Equilibrium Reward for Liquidity Providers in Automated Market Makers
Алиф Акша, Филипп Берго, Леандро Санчес-Бетанкур · 28 марта 2025 (v1)
Mathematical Institute, University of Oxford; Oxford-Man Institute of Quantitative Finance; Ceremade, Université Paris Dauphine-PSL.
Оригинал: Aqsha, A., Bergault, P., Sánchez-Betancourt, L. «Equilibrium Reward for Liquidity Providers in Automated Market Makers», 2025 — arxiv.org/abs/2503.22502 (PDF), лицензия CC BY 4.0.
Рисунки воспроизведены из оригинальной публикации. Перевод выполнен с указанием источника в соответствии с условиями лицензии CC BY 4.0.
Аннотация
Мы находим равновесный контракт, который автоматический маркетмейкер (AMM) предлагает стратегическим поставщикам ликвидности (LP), чтобы максимизировать поток заявок, обрабатываемый площадкой. Модель — стохастическая игра лидер–последователь: площадка — лидер, репрезентативный LP — последователь. Получены приближённые замкнутые равновесные решения и разобрана структура вознаграждения. При равновесном контракте LP добавляет ликвидность в пул только если большая глубина в среднем привлекает больше шумовой торговли. Контракт зависит от внешней цены, референсной цены пула и резервов. Каркас даёт ориентиры по дизайну AMM: максимизировать оборот, не разоряя LP.
Ключевые слова: automated market makers; design; fees; leader-follower games; Stackelberg equilibrium; optimal contract; noise trading; arbitrageurs; principal agent.
1. Введение
Автоматические маркетмейкеры — одна из недавних финансовых технологий: площадка с заранее заданными правилами торговли, где встречаются liquidity takers (LT) и liquidity providers (LP). Популярность пришла после Uniswap V2 в мае 2020; к 2025 объявлена уже четвёртая версия протокола, см. Adams et al. (2021, 2023).
Литература по AMM молода, но уже плотная. Механика: Chiu and Koeppl (2019); Angeris and Chitra (2020); Angeris et al. (2021); Capponi and Jia (2021); Lipton and Treccani (2021). Арбитраж между AMM и централизованными площадками — Cartea et al. (2023a,b); ценообразование в AMM — Capponi et al. (2024). Без комиссий агент, предоставляющий ликвидность в стандартном constant-function рынке (CFM) — где цена определяется только резервами — получает вогнутый payoff, хуже чем просто держать монеты вне пула: это непостоянные потери (impermanent loss, IL). Эмпирика Loesch et al. (2021) показывает, что даже с комиссиями LP в среднем убыточны. Хеджирование IL — Fukasawa et al. (2023); loss-versus-rebalancing — Milionis et al. (2022, 2023). Cartea et al. (2024a) вводят более общее понятие предсказуемых потерь и выводят оптимальные стратегии предоставления ликвидности. Смежные переводы на этом сайте: ценообразование и хеджирование LP в CFMM, оптимальные динамические комиссии, теоретический каркас комиссий.
Другая линия — сам дизайн AMM. Bergault et al. (2024a) предлагают механизм, где ценовая функция использует внешний курс: котировки обновляются не только после сделки, но и после сигнала оракула. Cartea et al. (2024b) вводят decentralized liquidity pools (DLP): оптимальная политика по выбранному критерию порождает новый дизайн; в зависимости от модели DLP может следить за внешней ценой или фильтровать поток в поиске фундаментальной стоимости. Adams et al. (2024) — auction-managed AMM: меньше потерь на информированном потоке, больше выручки с неинформированного. За исключением Adams et al. (2024), эти дизайны не ставят целью максимизировать торговую активность площадки.
В этой работе мы ищем оптимальный контракт, который CFM должен предложить стратегическим LP, чтобы привлечь максимальный поток заявок. Дизайн формулируется как решение стохастической игры лидер–последователь: площадка — лидер, репрезентативный LP — последователь (агрегат LP, как у Fukasawa et al., 2025). Ближайший аналог в централизованном стакане — El Euch et al. (2021) об оптимальных make-take комиссиях; см. также Baldacci et al. (2021) для многоагентной версии и Baldacci and Bergault (2024). Здесь контракт проектирует сам CFM. Получены приближённые замкнутые решения и структура вознаграждения, которая в равновесии тянет наибольший возможный поток на площадку.
Насколько нам известно, это первая статья, где дизайн AMM ставится как стохастическая игра лидер–последователь. LP максимизирует экспоненциальную полезность богатства, площадка — торговую активность. Как обычно в таких играх: при данной структуре вознаграждения считаем оптимальную стратегию LP (последователь), затем — оптимальную структуру вознаграждения площадки (лидер). Новый дизайн — «контракт», кодирующий вторую оптимизацию.
Если большая ликвидность в пуле не привлекает шумовую торговлю, LP не имеет стимула её добавлять. Если привлекает — оптимальный контракт стимулирует добавлять ликвидность, чтобы пользоваться шумовым потоком. Транзакционные издержки на внешнем рынке масштабируют объём, который репрезентативный LP кладёт в пул. В равновесии контракт зависит от внешней цены, референсной цены пула и резервов.
