Derivation of Greeks in European Option Pricing
The European Vanilla call and put options with dividend payments have the values in formulas with:
c t = S t e − y τ N ( d 1 ) − K e − r τ N ( d 2 ) p t = K e − r τ N ( − d 2 ) − S t e − y τ N ( − d 1 ) c t = S t e − y τ N ( d 1 ) − K e − r τ N ( d 2 ) p t = K e − r τ N ( − d 2 ) − S t e − y τ N ( − d 1 )
where c t , p t c t , p t represent the values of European call option and European put option respectively, y y is the continuous rate of dividend payment, τ τ represent the time to the exercise date (i.e. τ = T − t τ = T − t ), N N is the cumulative distribution function of standard normal distribution N ( 0 , 1 ) N ( 0 , 1 ) , such that:
N ′ ( x ) = f X ( x ) = 1 √ 2 π ⋅ e − x 2 2 , X ∼ N ( 0 , 1 ) N ′ ( x ) = f X ( x ) = 1 2 π ⋅ e − x 2 2 , X ∼ N ( 0 , 1 )
S t S t is the price of the underlying asset at time t t , K K is the strike, and d 1 , d 2 d 1 , d 2 are calculated by:
d 1 = log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ σ √ τ d 2 = d 1 − σ √ τ = log ( S t K ) + ( r − y − σ 2 2 ) τ σ √ τ d 1 = log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ σ τ d 2 = d 1 − σ τ = log ( S t K ) + ( r − y − σ 2 2 ) τ σ τ
where σ σ is the volatility of the prices of the underlying asset.
Derivation of Delta (Δ Δ )
Delta (Δ Δ ) in option pricing usually refers to the partial derivative of option value to the price of underlying asset, which means:
Δ = ∂ V ∂ S t Δ = ∂ V ∂ S t
where V V is the option value.
Therefore, the delta for European vanilla call option is derived by:
Δ c a l l = ∂ c t ∂ S t = ∂ ∂ S t ( S t e − y τ N ( d 1 ) − K e − r τ N ( d 2 ) ) Δ c a l l = ∂ c t ∂ S t = ∂ ∂ S t ( S t e − y τ N ( d 1 ) − K e − r τ N ( d 2 ) )
It should be noticed that, it is not correct to simply conclude this partial derivative as e − y τ N ( d 1 ) e − y τ N ( d 1 ) (although the answer is correct) by reducing the S t S t in the first component, because N ( d 1 ) N ( d 1 ) and N ( d 2 ) N ( d 2 ) are both functions of S t S t , and therefore the chain rule should be applied here, we continue the derivation as:
Δ c a l l = ∂ ∂ S t ( S t e − y τ N ( d 1 ) − K e − r τ N ( d 2 ) ) = e − y τ N ( d 1 ) + S t e − y τ N ′ ( d 1 ) ∂ d 1 ∂ S t − K e − r τ N ′ ( d 2 ) ∂ d 2 ∂ S t Δ c a l l = ∂ ∂ S t ( S t e − y τ N ( d 1 ) − K e − r τ N ( d 2 ) ) = e − y τ N ( d 1 ) + S t e − y τ N ′ ( d 1 ) ∂ d 1 ∂ S t − K e − r τ N ′ ( d 2 ) ∂ d 2 ∂ S t
where:
∂ d 1 ∂ S t = ∂ ∂ S t [ log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ σ √ τ ] = 1 σ √ τ K S t 1 K = 1 σ S t √ τ ∂ d 1 ∂ S t = ∂ ∂ S t [ log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ σ τ ] = 1 σ τ K S t 1 K = 1 σ S t τ
and:
∂ d 2 ∂ S t = ∂ ∂ S t ( d 1 − σ √ τ ) = ∂ d 1 ∂ S t = 1 σ S t √ τ ∂ d 2 ∂ S t = ∂ ∂ S t ( d 1 − σ τ ) = ∂ d 1 ∂ S t = 1 σ S t τ
and:
N ′ ( d 1 ) = 1 √ 2 π e − d 2 1 2 N ′ ( d 1 ) = 1 2 π e − d 1 2 2
and:
N ′ ( d 2 ) = 1 √ 2 π e − d 2 2 2 = 1 √ 2 π e − ( d 1 − σ √ τ ) 2 2 = 1 √ 2 π e − d 2 1 − 2 d 1 σ √ τ + σ 2 τ 2 = 1 √ 2 π e − d 2 1 2 e d 1 σ √ τ e − σ 2 τ 2 N ′ ( d 2 ) = 1 2 π e − d 2 2 2 = 1 2 π e − ( d 1 − σ τ ) 2 2 = 1 2 π e − d 1 2 − 2 d 1 σ τ + σ 2 τ 2 = 1 2 π e − d 1 2 2 e d 1 σ τ e − σ 2 τ 2
where the second exponential component can be simplified as:
e d 1 σ √ τ = e log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ σ √ τ σ √ τ = e log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ = S t K e ( r − y + σ 2 2 ) τ e d 1 σ τ = e log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ σ τ σ τ = e log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ = S t K e ( r − y + σ 2 2 ) τ
Hence N ′ ( d 2 ) N ′ ( d 2 ) becomes:
N ′ ( d 2 ) = 1 √ 2 π e − d 2 1 2 e d 1 σ √ τ e − σ 2 τ 2 = 1 √ 2 π S t K e ( r − y + σ 2 2 ) τ e − d 2 1 2 e − σ 2 τ 2 = S t √ 2 π K e ( r − y ) τ e − d 2 1 2 N ′ ( d 2 ) = 1 2 π e − d 1 2 2 e d 1 σ τ e − σ 2 τ 2 = 1 2 π S t K e ( r − y + σ 2 2 ) τ e − d 1 2 2 e − σ 2 τ 2 = S t 2 π K e ( r − y ) τ e − d 1 2 2
So that:
Δ c a l l = e − y τ N ( d 1 ) + S t e − y τ N ′ ( d 1 ) ∂ d 1 ∂ S t − K e − r τ N ′ ( d 2 ) ∂ d 2 ∂ S t = e − y τ N ( d 1 ) + S t e − y τ e − d 2 1 2 √ 2 π τ ⋅ σ S t − S t K e − r τ e ( r − y ) τ e − d 2 1 2 √ 2 π τ ⋅ σ S t K = e − y τ N ( d 1 ) + e − y τ e − d 2 1 2 √ 2 π τ ⋅ σ − e − y τ e − d 2 1 2 √ 2 π τ ⋅ σ = e − y τ N ( d 1 ) Δ c a l l = e − y τ N ( d 1 ) + S t e − y τ N ′ ( d 1 ) ∂ d 1 ∂ S t − K e − r τ N ′ ( d 2 ) ∂ d 2 ∂ S t = e − y τ N ( d 1 ) + S t e − y τ e − d 1 2 2 2 π τ ⋅ σ S t − S t K e − r τ e ( r − y ) τ e − d 1 2 2 2 π τ ⋅ σ S t K = e − y τ N ( d 1 ) + e − y τ e − d 1 2 2 2 π τ ⋅ σ − e − y τ e − d 1 2 2 2 π τ ⋅ σ = e − y τ N ( d 1 )
Therefore, the delta of European call option with dividend payments is derived as above, that is:
Δ c a l l = e − y τ N ( d 1 ) Δ c a l l = e − y τ N ( d 1 )
The delta of European put option with dividend payments can be derived in a similar way.
Derivation of Gamma (Γ Γ )
Gamma (Γ Γ ) is the second partial derivative of the European option with respect to the price of underlying asset, that is:
Γ = ∂ 2 V ∂ S 2 t Γ = ∂ 2 V ∂ S t 2
Taking European call option with dividend payments as an example, since the delta:
Δ c a l l = e − y τ N ( d 1 ) Δ c a l l = e − y τ N ( d 1 )
The gamma would therefore be:
Γ = ∂ ∂ S t ( e − y τ N ( d 1 ) ) = e − y τ N ′ ( d 1 ) ∂ d 1 ∂ S t = e − y τ N ′ ( d 1 ) σ S t √ τ Γ = ∂ ∂ S t ( e − y τ N ( d 1 ) ) = e − y τ N ′ ( d 1 ) ∂ d 1 ∂ S t = e − y τ N ′ ( d 1 ) σ S t τ
That is:
Γ = e − y τ N ′ ( d 1 ) σ S t √ τ Γ = e − y τ N ′ ( d 1 ) σ S t τ
Derivation of Theta (Θ Θ )
Theta (Θ Θ ) is the partial derivative of the value of European option with respect to the time t t (NOT the time to maturity τ τ !), that is:
Θ = ∂ V ∂ t Θ = ∂ V ∂ t
In the following steps, I will replace the time to maturity τ τ by its original form T − t T − t , in order to show a much more clear version of chain rule. Here, I will write down each component of the chain, and make all of them up together, due to the sophistication of chain equation.
