Thèse de doctorat : Mathématiques Appliquées : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

This dissertation is devoted to theories of processes we call ``Walsh semimartingales" and ``Walsh diffusions", as well as to related optimization problems of control and stopping. These processes move on the plane along rays emanating from the origin; and when at the origin, the processes choose the rays of their subsequent voyage according to a fixed probability measure---in a manner described by Walsh (1978) as a direct generalization of the skew Brownian motion. We first review in Chapter 1 some key results regarding the celebrated skew Brownian motions and Walsh Brownian motions. These results include the characterization of skew Brownian motions via stochastic equations in Harrison & Shepp (1981), the construction of Walsh Brownian motions in Barlow, Pitman & Yor (1989), and the important result of Tsirel'son (1997) regarding the nature of the filtration generated by the Walsh Brownian motion. Various generalizations of Walsh Brownian motions are described in detail in Chapter 2. We formally define there Walsh semimartingales as a subclass of planar processes we call ``semimartingales on rays". We derive for such processes Freidlin-Sheu-type change-of-variable formulas, as well as two-dimensional versions of the Harrison-Shepp equations. The actual construction of Walsh semimartingales is given next. Walsh diffusions are then defined as a subclass of Walsh semimartingales, described by stochastic equations which involve local drift and dispersion characteristics. The associated local submartingale problems, strong Markov properties, existence, uniqueness, asymptotic behavior, and tests for explosions in finite time, are studied in turn. Finally, with Walsh semimartingales as state-processes, we study in Chapter 3 succesively a pure optimal stopping problem, a stochastic control problem with discretionary stopping, and a stochastic game between a controller and a stopper. We derive for these problems optimal strategies in surprisingly explicit from. Crucial for the analysis underpinning these results, are the change-of-variable formulas derived in Chapter 2. Most of the results in Chapters 2 and 3 are based on two papers, [21] and [31], both cowritten by the author of this dissertation. Some results and proofs are rearranged and rewritten here.

L'étude de la p-variation d'un processus en probabilité n'est pas nouvelle.<br>Elle est en effet initiée par des auteurs parmi lesquels, on peut citer Lévy (1940), Blumenthal et Getoor (1960, 1961), Monroe (1972), Bretagnolle (1972) et Lépingle (1976). <br>Elle a connue un engouement ces dernières années en relation avec leur utilité révélée dans l'estimation de la volatilité et les tests de présence de sauts en mathématiques financières.<br>Dans cette thèse, nous généralisons certains résultats obtenus dans ce domaine avec des fonctions test qui dépendent de l'aléa, du temps et du l'espace.<br>Nous prouvons la convergence des processus étudiés et sous certaines conditionsnous donnons le théorème central limite associé.<br>Les résultats obtenus peuvent servir également en statistique des processus concernant la convergence des fonctions de contrastes.

In this thesis, we consider a class of stochastic dynamics running backwards, so called backward stochastic differential equations (BSDEs) in the literature. We demonstrate BSDEs can be reformulated as functional differential equations defined on path spaces, and therefore solving BSDEs is equivalent to solving the associated functional differential equations. With such observation we can solve BSDEs on general filtered probability space satisfying the usual conditions, and in particular without the requirement of the martingale representation. We further solve the above functional differential equations numerically, and propose a numerical scheme based on the time discretization and the Picard iteration. This in turn also helps us solve the associated BSDEs numerically. In the second part of the thesis, we consider a class of BSDEs with quadratic growth (QBSDEs). By using the functional differential equation approach introduced in this thesis and the idea of the Cole-Hopf transformation, we first solve the scalar case of such QBSDEs on general filtered probability space satisfying the usual conditions. For a special class of QBSDE systems (not necessarily scalar) in Brownian setting, we do not use such Cole-Hopf transformation at all, and instead introduce the weak solution method, which is to use the strong solutions of forward backward stochastic differential equations (FBSDEs) to construct the weak solutions of such QBSDE systems. Finally we apply the weak solution method to a specific financial problem in the credit risk setting, where we modify the Merton's structural model for credit risk by using the idea of indifference pricing. The valuation and the hedging strategy are characterized by a class of QBSDEs, which we solve by the weak solution method.

