Au cours de cette thèse nous nous sommes intéressé à un jeu minimax différentiel et multi-étages à horizon fini (échéance), motivé par un problème d'évaluation d'options européennes. Le jeu différentiel est en dimension 3 plus temps. Il comporte une commande à la fois continue et impulsionnelle et une commande bornée, ainsi qu'un coût terminal discontinu dans le cas d'une option "digitale" dont l'étude constitue le coeur de la thèse. Ce jeu résulte d'une approche par commande robuste sur l'ensemble des trajectoires de prix permises par l'hypothèse du modèle de marché à intervalles pour le cours de l'actif sur lequel est assise l'option. Du point de vue des techniques financières, notre but est de développer en parallèle une théorie d'évaluation d'options en temps continu et en temps discret, en présence de coûts de transaction et à modèle de marché invariant. Nous obtenons la prime et la stratégie de transaction conseillées au cours du jeu. Notre théorie se veut donc une théorie normative (d'aide à la décision). Pour chaque jeu différentiel, nous utilisons une analyse géométrique des trajectoires extrémales et singulières du jeu qualitatif impulsionnel à cible unique à l'échéance, avec des outils géométriques de la théorie d'Isaacs-Breakwell. Cette analyse nous permet de résoudre complètement le problème. La solution obtenue s'avère riche en variétés singulières de codimension 2, à savoir qu'elle exhibe une dispersion, des variétés équivoques et une variété focale. Cette étude géométrique aboutit à une formule de représentation de la fonction Valeur. faisant intervenir la solution d'un système de deux EDP linéaires couplées du premier ordre. Nous complétons cette étude par une vérification analytique, plus classique, qui consiste à montrer que la fonction construite par la formule de représentation est solution de viscosité de l'équation d'Isaacs associée à un jeu différentiel standard sans commande impulsionnelle ayant la même valeur que le jeu initial. Pour chaque jeu multi-étages, la résolution se fait par le biais d'un algorithme de programmation dynamique classique. Cet algorithme aboutit à une formule de représentation de la Valeur, dont la forme est assez similaire à celle de la solution du jeu différentiel. Il en découle un algorithme rapide applicable en pratique. Nous montrons également la convergence monotone décroissante de la solution du jeu multi-étages vers celle du jeu différentiel lorsque le pas de temps tend vers 0, aussi bien pour une option "vanille" que "digitale", sans changer de modèle d'actif au fur et à mesure que l'on réduit le pas de temps. En conséquent, l'algorithme rapide en temps discret fournit une bonne approximation de la solution (prime et stratégie) en temps continu. Nous terminons ce manuscrit par une analyse critique de la solution du point du vue financier avec en particulier une étude de la robustesse du modèle de marché et une comparaison avec la théorie de F.Black et M.Scholes. Nous insistons sur le fait qu'en aucun cas nous n'avons la prétention de proclamer une quelconque supériorité de notre théorie sur celle de F.Black et M.Scholes. Nous souhaitons seulement montrer qu'elle peut être une alternative en temps discret et/ou en présence de coûts de transaction significatifs, au détriment de la complétude du modèle de marché.

