建立追蹤成長目標線的投資組合可以建構成混合整數非線性數學規劃模型，本論文針對數學規劃模型內幾個影響追蹤目標線效果的因素加以研究，透過調整目標線成長率、內樣本觀測長度及時間參數來進行探討。考慮實務上的限制，在建立追蹤成長目標線的投資組合模型中加入交易成本及放空股票限制。最後，以台灣股票市場作為實證研究對象加以分析。實證結果顯示報酬率在20%以下、內樣本長度在30週左右追蹤誤差達到最小，此外，沒有明顯的證據顯示加入時間參數能使建立的投資組合有較小的追蹤誤差。

近年來環保議題逐漸重視，政府也推出許多關於環境保護之法規，而且有研究指出企業建立逆物流有助於提升消費者心中的認同度和未來的銷售機會，讓企業開始重視逆物流。在科技快速發展下，許多消費性電子產品品質更好、功能更完善、耐久度增加但是汰換率卻也提高，讓回收品品質增加，但是回收定價太過低廉，讓消費者不願意將高品質之回收品進行回收，所以本研究想探討回收價格與各品質回收數量之關係。 過去研究針對回收價格、回收品質與回收數量大多是分開討論，或是將品質與數量不確定性以常數的方式進行分析，所以本研究想探討三者之關係，並將三者以決策變數之形式加入最佳化模型。本研究利用問卷的方式收集消費者對於回收品在各品質下願意賣出之價格，非線性回歸針對問卷所蒐集回來的資料進行分析，找出回收價格與各品質回收數量之關係，並將非線性回歸之分析結果加入逆物流最佳化模型之中，並利用非線性規劃進行求解，找出在此逆物流模型中最大之利潤及資源的最佳分配。

本文是針對一個古典的經濟批量問題，在儲存空間不確定而為模糊數時，且訂購週期為二次冪的限制條件下，探討如何求得最佳訂購量，且計算出訂購週期，使得總存貨成本減至最低。曲於儲存空間的變動，會影響訂購量大小，所以我們引進模糊的概念，處理儲存空間不確定的情形，藉由模糊非線性規劃(Fuzzy Nonlinear Programming , FNLP)，及模糊幾何規劃(Fuzzy GeometricProgramming, FGP)的技巧，讓目標函數與儲存空間模糊，並討論在二次冪的限制條件下，目標函數值的最大可能誤差。最後，我們舉一個實例，來說明求解的步驟，利用模糊非線性規劃，及模糊幾何規劃的技巧，很容易求得最佳目標函數值。

建立指數基金時，通常是利用追蹤指數的技巧，選取少量的股票建構指數基金使得報酬率與標的指數(benchmark index)報酬率同步的投資組合。如果能建立包含少量股票的投資組合，就可達到指數追蹤的效果，那麼也能利用少量的股票建立績效可以超越指數基金的投資組合。本論文利用建構指數基金的方法以及大中取小的概念，挑選出一個績效可以超越標的指數的投資組合。本論文提出的模型亦考慮實務上交易所需的各項成本、整數交易單位與資產總類數等限制。因此，模型包含整數變數與二元變數。最後以台灣加權股價指數的相關資料做為實證研究的對象，實證結果顯示本論文提出的模型所建立的投資組合超越標的指數的績效平均年化報酬率25%。 / Setting up an index fund usually uses techniques of index-tracking that choosing few stocks forming a portfolio to obtain the same return rate as the benchmark index. Similarly we can use the same concept to set up a portfolio such that the performance is better than index’s. In this thesis we use index-tracking methods and minimax rule to obtain a portfolio which outperforms the benchmark index. In the proposed mathematical model we will consider the transaction costs, integer trading unit volume, and the total number of assets in the portfolio. Therefore the resulting model is a mixed integer nonlinear programming including integer variables and binary variables. Finally, the empirical study will be performed by using the data from the Taiwan stock market to verify the performance of our model. The empirical study shows that the portfolios created by our models outperform the benchmark index up to 25% in average.