Дальше: раздел 2 — вероятностный каркас; 2.3 — задача LP, 2.4 — задача площадки. Решения — разделы 3 и 4. Раздел 5 — численные результаты. Доказательства — в приложении оригинала.
2. Модель
2.1. Вероятностный каркас
Пусть $T \gt 0$ — торговый горизонт (например, один день), $\Omega_c$ — множество непрерывных функций из $\mathcal{T}=[0,T]$ в $\mathbb{R}$, $\Omega_d$ — кусочно-постоянные каdlаг-функции из $\mathcal{T}$ в $\mathbb{N}$, и $\Omega=(\Omega_c)^2\times(\Omega_d)^2$ с борелевской $\sigma$-алгеброй $\mathcal{F}$. Наблюдаемое состояние — канонический процесс $(\chi_t)_{t\in\mathcal{T}}=(W_t,B_t,\hat N_t^+,\hat N_t^-)_{t\in\mathcal{T}}$ на $(\Omega,\mathcal{F})$.
Мера $\mathbb{P}$ такова, что $W$ и $B$ — броуновские движения, $\hat N^-$, $\hat N^+$ — пуассоновские процессы с интенсивностью $a_0\gt 0$; все четыре независимы (независимость $W$ и $B$ можно ослабить).
Торгуется пара активов $X$ и $Y$ (например, USDC и ETH) в constant-function рынке. Параллельно есть внешний стакан, где торгуются те же активы. $S=(S_t)_{t\in\mathcal{T}}$ — внешняя mid-цена $Y$ в единицах $X$. В CFM $X_t$ и $Y_t$ — количества активов в пуле. Торговая функция $f(x,y)=xy$ — constant product market (CPM). Уровневая функция $\varphi^c_t(y)$ удовлетворяет $\varphi^c_t(Y_t)=X_t$ при $c_t=f(X_{t-},Y_{t-})=X_{t-}Y_{t-}$:
\[ \varphi^c(y)=\frac{c}{y},\qquad (\varphi^c)'(y)=-\frac{c}{y^2}. \]Внешняя mid-цена:
\[ dS_t=\sigma\,dW_t,\qquad S_0\in\mathbb{R}_+, \]где $\sigma\gt 0$ — волатильность. Это цена площадки, где формируется цена (Binance, Kraken).
В CFM liquidity takers приходят по считающим процессам $N^-$ (LT покупает) и $N^+$ (LT продаёт) — число сделок размера $\xi\gt 0$. $Z=(Z_t)$ — мгновенная цена $Y$ в единицах $X$ в пуле. Следуя характеризации CFM у Cartea et al. (2024b), динамика резервов и мгновенного курса при стохастической глубине пула $c_t$ (из-за активности LP):
\[ \begin{aligned} dX_t &= Z_t\eta\,dB_t - \bigl[\varphi^{c_t}(Y_{t-})-\varphi^{c_t}(Y_{t-}+\xi)\bigr]dN_t^+ + \bigl[\varphi^{c_t}(Y_{t-}-\xi)-\varphi^{c_t}(Y_{t-})\bigr]dN_t^-,\\ dY_t &= \eta\,dB_t + \xi\,dN_t^+ - \xi\,dN_t^-,\\ dZ_t &= \bigl[-(\varphi^{c_t})'(Y_{t-}+\xi)+(\varphi^{c_t})'(Y_{t-})\bigr]dN_t^+ + \bigl[-(\varphi^{c_t})'(Y_{t-}-\xi)+(\varphi^{c_t})'(Y_{t-})\bigr]dN_t^-,\\ dN_t^- &= \mathbf{1}_{\{Y_{t-}\gt\xi\}}d\hat N_t^-,\qquad dN_t^+=d\hat N_t^+, \end{aligned} \]с $\eta\gt 0$ — волатильность предоставления ликвидности, $N_0^+=N_0^-=0$, $X_0\in\mathbb{R}_+$, $Y_0\in(\xi,\infty)$, $Z_0=X_0/Y_0$. Индикатор $\mathbf{1}_{\{Y_{t-}\gt\xi\}}$ гарантирует сильное решение; на практике он почти всегда единица. Покупка LT уменьшает $Y$ на $\xi$, $X$ поднимается до $\varphi^{c_t}(Y_{t-}-\xi)$, мгновенный курс переходит на $(\varphi^{c_t})'(Y_{t-}-\xi)$.
Пространство $(\Omega,\mathcal{F})$ наделяется $\mathbb{P}$-пополненной канонической фильтрацией $\mathbb{F}=(\mathcal{F}_t)$, порождённой $(\chi_t)$.
