A robust computational framework is presented for the risk-neutral valuation of capital guarantees written on discretely-reallocated portfolios following the Constant Proportion Portfolio Insurance (CPPI) strategy. Aiming to address the (arguably more realistic) cases where analytical results are unavailable, this framework accommodates risky-asset jumps, volatility surfaces, borrowing restrictions, nonuniform reallocation schedules and autonomous CPPI floor trajectories. The two-asset state space representation developed herein facilitates visualising the CPPI strategy, which in turn provides insight into grid design and interpolation. It is demonstrated that given a deterministic process for the risk-free rate, the pricing problem can be cast as solving cascading systems of 1D partial integro-differential equations (PIDEs). This formulation’s stability and monotonicity are studied. In addition to making more sense financially, the limited borrowing variant of the CPPI strategy is found to be better suited than the classical (unlimited borrowing) counterpart for bounded-domain calculations. Consequently, it is demonstrated how the unlimited borrowing problem can be approximated by imposing an artificial borrowing limit. For implementation validation, analytical solutions to special cases are derived. Numerical tests are presented to demonstrate the versatility of this framework.

Philosophiae Doctor - PhD / Many problems in financial world are being modeled by means of differential equation. These problems are time dependent, highly nonlinear, stochastic and heavily depend on the previous history of time. A variety of financial products exists in the market, such as forwards, futures, swaps and options. Our main focus in this thesis is to use the numerical analysis tools to solve some option pricing problems. Depending upon the inter-relationship of the financial derivatives, the dimension of the associated problem increases drastically and hence conventional methods (for example, the finite difference methods or finite element methods) for solving them do not provide satisfactory results. To resolve this issue, we use a special class of numerical methods, namely, the mesh free methods. These methods are often better suited to cope with changes in the geometry of the domain of interest than classical discretization techniques. In this thesis, we apply these methods to solve problems that price standard and non-standard options. We then extend the proposed approach to solve Heston' volatility model. The methods in each of these cases are analyzed for stability and thorough comparative numerical results are provided. / South Africa

Philosophiae Doctor - PhD / Options are a special type of derivative securities because their values are derived from the value of some underlying security. Most options can be grouped into either of the two categories: European options which can be exercised only on the expiration date, and American options which can be exercised on or before the expiration date. American options are much harder to deal with than European ones. The reason being the optimal exercise policy of these options which led to free boundary problems. Ever since the seminal work of Black and Scholes [J. Pol. Econ. 81(3) (1973), 637-659], the differential equation approach in pricing options has attracted many researchers. Recently, numerical singular perturbation techniques have been used extensively for solving many differential equation models of sciences and engineering. In this thesis, we explore some of those methods which are based on spline approximations to solve the option pricing problems. We show a systematic construction and analysis of these methods to solve some European option problems and then extend the approach to solve problems of pricing American options as well as some exotic options. Proposed methods are analyzed for stability and convergence. Thorough numerical results are presented and compared with those seen in the literature. / South Africa

Radial basis function methods exhibit several very attractive properties such as a high order convergence of the approximated solution and flexibility to the domain geometry. However the method in its classical formulation becomes impractical for problems with relatively large numbers of degrees of freedom due to the ill-conditioning and dense structure of coefficient matrix. To overcome the latter issue we employ a localisation technique, namely a partition of unity method, while the former issue was previously addressed by several authors and was of less concern in this thesis. In this thesis we develop radial basis function partition of unity methods for partial differential equations arising in financial mathematics and glaciology. In the applications of financial mathematics we focus on pricing multi-asset equity and credit derivatives whose models involve several stochastic factors. We demonstrate that localised radial basis function methods are very effective and well-suited for financial applications thanks to the high order approximation properties that allow for the reduction of storage and computational requirements, which is crucial in multi-dimensional problems to cope with the curse of dimensionality. In the glaciology application we in the first place make use of the meshfree nature of the methods and their flexibility with respect to the irregular geometries of ice sheets and glaciers. Also, we exploit the fact that radial basis function methods are stated in strong form, which is advantageous for approximating velocity fields of non-Newtonian viscous liquids such as ice, since it allows to avoid a full coefficient matrix reassembly within the nonlinear iteration. In addition to the applied problems we develop a least squares radial basis function partition of unity method that is robust with respect to the node layout. The method allows for scaling to problem sizes of a few hundred thousand nodes without encountering the issue of large condition numbers of the coefficient matrix. This property is enabled by the possibility to control the coefficient matrix condition number by the rate of oversampling and the mode of refinement.