Cette thèse porte sur l'étude des propriétés asymptotiques des p-variations de processus observés de manière discrète dans le temps et entachés d'une erreur d'arrondi en espace. Cette thèse comporte trois parties ; le chapitre 1 est consacré à des rappels sur les semimartingales et les types de convergences étudiés. Dans le chapitre 2, nous étudions les p,q-variations associées à un mouvement brownien bidimensionnel arrondi lorsque les pas de temps et d'espace tendent vers 0. Leur comportement dépend de deux paramètres : le premier est le rapport entre le pas d'arrondi et la racine du pas de temps, les résultats différant radicalement selon que ce paramètre converge ou diverge ; le second est la matrice de covariance associée au mouvement brownien. Lorsque celle-ci est inversible, le comportement des p,q-variations avec arrondi est une généralisation naturelle de celui des p-variations d'un brownien unidimensionnel arrondi. Lorsque par contre la matrice de covariance est dégénérée, les deux composantes du brownien sont proportionnelles et nous obtenons des lois des grands nombres très différentes selon que le rapport entre les deux est ou non rationnel. Le chapitre 3 s'intéresse au comportement asymptotique des p-variations d'une semimartingale arrondie. Nous montrons dans un premier temps des lois des grands nombres pour les p-variations renormalisées ou non renormalisées, ainsi qu'une généralisation à des semimartingales bidimensionnelles continues. Lorsque cela est possible, c'est-à-dire pour des p-variations non-renormalisées, nous prouvons ensuite des théorèmes centraux limites associés, au prix d'hypothèses supplémentaires sur la structure de la semimartingale.

Orientador: Pedro Jose Catuogno / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-17T23:03:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ChipanaMollinedo_DavidAlexander_M.pdf: 748774 bytes, checksum: 2c70408db9f4fbab1d9846af4be3736b (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Neste trabalho estamos interessados em estudar o teorema limite para fluxos estocásticos. Apresentamos a teoria de semimartingales de H. Kunita e algumas noções relativas a fluxos de aplicações mensuráveis...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: In this work we are interested in studying the limit theorem for stochastic flows. We present the theory of semimartingales given by H. Kunita and some notions related to flow of measurable applications...Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertation / Mestrado / Matematica / Mestre em Matemática

Ce document de thèse développe certains aspects du calcul stochastique via régularisation pour des processus X à valeurs dans un espace de Banach général B. Il introduit un concept original de Chi-variation quadratique, où Chi est un sous-espace du dual d'un produit tensioriel B⊗B, muni de la topologie projective. Une attention particulière est dévouée au cas où B est l'espace des fonctions continues sur [-τ,0], τ>0. Une classe de résultats de stabilité de classe C^1 pour des processus ayant une Chi-variation quadratique est établie ainsi que des formules d'Itô pour de tels processus. Un rôle significatif est joué par les processus réels à variation quadratique finie X (par exemple un processus de Dirichlet, faible Dirichlet). Le processus naturel à valeurs dans C[-τ,0] est le dénommé processus fenêtre X_t(•) où X_t(y) = X_{t+y}, y ∈ [-τ,0]. Soit T>0. Si X est un processus dont la variation quadratique vaut [X]_t = t et h = H(X_T(•)) où H:C([-T,0])→ R est une fonction de classe C^3 Fréchet par rapport à L^2([-T,0] ou H dépend d'un numéro fini d' intégrales de Wiener, il est possible de représenter h comme un nombre réel H_0 plus une intégrale progressive du type \int_0^T \xi d^-X où \xi est un processus donné explicitement. Ce résultat de répresentation de la variable aléatoire h sera lié strictement à une fonction u:[0,T] x C([-T,0])→R qui en général est une solution d'une equation au derivées partielles en dimension infinie ayant la proprieté H_0=u(0, X_0(•)), \xi_t=Du(t, X_t(•))({0}). A certains égards, ceci généralise la formule de Clark-Ocone valable lorsque X est un mouvement brownien standard W. Une des motivations vient de la théorie de la couverture d'options lorsque le prix de l'actif soujacent n'est pas une semimartingale.