2.2. Слабая формулировка
Пусть $(L_t)$ — экспонента Долеан–Дад:
\[ \int_0^t(\lambda_u^--a_0)\,d\tilde N_u^- + \int_0^t(\lambda_u^+-a_0)\,d\tilde N_u^+, \]где
\[ \lambda_t^\pm=\bar\lambda^\pm(Z_{t-},Y_{t-},S_t),\qquad d\tilde N_t^\pm=d\hat N_t^\pm-\lambda_t^\pm dt, \]и
\[ \bar\lambda^\pm(Z,Y,S)=\max\{a_0,\, a_1+a_2 Y\pm a_3(Z-S)\},\qquad a_0\gt 0,\; a_1,a_2,a_3\ge 0. \tag{2.1} \]Линейная модель интенсивностей (в духе Stoikov and Sağlam, 2009) ловит три стилизованных факта: (i) $a_1$ — базовая интенсивность мотивированных сделок; (ii) $a_2$ — связь прибытий с глубиной (при прочих равных большая глубина — меньше проскальзывание, торговать в таком пуле выгоднее; на коротком горизонте $a_2 Y_t$ — разумный прокси глубины); (iii) $a_3$ — арбитражёры, выравнивающие котировки внешнего стакана и CFM. Эффект $S-Z$ асимметричен: при $S\gt Z$ пул недооценён, ожидаем большую интенсивность покупок и меньшую продаж. Минимум $a_0\gt 0$ — техническое условие, чтобы интенсивность не обнулялась; на практике обе интенсивности держатся вдали от нуля. В п. 4.3 это проверяется на рыночных данных.
Пусть $\nu_\infty\gt 0$ — ограничение на скорость, с которой репрезентативный LP добавляет или снимает ликвидность. Множество допустимых стратегий:
\[ \mathcal{A}:=\bigl\{\nu=(\nu_t)_{t\in\mathcal{T}}:\ \nu\text{ прогрессивно измерима относительно }\mathbb{F},\ |\nu_t|\le\nu_\infty\ \mathbb{P}\otimes dt\text{-п.н.}\bigr\}. \]Для каждого $\nu\in\mathcal{A}$ производная Радона–Никодима $(K_t^\nu)$:
\[ K_t^\nu:=\exp\Bigl(\int_0^t\frac{\nu_s}{\eta}\,dB_s-\frac12\int_0^t\Bigl(\frac{\nu_s}{\eta}\Bigr)^2 ds\Bigr). \]При $\nu\in\mathcal{A}$ процесс — мартингал (Новиков: $\nu$ ограничена). Мера $\mathbb{P}^\nu$ задаётся $d\mathbb{P}^\nu/d\mathbb{P}:=K_T^\nu L_T$. Все $\mathbb{P}^\nu$ эквивалентны, поэтому «п.н.» однозначно.
Итого, под $\mathbb{P}^\nu$ процессы $\hat N^+$ и $\hat N^-$ имеют интенсивности $(\lambda_t^+)$ и $(\lambda_t^-)$,
\[ B_t^\nu=B_t-\int_0^t\frac{\nu_s}{\eta}\,ds \]— стандартное броуновское движение, $W$ — стандартное броуновское с $\langle W,B^\nu\rangle=0$. Динамика:
\[ \begin{aligned} dS_t&=\sigma\,dW_t,\\ dX_t&= Z_t\nu_t\,dt + Z_t\eta\,dB_t^\nu - \bigl[\varphi^{c_t}(Y_{t-})-\varphi^{c_t}(Y_{t-}+\xi)\bigr]dN_t^+ + \bigl[\varphi^{c_t}(Y_{t-}-\xi)-\varphi^{c_t}(Y_{t-})\bigr]dN_t^-,\\ dY_t&= \nu_t\,dt + \eta\,dB_t^\nu + \xi\,dN_t^+ - \xi\,dN_t^-,\\ dZ_t&= \bigl[-(\varphi^{c_t})'(Y_{t-}+\xi)+(\varphi^{c_t})'(Y_{t-})\bigr]dN_t^+ + \bigl[-(\varphi^{c_t})'(Y_{t-}-\xi)+(\varphi^{c_t})'(Y_{t-})\bigr]dN_t^-. \end{aligned} \]В $dX_t$ и $dY_t$ первое слагаемое — репрезентативный LP, второе — остальные LP, третье — LT.
2.3. Задача последователя: репрезентативный LP
Репрезентативный LP финансирует долю в пуле торговлей на внешнем рынке. Чтобы добавить (снять) $\nu_t\,dt$ единиц $Y$ в пул, он покупает (продаёт) $\nu_t\,dt$ единиц внешне по цене $(S_t+a\nu_t)\nu_t\,dt$, где $a$ — временный ценовой импакт внешнего стакана. Критерий на $0\le s\le t\le T$:
\[ Q^\nu_{s,t}:=(Z_t Y_t+Y_t S_t)-(Z_s Y_s+Y_s S_s)-\int_s^t Z_{u-}\nu_{u-}\,du-\int_s^t(S_u+a\nu_{u-})\nu_{u-}\,du. \]Первые два члена — mark-to-market доли в пуле, $Y_t$ оценивается по внешней цене $S_t$. Интеграл $-\int Z\nu$ — финансирование единиц $X$. Последний интеграл — финансирование $Y$: квадратичный член $a\nu_t^2$ — издержки хождения по стакану и спред. Можно добавить running-штраф $-\int p(u,Z_u,Y_u,S_u)\,du$; для простоты формул его нет.
