Les processus autorégressifs à bifurcation (BAR) ont été au centre de nombreux travaux de recherche ces dernières années. Ces processus, qui sont l'adaptation à un arbre binaire des processus autorégressifs, sont en effet d'intérêt en biologie puisque la structure de l'arbre binaire permet une analogie aisée avec la division cellulaire. L'objectif de cette thèse est l'estimation les paramètres de variantes de ces processus autorégressifs à bifurcation, à savoir les processus BAR à valeurs entières et les processus BAR à coefficients aléatoires. Dans un premier temps, nous nous intéressons aux processus BAR à valeurs entières. Nous établissons, via une approche martingale, la convergence presque sûre des estimateurs des moindres carrés pondérés considérés, ainsi qu'une vitesse de convergence de ces estimateurs, une loi forte quadratique et leur comportement asymptotiquement normal. Dans un second temps, on étudie les processus BAR à coefficients aléatoires. Cette étude permet d'étendre le concept de processus autorégressifs à bifurcation en généralisant le côté aléatoire de l'évolution. Nous établissons les mêmes résultats asymptotiques que pour la première étude. Enfin, nous concluons cette thèse par une autre approche des processus BAR à coefficients aléatoires où l'on ne pondère plus nos estimateurs des moindres carrés en tirant parti du théorème de Rademacher-Menchov. / Bifurcating autoregressive (BAR) processes have been widely investigated this past few years. Those processes, which are an adjustment of autoregressive processes to a binary tree structure, are indeed of interest concerning biology since the binary tree structure allows an easy analogy with cell division. The aim of this thesis is to estimate the parameters of some variations of those BAR processes, namely the integer-valued BAR processes and the random coefficients BAR processes. First, we will have a look to integer-valued BAR processes. We establish, via a martingale approach, the almost sure convergence of the weighted least squares estimators of interest, together with a rate of convergence, a quadratic strong law and their asymptotic normality. Secondly, we study the random coefficients BAR processes. The study allows to extend the principle of bifurcating autoregressive processes by enlarging the randomness of the evolution. We establish the same asymptotic results as for the first study. Finally, we conclude this thesis with an other approach of random coefficient BAR processes where we do not weight our least squares estimators any more by making good use of the Rademacher-Menchov theorem.

Cette thèse porte sur les questions d'évaluation et de couverture des options dans un modèle exponentiel-Lévy avec changements de régime. Un tel modèle est construit sur un processus additif markovien un peu comme le modèle de Black- Scholes est basé sur un mouvement Brownien. Du fait de l'existence de plusieurs sources d'aléa, nous sommes en présence d'un marché incomplet et ce fait rend inopérant les développements théoriques initiés par Black et Scholes et Merton dans le cadre d'un marché complet. Nous montrons dans cette thèse que l'utilisation de certains résultats de la théorie des processus additifs markoviens permet d'apporter des solutions aux problèmes d'évaluation et de couverture des options. Notamment, nous arrivons à caracté- riser la mesure martingale qui minimise l'entropie relative à la mesure de probabilit é historique ; aussi nous dérivons explicitement sous certaines conditions, le portefeuille optimal qui permet à un agent de minimiser localement le risque quadratique associé. Par ailleurs, dans une perspective plus pratique nous caract érisons le prix d'une option Européenne comme l'unique solution de viscosité d'un système d'équations intégro-di érentielles non-linéaires. Il s'agit là d'un premier pas pour la construction des schémas numériques pour approcher ledit prix. / This thesis focuses on the pricing and hedging problems of financial derivatives in a Markov-modulated exponential-Lévy model. Such model is built on a Markov additive process as much as the Black-Scholes model is based on Brownian motion. Since there exist many sources of randomness, we are dealing with an incomplete market and this makes inoperative techniques initiated by Black, Scholes and Merton in the context of a complete market. We show that, by using some results of the theory of Markov additive processes it is possible to provide solutions to the previous problems. In particular, we characterize the martingale measure which minimizes the relative entropy with respect to the physical probability measure. Also under some conditions, we derive explicitly the optimal portfolio which allows an agent to minimize the local quadratic risk associated. Furthermore, in a more practical perspective we characterize the price of a European type option as the unique viscosity solution of a system of nonlinear integro-di erential equations. This is a rst step towards the construction of e ective numerical schemes to approximate options price.