The partial derivative of d 1 d 1 with respect to time t t is:
∂ d 1 ∂ t = ∂ ∂ t [ log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) ( T − t ) σ √ T − t ] = − ( r − y + σ 2 2 ) σ √ T − t + σ 2 √ T − t ( r − y + σ 2 2 ) = − σ 2 ( r − y + σ 2 2 ) √ T − t ∂ d 1 ∂ t = ∂ ∂ t [ log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) ( T − t ) σ T − t ] = − ( r − y + σ 2 2 ) σ T − t + σ 2 T − t ( r − y + σ 2 2 ) = − σ 2 ( r − y + σ 2 2 ) T − t
The partial derivative of d 2 d 2 with respect to time t t is:
∂ d 2 ∂ t = ∂ ∂ t ( d 1 − σ √ T − t ) = ∂ d 1 ∂ t − ∂ ∂ t ( σ √ T − t ) = − σ 2 ( r − y + σ 2 2 ) √ T − t + σ 2 ( T − t ) − 1 2 ∂ d 2 ∂ t = ∂ ∂ t ( d 1 − σ T − t ) = ∂ d 1 ∂ t − ∂ ∂ t ( σ T − t ) = − σ 2 ( r − y + σ 2 2 ) T − t + σ 2 ( T − t ) − 1 2
Taking European call option with dividend payments as an example, the theta would be:
Θ c a l l = ∂ c t ∂ t = ∂ ∂ t [ S t e − y τ N ( d 1 ) − K e − r τ N ( d 2 ) ] = y S t e − y ( T − t ) N ( d 1 ) + S t e − y ( T − t ) N ′ ( d 1 ) ( − σ 2 ( r − y + σ 2 2 ) √ T − t ) − r K e − r ( T − t ) N ( d 2 ) − K e − r ( T − t ) N ′ ( d 2 ) ( − σ 2 ( r − y + σ 2 2 ) √ T − t + σ 2 ( T − t ) − 1 2 ) = y S t e − y ( T − t ) N ( d 1 ) − σ 2 S t ( r − y + σ 2 2 ) √ T − t ⋅ e − y ( T − t ) N ′ ( d 1 ) − r K e − r ( T − t ) N ( d 2 ) + σ 2 K ( r − y + σ 2 2 ) √ T − t ⋅ e − r ( T − t ) N ′ ( d 2 ) − σ 2 K ( T − t ) − 1 2 e − r ( T − t ) N ′ ( d 2 ) = y S t e − y ( T − t ) N ( d 1 ) − r K e − r ( T − t ) N ( d 2 ) − σ 2 S t ( r − y + σ 2 2 ) √ T − t ⋅ e − y ( T − t ) 1 √ 2 π e − d 2 1 2 + σ 2 K ( r − y + σ 2 2 ) √ T − t ⋅ e − r ( T − t ) 1 √ 2 π e − ( d 1 − σ √ T − t ) 2 2 − σ 2 K ( T − t ) − 1 2 e − r ( T − t ) 1 √ 2 π e − ( d 1 − σ √ T − t ) 2 2 = y S t e − y ( T − t ) N ( d 1 ) − r K e − r ( T − t ) N ( d 2 ) − σ S t 2 √ 2 π ( r − y + σ 2 2 ) √ T − t ⋅ e − y ( T − t ) e − d 2 1 2 + σ K 2 √ 2 π ( r − y + σ 2 2 ) √ T − t ⋅ e − r ( T − t ) e − d 2 1 − 2 σ d 1 √ T − t + σ 2 ( T − t ) 2 − σ K 2 √ 2 π ( T − t ) − 1 2 e − r ( T − t ) e − d 2 1 − 2 σ d 1 √ T − t + σ 2 ( T − t ) 2 = y S t e − y ( T − t ) N ( d 1 ) − r K e − r ( T − t ) N ( d 2 ) − σ S t 2 √ 2 π ( r − y + σ 2 2 ) √ T − t ⋅ e − y ( T − t ) e − d 2 1 2 + σ K 2 √ 2 π ( r − y + σ 2 2 ) √ T − t ⋅ e − r ( T − t ) S t K e − d 2 1 2 e ( r − y ) ( T − t ) − σ K 2 √ 2 π ( T − t ) − 1 2 e − r ( T − t ) S t K e − d 2 1 2 e ( r − y ) ( T − t ) = y S t e − y ( T − t ) N ( d 1 ) − r K e − r ( T − t ) N ( d 2 ) − σ S t 2 √ 2 π ( T − t ) − 1 2 e − d 2 1 2 e − y ( T − t ) = y S t e − y ( T − t ) N ( d 1 ) − r K e − r ( T − t ) N ( d 2 ) − σ S t e − y ( T − t ) N ′ ( d 1 ) 2 √ T − t = y S t e − y τ N ( d 1 ) − r K e − r τ N ( d 2 ) − σ S t e − y τ N ′ ( d 1 ) 2 √ τ Θ c a l l = ∂ c t ∂ t = ∂ ∂ t [ S t e − y τ N ( d 1 ) − K e − r τ N ( d 2 ) ] = y S t e − y ( T − t ) N ( d 1 ) + S t e − y ( T − t ) N ′ ( d 1 ) ( − σ 2 ( r − y + σ 2 2 ) T − t ) − r K e − r ( T − t ) N ( d 2 ) − K e − r ( T − t ) N ′ ( d 2 ) ( − σ 2 ( r − y + σ 2 2 ) T − t + σ 2 ( T − t ) − 1 2 ) = y S t e − y ( T − t ) N ( d 1 ) − σ 2 S t ( r − y + σ 2 2 ) T − t ⋅ e − y ( T − t ) N ′ ( d 1 ) − r K e − r ( T − t ) N ( d 2 ) + σ 2 K ( r − y + σ 2 2 ) T − t ⋅ e − r ( T − t ) N ′ ( d 2 ) − σ 2 K ( T − t ) − 1 2 e − r ( T − t ) N ′ ( d 2 ) = y S t e − y ( T − t ) N ( d 1 ) − r K e − r ( T − t ) N ( d 2 ) − σ 2 S t ( r − y + σ 2 2 ) T − t ⋅ e − y ( T − t ) 1 2 π e − d 1 2 2 + σ 2 K ( r − y + σ 2 2 ) T − t ⋅ e − r ( T − t ) 1 2 π e − ( d 1 − σ T − t ) 2 2 − σ 2 K ( T − t ) − 1 2 e − r ( T − t ) 1 2 π e − ( d 1 − σ T − t ) 2 2 = y S t e − y ( T − t ) N ( d 1 ) − r K e − r ( T − t ) N ( d 2 ) − σ S t 2 2 π ( r − y + σ 2 2 ) T − t ⋅ e − y ( T − t ) e − d 1 2 2 + σ K 2 2 π ( r − y + σ 2 2 ) T − t ⋅ e − r ( T − t ) e − d 1 2 − 2 σ d 1 T − t + σ 2 ( T − t ) 2 − σ K 2 2 π ( T − t ) − 1 2 e − r ( T − t ) e − d 1 2 − 2 σ d 1 T − t + σ 2 ( T − t ) 2 = y S t e − y ( T − t ) N ( d 1 ) − r K e − r ( T − t ) N ( d 2 ) − σ S t 2 2 π ( r − y + σ 2 2 ) T − t ⋅ e − y ( T − t ) e − d 1 2 2 + σ K 2 2 π ( r − y + σ 2 2 ) T − t ⋅ e − r ( T − t ) S t K e − d 1 2 2 e ( r − y ) ( T − t ) − σ K 2 2 π ( T − t ) − 1 2 e − r ( T − t ) S t K e − d 1 2 2 e ( r − y ) ( T − t ) = y S t e − y ( T − t ) N ( d 1 ) − r K e − r ( T − t ) N ( d 2 ) − σ S t 2 2 π ( T − t ) − 1 2 e − d 1 2 2 e − y ( T − t ) = y S t e − y ( T − t ) N ( d 1 ) − r K e − r ( T − t ) N ( d 2 ) − σ S t e − y ( T − t ) N ′ ( d 1 ) 2 T − t = y S t e − y τ N ( d 1 ) − r K e − r τ N ( d 2 ) − σ S t e − y τ N ′ ( d 1 ) 2 τ
That is:
Θ c a l l = y S t e − y τ N ( d 1 ) − r K e − r τ N ( d 2 ) − σ S t e − y τ N ′ ( d 1 ) 2 √ τ Θ c a l l = y S t e − y τ N ( d 1 ) − r K e − r τ N ( d 2 ) − σ S t e − y τ N ′ ( d 1 ) 2 τ
Derivation of Vega (ν ν )
Vega (ν ν ) is the partial derivative of European option value with respect to the volatility σ σ , that is:
ν = ∂ V ∂ σ ν = ∂ V ∂ σ
Taking European call option with dividend payments as an example, due to the complication of applying the chain rule, I will firstly derive the partial derivative of d 1 d 1 and d 2 d 2 with respect to σ σ respectively, thus:
∂ d 1 ∂ σ = σ 2 τ √ τ − ( log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ ) τ σ 2 τ = σ 2 √ τ − ( log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ ) σ 2 ∂ d 1 ∂ σ = σ 2 τ τ − ( log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ ) τ σ 2 τ = σ 2 τ − ( log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ ) σ 2