This work develops some simple models to study risky corporate debt using first passage-time approach. Analytical valuation expression derived from different models as functions of firm’s values and the short-term interest rate with time-dependent parameters governing the dynamics of the firm values and interest rate. We develop some numerical approximation of the analytical valuation, which is given implicitly through Voltera integral equation related to the density of the first-passage- time that a firm reaches some specified default barrier. For some appropriate default barrier arising from financial considerations we obtain a closed-form solution, which is more flexible for numerical calculation. / Doctorat en sciences de gestion / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le travail de recherche décrit dans cette thèse a pour objectif d'accélérer le temps de calcul pour valoriser des instruments financiers complexes, tels des options américaines sur panier de taille réaliste (par exemple de 40 sousjacents), en tirant partie de la puissance de calcul parallèle qu'offrent les accélérateurs graphiques (Graphics Processing Units). Dans ce but, nous partons d'un travail précédent, qui avait distribué l'algorithme de valorisation de J.Picazo, basé sur des simulations de Monte Carlo et l'apprentissage automatique. Nous en proposons une adaptation pour GPU, nous permettant de diviser par 2 le temps de calcul de cette précédente version distribuée sur un cluster de 64 cœurs CPU, expérimentée pour valoriser une option américaine sur 40 actifs. Cependant, le pricing de cette option de taille réaliste nécessite quelques heures de calcul. Nous étendons donc ce premier résultat dans le but de cibler un cluster de calculateurs, hétérogènes, mixant GPUs et CPUs, via OpenCL. Ainsi, nous accélérons fortement le temps de valorisation, même si les entrainements des différentes méthodes de classification expérimentées (AdaBoost, SVM) sont centralisés et constituent donc un point de blocage. Pour y remédier, nous évaluons alors l'utilisation d'une méthode de classification distribuée, basée sur l'utilisation de forêts aléatoires, rendant ainsi notre approche extensible. La dernière partie réutilise ces deux contributions dans le cas de calcul de la Value at Risk d’un portefeuille d'options, sur cluster hybride hétérogène. / The research work described in this thesis aims at speeding up the pricing of complex financial instruments, like an American option on a realistic size basket of assets (e.g. 40) by leveraging the parallel processing power of Graphics Processing Units. To this aim, we start from a previous research work that distributed the pricing algorithm based on Monte Carlo simulation and machine learning proposed by J. Picazo. We propose an adaptation of this distributed algorithm to take advantage of a single GPU. This allows us to get performances using one single GPU comparable to those measured using a 64 cores cluster for pricing a 40-assets basket American option. Still, on this realistic-size option, the pricing requires a handful of hours. Then we extend this first contribution in order to tackle a cluster of heterogeneous devices, both GPUs and CPUs programmed in OpenCL, at once. Doing this, we are able to drastically accelerate the option pricing time, even if the various classification methods we experiment with (AdaBoost, SVM) constitute a performance bottleneck. So, we consider instead an alternate, distributable approach, based upon Random Forests which allow our approach to become more scalable. The last part reuses these two contributions to tackle the Value at Risk evaluation of a complete portfolio of financial instruments, on a heterogeneous cluster of GPUs and CPUs.

Cette thèse est consacrée à l'approximation de l'espérance d'une fonctionnelle (pouvant dépendre de toute la trajectoire) appliquée à un processus de diffusion (pouvant être multidimensionnel). La motivation de ce travail vient des mathématiques financières où la valorisation d'options se réduit au calcul de telles espérances. La rapidité des calculs de prix et des procédures de calibration est une contrainte opérationnelle très forte et nous apportons des outils temps-réel (ou du moins plus compétitifs que les simulations de Monte Carlo dans le cas multidimensionnel) afin de combler ces besoins. Pour obtenir des formules d'approximation, on choisit un modèle proxy dans lequel les calculs analytiques sont possibles, puis nous utilisons des développements stochastiques autour de ce modèle proxy et le calcul de Malliavin afin d'approcher les quantités d'intérêt. Dans le cas où le calcul de Malliavin ne peut pas être appliqué, nous développons une méthodologie alternative combinant calcul d'Itô et arguments d'EDP. Toutes les approches (allant des EDPs à l'analyse stochastique) permettent d'obtenir des formules explicites et des estimations d'erreur précises en fonction des paramètres du modèle. Bien que le résultat final soit souvent le même, la dérivation explicite du développement peut être très différente et nous comparons les approches, tant du point de vue de la manière dont les termes correctifs sont rendus explicites que des hypothèses requises pour obtenir les estimées d'erreur. Nous considérons différentes classes de modèles et fonctionnelles lors des quatre Parties de la thèse. Dans la Partie I, nous nous concentrons sur les modèles à volatilité locale et nous obtenons des nouvelles formules d'approximation pour les prix, les sensibilités (delta) et les volatilités implicites des produits vanilles surpassant en précision les formules connues jusque-là. Nous présentons aussi des nouveaux résultats concernant la valorisation des options à départ différé. La Partie II traite de l'approximation analytique des prix vanilles dans les modèles combinant volatilité locale et stochastique (type Heston). Ce modèle est très délicat à analyser car ses moments ne sont pas tous finis et qu'il n'est pas régulier au sens de Malliavin. L'analyse d'erreur est originale et l'idée est de travailler sur une régularisation appropriée du payoff et sur un modèle habilement modifié, régulier au sens de Malliavin et à partir duquel on peut contrôler la distance par rapport au modèle initial. La Partie III porte sur la valorisation des options barrières régulières dans le cadre des modèles à volatilité locale. C'est un cas non considéré dans la littérature, difficile à cause de l'indicatrice des temps de sorties. Nous mélangeons calcul d'Itô, arguments d'EDP, propriétés de martingales et de convolutions temporelles de densités afin de décomposer l'erreur d'approximation et d'expliciter les termes correctifs. Nous obtenons des formules d'approximation explicites et très précises sous une hypothèse martingale. La Partie IV présente une nouvelle méthodologie (dénotée SAFE) pour l'approximation en loi efficace des diffusions multidimensionnelles dans un cadre assez général. Nous combinons l'utilisation d'un proxy Gaussien pour approcher la loi de la diffusion multidimensionnelle et une interpolation locale de la fonction terminale par éléments finis. Nous donnons une estimation de la complexité de notre méthodologie. Nous montrons une efficacité améliorée par rapport aux simulations de Monte Carlo dans les dimensions petites et moyennes (jusqu'à 10).

