Title: Stochastic Models in Financial Mathematics Author: Bc. Oliver Waczulík Department: Department of Probability and Mathematical Statistics Supervisor: doc. RNDr. Jan Hurt, CSc., Department of Probability and Mathe- matical Statistics Abstract: This thesis looks into the problems of ordinary stochastic models used in financial mathematics, which are often influenced by unrealistic assumptions of Brownian motion. The thesis deals with and suggests more sophisticated alternatives to Brownian motion models. By applying the fractional Brownian motion we derive a modification of the Black-Scholes pricing formula for a mixed fractional Bro- wnian motion. We use Lévy processes to introduce subordinated stable process of Ornstein-Uhlenbeck type serving for modeling interest rates. We present the calibration procedures for these models along with a simulation study for estima- tion of Hurst parameter. To illustrate the practical use of the models introduced in the paper we have used real financial data and custom procedures program- med in the system Wolfram Mathematica. We have achieved almost 90% decline in the value of Kolmogorov-Smirnov statistics by the application of subordinated stable process of Ornstein-Uhlenbeck type for the historical values of the monthly PRIBOR (Prague Interbank Offered Rate) rates in...

Dans cette thèse, nous développons une nouvelle méthode de détection de ruptures "Off-line", appelée Dérivée Filtrée avec p-value, sur des paramètres d'une suite de variables aléatoires indépendantes, puis sur le paramètre de Hurst d'un mouvement Brownien multifractionnaire. Cette thèse est composée de trois articles. Dans un premier article paru dans Sequential Analysis nous posons les bases de la méthode Dérivée Filtrée avec p-value (FDpV) en l'appliquant à une suite de variables aléatoires indépendantes. La méthode a une complexité linéaire en temps et en mémoire. Elle est constituée de deux étapes. La première étape utilisant la méthode Dérivée Filtrée détecte les bons instants de ruptures, mais également certaines fausses alarmes. La deuxième étape attribue une p-value à chaque instant de rupture potentiel détecté à la première étape, et élimine les instants dont la p-value est inférieure à un certain seuil critique. Nous démontrons les propriétés asymptotiques nécessaires à la calibration de la méthode. L'efficacité de la méthode a été prouvé tant sur des données simulées que sur des données réelles. Ensuite, nous nous sommes attaqués à l'application de la méthode pour la détection de ruptures sur le paramètre de Hurst d'un mouvement Brownien multifractionnaire. Cela s'est fait en deux phases. La première phase a fait l'objet d'un article à paraitre dans ESAIM P&S où nous avons établi un Théorème Central Limite pour l'estimateur du paramètre de Hurst appelé Increment Ratio Statistic (IRS). Puis, nous avons proposé une version localisée de l'IRS et démontré un TCL local pour estimer la fonction de Hurst d'un mouvement Brownien multifractionnaire. Les preuves sont intuitives et se distinguent par leur simplicité. Elles s'appuient sur le théorème de Breuer-Major et une stratégie originale appelée "freezing of time". La deuxième phase repose sur un nouvel article soumis pour publication. Nous adaptons la méthode FDpV pour détecter des ruptures sur l'indice de Hurst d'un mouvement Brownien fractionnaire constant par morceaux. La statistique sous-jacent de l'algorithme FDpV est un nouvel estimateur de l'indice de Hurst, appelé Increment Zero-Crossing Statistic (IZCS) qui est une variante de l'IRS. La combinaison des méthodes FDpV + IZCS constitue une procédure efficace et rapide avec une complexité linéaire en temps et en mémoire. / This Ph.D dissertation deals with "Off-line" detection of change points on parameters of time series of independent random variables, and in the Hurst parameter of multifrcational Brownian motion. It consists of three articles. In the first paper, published in Sequential Analysis, we set the cornerstones of the Filtered Derivative with p-Value method for the detection of change point on parameters of independent random variables. This method has linear time and memory complexities, with respect to the size of the series. It consists of two steps. The first step is based on Filtered Derivative method which detects the right change points as well as the false ones. We improve the Filtered Derivative method by adding a second step in which we compute the p-values associated to every single potential change point. Then we eliminate false alarms, i.e. the change points which have p-value smaller than a given critical level. We showed asymptotic properties needed for the calibration of the algorithm. The effectiveness of the method has been proved both on simulated data and on real data. Then we moved to the application of the method for the detection of change point on the Hurst parameter of multifractional Brownian motion. This was done in two phases. In the first phase, a paper is to be published in ESAIM P&S where we investigated the Central Limit Theorem of the Increment Ratio Statistic of a multifractional Brownian motion, leading to a CLT for the time varying Hurst index. The proofs are quite simple relying on Breuer-Major theorems and an original freezing of time strategy.The second phase relies on a new paper submitted for publication. We adapted the FDpV method to detect change points on the Hurst parameter of piecewise fractional Brownian motion. The underlying statistics of the FDpV technology is a new statistic estimator for Hurst index, so-called Increment Zero-Crossing Statistic (IZCS) which is a variation of IRS. Both FDpV and IZCS are methods with linear time and memory complexities, with respect to the size of the series.

