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Le sujet de ma thèse est la théorie de la pénalisation, développée originalement par B .Roynette, P. Vallois et M. Yor dans le cas du mouvement brownien. En quelques mots, cela consiste à favoriser des trajectoires de mesure nulle en mettant un poids sur la mesure de probabilité.<br />La première partie de ma thèse est la contrepartie discrète de leur travail:<br />Soit $\left(\Omega,\,\left(X_n,\,\mathcal F_n,\,n\geq0\right),\mathcal F_\infty=\bigvee_{n\geq0}\mathcal F_n,\,\p\right)$ la marche aléatoire symétrique où $\mathcal F_n$ est la filtration canonique.<br />Pour des fonctionnelles positives et adaptées $G:\mathbb N\times\Omega\time\Omega\rightarrow\mathbb R^+$, j'étudie $\forall n\in\mathbb N,\,\forall\Lambda_n\in\mathcal F_n$, la limite quand $p\rightarrow\infty$ de la quantité:<br />\begin{equation*}<br />\frac{\e_x[\mathds{1}_{\Lambda_n}G_p]}{\e_x[G_p]}<br />\end{equation*}<br />Quand cette limite existe, elle est égale à $Q\left(\Lambda_n\right):=\e_x[\mathds{1}_{\Lambda_n}M_n]$ où $\left(M_n,n\geq0\right)$ est une martingale positive non uniformément intégrable. La définition de $Q$ induit une nouvelle probabilité sur $\left(\Omega,\,\mathcal F_\infty\right)$ et on étudie alors $\left(X_n,n\geq0\right)$ sous $Q$.<br />Dans une seconde partie, j'essaye d'étendre cette théorie à un processus de naissance et de mort. Rappelons que ces processus ont la propriété de ne changer d'état que vers les états les plus proches et cela après un temps aléatoire exponentiel.<br />Plus précisément, je pénalise un processus de naissance et de mort transient par le nombre de visites dans l'état 0 (ce qui est comme une pénalisation par le temps local). Quand je force ce processus à visiter une infinité de fois l'état 0, je prouve que, sous la nouvelle mesure de probabilité induite par pénalisation, le processus se comporte comme un processus de naissance et de mort récurrente.}

An in depth study of the pricing of Game contingent claims under a general diffusion market model, in which interest rate is non constant, is presented. With the idea of providing a few numerical examples of the valuation of such claims, we present a detailed description of a Bootstrapping procedure to obtain interest rate information from Swaps rates. We also present a Stripping procedure that can be used to obtain initial spot (caplet) volatility from Market quotes on Caps/FLoors. These methods are of general application and could be used in the calibration of diffusion models of interest rate. Then we show several examples of calibration of the Hull--White model of interest rates. Our calibration examples are later used in the numerical approximation of the value of a particular form of Game option.

Abstract Game contingent claims (GCCs), as introduced by Kifer (2000), are a generalization of American contingent claims where the writer has the opportunity to terminate the contract, and must then pay the intrinsic option value plus a penalty. In complete markets, GCCs are priced using no-arbitrage arguments as the value of a zero-sum stochastic game of the type described in Dynkin (1969). In incomplete markets, the neutral pricing approach of Kallsen and Kühn (2004) can be used. In Part I of this thesis, we introduce GCCs and their pricing, and also cover some basics of mathematical finance. In Part II, we present a new algorithm for valuing game contingent claims. This algorithm generalises the least-squares Monte-Carlo method for pricing American options of Longstaff and Schwartz (2001). Convergence proofs are obtained, and the algorithm is tested against certain GCCs. A more efficient algorithm is derived from the first one using the computational complexity analysis technique of Chen and Shen (2003). The algorithms were found to give good results with reasonable time requirements. Reference implementations of both algorithms are available for download from the author’s Github page https://github.com/del/ Game-option-valuation-library

[pt] Como motivação, apresentaremos alguns problemas que ilustram a conexão entre a teoria da probabilidade e algumas equações diferenciais parciais. Suas soluções mesclam os dois assuntos e provocam a suspeita de que alguns processos estocásticos e operadores diferenciais caminham juntos. Em seguida, exibiremos a teoria das difusões de Itô. Mostraremos algumas de suas características, como a propriedade de Markov e cada um destes processos possuirá o que chamaremos de gerador infinitesimal da difusão. Este será um operador diferencial de segunda ordem cujo estudo detalhado revela características do processo. Apresentaremos também a fórmula de Dynkin. Com essas ferramentas probabilísticas, encontraremos uma representação estocástica para a solução do problema de Dirichlet para operadores diferenciais elípticos, generalizando as soluções dos problemas inicialmente propostos. / [en] Firstly, for motivation purposes, we briefly present a few problems mixing notions of probability theory and of partial differential equations (PDE). In discussing the solution to such problems it will become apparent that some stochastic process and differential equations walk together. Next, we introduce a class of stochastic processes called the Ito diffusions, and some of its features such as the Markov property. Each such process has an associated linear operator the, so called, infinitesimal generator. This operator acts as a second-order differential operator on smooth functions, and controls the LOCAL behavior of these diffusions. We discuss these features together with Dynkin s formula a convenient relation derived from the infinitesimal generator, which informs us about the AVERAGE behavior of the diffusion. Finally, we apply these probabilistic tools to find a formula for the solution of the Dirichlet problem for a somewhat general linear elliptic second order PDE. This formula connects the solution of the PDE to the aggregated/average behavior and associated (Ito) diffusion. This type of stochastic representation generalizes the solution method of the problems firstly discussed.

[pt] Iniciamos o trabalho com uma revisão da classificação de álgebras de Lie semi-simples sobre corposo algebraicamente fechados de caracteristica zero a traves dos Diagramas de Dyinkin. Posteriormente estudamos sigma - sistemas normais e classificamos eles a traves de diagramas de Satake. Finalmente estudamos a estrutura das formas reais de álgebras de Lie semi-simples complexas, explicitando a conexão com os diagramas de Satake e fornecenendo assim uma classificação das mesmas. / [en] We begin the work with a review of the classification of semisimple Lie algebras over an algebraically field of characteristic zero through the Dyinkin Diagrams. Subsequently we study sigma - normal systems and classify them through Satake diagrams. Finally we study the structure of the real forms of complex semi-simple Lie algebras, explaining the connection with the Satake diagrams and thus providing a classification of them.

Cette thèse est consacrée à l'étude de quelques problèmes dans le domaine des équations différentielles stochastiques rétrogrades (EDSR), et leurs applications aux équations aux dérivées partielles.Dans le premier chapitre, nous introduisons la notion d'équation différentielle doublement stochastique rétrograde (EDDSR) avec condition terminale singulière. Nous étudions d’abord les EDDSR avec générateur monotone, et obtenons ensuite un résultat d'existence par un schéma d'approximation. Une dernière section établit le lien avec les équations aux dérivées partielles stochastiques, via l'approche solution faible développée par Bally, Matoussi en 2001.Le deuxième chapitre est consacré aux EDSR avec condition terminale singulière et sauts. Comme dans le chapitre précédent la partie délicate sera de prouver la continuité en T. Nous formulons des conditions suffisantes sur les sauts afin d'obtenir cette dernière. Une section établit ensuite le lien entre solution minimale de l'EDSR et équations intégro-différentielles. Enfin le dernier chapitre est dédié aux équations différentielles stochastiques rétrogrades du second ordre (2EDSR) doublement réfléchies. Nous avons établi l'existence et l'unicité de telles équations. Ainsi, il nous a fallu dans un premier temps nous concentrer sur le problème de réflexion par barrière supérieure des 2EDSR. Nous avons ensuite combiné ces résultats à ceux existants afin de donner un cadre correct aux 2EDSRDR. L'unicité est conséquence d'une propriété de représentation et l'existence est obtenue en utilisant les espaces shiftés, et les distributions de probabilité conditionnelles régulières. Enfin une application aux jeux de Dynkin et aux options Israëliennes est traitée dans la dernière section. / This thesis is devoted to the study of some problems in the field of backward stochastic differential equations (BSDE), and their applications to partial differential equations.In the first chapter, we introduce the notion of backward doubly stochastic differential equations (BDSDE) with singular terminal condition. A first work consists to study the case of BDSDE with monotone generator. We then obtain existing result by an approximating scheme built considering a truncation of the terminal condition. The last part of this chapter aim to establish the link with stochastic partial differential equations, using a weak solution approach developed by Bally, Matoussi in 2001.The second chapter is devoted to the BSDEs with singular terminal conditions and jumps. As in the previous chapter the tricky part will be to prove continuity in T. We formulate sufficient conditions on the jumps in order to obtain it. A section is then dedicated to establish a link between a minimal solution of our BSDE and partial integro-differential equations.The last chapter is dedicated to doubly reflected second order backward stochastic differential equations (2DRBSDE). We have been looking to establish existence and uniqueness for such equations. In order to obtain this, we had to focus first on the upper reflection problem for 2BSDEs. We combined then these results to those already existing to give a well-posedness context to 2DRBSDE. Uniqueness is established as a straight consequence of a representation property. Existence is obtained using shifted spaces, and regular conditional probability distributions. A last part is then consecrated to the link with some Dynkin games and Israeli options.

Ce travail de thèse a pour objet l'étude de modèles markoviens qui résultent de la prise en compte d'incertitudes dans des systèmes possédant une dynamique hybride : entrées bruitées, dynamique mal connue, ou évènements aléatoires par exemple. De tels modèles, parfois qualifiés de Systèmes Hybrides Stochastiques (SHS), sont utilisés principalement en automatique et en recherche opérationnelle.<br /><br />Nous introduisons dans la première partie du mémoire la notion de processus diffusif par morceaux, qui fournit un cadre théorique général qui unifie les différentes classes de modèles "hybrides" connues dans la littérature. Différents aspects de ces modèles sont alors envisagés, depuis leur construction mathématique (traitée grâce au théorème de renaissance pour les processus de Markov) jusqu'à l'étude de leur générateur étendu, en passant par le phénomène de Zénon.<br /><br />La deuxième partie du mémoire s'intéresse plus particulièrement à la question de la "propagation de l'incertitude", c'est-à-dire à la manière dont évolue la loi marginale de l'état au cours du temps. L'équation de Fokker-Planck-Kolmogorov (FPK) usuelle est généralisée à diverses classes de processus diffusifs par morceaux, en particulier grâce aux notions d'intensité moyenne de sauts et de courant de probabilité. Ces résultats sont illustrés par deux exemples de modèles multidimensionnels, pour lesquels une résolution numérique de l'équation de FPK généralisée a été effectuée grâce à une discrétisation en volumes finis. La comparaison avec des méthodes de type Monte-Carlo est également discutée à partir de ces deux exemples.