Philosophiae Doctor - PhD / Options are a special type of derivative securities because their values are derived from the value of some underlying security. Most options can be grouped into either of the two categories: European options which can be exercised only on the expiration date, and American options which can be exercised on or before the expiration date. American options are much harder to deal with than European ones. The reason being the optimal exercise policy of these options which led to free boundary problems. Ever since the seminal work of Black and Scholes [J. Pol. Bean. 81(3) (1973), 637-659], the differential equation approach in pricing options has attracted many researchers. Recently, numerical singular perturbation techniques have been used extensively for solving many differential equation models of sciences and engineering. In this thesis, we explore some of those methods which are based on spline approximations to solve the option pricing problems. We show a systematic construction and analysis of these methods to solve some European option problems and then extend the approach to solve problems of pricing American options as well as some exotic options. Proposed methods are analyzed for stability and convergence. Thorough numerical results are presented and compared with those seen in the literature.

Philosophiae Doctor - PhD / Many problems in financial world are being modeled by means of differential equation. These problems are time dependent, highly nonlinear, stochastic and heavily depend on the previous history of time. A variety of financial products exists in the market, such as forwards, futures, swaps and options. Our main focus in this thesis is to use the numerical analysis tools to solve some option pricing problems. Depending upon the inter-relationship of the financial derivatives, the dimension of the associated problem increases drastically and hence conventional methods (for example, the finite difference methods or finite element methods) for solving them do not provide satisfactory results. To resolve this issue, we use a special class of numerical methods, namely, the mesh free methods. These methods are often better suited to cope with changes in the geometry of the domain of interest than classical discretization techniques. In this thesis, we apply these methods to solve problems that price standard and non-standard options. We then extend the proposed approach to solve Heston's volatility model. The methods in each of these cases are analyzed for stability and thorough comparative numerical results are provided.

L'actuariat non-vie étudie les différents aspects quantitatifs de l'activité d'assurance. Cette thèse vise à expliquer sous différentes perspectives les interactions entre les différents agents économiques, l'assuré, l'assureur et le marché, sur un marché d'assurance. Le chapitre 1 souligne à quel point la prise en compte de la prime marché est importante dans la décision de l'assuré de renouveler ou non son contrat d'assurance avec son assureur actuel. La nécessitéd'un modèle de marché est établie. Le chapitre 2 répond à cette problématique en utilisant la théorie des jeux non-coopératifs pour modéliser la compétition. Dans la littérature actuelle, les modèles de compétition seréduisent toujours à une optimisation simpliste du volume de prime basée sur une vision d'un assureur contre le marché. Partant d'un modèle de marché à une période, un jeu d'assureurs est formulé, où l'existence et l'unicité de l'équilibre de Nash sont vérifiées. Les propriétés des primes d'équilibre sont étudiées pour mieux comprendre les facteurs clés d'une position dominante d'un assureur par rapport aux autres. Ensuite, l'intégration du jeu sur une période dans un cadre dynamique se fait par la répétition du jeu sur plusieurs périodes. Une approche par Monte-Carlo est utilisée pour évaluer la probabilité pour un assureur d'être ruiné, de rester leader, de disparaître du jeu par manque d'assurés en portefeuille. Ce chapitre vise à mieux comprendre la présence de cycles en assurance non-vie. Le chapitre 3 présente en profondeur le calcul effectif d'équilibre de Nash pour n joueurs sous contraintes, appelé équilibre de Nash généralisé. Il propose un panorama des méthodes d'optimisation pour la résolution des n sous-problèmes d'optimisation. Cette résolution sefait à l'aide d'une équation semi-lisse basée sur la reformulation de Karush-Kuhn-Tucker duproblème d'équilibre de Nash généralisé. Ces équations nécessitent l'utilisation du Jacobiengénéralisé pour les fonctions localement lipschitziennes intervenant dans le problème d'optimisation.Une étude de convergence et une comparaison des méthodes d'optimisation sont réalisées.Enfin, le chapitre 4 aborde le calcul de la probabilité de ruine, un autre thème fondamentalde l'assurance non-vie. Dans ce chapitre, un modèle de risque avec dépendance entre lesmontants ou les temps d'attente de sinistre est étudié. De nouvelles formules asymptotiquesde la probabilité de ruine en temps infini sont obtenues dans un cadre large de modèle de risquesavec dépendance entre sinistres. De plus, on obtient des formules explicites de la probabilité deruine en temps discret. Dans ce modèle discret, l'analyse structure de dépendance permet dequantifier l'écart maximal sur les fonctions de répartition jointe des montants entre la versioncontinue et la version discrète.

[pt] O mercado financeiro é essencial na economia, trazendo estabilidade, acesso a novos tipos de investimentos, e aumentando a capacidade das empresas no acesso ao crédito. A constante busca por reduzir o papel de especialistas humanos na tomada de decisão, visa reduzir o risco inerente as emoções intrínsecas do ser humano, do qual a máquina não compartilha. Como consequência, reduzindo efeitos especulativos no mercado, e aumentando a precisão nas decisões tomadas. Neste trabalho é discutido o problema de seleção de portfólios online, onde um vetor de alocações de ativos é requerido em cada passo. O algoritmo proposto é o multilayer perceptron with side information - MLPi. Este algoritmo utiliza redes neurais para a solução do problema quando o investidor tem acesso a informações futuras sobre o preço dos ativos. Para avaliar o uso da informação lateral na seleção de portfolio, testamos empiricamente o MLPi em contraste com dois algoritmos, um baseline e o estado-da-arte. Como baseline é utilizado o buy-and-hold. O estado-da-arte é o algoritmo online moving average mean reversion proposto por Li e Hoi (2012). Para avaliar a utilização de informação lateral no algoritmo MLPi é definido um benchmark baseado numa solução ótima simples utilizando a informação lateral, mas sem considerar a acurácia da informação futura. Para os experimentos, utilizamos informações a nível de minuto do mercado de ações brasileiro, operados na bolsa de valores B3. É simulado um preditor de preço com 7 níveis de acurácia diferentes para 200 portfólios. Os resultados apontam que tanto o benchmark quanto o MLPi superam os dois algoritmos selecionados, para níveis de acurácia de um ativo maiores que 50 por cento, e na média, o MLPi supera o benchmark em todos os níveis de acurácia simulados. / [en] The financial market is essential in the economy, bringing stability, access to new types of investments, and increasing the ability of companies to access credit. The constant search for reducing the role of human specialists in decision making aims to reduce the risk inherent in the intrinsic emotions of the human being, which the machine does not share. As a consequence, reducing speculative effects in the market, and increasing the precision in the decisions taken. In this paper, we discuss the problem of selecting portfolios online, where a vector of asset allocations is required in each step. The proposed algorithm is the multilayer perceptron with side information - MLPi. This algorithm uses neural networks to solve the problem when the investor has access to future information on the price of the assets. To evaluate the use of side information in portfolio selection, we empirically tested MLPi in contrast to two algorithms, a baseline and the state-of-the-art. As a baseline, buy-andhold is used. The state-of-the-art is the online moving average mean reversion algorithm proposed by Li and Hoi (2012). To evaluate the use of side information in the algorithm MLPi a benchmark based on a simple optimal solution using the side information is defined, but without considering the accuracy of the future information. For the experiments, we use minute-level information from the Brazilian stock market, traded on the B3 stock exchange. A price predictor is simulated with 7 different accuracy levels for 200 portfolios. The results show that both the benchmark and MLPi outperform the two algorithms selected, for asset accuracy levels greater than 50 percent, and on average, MLPi outperforms the benchmark at all levels of simulated accuracy.

Dans cette thèse, nous étudions différentes problématiques d'actualité en finance quantitative. Le premier chapitre est dédié à la stabilité de la propriété de semimartingale après grossissement de la filtration de base. Nous étudions d'abord le grossissement progressif d'une filtration avec des temps aléatoires et montrons comment la décomposition de la semimartingale dans la filtration grossie est obtenue en utilisant un lien naturel entre la filtration grossie initiallement et celle grossie progressivement. Intuitivement, ce lien se résume au fait que ces deux filtrations coincident après le temps aléatoire. Nous précisons cette idée et l'utilisons pour établir des résultats connus pour certains et nouveaux pour d'autres dans le cas d'un grossissement de filtrations avec un seul temps aléatoire. Les méthodes sont alors étendues au cas de plusieurs temps aléatoires, sans aucune restriction sur l'ordre de ces temps. Nous étudions ensuite ces filtrations grossies du point de vue des rétrécissements des filtrations. Nous nous intéressons enfin au grossissement progressif de filtrations avec des processus. En utilisant des résultats de la convergence faible de tribus, nous établissons d'abord un théorème de convergence de semimartingales, que l'on appliquera dans un contexte de grossissement de filtrations avec un processus pour obtenir des conditions suffisantes pour qu'une semimartingale de la filtration de base reste une semimartingale dans la filtration grossie. Nous obtenons des premiers résultats basés sur un critère de type Jacod pour les incréments du processus utilisé pour grossir la filtration. Nous nous proposons d'appliquer ces résultats au cas d'un grossissement d'une filtration Brownienne avec une diffusion retournée en temps et nous retrouvons et généralisons quelques examples disponibles dans la littérature. Enfin, nous concentrons nos efforts sur le grossissement de filtrations avec un processus continu et obtenons deux nouveaux résultats. Le premier est fondé sur un critère de Jacod pour les temps d'atteinte successifs de certains niveaux et le second est fondé sur l'hypothèse que ces temps sont honnêtes. Nous donnons des examples et montrons comment cela peut constituer un premier pas vers des modèles dynamiques de traders initiés donnant naissance à des opportunités d'arbitrage nocives. Dans la filtration grossie, le terme à variation finie du processus de prix peut devenir singulier et des opportunités d'arbitrage (au sens de FLVR) apparaissent clairement dans ces modèles. Dans le deuxième chapitre, nous réconcilions les modèles structuraux et les modèles à forme réduite en risque de crédit, du point de vue de la contagion de crédit induite par le niveau d'information disponible à l'investisseur. Autrement dit, étant données de multiples firmes, nous nous intéressons au comportement de l'intensité de défaut (par rapport à une filtration de base) d'une firme donnée aux temps de défaut des autres firmes. Nous étudions d'abord cet effet sous des spécifications différentes de modèles structuraux et sous différents niveaux d'information, et tirons, par l'exemple, des conclusions positives sur la présence d'une contagion de crédit. Néanmoins, comme plusieurs exemples pratiques ont un coup calculatoire élevé, nous travaillons ensuite avec l'hypothèse simplificatrice que les temps de défaut admettent une densité conditionnelle par rapport à la filtration de base. Nous étendons alors des résultats classiques de la théorie de grossissement de filtrations avec des temps aléatoires aux temps aléatoires non-ordonnés admettant une densité conditionnelle et pouvons ainsi étendre l'approche classique de la modélisation à forme réduite du risque de crédit à ce cas général. Les intensités de défaut sont calculées et les formules de pricing établies, dévoilant comment la contagion de crédit apparaît naturellement dans ces modèles. Nous analysons ensuite l'impact d'ordonner les temps de défaut avant de grossir la filtration de base. Si cela n'a aucune importance pour le calcul des prix, l'effet est significatif dans le contexte du management de risque et devient encore plus prononcé pour les défauts très corrélés et asymétriquement distribués. Nous proposons aussi un schéma général pour la construction et la simulation des temps de défaut, étant donné qu'un modèle pour les densités conditionnelles a été choisi. Finalement, nous étudions des modèles de densités conditionnelles particuliers et la contagion de crédit induite par le niveau d'information disponible au sein de ces modèles. Dans le troisième chapitre, nous proposons une méthodologie pour la détection en temps réel des bulles financières. Après la crise de crédit de 2007, les bulles financières ont à nouveau émergé comme un sujet d'intéret pour différents acteurs du marché et plus particulièrement pour les régulateurs. Un problème ouvert est celui de déterminer si un actif est en période de bulle. Grâce à des progrès récents dans la caractérisation des bulles d'actifs en utilisant la théorie de pricing sous probabilité risque-neutre qui caractérise les processus de prix d'actifs en bulles comme étant des martingales locales strictes, nous apportons une première réponse fondée sur la volatilité du processus de prix de l'actif. Nous nous limitons au cas particulier où l'actif risqué est modélisé par une équation différentielle stochastique gouvernée par un mouvement Brownien. Ces modèles sont omniprésents dans la littérature académique et en pratique. Nos méthodes utilisent des techniques d'estimation non paramétrique de la fonction de volatilité, combinées aux méthodes d'extrapolation issues de la théorie des reproducing kernel Hilbert spaces. Nous illustrons ces techniques en utilisant différents actifs de la bulle internet (dot-com bubble)de la période 1998 - 2001, où les bulles sont largement acceptées comme ayant eu lieu. Nos résultats confirment cette assertion. Durant le mois de Mai 2011, la presse financière a spéculé sur l'existence d'une bulle d'actif après l'OPA sur LinkedIn. Nous analysons les prix de cet actif en nous basant sur les données tick des prix et confirmons que LinkedIn a connu une bulle pendant cette période. Le dernier chapitre traite des variances swaps échantillonnés en temps discret. Ces produits financiers sont des produits dérivés de volatilité qui tradent activement dans les marchés OTC. Pour déterminer les prix de ces swaps, une approximation en temps continu est souvent utilisée pour simplifier les calculs. L'intérêt de ce chapitre est d'étudier les conditions garantissant que cette approximation soit valable. Les premiers théorèmes caractérisent les conditions sous lesquelles les valeurs des variances swaps échantillonnés en temps discret sont finies, étant donné que les valeurs de l'approximation en temps continu sont finies. De manière étonnante, les valeurs des variances swaps échantillonnés en temps discret peuvent etre infinies pour des modèles de prix raisonnables, ce qui rend la pratique de marché d'utiliser l'approximation en temps continu invalide. Des examples sont fournis. En supposant ensuite que le payoff en temps discret et son approximation en temps continu ont des prix finis, nous proposons des conditions suffisantes pour qu'il y ait convergence de la version discrète vers la version continue. Comme le modèle à volatilité stochastique 3/2 est de plus en plus populaire, nous lui appliquons nos résultats. Bien que nous pouvons démontrer que les deux valeurs des variances swaps sont finies, nous ne pouvons démontrer la convergence de l'approximation que pour certaines valeurs des paramètres du modèle.