Ce document synthétise mes contributions à l'étude de discrétisation des processus avec sauts, et à la modélisation du risque de liquidité et du risque de saut dans les marchés financiers. Chapitre 2 regroupe les résultats plus théoriques dans le domaine de discrétisation des processus stochastiques avec sauts, avec notamment une étude de l'erreur de discrétisation des stratégies de couverture, et des nouveaux schémas de simulation des équations différentielles stochastiques dirigées par des processus de Lévy. Chapitre 3 présente et étudie via le contrôle stochastique un problème d'optimisation d'investissement et de consommation dans les marchés financiers illiquides. Chapitre 4 contient des travaux plus appliqués sur la modélisation du risque de saut dans les stratégies d'assurance de portefeuille, les produits dérivés, et les marchés d'électricité.

Es sei ein Heath-Jarrow-Morton Zinsstrukturmodell df(t,T) = alpha(t,T)dt + sigma(t,T)dX_t gegeben, angetrieben von einem mehrdimensionalen Semimartingal X. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, die Existenz endlich dimensionaler Realisierungen für solche Modelle zu untersuchen, wobei wir als treibende Prozesse die Klasse der Grigelionis Prozesse wählen, die insbesondere Levy Prozesse enthält. Zur Bearbeitung der Fragestellung werden zwei veschiedene Ansätze verfolgt. Wir dehnen die Ideen aus der Differenzialgeometrie von Björk und Svensson (2001) auf die vorliegende Situation aus und zeigen, dass das in der zitierten Arbeit bewiesene Kriterium für die Existenz endlich dimensionaler Realisierungen in unserem Fall als notwendiges Kriterium dienlich ist. Dieses Resultat wird auf konkrete Volatilitätsstrukturen angewandt. Im Kontext von sogenannten Benchmark Realisierungen, die eine natürliche Verallgemeinerung von Short Rate Realisierungen darstellen, leiten wir Integro-Differenzialgleichungen her, die für die Untersuchung der Existenz endlich dimensionaler Realisierungen hilfreich sind. Als Verallgemeinerung eines Resultats von Jeffrey (1995) beweisen wir außerdem, dass Zinsstrukturmodelle, die eine generische Benchmark Realisierung besitzen, notwendigerweise eine singuläre Hessesche Matrix haben. Beide Ansätze zeigen, dass neue Phänomene auftreten, sobald der treibende Prozess X Sprünge macht. Es gibt dann auf einmal nur noch sehr wenige Zinsstrukturmodelle, die endlich dimensionale Realisierungen zulassen, was ein beträchtlicher Unterschied zu solchen Modellen ist, die von einer Brownschen Bewegung angetrieben werden. Aus diesem Grund zeigen wir, dass für die in der Literatur oft behandelten Modelle mit deterministischer Richtungsvolatilität eine Folge von endlich dimensionalen Systemen existiert, die gegen das Zinsmodell konvergieren. / Let f(t,T) be a term structure model of Heath-Jarrow-Morton type df(t,T) = alpha(t,T)dt + sigma(t,T)dX_t, driven by a multidimensional semimartingale X. Our objective is to study the existence of finite dimensional realizations for equations of this kind. Choosing the class of Grigelionis processes (including in particular Levy processes) as driving processes, we approach this problem from two different directions. Extending the ideas from differential geometry in Björk and Svensson (2001), we show that the criterion for the existence of finite dimensional realizations, proven in the aforementioned paper, still serves as a necessary condition in our setup. This result is applied to concrete volatility structures. In the context of benchmark realizations, which are a natural generalization of short rate realizations, we derive integro-differential equations, suitable for the analysis of the realization problem. Generalizing Jeffrey (1995), we also prove a result stating that forward rate models, which generically possess a benchmark realization, must have a singular Hessian matrix. Both approaches reveal that, with regard to the results known for driving Wiener processes, new phenomena emerge, as soon as the driving process X has jumps. In particular, the occurrence of jumps severely limits the range of models that admit finite dimensional realizations. For this reason we prove, for the often considered case of deterministic direction volatility structures, the existence of finite dimensional systems converging to the forward rate model.

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.