本論文的研究目的，主要是希望利用Martingale評價方法與蒙地卡羅模擬法評價出結構型商品條款中隱含的新奇選擇權（Exotic Options）價格，並進而推導出結構型商品的理論價值，並且，期望藉由對個案商品的評價與損益分析，讓讀者瞭解結構型商品的產品結構、報酬型態與成本及潛在風險；此外，本文也從發行券商的角度，探討券商所面臨的潛在風險並提出可行的避險策略。 Martingale評價方法(The Martingale Pricing Method)由Cox與Ross(1976)及Harrison與Kreps(1979)所提出，是一種求解衍生性商品評價的方法，在Martingale評價方法下，衍生性商品的理論價格可經由折現該商品未來期望現金流量而得，且期望值折現可在風險中立環境下進行，折現率使用無風險利率。Martingale評價法在財務工程界是一項沿用已久的數學工具。本論文的主要貢獻，就是延伸Martingale評價法，透過機率測度轉換，推導出多資產股權連動式商品的評價公式解，進而求算出商品的理論價值。 本論文採用在市場上銷售的兩個結構型商品作個案分析，兩個案分別為多資產股權連動式票券與路徑相依指數連動式債券，主要研究成果如下： □ 以Martingale評價法作為本論文的評價模型，採用多資產股權連動式票券為個案，延伸評價模型求出產品的封閉解，並探討此種商品的報酬型態與潛在風險。 □ 以蒙地卡羅模擬法評價本論文的另一項個案—路徑相依指數連動式債券的理論價值，並分別從投資人與發行商的角度，探討產品的利潤與風險。 □ 在程式應用方面，運用MATLAB軟體，以模擬並求算產品的理論價格。

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L’objectif principal de cette thèse est de développer des méthodologies statistiques adaptées au traitement de données issues de processus stochastiques et plus précisément de processus de Cox.Les problématiques étudiées dans cette thèse sont issues des trois domaines statistiques suivants : les tests non paramétriques, l’estimation non paramétrique à noyaux et l’estimation minimax.Dans un premier temps, nous proposons, dans un cadre fonctionnel, des statistiques de test pour détecter la nature Poissonienne d’un processus de Cox.Nous étudions ensuite le problème de l’estimation minimax de la régression sur un processus de Poisson ponctuel. En se basant sur la décomposition en chaos d’Itô, nous obtenons des vitesses comparables à celles atteintes pour le cas de la régression Lipschitz en dimension finie.Enfin, dans le dernier chapitre de cette thèse, nous présentons un estimateur non-paramétrique de l’intensité d’un processus de Cox lorsque celle-ci est une fonction déterministe d’un co-processus. / The main purpose of this thesis is to develop statistical methodologies for stochastic processes data and more precisely Cox process data.The problems considered arise from three different contexts: nonparametric tests, nonparametric kernel estimation and minimax estimation.We first study the statistical test problem of detecting wether a Cox process is Poisson or not.Then, we introduce a semiparametric estimate of the regression over a Poisson point process. Using Itô’s famous chaos expansion for Poisson functionals, we derive asymptotic minimax properties of our estimator.Finally, we introduce a nonparametric estimate of the intensity of a Cox process whenever it is a deterministic function of a known coprocess.

L’objectif central de la thèse est d’étudier diverses mesures du risque de modèle, exprimées en terme monétaire, qui puissent être appliquées de façon cohérente à une collection hétérogène de produits financiers. Les deux premiers chapitres traitent cette problématique, premièrement d’un point de vue théorique, ensuite en menant un étude empirique centrée sur le marché du gaz naturel. Le troisième chapitre se concentre sur une étude théorique du risque dit de base (en anglais basis risk). Dans le premier chapitre, nous nous sommes intéressés à l’évaluation de produits financiers complexes, qui prend en compte le risque de modèle et la disponibilité dans le marché de produits dérivés basiques, appelés aussi vanille. Nous avons en particulier poursuivi l’approche du transport optimal (connue dans la littérature) pour le calcul des bornes de prix et des stratégies de sur (sous)-couverture robustes au risque de modèle. Nous reprenons en particulier une construction de probabilités martingales sous lesquelles le prix d’une option exotique atteint les dites bornes de prix, en se concentrant sur le cas des martingales positives. Nous mettons aussi en évidence des propriétés significatives de symétrie dans l’étude de ce problème. Dans le deuxième chapitre, nous approchons le problème du risque de modèle d’un point de vue empirique, en étudiant la gestion optimale d’une unité de gaz naturel et en quantifiant l’effet de ce risque sur sa valeur optimale. Lors de cette étude, l’évaluation de l’unité de stockage est basée sur le prix spot, alors que sa couverture est réalisée avec des contrats à termes. Comme mentionné auparavant, le troisième chapitre met l’accent sur le risque de base, qui intervient lorsque l’on veut couvrir un actif conditionnel basé sur un actif non traité (par exemple la température) en se servant d’un portefeuille constitué d’actifs traités sur le marché. Un critère de couverture dans ce contexte est celui de la minimisation de la variance qui est étroitement lié à la décomposition dite de Föllmer-Schweizer. Cette décomposition peut être déduite de la résolution d’une certaine équation différentielle stochastique rétrograde (EDSR) dirigée par une martingale éventuellement à sauts. Lorsque cette martingale est un mouvement brownien standard, les EDSR sont fortement associées aux EDP paraboliques semi linéaires. Dans le cas général nous formulons un problème déterministe qui étend les EDPs mentionnées. Nous appliquons cette démarche à l’important cas particulier de la décomposition de Föllmer-Schweizer, dont nous donnons des expressions explicites de la décomposition du payoff d’une option lorsque les sous-jacents sont exponentielles de processus additifs. / The main objective of this thesis is the study of the model risk and its quantification through monetary measures. On the other hand we expect it to fit a large set of complex (exotic) financial products. The first two chapters treat the model risk problem both from the empirical and the theoretical point of view, while the third chapter concentrates on a theoretical study of another financial risk called basis risk. In the first chapter of this thesis, we are interested in the model-independent pricing and hedging of complex financial products, when a set of standard (vanilla) products are available in the market. We follow the optimal transport approach for the computation of the option bounds and the super (sub)-hedging strategies. We characterize the optimal martingale probability measures, under which the exotic option price attains the model-free bounds; we devote special interest to the case when the martingales are positive. We stress in particular on the symmetry relations that arise when studying the option bounds. In the second chapter, we approach the model risk problem from an empirical point of view. We study the optimal management of a natural gas storage and we quantify the impact of that risk on the gas storage value. As already mentioned, the last chapter concentrates on the basis risk, which is the risk that arises when one hedges a contingent claim written on a non-tradable but observable asset (e.g. the temperature) using a portfolio of correlated tradable assets. One hedging criterion is the mean-variance minimization, which is closely related to the celebrated Föllmer-Schweizer decomposition. That decomposition can be deduced from the resolution of a special Backward Stochastic Differential Equations (BSDEs) driven by a càdlàg martingale. When this martingale is a standard Brownian motion, the related BSDEs are strongly related to semi-linear parabolic PDEs. In that chapter, we formulate a deterministic problem generalizing those PDEs to the general context of martingales and we apply this methodology to discuss some properties of the Föllmer-Schweizer decomposition. We also give an explicit expression of such decomposition of the option payoff when the underlying prices are exponential of additives processes.