Cette thèse traite d'une part, de questions de gestion, de mesure et de transfert du risque et d'autre part, de problèmes d'analyse stochastique à sauts avec incertitude de modèle. Le premier chapitre est consacré à l'analyse des intégrales de Choquet, comme mesures de risque monétaires non nécessairement invariantes en loi. Nous établissons d'abord un nouveau résultat de représentation des mesures de risque comonotones, puis un résultat de représentation des intégrales de Choquet en introduisant la notion de distorsion locale. Ceci nous permet de donner ensuite une forme explicite à l'inf-convolution de deux intégrales de Choquet, avec des exemples illustrant l'impact de l'absence de la propriété d'invariance en loi. Nous nous intéressons ensuite à un problème de tarification d'un contrat de réassurance non proportionnelle, contenant des clauses de reconstitution. Après avoir défini le prix d'indifférence relatif à la fois à une fonction d'utilité et à une mesure de risque, nous l'encadrons par des valeurs facilement implémentables. Nous passons alors à un cadre dynamique en temps. Pour cela, nous montrons, en adoptant une approche par point fixe, un théorème d'existence de solutions bornées pour une classe d'équations différentielles stochastiques rétrogrades (EDSRs dans la suite) avec sauts et à croissance quadratique. Sous une hypothèse additionnelle classique dans le cadre à sauts, ou sous une hypothèse de convexité du générateur, nous établissons un résultat d'unicité grâce à un principe de comparaison. Nous analysons les propriétés des espérances non linéaires correspondantes. En particulier, nous obtenons une décomposition de Doob-Meyer des surmartingales non-linéaires ainsi que leur régularité en temps. En conséquence, nous en déduisons facilement un principe de comparaison inverse. Nous appliquons ces résultats à l'étude des mesures de risque dynamiques associées, sur une filtration engendrée à la fois par un mouvement brownien et par une mesure aléatoire à valeurs entières, à leur repésentation duale, ainsi qu'à leur inf-convolution, avec des exemples explicites. La seconde partie de cette thèse concerne l'analyse de l'incertitude de modèle, dans le cas particulier des EDSRs du second ordre avec sauts. Nous imposons que ces équations aient lieu au sens presque-sûr, pour toute une famille non dominée de mesures de probabilités qui sont solution d'un problème de martingales sur l'espace de Skorohod. Nous étendons d'abord la définition des EDSRs du second ordre, telles que définies par Soner, Touzi et Zhang, au cas avec sauts. Pour ce faire, nous démontrons un résultat d'agrégation au sens de Soner, Touzi et Zhang sur l'espace des trajectoires càdlàg. Ceci nous permet, entre autres, d'utiliser une version quasi-sûre du compensateur de la mesure des sauts du processus canonique. Nous montrons alors un résultat d'existence et d'unicité pour notre classe d'EDSRs du second ordre. Ces équations sont affectées par l'incertitude portant à la fois sur la volatilité et sur les sauts du processus qui les dirige.