Limit theorems for limit order books
Creators: name: Paulsen, Michael Christoph
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät II
Year: 2014
Subjects: subject: Limit Orderbuch
subject: Gesetz der großen Zahlen
subject: Invarianzprinzip
subject: Skalierungslimit
subject: Mittelungsprinzip
subject: Warteschlangentheorie
subject: limit order book
subject: law of large numbers
subject: functional central limit theorem
subject: invariance principle
subject: scaling limit
subject: averaging principle
subject: queueing theory
subject: 510 Mathematik
subject: 27 Mathematik
subject: SK 820

description: Im ersten Teil der Dissertation wird ein diskretes stochastisches zustandsabhängiges Modell eines zweiseitigen Limit Orderbuchs als bestehend aus den Zustandsgrößen bester Bidpreis (Geldkurs), bester Askpreis (Briefkurs) und vorhandener Kauf- bzw. Verkaufsdichte definiert. Für eine einfache Skalierung mit zwei Zeitskalen wird ein Grenzwertsatz bewiesen. Die Veränderungen der besten Bid- und Askpreise werden im Sinne des Gesetzes der großen Zahlen skaliert und dies entspricht der langsameren Zeitskala. Das Platzieren bzw. Stornieren der Limitorder findet auf der schnelleren Zeitskala statt. Der Grenzwertsatz besagt, dass die fundamentalen Zustandsgrößen, gegeben Regularitätsbedingungen der einkommenden Order, fast sicher zu einem stetigen Limesmodell konvergieren. Im Limesmodell sind der beste Bidpreis und der beste Askpreis die eindeutigen Lösungen von zwei gekoppelten gewöhnlichen DGLen. Die Kauf- und Verkaufsdichten sind jeweils als eindeutige Lösungen von linearen hyperbolischen PDGLen, die anhand der Erwartungswerte der einkommenden Orderparameter festgelegt sind, gegeben. Die Lösungen sind in geschlossener Form erhältlich. Im zweiten Teil wird ein funktionaler zentraler Grenzwertsatz d.h. ein Invarianzprinzip für ein vereinfachtes Modell eines Limitorderbuches bewiesen. Unter einer natürlichen Skalierung konvergiert der zweidimensionale Preisprozess (Bid- und Askpreis) in Verteilung zu einer Semimartingal reflektierten Brownschen Bewegung in der zugelassenen Preismenge. Gleichzeitig konvergieren die Kauf- und Verkaufsdichten im schwachen Sinn zum Betrag einer zweiparametrischen Brownschen Bewegung. Es wird weiterhin anhand eines Beispiels gezeigt, wie man für das Modell im ersten Teil eine stochastiche PDGL, unter einer starken Stationaritätsannahme für die Orderplatzierungen und -stornierungen, herleiten kann. Im dritten Teil wird ein Mittelungs- bzw. ein Invarianzprinzip für diskrete Banach- bzw. Hilbertraumwertige stochastische Prozesse bewiesen.
description: In the first part of the thesis, we define a random state-dependent discrete model of a two-sided limit order book in terms of its key quantities best bid [ask] price and the standing buy [sell] volume density. For a simple scaling that introduces a slow time scaling, that is equivalent to the classical law of large numbers, for the bid/ask prices and a faster time scale for the limit volume placements/cancelations, that keeps the expected volume rate over the considered price interval invariant, we prove a limit theorem. The limit theorem states that, given regularity conditions on the random order flow, the key quantities converge in the sense of a strong law of large numbers to a tractable continuous limiting model. The limiting model is such that the best bid and ask price dynamics can be described in terms of two coupled ODE:s, while the dynamics of the relative buy and sell volume density functions are given as the unique solutions of two linear first-order hyperbolic PDE:s with variable coefficients, specified by the expectation of the order flow parameters. In the second part, we prove a functional central limit theorem i.e. an invariance principle for an order book model with block shaped volume densities close to the spread. The weak limit of the two-dimensional price process (best bid and ask price) is given by a semi-martingale reflecting Brownian motion in the set of admissible prices. Simultaneously, the relative buy and sell volume densities close to the spread converge weakly to the modulus of a two-parameter Brownian motion. We also demonstrate an example how to easily derive an SPDE for the relative volume densities in a simple case, when a strong stationarity assumption is made on the limit order placements and cancelations for the model suggested in the first part. In the third and final part of the thesis, we prove an averaging and an invariance principle for discrete processes taking values in Banach and Hilbert spaces, respectively.