In this thesis, we study numerical analysis for random processes and fields. We investigate the behavior of the approximation accuracy for specific linear methods based on a finite number of observations. Furthermore, we propose techniques for optimizing performance of the methods for particular classes of random functions. The thesis consists of an introductory survey of the subject and related theory and four papers (A-D). In paper A, we study a Hermite spline approximation of quadratic mean continuous and differentiable random processes with an isolated point singularity. We consider a piecewise polynomial approximation combining two different Hermite interpolation splines for the interval adjacent to the singularity point and for the remaining part. For locally stationary random processes, sequences of sampling designs eliminating asymptotically the effect of the singularity are constructed. In Paper B, we focus on approximation of quadratic mean continuous real-valued random fields by a multivariate piecewise linear interpolator based on a finite number of observations placed on a hyperrectangular grid. We extend the concept of local stationarity to random fields and for the fields from this class, we provide an exact asymptotics for the approximation accuracy. Some asymptotic optimization results are also provided. In Paper C, we investigate numerical approximation of integrals (quadrature) of random functions over the unit hypercube. We study the asymptotics of a stratified Monte Carlo quadrature based on a finite number of randomly chosen observations in strata generated by a hyperrectangular grid. For the locally stationary random fields (introduced in Paper B), we derive exact asymptotic results together with some optimization methods. Moreover, for a certain class of random functions with an isolated singularity, we construct a sequence of designs eliminating the effect of the singularity. In Paper D, we consider a Monte Carlo pricing method for arithmetic Asian options. An estimator is constructed using a piecewise constant approximation of an underlying asset price process. For a wide class of Lévy market models, we provide upper bounds for the discretization error and the variance of the estimator. We construct an algorithm for accurate simulations with controlled discretization and Monte Carlo errors, andobtain the estimates of the option price with a predetermined accuracy at a given confidence level. Additionally, for the Black-Scholes model, we optimize the performance of the estimator by using a suitable variance reduction technique.

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This thesis consists of a summary and five papers, dealing with financial applications of optimal stopping, optimal control and volatility. In Paper I, we present a method to recover a time-independent piecewise constant volatility from a finite set of perpetual American put option prices. In Paper II, we study the optimal liquidation problem under the assumption that the asset price follows a geometric Brownian motion with unknown drift, which takes one of two given values. The optimal strategy is to liquidate the first time the asset price falls below a monotonically increasing, continuous time-dependent boundary. In Paper III, we investigate the optimal liquidation problem under the assumption that the asset price follows a jump-diffusion with unknown intensity, which takes one of two given values. The best liquidation strategy is to sell the asset the first time the jump process falls below or goes above a monotone time-dependent boundary. Paper IV treats the optimal dividend problem in a model allowing for positive jumps of the underlying firm value. The optimal dividend strategy is of barrier type, i.e. to pay out all surplus above a certain level as dividends, and then pay nothing as long as the firm value is below this level. Finally, in Paper V it is shown that a necessary and sufficient condition for the explosion of implied volatility near expiry in exponential Lévy models is the existence of jumps towards the strike price in the underlying process.

Les travaux présentés s'intéressent au traitement des signaux à valeurs sur des espaces non-commutatifs, en particulier sur le groupe des rotations et les quaternions. Principalement, ce sont les signaux et processus aléatoires qui sont au centre de nos préoccupations, et nous présentons quelques résultats illustrant leur intérêt en physique des ondes polarisées. Nous montrons par exemple comment les processus aléatoires sur le groupe des rotations permettent d'étudier la diffusion multiple des ondes dans les milieux aléatoires et l'apparition de la phase géométrique pour les ondes polarisées dans ces milieux. Les résultats obtenus sont basés sur des notions empruntées à la théorie des groupes et de la représentation, la théorie des processus aléatoires et de l'estimation ainsi qu'à la géométrie différentielle. L'application majeure des résultats présentés est l'étude des ondes élastiques dans les milieux aléatoires.