Эквивалентно:
\[ Q^\nu_{s,t}=-\int_s^t a\nu_{u-}^2\,du+\eta\int_s^t(S_{u-}+Z_{u-})\,dB_u^\nu+\sigma\int_s^t Y_{u-}\,dW_u+\int_s^t\Delta_u^-\,dN_u^-+\int_s^t\Delta_u^+\,dN_u^+, \]где
\[ \Delta_u^\pm:=\pm\xi\Bigl(S_{u-}-\frac{Z_{u-}Y_{u-}}{Y_{u-}\pm\xi}\Bigr). \]Задача управления LP:
\[ V_t(R)=\sup_{\nu\in\mathcal{A}}\mathbb{E}_t^\nu\bigl[-\exp\bigl\{-\gamma(R+Q^\nu_{t,T})\bigr\}\bigr], \]где $R\in L^2(\Omega,\mathcal{F}_T,\mathbb{P}^\nu)$ — вознаграждение, которое площадка платит репрезентативному LP, $\gamma\gt 0$ — его риск-аверсия.
Условие 1. Существует $\gamma'\gt\gamma$ такое, что $\sup_{\nu\in\mathcal{A}}\mathbb{E}^\nu[\exp\{-\gamma' R\}]\lt+\infty$.
В разделе 3 для каждого $R$ доказывается единственный оптимальный отклик $\nu^*(R)$.
2.4. Задача лидера: площадка
Площадка даёт контракт $R$ репрезентативному LP и хочет максимальный поток заявок $N_T^-+N_T^+$. Критерий:
\[ \mathbb{E}^{\nu^*(R)}\bigl[-\exp\bigl\{-\zeta\bigl(r(N_T^-+N_T^+)-R\bigr)\bigr\}\bigr], \]где $\zeta\gt 0$ — риск-аверсия площадки, $r\gt 0$ — постоянная комиссия, которую LT платит площадке.
Условие 2. Существует $\zeta'\gt\zeta$ такое, что $\sup_{\nu\in\mathcal{A}}\mathbb{E}^\nu[\exp\{\zeta' R\}]\lt+\infty$.
Множество допустимых контрактов:
\[ \mathcal{A}_R=\bigl\{R\ \mathcal{F}_T\text{-измеримые}:\ V_0(R)\ge\underline{R},\ \text{условия 1 и 2}\bigr\}, \]где $\underline{R}\lt 0$ — резервационный уровень LP: наименьшая приемлемая полезность; контракт отклоняется, если он её не достигает (замечание 1).
Раздел 3 — оптимальный отклик последователя $\nu^*(R)$, раздел 4 — оптимальный контракт $R^*$.
3. Решение задачи LP
Для $(\nu,A)\in[-\nu_\infty,\nu_\infty]\times\mathbb{R}^4$, $A=(A^W,A^B,A^+,A^-)$,
\[ h(\nu,A)=-a\nu^2+\frac{1}{\eta}A^B\nu. \]Максимум по $\nu$ достигается в
\[ \bar\nu(A)=\Bigl(\frac{A^B}{2a\eta}\vee(-\nu_\infty)\Bigr)\wedge\nu_\infty, \]и $H(A)=\sup_{|\nu|\le\nu_\infty}h(\nu,A)=h(\bar\nu(A),A)$.
Для константы $P_0\in\mathbb{R}$ и предсказуемого $(A_t)=(A_t^W,A_t^B,A_t^+,A_t^-)$ с
\[ \sup_{\nu\in\mathcal{A}}\mathbb{E}^\nu\Bigl[\int_0^T\bigl((A_t^B)^2+(A_t^W)^2\bigr)dt\Bigr]\lt\infty \]и интегрируемостью дрифта (квадратичные штрафы по $A^W$, $A^B$, скачки и гамильтониан $H$), вводится процесс
\[ \begin{aligned} P_t^{P_0,A}=P_0&+\sum_{i\in\{+,-\}}\int_0^t A_s^i\,d\hat N_s^i+\int_0^t A_s^W\,dW_s+\int_0^t A_s^B\,dB_s\\ &+\int_0^t\Biggl\{\frac{\gamma}{2}\Bigl[(A_s^W+\sigma Y_{s-})^2+(A_s^B+\eta(S_{s-}+Z_{s-}))^2\Bigr]\\ &\qquad-\sum_{i\in\{+,-\}}\frac{\lambda_s^i(1-e^{-\gamma(A_s^i+\Delta_s^i)})}{\gamma}-H(A_s)\Biggr\}ds. \end{aligned} \]$\Lambda$ — множество процессов $(A_t)$, для которых условия 1–2 выполнены с вознаграждением $R=P_T^{P_0,A}$ и $\sup_\nu\sup_t\mathbb{E}^\nu[\exp\{-\gamma' P_t^{P_0,A}\}]\lt\infty$ при некотором $\gamma'\gt\gamma$. Множество
\[ \mathcal{P}=\bigl\{P_T^{P_0,A}:\ P_0\in\mathbb{R},\ A\in\Lambda,\ V_0(P_T^{P_0,A})\ge\underline{R}\bigr\}. \]Ясно, что $\mathcal{P}\subset\mathcal{A}_R$. Следующие две теоремы доказаны в приложении A оригинала.
Теорема 1. Для любого $R\in\mathcal{A}_R$ существует единственная пара $(P_0,A)\in\mathbb{R}\times\Lambda$ такая, что $R=P_T^{P_0,A}$. В частности, $\mathcal{A}_R=\mathcal{P}$.
