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QuantLib中零息债券YTM、零利率与交割日效应深度解析

碧海醫心

碧海醫心

发布时间:2025-09-23 11:34:01

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来源于php中文网

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QuantLib中零息债券YTM、零利率与交割日效应深度解析

本文深入探讨了在QuantLib Python中构建收益率曲线时,零息债券的到期收益率(YTM)与零利率之间的差异,以及交割日对债券定价和折现期的影响。通过实际代码示例,文章解释了这些差异的根源,并提供了修正方法,旨在帮助读者更准确地理解和应用QuantLib进行金融建模。

1. QuantLib收益率曲线构建基础

在金融建模中,收益率曲线是评估未来现金流折现价值的关键工具。quantlib提供了强大的功能来构建和操作各种收益率曲线。本节将介绍如何使用quantlib基于一组债券数据来构建零利率曲线。

首先,我们需要导入必要的库并设置QuantLib的评估日期、日历和计日约定。评估日期是所有计算的基准点。

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import QuantLib as ql

# 设置评估日期
today = ql.Date(21, ql.November, 2023)
ql.Settings.instance().evaluationDate = today

# 定义日历和计日约定
calendar = ql.NullCalendar() # 示例使用空日历,实际应用中应选择对应市场的日历
day_count = ql.Actual365Fixed() # 实际天数/365固定

# 债券面值和交割天数
faceAmount = 100
zero_coupon_settlement_days = 4
coupon_bond_settlement_days = 3

# 债券数据:(发行日期, 到期日期, 票息率, 市场价格, 交割天数)
data = [
    ('11-09-2023', '11-12-2023', 0, 99.524, zero_coupon_settlement_days), # 零息债券
    ('11-09-2023', '11-03-2024', 0, 96.539, zero_coupon_settlement_days), # 零息债券
    ('11-09-2023', '10-06-2024', 0, 93.552, zero_coupon_settlement_days), # 零息债券
    ('11-09-2023', '09-09-2024', 0, 89.510, zero_coupon_settlement_days), # 零息债券
    ('22-08-2022', '22-08-2024', 9.0, 96.406933, coupon_bond_settlement_days), # 附息债券
    ('27-06-2022', '27-06-2025', 10.0, 88.567570, coupon_bond_settlement_days),
    ('27-06-2022', '27-06-2027', 11.0, 71.363073, coupon_bond_settlement_days),
    ('22-08-2022', '22-08-2029', 12.0, 62.911623, coupon_bond_settlement_days),
    ('27-06-2022', '27-06-2032', 13.0, 55.976845, coupon_bond_settlement_days),
    ('22-08-2022', '22-08-2037', 14.0, 52.656596, coupon_bond_settlement_days)
]

接下来,我们使用这些债券数据创建一系列FixedRateBondHelper对象。这些助手对象是QuantLib用于收益率曲线构建的抽象层,它们将债券的市场价格、交割天数、面值、付息时间表等信息封装起来。我们将使用PiecewiseCubicZero插值方法来构建零利率曲线。

helpers = []
for issue_date_str, maturity_str, coupon, price, settlement_days in data:
    price_handle = ql.QuoteHandle(ql.SimpleQuote(price))

    # 注意:这里issue_date和maturity应根据实际债券的发行和到期日期解析
    # schedule的开始日期应为债券的实际发行日期,而不是today
    issue_date = ql.Date(issue_date_str, '%d-%m-%Y')
    maturity = ql.Date(maturity_str, '%d-%m-%Y')

    # 附息债券的付息频率通常是半年一次
    schedule = ql.Schedule(issue_date, maturity, ql.Period(ql.Semiannual), calendar, 
                           ql.DateGeneration.Backward, ql.Following, ql.DateGeneration.Backward, False)

    # FixedRateBondHelper 封装了债券信息
    helper = ql.FixedRateBondHelper(price_handle, settlement_days, faceAmount, schedule, 
                                    [coupon / 100], day_count, False)
    helpers.append(helper)