and:
∂ d 2 ∂ σ = ∂ d 1 ∂ σ − √ τ = − log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ σ 2 ∂ d 2 ∂ σ = ∂ d 1 ∂ σ − τ = − log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ σ 2
Therefore, by the chain rule:
ν c a l l = ∂ c t ∂ σ = S t e − y τ N ′ ( d 1 ) ∂ d 1 ∂ σ − K e − r τ N ′ ( d 2 ) ∂ d 2 ∂ σ = S t e − y τ 1 √ 2 π e − d 2 1 2 σ 2 τ − log ( S t K ) − ( r − y + σ 2 2 ) τ σ 2 + K e − r τ 1 √ 2 π e − d 2 2 2 log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ σ 2 = S t e − y τ e − d 2 1 2 σ 2 √ τ − log ( S t K ) − ( r − y + σ 2 2 ) τ √ 2 π σ 2 + K e − r τ e − d 2 1 2 e − σ 2 τ 2 S t K e ( r − y + σ 2 2 ) τ log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ √ 2 π σ 2 = S t e − y τ e − d 2 1 2 σ 2 √ τ √ 2 π σ 2 = S t e − y τ √ τ N ′ ( d 1 ) ν c a l l = ∂ c t ∂ σ = S t e − y τ N ′ ( d 1 ) ∂ d 1 ∂ σ − K e − r τ N ′ ( d 2 ) ∂ d 2 ∂ σ = S t e − y τ 1 2 π e − d 1 2 2 σ 2 τ − log ( S t K ) − ( r − y + σ 2 2 ) τ σ 2 + K e − r τ 1 2 π e − d 2 2 2 log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ σ 2 = S t e − y τ e − d 1 2 2 σ 2 τ − log ( S t K ) − ( r − y + σ 2 2 ) τ 2 π σ 2 + K e − r τ e − d 1 2 2 e − σ 2 τ 2 S t K e ( r − y + σ 2 2 ) τ log ( S t K ) + ( r − y + σ 2 2 ) τ 2 π σ 2 = S t e − y τ e − d 1 2 2 σ 2 τ 2 π σ 2 = S t e − y τ τ N ′ ( d 1 )
That is:
ν c a l l = S t e − y τ √ τ N ′ ( d 1 ) ν c a l l = S t e − y τ τ N ′ ( d 1 )
Derivation of Rho (ρ ρ )
Rho (ρ ρ ) is defined as the partial derivative of the value of the European option with respect to the risk free interest rate (r r ).
That is:
ρ = ∂ V ∂ r ρ = ∂ V ∂ r
Taking European call option with dividend payments as an example, we firstly derive the partial derivatives of d 1 d 1 and d 2 d 2 with respect to r r , that is:
∂ d 1 ∂ r = √ τ σ ∂ d 1 ∂ r = τ σ
and:
∂ d 2 ∂ r = ∂ ∂ r ( d 1 − σ √ τ ) = √ τ σ ∂ d 2 ∂ r = ∂ ∂ r ( d 1 − σ τ ) = τ σ
Therefore, we have:
∂ c t ∂ r = S t e − y τ N ′ ( d 1 ) ∂ d 1 ∂ r + τ K ⋅ N ( d 2 ) − K e − r τ N ′ ( d 2 ) ∂ d 2 ∂ r = √ τ σ ( S t e − y τ N ′ ( d 1 ) − K e − r τ N ′ ( d 2 ) ) + τ K ⋅ N ( d 2 ) = √ τ 2 π ⋅ σ ( S t e − y τ e − d 2 1 2 − K e − r τ e − d 2 2 2 ) + τ K ⋅ N ( d 2 ) = τ K ⋅ N ( d 2 ) ∂ c t ∂ r = S t e − y τ N ′ ( d 1 ) ∂ d 1 ∂ r + τ K ⋅ N ( d 2 ) − K e − r τ N ′ ( d 2 ) ∂ d 2 ∂ r = τ σ ( S t e − y τ N ′ ( d 1 ) − K e − r τ N ′ ( d 2 ) ) + τ K ⋅ N ( d 2 ) = τ 2 π ⋅ σ ( S t e − y τ e − d 1 2 2 − K e − r τ e − d 2 2 2 ) + τ K ⋅ N ( d 2 ) = τ K ⋅ N ( d 2 )
That is:
ρ c a l l = τ K ⋅ N ( d 2 ) ρ c a l l = τ K ⋅ N ( d 2 )
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