Теорема 2. Для любой структуры вознаграждения $R=P_T^{P_0,A}$ из теоремы 1 функция ценности LP
\[ V_0(P_T^{P_0,A})=-\exp(-\gamma P_0), \]с оптимальной скоростью предоставления ликвидности
\[ \nu_t^*=\bar\nu(A_t)=\Bigl(\frac{A_t^B}{2a\eta}\vee(-\nu_\infty)\Bigr)\wedge\nu_\infty. \]Замечание 1. $P_0$ — certainty equivalent LP при контракте $P_T^{P_0,A}$ и оптимальной торговле; любой допустимый контракт должен удовлетворять $-\exp(-\gamma P_0)\ge\underline{R}$. У El Euch et al. (2021) резервационный уровень берут как полезность агента без контракта: там оптимальный агент прибылен и без контракта. Здесь иначе: без комиссий LP в CPM получает вогнутый отрицательный payoff. Чтобы привлечь LP, площадка должна перераспределить часть комиссий. Поскольку LP может просто не участвовать, $P_0$ должен быть неотрицательным, разумно рассматривать $-1\le\underline{R}\lt 0$. Конкуренция площадок за LP будет поднимать этот уровень. В численных примерах $\underline{R}$ выбирается так, чтобы LP и площадка делили прибыль от комиссий.
4. Решение задачи площадки
Сначала риск-нейтральный случай (п. 4.1), затем экспоненциальная полезность (п. 4.2).
4.1. Риск-нейтральная площадка
При $\zeta\downarrow 0$ задача площадки сводится к
\[ \sup_{R\in\mathcal{A}_R}\mathbb{E}^{\nu^*(R)}\bigl[r(N_T^-+N_T^+)-R\bigr]. \]По теореме 2 это эквивалентно супремуму по $P_0\ge\hat P_0$ и $A\in\Lambda$, где $\hat P_0=-\gamma^{-1}\log(-\underline{R})$. Для любого $A$ супремум по $P_0$ достигается в $P_0=\hat P_0$. Остаётся оптимизировать по $A$ ожидаемый интеграл с гамильтонианом $H$, компенсацией риска LP и комиссиями $r-A^i$ на скачках.
Функция ценности $v(t,z,y,s)$ удовлетворяет HJB (4.1) оригинала. Супремум по $A$ достигается в
\[ \begin{aligned} (A^W)^*&=-Y\sigma,\\ (A^B)^*&=\begin{cases}\alpha(t,Z,Y,S),& \alpha\in[-2a\eta\nu_\infty,\,2a\eta\nu_\infty],\\ -(S+Z)\eta,& \text{иначе,}\end{cases}\\ (A^-)^*&=-\Delta^-\mathbf{1}_{Y\gt\xi},\\ (A^+)^*&=-\Delta^+, \end{aligned} \]где
\[ \alpha(t,Z,Y,S)=\frac{\partial_Y v/(a\eta)-2(S+Z)\gamma\eta}{2\gamma+a/\eta^2}. \]При такой структуре вознаграждения площадка компенсирует LP риск внешнего движения цены и liquidity-taking. PDE после подстановки трудна; приближения — в п. 4.3.
Предложение 1. Если существует $v\in C^{1,2}([0,T]\times\mathbb{R}^3)$ квадратичного роста по $(Z,Y,S)$ (равномерно по $t$), удовлетворяющая HJB (4.1) с $v(T,\cdot,\cdot,\cdot)=0$, то $v(t,Z_t,Y_t,S_t)$ есть ценность площадки, а оптимум по $A$ — формулы выше.
4.2. Риск-аверсная площадка
При $\zeta\gt 0$ HJB принимает вид (4.6) оригинала. Определим
\[ \alpha_\zeta(t,Z,Y,S)=\frac{\bigl(1/(a\eta)+2\zeta\eta\bigr)\partial_Y v-2\gamma\eta(S+Z)}{2(\gamma+\zeta)+a/\eta^2}. \]Оптимальные каналы вознаграждения:
\[ \begin{aligned} (A_t^B)^*&=\begin{cases}\alpha_\zeta(t,Z_{t-},Y_{t-},S_t),& \alpha_\zeta\in[-2a\eta\nu_\infty,\,2a\eta\nu_\infty],\\ \frac{\zeta}{\gamma+\zeta}\partial_Y v-\frac{\gamma\eta(S+Z)}{\gamma+\zeta},& \text{иначе,}\end{cases}\\ (A_t^W)^*&=\frac{\sigma(\zeta\partial_S v-\gamma Y)}{\gamma+\zeta},\\ (A_t^-)^*&=\begin{cases}\frac{-\gamma\Delta^-+\zeta(v^--v+r)}{\gamma+\zeta},& Y_{t-}\gt\xi,\\ 0,& \text{иначе,}\end{cases}\\ (A_t^+)^*&=\frac{-\gamma\Delta^++\zeta(v^+-v+r)}{\gamma+\zeta}. \end{aligned} \]Предложение 2. Если существует $v\in C^{1,2}([0,T]\times\mathbb{R}^3)$ квадратичного роста, удовлетворяющая HJB (4.6) с $v(T,\cdot,\cdot,\cdot)=0$, то она есть ценность площадки при указанных оптимумах по $A$.