隨著各行各業的飛速發展、科技的不斷進步，一般的公司行號、工廠及現代化的建築對於電力需求大大增加。但是在有限的電力資源下，有時候一到用電高峰時期，很難滿足各行各業的用電需求，因此難免會出現很多地方在用電高峰期跳電的情況。電力公司為了更加有效的分配電力，提出所謂時間電價的概念，和用戶實現簽訂各自的契約容量，將這個契約容量作為每個月分配給各個用戶的最大電量標準。對於用戶來說，若選擇相對較低的契約容量，其所需要負擔的基本電費會較低。然而，當用電量超過契約容量時，用戶可能需要支付非常高額的罰款；若選擇相對較高的契約容量，雖然其支付高額罰款的機率會降低很多，但是所需要負擔的基本電費會增多。因此，對於電力公司和用戶而言，使用時間電價系統，來選擇一個適當的且最佳化的契約容量，已然成為一個非常重要的課題。本文介紹如何用分形布朗運動的模型，來描述用戶用電量趨勢，同時介紹了如何估計分形布朗運動模型中的各個參數。本文也介紹如何建立每月總電費期望值的估計方程式，並利用估計出來的用電量分形布朗運動模型來搜尋最佳化的契約容量。最後，本文以美國密西根州的安娜堡的居民住宅大樓用電量為數據資料作為研究的實例，進一步的提出並論證了選擇最佳化契約容量的方法。 / Over the last few decades, the advances in technology and industry have significantly increased the need of electric power, while the power resource is usually limited. In order to best control the power usage, a so-called Time-of-Use (TOU) pricing system is recently developed so that different rates over different seasons and/or weekly/daily peak periods are charged (this is different from the traditional pricing system with flat rate contracts). An important feature of the TOU system is that the consumers have to pre-select the power contract capacities (i.e. the maximum power demands claimed by consumers over different pricing periods) so that the electricity tariff can be calculated accordingly. This means that risk is transferred from the retailer side to the consumer side -- one has to pay more if a larger contract capacity is selected but can potentially mitigate the penalty charge placed when the maximum demand exceeds the contract level. In this thesis, a general stochastic modeling framework for consumer's power demand based on which the contract capacities of a Time-of-Use pricing system can be best selected so as to minimize the mean electricity price. Due to the observed nature of self-similarity and time dependence, the power demand over a homogeneous peak period is modeled as a constant mean with the noise described by a scaled fractional Brownian motion. However, the underlying optimization problem involves an intricate mathematical formulation, thus requiring techniques such as Monte Carlo simulation and numerical search so as to estimate the solution. Finally, a real data set from Ann Arbor, Michigan along with two pricing systems are used to illustrate our proposed method.

La complexité de la forme de la surface est une caractéristique morphologique des surfaces pliées. Dans cette thèse, nous visons à développer des méthodes spectrales pour quantifier cette caractéristique du cortex cérébral humain reconstruit à partir d'images MR structurales. Tout d'abord, nous suggérons certaines propriétés qu'une mesure standard de la complexité de surface devrait posséder. Ensuite, nous proposons deux définitions claires de la complexité de la surface en fonction des propriétés de flexion de surface. Pour quantifier ces définitions, nous avons étendu la transformée de Fourier à fenêtres illustrée récemment pour transformer en maillage des surfaces. Grâce à certaines expériences sur les surfaces synthétiques, nous montrons que nos mesures basées sur la courbure permettent de surmonter les surfaces classiques basées sur la surface, ce qui ne distingue pas les plis profonds des oscillants ayant une surface égale. La méthode proposée est appliquée à une base de données de 124 sujets adultes en bonne santé. Nous définissons également la complexité de la surface par la régularité de Hölder des mouvements browniens fractionnés définis sur les collecteurs. Ensuite, pour la première fois, nous développons un algorithme de régression spectrale pour quantifier la régularité de Hölder d'une surface brownienne fractionnée donnée en estimant son paramètre Hurst H. La méthode proposée est évaluée sur un ensemble de sphères browniennes fractionnées simulées. En outre, en supposant que le cortex cérébral est une surface brownienne fractionnée, l'algorithme proposé est appliqué pour estimer les paramètres Hurst d'un ensemble de 14 corticus cérébraux fœtaux. / Surface shape complexity is a morphological characteristic of folded surfaces. In this thesis, we aim at developing some spectral methods to quantify this feature of the human cerebral cortex reconstructed from structural MR images. First, we suggest some properties that a standard measure of surface complexity should possess. Then, we propose two clear definitions of surface complexity based on surface bending properties. To quantify these definitions, we extended the recently introduced graph windowed Fourier transform to mesh model of surfaces. Through some experiments on synthetic surfaces, we show that our curvature-based measurements overcome the classic surface area-based ones which may not distinguish deep folds from oscillating ones with equal area. The proposed method is applied to a database of 124 healthy adult subjects. We also define the surface complexity by the Hölder regularity of fractional Brownian motions defined on manifolds. Then, for the first time, we develop a spectral-regression algorithm to quantify the Hölder regularity of a given fractional Brownian surface by estimating its Hurst parameter H. The proposed method is evaluated on a set of simulated fractional Brownian spheres. Moreover, assuming the cerebral cortex is a fractional Brownian surface, the proposed algorithm is applied to estimate the Hurst parameters of a set of 14 fetal cerebral cortices.