Ce manuscrit s'intéresse aux phénomènes de transport de la lumière en milieux désordonnés non linéaires, dans lesquels la lumière est susceptible de subir une redistribution en fréquence lors de la diffusion. Plus spécifiquement, il étudie la possibilité d'utiliser des vapeurs atomiques éclairées à résonance pour caractériser deux régimes singuliers de transport : le laser aléatoire et les vols de Lévy des photons. Nous commençons par introduire un formalisme standard d'étude du transport de la lumière dans une vapeur atomique diluée. Les équations de Bloch optiques décrivent la réponse d'un atome à un champ extérieur cohérent; elles permettent d'obtenir les sections efficaces qui caractérisent la marche aléatoire de la lumière dans le milieu. Le plus souvent, celle-ci peut être décrite par une équation de la diffusion. En présence de gain, l'équation de la diffusion prévoit un emballement de l'intensité diffuse lorsque l'échantillon dépasse une taille critique: c'est le laser aléatoire. La seconde partie de ce manuscrit étudie par une double approche théorique et expérimentale la possibilité d'obtenir du gain dans un nuage d'atomes froids, en le soumettant à un pompage optique externe; puis de le combiner à la diffusion pour obtenir un laser aléatoire. Dans la configuration de gain Raman hyperfin, qui ressort comme la meilleure candidate à cette fin, l'impact du rayonnement diffus piégé au sein du milieu sur l'émission de l'échantillon est clairement mis en évidence. La plupart des effets observées peuvent être expliquées par un modèle de piégeage radiatif, en l'absence de gain; certaines observations, cependant, pourraient être attribuées à un laser aléatoire. Dans une dernière partie, nous nous intéressons aux vapeurs atomiques chaudes dans lesquelles une redistribution en fréquence intervient du fait de l'effet Doppler y compris en milieu passif. Le phénomène crée des photons fortement désaccordés par rapport à la résonance atomique, qui sont faiblement diffusés et peuvent parcourir de longues distances dans le milieu. Ces évènements rares de grande amplitude brisent les hypothèses du modèle diffusif. Nous présentons ici un dispositif qui permet une mesure directe de la distribution de la taille des pas des photons dans une vapeur chaude de rubidium. Le résultat obtenu est caractéristique d'un régime de diffusion anormale dit de vols de Lévy.

Ce travail présente quelques résultats sur les systèmes de particules en interaction pour l'interprétation probabiliste des équations aux dérivées partielles, avec des applications à des questions de dynamique moléculaire et de chimie quantique. On présente notamment une méthode particulaire permettant d'analyser le processus de la force biaisante adaptative, utilisé en dynamique moléculaire pour le calcul de différences d'énergies libres. On étudie également la sensibilité de dynamiques stochastiques par rapport à un paramètre, en vue du calcul des forces dans l'approximation de Born-Oppenheimer pour rechercher l'état quantique fondamental de molécules. Enfin, on présente un schéma numérique basé sur un système de particules pour résoudre des lois de conservation scalaires, avec un terme de diffusion anormale se traduisant par une dynamique de sauts sur les particules

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Este estudo contempla dois ensaios em finanças quantitativas, relacionados, respectivamente, a modelos de apreçamento e risco sistêmico. No Capitulo 1, e apresentado uma alternativa para modelar opções multidimensionais, cujas estruturas de ganhos e perdas dependam das trajetórias dos processos dos preços dos ativos objetos. A modelagem sugerida considera os processos de Levy, uma classe de processos estocásticos bastante ampla, que permite a existência de saltos (descontinuidades) no processo dos preços dos ativos financeiros, e tem como caso particular o movimento Browniano. Para escrever a dependência entre os processos, os conceitos estáticos de copulas ordinárias são estendidos para o contexto dos processos de Levy, levando em consideração a medida de Levy, que caracteriza o comportamento dos saltos. São realizados estudos comparativos entre as copulas dinâmicas de Clayton e de Frank, no apreçamento dos contratos derivativos do tipo asiático, utilizando-se processos gama e técnicas de simulação de Monte Carlo. No Capitulo 2, a estrutura e dinâmica interbancária das exposições mutuas entre as instituições financeiras no Brasil e explorada bem como o capital destas reservas, utilizando um conjunto de dados únicos que considera vários períodos entre 2007 e 2008. Para isto e mostrado que a rede de exposições pode ser modelada adequadamente como um gráfico estocástico dirigido de escala - livre (ponderada) seguindo distribuições que apresentam caudas grossas. A relação entre as conexões das instituições financeiras e seu colchão-de-capital também são investigados neste estudo. Finalmente, a estrutura da rede e usada para explorar a extensão de risco sistêmico gerada no sistema individualmente pelas instituições financeiras. / This study comprises two essays in quantitative finance, related, respectively, to models in asset pricing and systemic risk. In Chapter 1, it is presented an alternative to modeling multidimensional options, where the pay-offs depend on the paths of the trajectories of the underlying-asset prices. The proposed technique considers Levy processes, a very ample class of stochastic processes that allows the existence of jumps (discontinuities) in the price process of financial assets, and as a particular case, comprises the Brownian motion. To describe the dependence among Levy processes, extending the static concepts of the ordinary copulas to the Levy processes context, considering the Levy measure, which characterizes the jumps behavior of these processes. A comparison between the Clayton and the Frank dynamic copulas and their impact in asset pricing of Asian type derivatives contracts is studied, considering gamma processes and Monte Carlo simulation procedures. In Chapter 2, the structure and dynamics of interbank exposures in Brazil using a unique data set of all mutual exposures of financial institutions in Brazil is explored, as well as their capital reserves, at various periods in 2007 and 2008. It is shown that the network of exposures can be adequately modeled as a directed scale-free (weighted) graph with heavy-tailed degree and weight distributions. The relation between connectivity of a financial institution and its capital buffer are also investigated in this study. Finally, the network structure is used to explore the extent of systemic risk generated in the system by the individual institutions.