4.3. Приближённые замкнутые решения
HJB трудно решить в явном виде. Ниже — аппроксимации, которые делают уравнения трактуемыми.
4.3.1. Риск-нейтральная площадка
Снимаем ограничение на управление: $\nu_\infty\uparrow\infty$, так что $(A_t^B)^*=\alpha(t,Z_t,Y_t,S_t)$. Рассматриваем только $Y\gt\xi$. После подстановки и отбрасывания индикатора $\mathbf{1}_{Y_t\gt\xi}$ в стохастических интенсивностях:
\[ \lambda_t^-\approx\max\{a_0,\,a_1+a_2 Y_t+a_3(S_t-Z_t)\},\qquad \lambda_t^+\approx\max\{a_0,\,a_1+a_2 Y_t+a_3(Z_t-S_t)\}. \]Четыре режима: обе интенсивности выше $a_0$; только одна; обе равны $a_0$. Дальше предполагаем, что параметры всегда в режиме (i) — обе интенсивности строго выше $a_0$. Это проверяется данными.
Данные Uniswap V2 и Binance, пара ETH-USDC, 1 января — 30 апреля 2022. Следим за mid Binance $S_t$, мгновенным курсом пула $Z_t$ и liquidity-taking в пуле. Корзины по 10 минут: агрегат покупок и продаж как грубая оценка $\lambda_t^\pm$. Линейная регрессия $\lambda_t^\pm$ на средние разницы $\pm(S_t-Z_t)$; пока $a_2=0$. Оценки $\hat a_1$, $\hat a_3$ значимы ($p\ll 0.01$). Границы $\pm d$ из $0=\hat a_1+\hat a_3 d$: если $S_t-Z_t\lt d$ или $S_t-Z_t\gt -d$, то $\lambda_t^-=0$ или $\lambda_t^+=0$. Рис. 1 — границы $\pm d$ (красные пунктирные вертикали) и рыночные $S_t-Z_t$.
Из 17 131 точек границы пробиты 30 раз слева и 34 справа: 0,37% выборки нарушают $\hat a_1\pm\hat a_3(S_t-Z_t)\gt 0$.
Дальше — разложения Лорана по $\xi/Y$:
\[ \frac{Y}{Y+\delta^\pm\xi}=1+O\Bigl(\frac{\xi}{Y}\Bigr),\qquad \frac{Y^2}{Y+\delta^\pm\xi}=Y-\delta^\pm\xi+O\Bigl(\frac{\xi^2}{Y}\Bigr), \] \[ \frac{Y^2}{(Y+\delta^\pm\xi)^2}=1+O\Bigl(\frac{\xi}{Y}\Bigr),\qquad \frac{Y^3}{(Y+\delta^\pm\xi)^2}=Y-2\delta^\pm\xi+O\Bigl(\frac{\xi^2}{Y}\Bigr). \]Поскольку $Z^\pm=Z Y^2/(Y+\delta^\pm\xi)^2$, скачки $h$ по $Z$ аппроксимируются через $\partial_Z h$. Ansatz
\[ \hat h(t,Z,Y,S)=h_0(t,Y)+h_1(t,Y)Z+h_2(t,Y)S+h_3(t)Z^2+h_4(t)ZS+h_5(t)S^2, \]с $h_i(t,Y)=h_{i0}(t)+h_{i1}(t)Y$ для $i=0,1,2$, даёт
\[ \partial_Y\hat h(t,Z,Y,S)=h_{01}(t)+h_{11}(t)Z+h_{21}(t)S=2a_2 r(T-t). \]Подставляя в $(A^B)^*$:
\[ \hat\nu_t^*=\frac{2a_2 r(T-t)-2(S+Z)\gamma a\eta^2}{4\eta^2 a^2\gamma+2a}. \]Замечание 2. Для риск-нейтральной площадки при малом шуме предоставления ликвидности ($\eta\downarrow 0$)
\[ \hat\nu_t^*\to\frac{a_2 r(T-t)}{a}. \]Предоставление ликвидности обратно пропорционально транзакционным издержкам внешнего рынка $a$ и прямо пропорционально (i) комиссии площадки $r$ и (ii) чувствительности потока к глубине пула $a_2$. Если $a_2=0$, LP в равновесии не добавляет и не снимает ликвидность.
4.3.2. Риск-аверсная площадка
Снова $\nu_\infty\uparrow\infty$, так что $\nu^*(A_t)=A_t^B/(2a\eta)$. Аппроксимация $e^{-x}\approx 1-x$, режим $Y_{t-}\gt\xi$. Те же разложения Лорана и ansatz
\[ \hat v(t,Z,Y,S)=g_{11}(t)+2y^\top G_1(t)+y^\top G_2(t)y,\qquad y=(Z,Y,S)^\top, \]с терминальными условиями $g_{ij}(T)=0$. Получается система: уравнение Риккати для $G_2$, линейное уравнение для $G_1$ и скалярное для $g_{11}$. Матрицы $U,V,R$ системы выписаны в оригинале (с. 15). Существование решения Риккати на $(-\infty,T]$ следует из теоремы 3.6.6 Abou-Kandil et al. (2012): матрица $\Theta+\Theta^\top$ отрицательно полуопределена (все главные миноры неположительны).