在統計學上我們經常會遭遇到如下的問題： minimze subject to 其中 和Ｃ都是已知。 上述非線性規劃（NONLINEAR PROGRAMING）問題的最佳解，是相當複雜的，以致於我 們無法用簡單的式子，將其解明確的表示出來。 RAO-GHANGURDE （１９７２）在“從有限母體抽樣的貝氏最佳解”這一篇文章中，對 這種非線性規劃問題，提出一個反覆演算的解法，來解決這類問題，由於，我們無法 看出其演算法的立論根據何在，收斂結果的精確性有多高，於是，本文在ｋ＝２及ｋ ＝３的情形下，由直覺的幾何觀點，提出了另一個求最佳解的方法，來驗證RAO-GHAN GURED 反覆演算法的類確性。 最後，本論文將上述非線性規劃問題的解法，應用到下面兩個例子上： （ａ）在 COCHRAN的“抽樣技巧”（ SAMPLING TECHNIQUES）這一本書裡，有關雙重 抽樣（DOUBLE SAMPLING ）的理論中，也遭遇到要解決這一類問題，但由他的公式， 所計算出來的解，並不一定會萬足所需要的限制條件。 （ｂ）在SMITH-SEDRASK （１９８２）的“推估魚群年齡成份的貝氏最佳解“和JINN -SMITH-SEDRASK（１９８７）的“推估魚群年齡成份的貝氏最佳雙重抽樣”這兩篇的 文章中，同樣的也遭遇到這一類的問題。

本論文提出利用機率平賭性質由選擇權市場價格還原風險中立機率測度的雙目標規劃模型。假設對應同一標的資產且不同履約價的選擇權均為歐式選擇權，到期時標的資產的狀態為離散點且個數有限。若市場不存在套利機會時，建構出最小化離差總和及最大化平滑的雙目標規劃模型。將此雙目標規劃模型利用權重法轉換成單一目標之非線性模型，即可還原風險中立機率測度，並利用此風險中立機率測度評價選擇權的公平價格。最後，我們以台指選擇權(TXO)為例，驗證此模型的評價能力。 / This thesis proposes a biobjective nonlinear programming model to derive risk-neutral probability distribution of underlying asset. The method are used to choose probabilities that minimize the deviation between the observed price and the theoretical price as well as maximize the smoothness of the resulting probabilities. A weighting method is used to covert the model into a single objective model. Given a non-arbitrage observed option price, a risk-neutral probability distribution consistent with the observed option can be recovered by the model. This risk-neutral probability is then utilized to evaluate the fair price of options. Finally, an empirical study applying to Taiwan’s market is given to verify the pricing ability of this model.

過去的三十年間由於評價美式選擇權所產生的自由邊界問題已經有相當的研究成果。本論文將證明自由邊界問題的解為遞增函數。更進一步提出自由邊界凹性的嚴謹証明。利用我們的結論可以得知美式選擇權的最佳履約邊界對時間而言為嚴格遞減的凹函數。這個結果對可用來求導最佳履約邊界的漸近解。 對於美式交換選擇權，我們將其自由邊界問題轉換成單變數的積分方程，同時提供一個永續型美式交換選擇權的評價公式。對於有限時間的美式交換選擇權的最佳履約邊界，我們將提供一個接近到期日的漸近解並發展一個數值方法求其數值解。數值計算的結果顯示漸近解在接近到期日時與數值解非常接近。 對於評價美式選擇權，我們提出使用混合整數非線性規劃(MINLP)的模型，這個模型的最佳解同時提供賣方的完全避險策略、買方的最佳交易策略與美式選擇權的公平價格。因為求算MINLP模型的解需耗用大量的計算時間，我們證明此模型和其非線性規劃的寬鬆問題有相同的最佳解，所以只需求算寬鬆問題即可。觀察數值結果亦顯示非線性規劃的寬鬆問題可以大幅的降低計算的時間。此外，當市場的價格低於公平價格時，我們提出一個最小化賣方期望損失的數學規劃模型，此模型的解提供賣方最小化其期望損失的避險策略。 / In the past three decades, a great deal of effort has been made on solving the free boundary problem (FBP) arising from American option valuation problems. In this dissertation, we show that the solutions, the price and the free boundary, of this FBP are increasing functions. Furthermore, we provide a rigorous verification that the free boundary of this problem is concave. Our results imply that the optimal exercise boundary of an American call is a strictly decreasing concave function of time. These results will provide a useful information to obtain an asymptotic formula for the optimal exercise boundary. For pricing of American exchange options (AEO), we convert the associated FBP into a single variable integral equation (IE) and provide a formula for valuating the perpetual AEO. For the finite horizon AEO, we propose an asymptotic solution as time is near to expiration and develop a numerical method for its optimal exercise boundary. Compared with the computational results, the values of our asymptotic solution are close to the computational results as time is near to expiration. For valuating American options, we develop a mixed integer nonlinear programming (MINLP) model. The solution of the MINLP model provides a hedging portfolio for writers, the optimal trading strategy for buyers, and the fair price for American options at the same time. We show that it can be solved by its nonlinear programming (NLP) relaxation. The numerical results reveal that the use of NLP relaxation reduces the computation time rapidly. Moreover, when the market price is less than the fair price, we propose a minimum expected loss model. The solution of this model provides a hedging strategy that minimizes the expected loss for the writer.