Aujourd’hui la prédiction des défaillances de certains systèmes industriels est devenue indispensable pour l’amélioration de la fiabilité et de la rentabilité de ces derniers. Cette prédiction s’appuie principalement sur l’analyse d’évolution du niveau de dégradation du système. Pour les systèmes dont l’état de détérioration n’est pas directement observable, la définition d’indicateurs de santé mesurables est nécessaire. Une modélisation du processus de dégradation à partir de ces données peut être ensuite effectuée. Dans cette thèse, nous considérons un ensemble d’indicateurs non-monotones pour un système opérant dans un environnement dynamique. Compte tenu des principales caractéristiques des données ainsi que de l’impact des conditions environnementales et de leur instabilité, une modélisation stochastique de l’évolution de ces indicateurs est proposée. Les modèles proposés se basent principalement sur une combinaison d’un processus de Wiener et de processus de sauts. Les motivations, les méthodes de calibration, l’utilité et les limites de chaque modèle sont discutées. Nous proposons ensuite une approche pour l’aide à la décision concernant les actions de maintenance préventive. Cette approche consiste à évaluer la valeur d’une option réelle qui présente la possibilité d’«Attendre avant d’Agir» suite à un signal d’avertissement sur une défaillance probable. Une application de cette approche pour le cas d'une éolienne équipée d’un système de surveillance et de gestion est traitée / A major concern for engineers and managers nowadays is to make high quality products and highly reliable systems. In this context, reliability analysis and failure prediction, besides of efficient maintenance decision-making are strongly required. Deterioration modeling and analysis is a fundamental step for the understanding and the anticipation of system behavior. Consider a functional system operating in unstable conditions or environment where the deterioration level is not observable and could not be determined by direct measures. For this system a set of measurable health indicator that indirectly reflects the system working conditions and deterioration level can be defined and examined. Considering these indicators, the development of a mathematical model describing the system behavior is required.In this thesis, we consider a set of non-monotone indicators evolving in a dynamic environment. Taking into account the major features of the data evolution as well as the impact of dynamic environment consequences and potential shocks, stochastic models based on Wiener and jump processes are proposed for these indicators. Each model is calibrated and tested, and their limits are discussed. A decision-making approach for preventive maintenance strategies is then proposed. In this approach, knowing the RUL of the system, a simulation-based real options analysis is used in order to determine the best date to maintain. Considering a case study of a wind turbine with PHM structure, the decision optimization approach is described

La première partie de cette thèse est constituée d'un récit intitulé L'espoir est dans les arbres. Le protagoniste de ce récit se remémore peu à peu qu'il a été agressé alors qu'il était enfant. C'est le récit de la réappropriation de sa mémoire ainsi que des fantasmes que cette mémoire peut générer. Le héros est profondément ébranlé dans sa vie personnelle et professionnelle et commence, pour lui-même, une quête de la vérité. Il entre dans un monde symbolique à la suite d'une renaissance et déchiffre des signes qui lui sont adressés dans son univers quotidien. Son équilibre mental est menacé. À la rencontre de sa mère sur le chemin de Valleyfield, il expérimente une illumination et le secret de l'agression qu'il a vécu lui est révélé par étapes initiatiques en retournant sur les lieux de l'agression où il crie sa douleur dans les arbres. Ce récit est celui de sa quête, de ses douleurs, de ses peurs et de l'émergence de la partie de lui-même qui se terrait dans son inconscient. Il découvrira que le plus important est son présent. L'espoir est donc permis. La deuxième partie de la thèse, intitulée Le mythème de l'illumination : lumière dans les ténèbres, est articulée en trois chapitres. Le premier, "Sources sacrées du mythème de l'illumination", s'intéresse aux différentes conceptions de l'illumination dans plusieurs religions et, particulièrement, par une analyse symbolique, au mythème biblique de l'illumination de saint Paul. Le deuxième chapitre, "Les illuminations québécoises", fort de cette recherche préalable, s'intéresse à la présence d'éléments du mythème de l'Illumination dans des textes de trois auteurs québécois : Jacques Ferron, Anne Hébert et Victor-Lévy Beaulieu. Le troisième chapitre, plus personnel, "Le mythème de l'Illumination à l'oeuvre", étudie a posteriori la corrélation entre le processus d'individuation de Cari Gustav Jung avec la structuration du récit L'espoir est dans les arbres, tout en retraçant le cheminement de son écriture. La conclusion met en relief la nature profondément eschatologique de la leçon du mythème littéraire de l'Illumination.