5. Численные результаты
Горизонт $[0,T]$ дискретизируется 10 000 шагами, $T=1$ (один день). Калибровка — Binance и Uniswap V2, ETH-USDC, 1 января — 30 апреля 2022. Начальный курс $S_0=Z_0=2820$, дневная волатильность Binance $\sigma=0{,}0569\times S_0$. Средний объём в десятиминутном окне $\xi=300$, комиссия площадки за транзакцию $r=0{,}01\times\xi\times Z_0$. Каждый скачок $N^\pm$ — агрегат торговли за 10 минут. Начальная позиция $Y_0=50\,000$ ETH (порядок ETH-USDC пула Uniswap на 20 февраля 2025), глубина $c_0=Y_0\times(Y_0\times Z_0)$. Волатильность броуновского движения предоставления ликвидности $\eta=10^{-10}$ ETH.
Интенсивности $\lambda_t^\pm$ оцениваются по предыдущим десяти минутам, затем линейная регрессия калибрует $a_1$, $a_3$ в (2.1); пока $a_2=0$. Получено $a_1=142{,}7$, $a_3=13{,}6$ (масштабированы так, чтобы скачок соответствовал активности за 10 минут, в линии с $\xi$). Ниже — риск-аверсный случай: $\gamma=10^{-18}$ у LP, $\zeta=10^{-6}$ у площадки. Временный импакт на Binance $a=10^{-14}$ (пренебрежимые издержки хождения по книге). При росте $a$ стратегия схлопывается к нулю, LP не добавляет ликвидность.
Рис. 2 — нарушения аппроксимационного предположения $\lambda^-,\lambda^+\gt 0$ внутри симуляции: нарушений нет.
Арбитражёры держат цену пула у внешней. При $a_2=0$ изменения $Y$ относительно малы и в основном от liquidity-taking. Рис. 4 — скорость $\nu_t$, с которой LP добавляет или снимает ликвидность, и кумулятив $\int_0^t\nu_s\,ds$.
Рис. 5 — стресс параметров при той же случайности. Выше волатильность — выше изменчивость стратегии. Меньше временный импакт $a$ на внешней площадке — больше торговли может себе позволить LP. При $a\in\{10^{-13},10^{-12}\}$ стратегия схлопывается к нулю (рис. 6).
5.1. Распределение собранных комиссий
Стартовая точка представления контракта $P_0$ сдвигает прибыльность LP вправо (больше $P_0$ — выгоднее LP) и прибыльность площадки влево. Здесь $P_0$ выбирается так, чтобы средние богатства площадки и репрезентативного LP совпали.
Рис. 7 — 10 000 Монте-Карло равновесия: распределение финального вознаграждения $R$ и PnL площадки. Красная линия — среднее. Оба средних положительны. Чем выше риск-аверсия площадки, тем сильнее концентрация прибылей.
Оптимальный контракт выгоден и LP, и площадке: оба средних положительны.
5.2. Привлечение шумовой торговли
До сих пор интенсивность прибытий не реагировала на количество $Y$ в пуле: $a_2=0$. Тогда при реалистичных издержках внешнего рынка стратегия LP схлопывается к нулю. При $a_2\gt 0$ это уже не так. Далее $a_2=10^{-5}$ и $a=5\times 10^{-6}$. Такое $a_2$ добавляет лишь около 0,5 ETH / 10 минут интенсивности при $\sim 50\,000$ ETH в пуле.
При этих параметрах репрезентативный LP добавляет примерно 8 000 ETH и платит 500 USDT комиссий; спред ETH-USDT на Binance типично 0,01, так что порядок издержек верный. Невооружённым глазом изменчивости скорости торговли нет. Полосы по количеству ETH в пуле — от активности LT. Рис. 9 — влияние $r$ и $a$ на оптимальную стратегию.
При прочих равных выше комиссия с LT — больше собирает площадка — лучше контракт для LP — больше ликвидности в пул. Издержки внешнего рынка работают как в предыдущем разделе: выше $a$ — меньше активность в пуле.
Рис. 10 повторяет анализ рис. 7 при новых параметрах. Оба игрока по-прежнему в плюсе. При $a_2\gt 0$ и покупки, и продажи растут с ликвидностью пула, и этот дополнительный поток ненаправленный (шум). LP этим пользуется: добавляет ликвидность, тянет больше таких сделок, площадка может предложить большее вознаграждение. Параметр транзакционных издержек внешнего рынка здесь существенно выше, чем на рис. 7.
6. Заключение
Мы охарактеризовали равновесие Штакельберга площадки и репрезентативного LP. Торговля идёт в AMM: LP максимизирует прибыльность, площадка — комиссии и поток заявок. Если большая ликвидность не привлекает шумовую торговлю, даже при оптимальном контракте LP не имеет стимула добавлять ликвидность. Если привлекает — LP добавляет столько, сколько позволяют транзакционные издержки внешнего рынка. По данным 1 января — 30 апреля 2022 корреляция дневной средней глубины $Y$ пула ETH-USDC с дневным потоком заявок равна +11%; наклон линейной регрессии положителен, но гипотезу нулевого наклона отвергнуть нельзя ($p=0{,}232$). Работа даёт ориентиры по оптимальному дизайну таких площадок и проверяемые условия их нормальной работы.
