixa e opções›Tópico 4.13·~50 minIntermediário

Volatilidade implícita

Posição no roteiroMódulo 4 de 11 · Tópico 13 de 16
4.13 Volatilidade implícita
—Nota do lab— / 100XP total—Sequência—

Usar a fórmula ao contrário

A fórmula de Black–Scholes transforma uma volatilidade em preço. No mercado ocorre o oposto: o preço é cotado e a volatilidade é desconhecida. A volatilidade implícita é o sigma para o qual a fórmula reproduz o preço de mercado. Não há inversa algébrica, então se busca: calcula-se o preço para um sigma de teste, olha-se o erro de preço (modelo menos mercado) e move-se sigma até zerá-lo. A busca mais simples testa uma grade de valores e fica com o melhor.

import math

def norm_cdf(x):
    return 0.5 * (1 + math.erf(x / math.sqrt(2)))

def bs_call(spot, strike, rate, sigma, t):
    d1 = (math.log(spot / strike) + (rate + 0.5 * sigma ** 2) * t) / (sigma * math.sqrt(t))
    return spot * norm_cdf(d1) - strike * math.exp(-rate * t) * norm_cdf(d1 - sigma * math.sqrt(t))

market = 8.0                                   # the quoted price of the 100-strike, 6-month call on a stock at 100
for sigma in (0.10, 0.15, 0.20, 0.25, 0.30):
    model = bs_call(100, 100, 0.05, sigma, 0.5)
    print(sigma, round(model, 4), "error", round(model - market, 4))

Por que há apenas uma resposta

O preço da call sobe de forma contínua com sigma: o vega é positivo, então o erro cruza zero uma só vez. A resposta é única e indica para onde mover: se o modelo está caro demais, reduza sigma. Só há solução se o preço de mercado estiver estritamente entre o *piso intrínseco* max(S - K * exp(-rT), 0) (volatilidade zero) e o spot S (volatilidade infinita). Fora desses limites a cotação contradiz a ausência de arbitragem, e a resposta certa é um erro, não um número.

# The bounds: no volatility can explain a price outside them
import math

def norm_cdf(x):
    return 0.5 * (1 + math.erf(x / math.sqrt(2)))

def bs_call(spot, strike, rate, sigma, t):
    d1 = (math.log(spot / strike) + (rate + 0.5 * sigma ** 2) * t) / (sigma * math.sqrt(t))
    return spot * norm_cdf(d1) - strike * math.exp(-rate * t) * norm_cdf(d1 - sigma * math.sqrt(t))

spot, strike, rate, t = 100, 90, 0.05, 1
floor = max(spot - strike * math.exp(-rate * t), 0)
print(round(floor, 4), spot)                                 # 14.3894 100
print(round(bs_call(spot, strike, rate, 0.0001, t), 4))      # 14.3894   tiny volatility: the floor
print(round(bs_call(spot, strike, rate, 5.0, t), 4))         # 98.8513   huge volatility: close to the spot

Dividir o intervalo ao meio

Uma grade é grosseira: a resposta é tão fina quanto a grade. Melhor usar o sinal do erro. Parte-se de sigma entre um valor muito baixo e um muito alto, toma-se o ponto médio e olha-se o erro: positivo, o meio está alto demais, fica-se com a metade de baixo; negativo, a de cima. Cada passo divide o intervalo por dois, então cerca de trinta passos dão oito dígitos. O próximo tópico dá nome a isso e o generaliza; aqui é a ferramenta que lê o mercado.

# Implied volatility by halving the interval, then reprice to check it
import math

def norm_cdf(x):
    return 0.5 * (1 + math.erf(x / math.sqrt(2)))

def bs_call(spot, strike, rate, sigma, t):
    d1 = (math.log(spot / strike) + (rate + 0.5 * sigma ** 2) * t) / (sigma * math.sqrt(t))
    return spot * norm_cdf(d1) - strike * math.exp(-rate * t) * norm_cdf(d1 - sigma * math.sqrt(t))

def implied_vol(price, spot, strike, rate, t, tol=1e-8):
    low, high = 0.0001, 5.0
    while high - low > tol:
        mid = (low + high) / 2
        if bs_call(spot, strike, rate, mid, t) > price:
            high = mid
        else:
            low = mid
    return (low + high) / 2

iv = implied_vol(8.0, 100, 100, 0.05, 0.5)
print(round(iv, 6))                                        # 0.240534
print(round(bs_call(100, 100, 0.05, iv, 0.5), 6))          # 8.0

O sorriso

Se Black–Scholes fosse exato, todas as opções sobre a mesma ação e data implicariam a mesma volatilidade. Não implicam: strikes baixos costumam implicar mais que os altos (o *skew*), ou as duas pontas mais que o centro (o *sorriso*). O padrão mostra o que o modelo deixa de captar (saltos, caudas pesadas, demanda por proteção), e por isso as opções são cotadas em volatilidade implícita: um número único e comparável entre strikes e vencimentos, do qual o preço decorre.

# A smile: market prices at five strikes, converted to implied volatilities
import math

def norm_cdf(x):
    return 0.5 * (1 + math.erf(x / math.sqrt(2)))

def bs_call(spot, strike, rate, sigma, t):
    d1 = (math.log(spot / strike) + (rate + 0.5 * sigma ** 2) * t) / (sigma * math.sqrt(t))
    return spot * norm_cdf(d1) - strike * math.exp(-rate * t) * norm_cdf(d1 - sigma * math.sqrt(t))

def implied_vol(price, spot, strike, rate, t, tol=1e-8):
    low, high = 0.0001, 5.0
    while high - low > tol:
        mid = (low + high) / 2
        low, high = (low, mid) if bs_call(spot, strike, rate, mid, t) > price else (mid, high)
    return (low + high) / 2

strikes = [90, 95, 100, 105, 110]
quotes = [bs_call(100, k, 0.05, v, 0.5) for k, v in zip(strikes, [0.28, 0.24, 0.21, 0.22, 0.25])]   # prices from a made-up smile
for strike, quote in zip(strikes, quotes):
    print(strike, round(quote, 4), round(implied_vol(quote, 100, strike, 0.05, 0.5), 4))
Um preço e uma volatilidade são a mesma cotaçãoOs formadores de mercado dão uma volatilidade e o comprador a converte em preço com a fórmula combinada; a conversão é uma convenção, não uma crença no modelo. Como a correspondência é biunívoca para um strike, data e taxa dados, nada se perde em nenhum dos sentidos. O que importa é a entrada: a volatilidade implícita vale tanto quanto a taxa, o dividendo e o prazo que se fornece.
  • A volatilidade implícita é o sigma que iguala bs_call ao preço de mercado: encontra-se por busca, pois não há fórmula inversa.
  • O preço sobe com sigma: há uma resposta e o sinal do erro diz para onde mover; fora dos limites não há nenhuma.
  • Dividir o intervalo converge rápido (cerca de 30 passos para 8 dígitos); o sorriso é a volatilidade implícita contra o strike.

A seguir: a busca de raízes por bisseção e Newton, o método geral por trás desta busca e outro bem mais rápido.

Lab: o que é avaliado

  • Comparar modelo e mercado com call_price_error25 pts
  • Percorrer uma grade de volatilidades com implied_vol_scan25 pts
  • Inverter a fórmula com implied_vol25 pts
  • Ler um sorriso inteiro com implied_vol_smile25 pts
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