# 构建零利率曲线,使用PiecewiseCubicZero插值方法
curve = ql.PiecewiseCubicZero(today, helpers, day_count)

# 启用外推,以便计算超出数据范围的利率
curve.enableExtrapolation()

2. 收益率曲线数据提取与分析

收益率曲线构建完成后,我们可以从中提取特定日期的零利率、远期利率和折现因子。这些数据对于各种金融工具的估值至关重要。

# 示例:提取特定日期的零利率、远期利率和折现因子
example_date = ql.Date(11, ql.December, 2023)
zero_rate_example = curve.zeroRate(example_date, day_count, ql.Compounded, ql.Annual).rate()
forward_rate_example = curve.forwardRate(example_date, example_date + ql.Period(1, ql.Years), 
                                         day_count, ql.Compounded, ql.Annual).rate()
discount_factor_example = curve.discount(example_date)

print(f"在 {example_date} 的零利率: {round(zero_rate_example*100, 4)}%")
print(f"在 {example_date} 的一年期远期利率: {round(forward_rate_example*100, 4)}%")
print(f"在 {example_date} 的折现因子: {round(discount_factor_example, 4)}")

# 提取所有节点日期的零利率、远期利率和折现因子
node_data = {'Date': [], 'Zero Rates': [], 'Forward Rates': [], 'Discount Factors': []}
for dt in curve.dates():
    node_data['Date'].append(dt)
    node_data['Zero Rates'].append(curve.zeroRate(dt, day_count, ql.Compounded, ql.Annual).rate())
    node_data['Forward Rates'].append(curve.forwardRate(dt, dt + ql.Period(1, ql.Years), 
                                                        day_count, ql.Compounded, ql.Annual).rate())
    node_data['Discount Factors'].append(curve.discount(dt))

node_dataframe = pd.DataFrame(node_data)
print("\n收益率曲线节点数据:")
print(node_dataframe)
node_dataframe.to_excel('NodeRates.xlsx', index=False)

注意事项: 在调用curve.zeroRate()或curve.forwardRate()时,务必明确指定计息方式(ql.Compounded、ql.Simple等)和付息频率(ql.Annual、ql.Semiannual等)。虽然在某些情况下,默认值可能恰好与期望值一致,但显式指定可以避免潜在的混淆和错误。

3. 零息债券的YTM与零利率差异解析

在使用QuantLib对零息债券进行分析时,可能会发现其计算出的到期收益率(YTM)与收益率曲线中对应到期日的零利率(Zero Rate)存在细微差异。这通常是由两个关键概念的定义差异引起的:

  • 零利率(Zero Rate/Spot Rate):通常是从评估日期(evaluation date)到未来某个到期日的利率,用于将该到期日的现金流折现到评估日期。
  • 到期收益率(Yield to Maturity, YTM):对于债券而言,YTM是使得债券未来所有现金流(包括面值)的现值等于其当前市场价格(或交割价格)的折现率。这意味着YTM的计算基准是从交割日期(settlement date)到到期日。

由于评估日期和交割日期可能不同(例如,T+N交割,交割日是评估日后的N个工作日),因此从这两个不同起点计算出的利率自然会有所不同。

解决方案: 为了使零息债券的YTM与零利率保持一致,我们需要确保零利率的计算起点与YTM的计算起点相同,即都从债券的交割日期开始。在QuantLib中,可以通过使用curve.forwardRate()方法来实现这一点,将其起始日期设为债券的交割日期,结束日期设为到期日期。

# 示例:修正零息债券的零利率计算以匹配YTM
bond_results = {
    'Issue Date': [], 'Maturity Date': [], 'Coupon Rate': [], 'Price': [],
    'Settlement Days': [], 'Yield': [], 'Zero Rate (from Curve)': [],
    'Zero Rate (from Settlement)': [], 'Discount Factor': [],
    'Clean Price': [], 'Dirty Price': []
}

for issue_date_str, maturity_str, coupon, price, settlement_days in data:
    price_handle = ql.QuoteHandle(ql.SimpleQuote(price))
    issue_date = ql.Date(issue_date_str, '%d-%m-%Y')
    maturity = ql.Date(maturity_str, '%d-%m-%Y')

    # 附息债券的付息频率通常是半年一次
    schedule = ql.Schedule(issue_date, maturity, ql.Period(ql.Semiannual), calendar, 
                           ql.DateGeneration.Backward, ql.Following, ql.DateGeneration.Backward, False)

    bondEngine = ql.DiscountingBondEngine(ql.YieldTermStructureHandle(curve))
    bond = ql.FixedRateBond(settlement_days, faceAmount, schedule, [coupon / 100], day_count)
    bond.setPricingEngine(bondEngine)

    bondYield = bond.bondYield(day_count, ql.Compounded, ql.Annual)
    bondCleanPrice = bond.cleanPrice()
    bondDirtyPrice = bond.dirtyPrice()

