Cette thèse est consacrée à l’analyse de ces modèles particulaires pour les mathématiques financières.Le manuscrit est organisé en quatre chapitres. Chacun peut être lu séparément.Le premier chapitre présente le travail de thèse de manière globale, définit les objectifs et résume les principales contributions. Le deuxième chapitre constitue une introduction générale à la théorie des méthodes particulaire, et propose un aperçu de ses applications aux mathématiques financières. Nous passons en revue les techniques et les résultats principaux sur les systèmes de particules en interaction, et nous expliquons comment ils peuvent être appliques à la solution numérique d’une grande variété d’applications financières, telles que l’évaluation d’options compliquées qui dépendent des trajectoires, le calcul de sensibilités, l’évaluation d’options américaines ou la résolution numérique de problèmes de contrôle et d’estimation avec observation partielle.L’évaluation d’options américaines repose sur la résolution d’une équation d’évolution à rebours, nommée l’enveloppe de Snell dans la théorie du contrôle stochastique et de l’arrêt optimal. Les deuxième et troisième chapitres se concentrent sur l’analyse de l’enveloppe de Snell et de ses extensions à différents cas particuliers. Un ensemble de modèles particulaires est alors proposé et analysé numériquement. / This thesis is concerned with the analysis of these particle models for computational finance.The manuscript is organized in four chapters. Each of them could be read separately.The first chapter provides an overview of the thesis, outlines the motivation and summarizes the major contributions. The second chapter gives a general in- troduction to the theory of interacting particle methods, with an overview of their applications to computational finance. We survey the main techniques and results on interacting particle systems and explain how they can be applied to the numerical solution of a variety of financial applications; to name a few: pricing complex path dependent European options, computing sensitivities, pricing American options, as well as numerically solving partially observed control and estimation problems.The pricing of American options relies on solving a backward evolution equation, termed Snell envelope in stochastic control and optimal stopping theory. The third and fourth chapters focus on the analysis of the Snell envelope and its variation to several particular cases. Different type of particle models are proposed and studied.

La thèse porte sur la conception et l'analyse mathématique de méthodes de Monte Carlo fiables et précises pour l'estimation de la (très petite) probabilité qu'un processus de Markov atteigne une région critique de l'espace d'état avant un instant final déterministe. L'idée sous-jacente aux méthodes de branchement multi-niveaux étudiées ici est de mettre en place une suite emboitée de régions intermédiaires de plus en plus critiques, de telle sorte qu'atteindre une région intermédiaire donnée sachant que la région intermédiaire précédente a déjà été atteinte, n'est pas si rare. En pratique, les trajectoires sont propagées, sélectionnées et répliquées dès que la région intermédiaire suivante est atteinte, et il est facile d'estimer avec précision la probabilité de transition entre deux régions intermédiaires successives. Le biais dû à la discrétisation temporelle des trajectoires du processus de Markov est corrigé en utilisant des régions intermédiaires perturbées, comme proposé par Gobet et Menozzi. Une version adaptative consiste à définir automatiquement les régions intermédiaires, à l’aide de quantiles empiriques. Néanmoins, une fois que le seuil a été fixé, il est souvent difficile voire impossible de se rappeler où (dans quel état) et quand (à quel instant) les trajectoires ont dépassé ce seuil pour la première fois, le cas échéant. La contribution de la thèse consiste à utiliser une première population de trajectoires pilotes pour définir le prochain seuil, à utiliser une deuxième population de trajectoires pour estimer la probabilité de dépassement du seuil ainsi fixé, et à itérer ces deux étapes (définition du prochain seuil, et évaluation de la probabilité de transition) jusqu'à ce que la région critique soit finalement atteinte. La convergence de cet algorithme adaptatif à deux étapes est analysée dans le cadre asymptotique d'un grand nombre de trajectoires. Idéalement, les régions intermédiaires doivent êtres définies en terme des variables spatiale et temporelle conjointement (par exemple, comme l'ensemble des états et des temps pour lesquels une fonction scalaire de l’état dépasse un niveau intermédiaire dépendant du temps). Le point de vue alternatif proposé dans la thèse est de conserver des régions intermédiaires simples, définies en terme de la variable spatiale seulement, et de faire en sorte que les trajectoires qui dépassent un seuil précocement sont davantage répliquées que les trajectoires qui dépassent ce même seuil plus tardivement. L'algorithme résultant combine les points de vue de l'échantillonnage pondéré et du branchement multi-niveaux. Sa performance est évaluée dans le cadre asymptotique d'un grand nombre de trajectoires, et en particulier un théorème central limite est obtenu pour l'erreur d'approximation relative. / The thesis deals with the design and mathematical analysis of reliable and accurate Monte Carlo methods in order to estimate the (very small) probability that a Markov process reaches a critical region of the state space before a deterministic final time. The underlying idea behind the multilevel splitting methods studied here is to design an embedded sequence of intermediate more and more critical regions, in such a way that reaching an intermediate region, given that the previous intermediate region has already been reached, is not so rare. In practice, trajectories are propagated, selected and replicated as soon as the next intermediate region is reached, and it is easy to accurately estimate the transition probability between two successive intermediate regions. The bias due to time discretization of the Markov process trajectories is corrected using perturbed intermediate regions as proposed by Gobet and Menozzi. An adaptive version would consist in the automatic design of the intermediate regions, using empirical quantiles. However, it is often difficult if not impossible to remember where (in which state) and when (at which time instant) did each successful trajectory reach the empirically defined intermediate region. The contribution of the thesis consists in using a first population of pilot trajectories to define the next threshold, in using a second population of trajectories to estimate the probability of exceeding this empirically defined threshold, and in iterating these two steps (definition of the next threshold, and evaluation of the transition probability) until the critical region is reached. The convergence of this adaptive two-step algorithm is studied in the asymptotic framework of a large number of trajectories. Ideally, the intermediate regions should be defined in terms of the spatial and temporal variables jointly (for example, as the set of states and times for which a scalar function of the state exceeds a time-dependent threshold). The alternate point of view proposed in the thesis is to keep intermediate regions as simple as possible, defined in terms of the spatial variable only, and to make sure that trajectories that manage to exceed a threshold at an early time instant are more replicated than trajectories that exceed the same threshold at a later time instant. The resulting algorithm combines importance sampling and multilevel splitting. Its preformance is evaluated in the asymptotic framework of a large number of trajectories, and in particular a central limit theorem is obtained for the relative approximation error.