In this thesis we consider the calibration of models based on Lévy processes to option prices observed in some market. This means that we choose the parameters of the option pricing models such that the prices calculated using the models correspond as closely as possible to these option prices. We demonstrate the ability of relatively simple Lévy option pricing models to nearly perfectly replicate option prices observed in nancial markets. We speci cally consider calibrating option pricing models to barrier option prices and we demonstrate that the option prices obtained under one model can be very accurately replicated using another. Various types of calibration are considered in the thesis. We calibrate a wide range of Lévy option pricing models to option price data. We con- sider exponential Lévy models under which the log-return process of the stock is assumed to follow a Lévy process. We also consider linear Lévy models; under these models the stock price itself follows a Lévy process. Further, we consider time changed models. Under these models time does not pass at a constant rate, but follows some non-decreasing Lévy process. We model the passage of time using the lognormal, Pareto and gamma processes. In the context of time changed models we consider linear as well as exponential models. The normal inverse Gaussian (N IG) model plays an important role in the thesis. The numerical problems associated with the N IG distribution are explored and we propose ways of circumventing these problems. Parameter estimation for this distribution is discussed in detail. Changes of measure play a central role in option pricing. We discuss two well-known changes of measure; the Esscher transform and the mean correcting martingale measure. We also propose a generalisation of the latter and we consider the use of the resulting measure in the calculation of arbitrage free option prices under exponential Lévy models. / PhD (Risk Analysis), North-West University, Potchefstroom Campus, 2015

In this thesis we consider the calibration of models based on Lévy processes to option prices observed in some market. This means that we choose the parameters of the option pricing models such that the prices calculated using the models correspond as closely as possible to these option prices. We demonstrate the ability of relatively simple Lévy option pricing models to nearly perfectly replicate option prices observed in nancial markets. We speci cally consider calibrating option pricing models to barrier option prices and we demonstrate that the option prices obtained under one model can be very accurately replicated using another. Various types of calibration are considered in the thesis. We calibrate a wide range of Lévy option pricing models to option price data. We con- sider exponential Lévy models under which the log-return process of the stock is assumed to follow a Lévy process. We also consider linear Lévy models; under these models the stock price itself follows a Lévy process. Further, we consider time changed models. Under these models time does not pass at a constant rate, but follows some non-decreasing Lévy process. We model the passage of time using the lognormal, Pareto and gamma processes. In the context of time changed models we consider linear as well as exponential models. The normal inverse Gaussian (N IG) model plays an important role in the thesis. The numerical problems associated with the N IG distribution are explored and we propose ways of circumventing these problems. Parameter estimation for this distribution is discussed in detail. Changes of measure play a central role in option pricing. We discuss two well-known changes of measure; the Esscher transform and the mean correcting martingale measure. We also propose a generalisation of the latter and we consider the use of the resulting measure in the calculation of arbitrage free option prices under exponential Lévy models. / PhD (Risk Analysis), North-West University, Potchefstroom Campus, 2015

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

This thesis consists of five papers. In the first two papers we consider a general approach to cash flow valuation, focusing on dynamic properties of the value of a stream of cash flows. The third paper discusses immunization theory, where old results are shown to hold in general deterministic models, but often fail to be true in stochastic models. In the fourth paper we comment on the connection between arbitrage opportunities and an immunized position. Finally, in the last paper we study coherent and convex measure of risk applied to portfolio optimization and insurance.