Nous étudions quelques applications du contrôle stochastique aux options réelles et au risque de liquidité. Plus précisément, dans la première partie, nous nous intéressons à un problème de sélection du portefeuille optimal sous un modèle de risque de liquidité, puis dans la deuxième partie, à deux options réelles: un problème de changement de régime et un problème couplé de contrôle singulier et de changement de régime pour une politique de dividende avec investissement réversible, et enfin, dans la dernière partie, à l'existence d'un équilibre dans un marché compétitif sous asymétrie d'information. Dans la résolution de ces problèmes, surtout dans les deux premières parties, des techniques de contrôle stochastique seront utilisées. L'approche typique consiste à exprimer le principe de la programmation dynamique lié à chaque problématique afin d'obtenir une caractérisation par EDP des fonctions de valeur. Par cette approche, nous montrons, dans le problème de risque de liquidité et les deux options réelles, que les fonctions de valeur correspondantes sont l'unique solution du système d'inégalités variationnelles d'HJB associé. Dans chaque problème des deux premières parties, on peut obtenir les solutions, en particulier les contrôles optimaux, soit d'une manière explicite, soit par une méthode itérative.

<p>This thesis, consisting of six papers and a summary, studies the area of continuous time financial mathematics. A unifying theme for many of the problems studied is the implications of possible mis-specifications of models. Intimately connected with this question is, perhaps surprisingly, convexity properties of option prices. We also study qualitative behavior of different optimal stopping boundaries appearing in option pricing.</p><p>In Paper I a new condition on the contract function of an American option is provided under which the option price increases monotonically in the volatility. It is also shown that American option prices are continuous in the volatility.</p><p>In Paper II an explicit pricing formula for the perpetual American put option in the Constant Elasticity of Variance model is derived. Moreover, different properties of this price are studied.</p><p>Paper III deals with the Russian option with a finite time horizon. It is shown that the value of the Russian option solves a certain free boundary problem. This information is used to analyze the optimal stopping boundary.</p><p>A study of perpetual game options is performed in Paper IV. One of the main results provides a condition under which the value of the option is increasing in the volatility.</p><p>In Paper V options written on several underlying assets are considered. It is shown that, within a large class of models, the only model for the stock prices that assigns convex option prices to all convex contract functions is geometric Brownian motion.</p><p>Finally, in Paper VI it is shown that the optimal stopping boundary for the American put option is convex in the standard Black-Scholes model. </p>

This thesis, consisting of six papers and a summary, studies the area of continuous time financial mathematics. A unifying theme for many of the problems studied is the implications of possible mis-specifications of models. Intimately connected with this question is, perhaps surprisingly, convexity properties of option prices. We also study qualitative behavior of different optimal stopping boundaries appearing in option pricing. In Paper I a new condition on the contract function of an American option is provided under which the option price increases monotonically in the volatility. It is also shown that American option prices are continuous in the volatility. In Paper II an explicit pricing formula for the perpetual American put option in the Constant Elasticity of Variance model is derived. Moreover, different properties of this price are studied. Paper III deals with the Russian option with a finite time horizon. It is shown that the value of the Russian option solves a certain free boundary problem. This information is used to analyze the optimal stopping boundary. A study of perpetual game options is performed in Paper IV. One of the main results provides a condition under which the value of the option is increasing in the volatility. In Paper V options written on several underlying assets are considered. It is shown that, within a large class of models, the only model for the stock prices that assigns convex option prices to all convex contract functions is geometric Brownian motion. Finally, in Paper VI it is shown that the optimal stopping boundary for the American put option is convex in the standard Black-Scholes model.

Dans cette thèse, nous traitons deux problèmes de contrôle optimal stochastique. Chaque problème correspond à une Partie de ce document. Le premier problème traité est très précis, il s'agit de la valorisation des contrats optionnels de vente de type Américain (dit Put Américain) en présence de dividendes discrets (Partie I). Le deuxième est plus général, puisqu'il s'agit dans un cadre discret en temps de prouver l'existence d'un principe de programmation dynamique sous des contraintes en probabilités (Partie II). Bien que les deux problèmes soient assez distincts, le principe de programmation dynamique est au coeur de ces deux problèmes. La relation entre la valorisation d'un Put Américain et un problème de frontière libre a été prouvée par McKean. La frontière de ce problème a une signification économique claire puisqu'elle correspond à tout instant à la borne supérieure de l'ensemble des prix d'actifs pour lesquels il est préférable d'exercer tout de suite son droit de vente. La forme de cette frontière en présence de dividendes discrets n'avait pas été résolue à notre connaissance. Sous l'hypothèse que le dividende est une fonction déterministe du prix de l'actif à l'instant précédant son versement, nous étudions donc comment la frontière est modifiée. Au voisinage des dates de dividende, et dans le modèle du Chapitre 3, nous savons qualifier la monotonie de la frontière, et dans certains cas quantifier son comportement local. Dans le Chapitre 3, nous montrons que la propriété du smooth-fit est satisfaite à toute date sauf celles de versement des dividendes. Dans les deux Chapitres 3 et 4, nous donnons des conditions pour garantir la continuité de cette frontière en dehors des dates de dividende. La Partie II est originellement motivée par la gestion optimale de la production d'une centrale hydro-electrique avec une contrainte en probabilité sur le niveau d'eau du barrage à certaines dates. En utilisant les travaux de Balder sur la relaxation de Young des problèmes de commande optimale, nous nous intéressons plus spécifiquement à leur résolution par programmation dynamique. Dans le Chapitre 5, nous étendons au cadre des mesures de Young des résultats dûs à Evstigneev. Nous établissons alors qu'il est possible de résoudre par programmation dynamique certains problèmes avec des contraintes en espérances conditionnelles. Grâce aux travaux de Bouchard, Elie, Soner et Touzi sur les problèmes de cible stochastique avec perte contrôlée, nous montrons dans le Chapitre 6 qu'un problème avec contrainte en espérance peut se ramener à un problème avec des contraintes en espérances conditionnelles. Comme cas particulier, nous prouvons ainsi que le problème initial de la gestion du barrage peut se résoudre par programmation dynamique.