Благодарности. Oxford-Man Institute of Quantitative Finance и Fintech Chair at Université Paris-Dauphine. Данные предоставил Fayçal Drissi. Для открытого доступа авторы применили публичную лицензию CC BY к любой author accepted manuscript, возникающей из этой подачи.
Литература
- Abou-Kandil, H., Freiling, G., Ionescu, V. and Jank, G. (2012). Matrix Riccati equations in control and systems theory. Birkhäuser.
- Adams, A., Moallemi, C. C., Reynolds, S. and Robinson, D. (2024). am-amm: An auction-managed automated market maker. arXiv:2403.03367.
- Adams, H. et al. (2023). Uniswap v4 core [draft].
- Adams, H., Zinsmeister, N., Salem, M., Keefer, R. and Robinson, D. (2021). Uniswap v3 core. Uniswap Labs.
- Angeris, G. and Chitra, T. (2020). Improved price oracles: Constant function market makers. In AFT '20, pp. 80–91.
- Angeris, G., Kao, H.-T., Chiang, R., Noyes, C. and Chitra, T. (2021). An analysis of Uniswap markets.
- Baldacci, B. and Bergault, P. (2024). Optimal incentives in a limit order book: a SPDE control approach. Market Microstructure and Liquidity, 2050012.
- Baldacci, B., Possamaï, D. and Rosenbaum, M. (2021). Optimal make-take fees in a multi market-maker environment. SIAM J. Financial Math. 12(1):446–486.
- Bergault, P., Bertucci, L., Bouba, D. and Guéant, O. (2024a). Automated market makers: Mean-variance analysis of LPs payoffs and design of pricing functions. Digital Finance 6(2):225–247.
- Bergault, P., Bertucci, L., Bouba, D., Guéant, O. and Guilbert, J. (2024b). Automated market making: the case of pegged assets. arXiv:2411.08145.
- Bergault, P., Bertucci, L., Bouba, D., Guéant, O. and Guilbert, J. (2024c). Price-aware automated market makers. arXiv:2405.03496.
- Capponi, A. and Jia, R. (2021). The adoption of blockchain-based decentralized exchanges. arXiv:2103.08842.
- Capponi, A., Jia, R. and Yu, S. (2024). Price discovery on decentralized exchanges. SSRN 4236993.
- Cartea, Á., Drissi, F. and Monga, M. (2023a). Decentralised finance and automated market making: Execution and speculation. arXiv:2307.03499.
- Cartea, Á., Drissi, F. and Monga, M. (2023b). Execution and statistical arbitrage with signals in multiple AMMs. In ICDCSW 2023, pp. 37–42.
- Cartea, Á., Drissi, F. and Monga, M. (2024a). Decentralized finance and automated market making: Predictable loss and optimal liquidity provision. SIAM J. Financial Math. 15(3):931–959.
- Cartea, Á., Drissi, F., Sánchez-Betancourt, L., Siska, D. and Szpruch, L. (2023c). Automated market makers designs beyond constant functions. SSRN 4459177.
- Cartea, Á., Drissi, F., Sánchez-Betancourt, L., Siska, D. and Szpruch, L. (2024b). Strategic bonding curves in automated market makers. SSRN 5018420.
- Chiu, J. and Koeppl, T. V. (2019). Blockchain-based settlement for asset trading. Review of Financial Studies 32(5):1716–1753.
- El Euch, O., Mastrolia, T., Rosenbaum, M. and Touzi, N. (2021). Optimal make–take fees for market making regulation. Mathematical Finance 31(1):109–148.
- Fukasawa, M., Maire, B. and Wunsch, M. (2023). Model-free hedging of impermanent loss in geometric mean market makers. arXiv:2303.11118.
- Fukasawa, M., Maire, B. and Wunsch, M. (2025). Liquidity provision of utility indifference type in decentralized exchanges. arXiv preprint.
- Lipton, A. and Treccani, A. (2021). Blockchain and distributed ledgers: Mathematics, technology, and economics. World Scientific.
- Loesch, S., Hindman, N., Richardson, M. B. and Welch, N. (2021). Impermanent loss in Uniswap v3. arXiv:2111.09192.
- Milionis, J., Moallemi, C. C. and Roughgarden, T. (2023). Automated market making and arbitrage profits in the presence of fees. arXiv:2305.14604.
- Milionis, J., Moallemi, C. C., Roughgarden, T. and Zhang, A. L. (2022). Automated market making and loss-versus-rebalancing. arXiv:2208.06046.
- Neveu, J. (1972). Martingales à temps discret. Masson.
- Pham, H. (2009). Continuous-time Stochastic Control and Optimization with Financial Applications. Springer.
- Stoikov, S. and Sağlam, M. (2009). Option market making under inventory risk. Review of Derivatives Research 12:55–79.
Перевод основного текста с сохранением структуры, формул и данных оригинала. Доказательства приложения — в PDF. Оригинал: arXiv:2503.22502 · Aqsha, Bergault, Sánchez-Betancourt · CC BY 4.0.