    # 从收益率曲线中获取的零利率(基于评估日期)
    zero_rate_from_curve = curve.zeroRate(maturity, day_count, ql.Compounded, ql.Annual).rate()

    # 修正后的零利率:从债券交割日期到到期日的远期利率,这与YTM的定义一致
    # 只有当coupon为0时,YTM才应与此“交割日零利率”相同
    zero_rate_from_settlement = 0.0
    if coupon == 0: # 仅对零息债券进行此比较
        zero_rate_from_settlement = curve.forwardRate(bond.settlementDate(), maturity,
                                                      day_count, ql.Compounded, ql.Annual).rate()

    discount_factor = curve.discount(maturity)

    bond_results['Issue Date'].append(issue_date)
    bond_results['Maturity Date'].append(maturity)
    bond_results['Coupon Rate'].append(coupon)
    bond_results['Price'].append(price_handle.value())
    bond_results['Settlement Days'].append(settlement_days)
    bond_results['Yield'].append(bondYield)
    bond_results['Zero Rate (from Curve)'].append(zero_rate_from_curve)
    bond_results['Zero Rate (from Settlement)'].append(zero_rate_from_settlement)
    bond_results['Discount Factor'].append(discount_factor)
    bond_results['Clean Price'].append(bondCleanPrice)
    bond_results['Dirty Price'].append(bondDirtyPrice)

bond_results_df = pd.DataFrame(bond_results)
print("\n债券定价与收益率分析结果:")
print(bond_results_df)
bond_results_df.to_excel('BondResults.xlsx', index=False)

通过上述修正,对于零息债券,Yield列(即YTM)和Zero Rate (from Settlement)列将非常接近或相同,从而解决了差异问题。

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4. 交割日对折现期的影响

交割日(Settlement Days)是金融交易中的一个重要概念,它指的是从交易达成到资产实际转移并完成支付所需的工作日数。例如,T+4交割意味着交易发生后的第四个工作日才完成交割。在债券定价中,交割日对折现期的影响可能与直觉有所不同。

核心理解: 当我们在今天(评估日)购买一个债券并约定T+N交割时,我们并不是从今天开始持有该债券并享受其现金流,而是从交割日开始。因此,在计算债券的现值时,我们应该将未来的现金流折现到交割日,而不是评估日。

这意味着:

  • 如果一个债券的到期日是 M,交割日是 S。
  • 我们通常需要将债券的未来现金流从 M 折现到 S。
  • S 是在 today 之后的 settlement_days 个工作日。

因此,实际的折现期是从交割日到到期日,而不是从评估日到到期日。由于交割日晚于评估日,这意味着折现期会缩短

示例: 假设一个零息债券在 M 日到期,面值为100。如果今天(评估日 T)购买,T+4交割,则交割日为 T+4。我们需要将100元从 M 折现到 T+4。这意味着折现期是 M - (T+4) 天。如果错误地从 M 折现到 T,折现期将是 M - T 天,这将导致折现期变长,从而计算出更低的债券价格。

在QuantLib中,FixedRateBond构造函数中的settlement_days参数正是用于处理这一逻辑。它会根据交割天数自动确定债券的交割日期,并以此为基准进行定价和收益率计算。当你使用bond.bondYield()计算YTM时,它会考虑从交割日到到期日的折现期。

5. 总结

本文详细阐述了在QuantLib中处理零息债券的到期收益率(YTM)、零利率以及交割日效应的关键点。核心要点包括:

  • YTM与零利率的差异:零利率通常以评估日为起点,而YTM以交割日为起点。通过将零利率的计算起点调整为交割日(使用curve.forwardRate(bond.settlementDate(), maturity, ...)),可以实现两者的一致性。
  • 交割日对折现期的影响:交割日的存在意味着债券的实际持有和现金流接收是从交割日开始。因此,债券的定价和折现应以交割日为基准,这实际上会缩短折现期,而非增加。QuantLib的settlement_days参数已内置处理此逻辑。
  • QuantLib使用最佳实践:在调用zeroRate或forwardRate时,始终明确指定计息方式(如ql.Compounded)和付息频率,以确保计算的准确性和可预测性。

理解这些细微之处对于在QuantLib中进行精确的金融建模至关重要,能够帮助用户避免常见的错误,并更准确地分析债券市场数据。

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