Brigo與Mercurio提出了三種新的資產價格過程，分別是位移CEV過程、位移對數常態過程與混合對數常態過程。在這三種過程中，資產價格的波動度不再是一個固定的常數，而是時間與資產價格的明確函數。而由這三種過程所推導出來的歐式選擇權評價公式，將會導致隱含波動度曲線呈現傾斜曲線或是微笑曲線，且提供了參數讓我們能夠配適市場的波動度結構。本文利用台指買權來實證Brigo與Mercurio所提出的三種歐式選擇權評價公式，我們發現校準結果以混合對數常態過程優於位移CEV過程，而位移CEV過程則稍優於位移對數常態過程。因此，在實務校準時，我們建議以混合對數常態過程為台指買權的評價模型，以達到較佳的校準結果。 / Brigo and Mercurio proposed three types of asset-price dynamics which are shifted-CEV process, shifted-lognormal process and mixture-of-lognormals process respectively. In these three processes, the volatility of the asset price is no more a constant but a deterministic function of time and asset price. The European option pricing formulas derived from these three processes lead respectively to skew and smile in the term structure of implied volatilities. Also, the pricing formula provides several parameters for fitting the market volatility term structure. The thesis applies Taiwan’s call option to verifying these three pricing formulas proposed by Brigo and Mercurio. We find that the calibration result of mixture-of-lognormals process is better than the result of shifted-CEV process and the calibration result of shifted-CEV process is a little better than the result of shifted-lognormal process. Therefore, we recommend applying the pricing formula derived from mixture-of-lognormals process to getting a better calibration.

本論文研究如何建立一個投資組合用來追蹤穩定成長的目標線。我們將這個目標線追蹤問題建構成混合整數非線性數學規劃模型。由於用以追蹤目標線的投資組合，經過一段時間後其追蹤效能可能未如預期，本論文提出調整投資組合的數學規劃模型。這些模型中除了考量實務中的交易成本，亦考慮限制放空股票，所以將期貨加入投資組合中作為避險部位。最後，以台灣股票市場與期貨交易市場作為實證研究對象，探討投資組合建立與調整的表現，亦分析不同成長率設定之目標線與期貨投資比重上限對投資組合價值的影響。 / This thesis studies how to construct a tracking portfolio for the benchmark of a stable growth rate. This tracking problem can be formulated as a mixed-integer nonlinear programming model. Since the performance of the tracking portfolio may get worse when time elapses, this thesis proposes another mathematical programming model to rebalance the tracking portfolio. These models not only consider the transaction cost but also take into account of the limitation of shorting a stock; thus the tracking portfolio will include a futures position as a hedging position. Finally, an empirical study will be performed by using the data from the Taiwan stock market and the futures market to explore the performance of the proposed models. We will analyze how the different benchmark settings and the futures position limits will affect the value of the tracking portfolio.

本論文提出追蹤特定目標線的二階段混合整數非線性隨機規劃模型，以建立追蹤目標線的投資組合。藉由引進情境樹(scenario tree)，我們將此類二階段隨機規劃問題，轉換成為等價的非隨機規劃模型。在金融商品的價格波動及交互作用下，所建立的投資組合在經過一段時間後，其追蹤目標線的能力可能會日趨降低，所以本論文亦提出調整投資組合的規劃模型。為符合實務考量，本論文同時考慮交易成本、股票放空的限制，並且加入期貨進行避險。為了反應投資者的預期心理，也引進了選擇權及情境樹。最後，我們使用台灣股票市場、期貨交易市場及台指選擇權市場的資料進行實證研究，亦探討不同成長率設定之目標線與投資比例對於投資組合的影響。 / To construct a portfolio tracking specific target line, this thesis studies how to do it via two-stage stochastic mixed-integer nonlinear model. We introduce scenario tree to convert this stochastic model into an deterministic equivalent model. Under the volatility of price and the interaction of each financial derivatives, the performance of the tracking portfolio may get worse when time elapses, this thesis proposes another mathematical model to rebalance the tracking portfolio. These models consider the transactions cost and the limitation of shorting a stock, and the tracking portfolio will include a futures as a hedge position. To reflect the expectation of investors, we introduce scenario tree and also include a options as a hedge position. Finally, an empirical study will be performed by the data from Taiwan stock market, the futures market and the options market to explore the performance of the proposed models. We will analyze how the different benchmarks settings and invest ratio will affect the value of the tracking portfolio.