This thesis presents the main results of my research in the field of computational finance and portfolios optimization. We focus on pricing Asian basket options and portfolio problems in the presence of inflation with stochastic interest rates.<p><p>In Chapter 2, we concentrate upon the derivation of bounds for European-style discrete arithmetic Asian basket options in a Black and Scholes framework.We start from methods used for basket options and Asian options. First, we use the general approach for deriving upper and lower bounds for stop-loss premia of sums of non-independent random variables as in Kaas et al. [Upper and lower bounds for sums of random variables, Insurance Math. Econom. 27 (2000) 151–168] or Dhaene et al. [The concept of comonotonicity in actuarial science and finance: theory, Insurance Math. Econom. 31(1) (2002) 3–33]. We generalize the methods in Deelstra et al. [Pricing of arithmetic basket options by conditioning, Insurance Math. Econom. 34 (2004) 55–57] and Vanmaele et al. [Bounds for the price of discrete sampled arithmetic Asian options, J. Comput. Appl. Math. 185(1) (2006) 51–90]. Afterwards we show how to derive an analytical closed-form expression for a lower bound in the non-comonotonic case. Finally, we derive upper bounds for Asian basket options by applying techniques as in Thompson [Fast narrow bounds on the value of Asian options, Working Paper, University of Cambridge, 1999] and Lord [Partially exact and bounded approximations for arithmetic Asian options, J. Comput. Finance 10 (2) (2006) 1–52]. Numerical results are included and on the basis of our numerical tests, we explain which method we recommend depending on moneyness and time-to-maturity<p><p>In Chapter 3, we propose some moment matching pricing methods for European-style discrete arithmetic Asian basket options in a Black & Scholes framework. We generalize the approach of Curran M. (1994) [Valuing Asian and portfolio by conditioning on the geometric mean price”, Management science, 40, 1705-1711] and of Deelstra G. Liinev J. and Vanmaele M. (2004) [Pricing of arithmetic basket options by conditioning”, Insurance: Mathematics & Economics] in several ways. We create a framework that allows for a whole class of conditioning random variables which are normally distributed. We moment match not only with a lognormal random variable but also with a log-extended-skew-normal random variable. We also improve the bounds of Deelstra G. Diallo I. and Vanmaele M. (2008). [Bounds for Asian basket options”, Journal of Computational and Applied Mathematics, 218, 215-228]. Numerical results are included and on the basis of our numerical tests, we explain which method we recommend depending on moneyness and<p>time-to-maturity.<p><p>In Chapter 4, we use the stochastic dynamic programming approach in order to extend<p>Brennan and Xia’s unconstrained optimal portfolio strategies by investigating the case in which interest rates and inflation rates follow affine dynamics which combine the model of Cox et al. (1985) [A Theory of the Term Structure of Interest Rates, Econometrica, 53(2), 385-408] and the model of Vasicek (1977) [An equilibrium characterization of the term structure, Journal of Financial Economics, 5, 177-188]. We first derive the nominal price of a zero coupon bond by using the evolution PDE which can be solved by reducing the problem to the solution of three ordinary differential equations (ODE). To solve the corresponding control problems we apply a verification theorem without the usual Lipschitz assumption given in Korn R. and Kraft H.(2001)[A Stochastic control approach to portfolio problems with stochastic interest rates, SIAM Journal on Control and Optimization, 40(4), 1250-1269] or Kraft(2004)[Optimal Portfolio with Stochastic Interest Rates and Defaultable Assets, Springer, Berlin].<p><p><p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished