Les titres financiers sont souvent modélisés par des équations différentielles stochastiques (ÉDS). Ces équations peuvent décrire le comportement de l'actif, et aussi parfois certains paramètres du modèle. Par exemple, le modèle de Heston (1993), qui s'inscrit dans la catégorie des modèles à volatilité stochastique, décrit le comportement de l'actif et de la variance de ce dernier. Le modèle de Heston est très intéressant puisqu'il admet des formules semi-analytiques pour certains produits dérivés, ainsi qu'un certain réalisme. Cependant, la plupart des algorithmes de simulation pour ce modèle font face à quelques problèmes lorsque la condition de Feller (1951) n'est pas respectée. Dans ce mémoire, nous introduisons trois nouveaux algorithmes de simulation pour le modèle de Heston. Ces nouveaux algorithmes visent à accélérer le célèbre algorithme de Broadie et Kaya (2006); pour ce faire, nous utiliserons, entre autres, des méthodes de Monte Carlo par chaînes de Markov (MCMC) et des approximations. Dans le premier algorithme, nous modifions la seconde étape de la méthode de Broadie et Kaya afin de l'accélérer. Alors, au lieu d'utiliser la méthode de Newton du second ordre et l'approche d'inversion, nous utilisons l'algorithme de Metropolis-Hastings (voir Hastings (1970)). Le second algorithme est une amélioration du premier. Au lieu d'utiliser la vraie densité de la variance intégrée, nous utilisons l'approximation de Smith (2007). Cette amélioration diminue la dimension de l'équation caractéristique et accélère l'algorithme. Notre dernier algorithme n'est pas basé sur une méthode MCMC. Cependant, nous essayons toujours d'accélérer la seconde étape de la méthode de Broadie et Kaya (2006). Afin de réussir ceci, nous utilisons une variable aléatoire gamma dont les moments sont appariés à la vraie variable aléatoire de la variance intégrée par rapport au temps. Selon Stewart et al. (2007), il est possible d'approximer une convolution de variables aléatoires gamma (qui ressemble beaucoup à la représentation donnée par Glasserman et Kim (2008) si le pas de temps est petit) par une simple variable aléatoire gamma. / Financial stocks are often modeled by stochastic differential equations (SDEs). These equations could describe the behavior of the underlying asset as well as some of the model's parameters. For example, the Heston (1993) model, which is a stochastic volatility model, describes the behavior of the stock and the variance of the latter. The Heston model is very interesting since it has semi-closed formulas for some derivatives, and it is quite realistic. However, many simulation schemes for this model have problems when the Feller (1951) condition is violated. In this thesis, we introduce new simulation schemes to simulate price paths using the Heston model. These new algorithms are based on Broadie and Kaya's (2006) method. In order to increase the speed of the exact scheme of Broadie and Kaya, we use, among other things, Markov chains Monte Carlo (MCMC) algorithms and some well-chosen approximations. In our first algorithm, we modify the second step of the Broadie and Kaya's method in order to get faster schemes. Instead of using the second-order Newton method coupled with the inversion approach, we use a Metropolis-Hastings algorithm. The second algorithm is a small improvement of our latter scheme. Instead of using the real integrated variance over time p.d.f., we use Smith's (2007) approximation. This helps us decrease the dimension of our problem (from three to two). Our last algorithm is not based on MCMC methods. However, we still try to speed up the second step of Broadie and Kaya. In order to achieve this, we use a moment-matched gamma random variable. According to Stewart et al. (2007), it is possible to approximate a complex gamma convolution (somewhat near the representation given by Glasserman and Kim (2008) when T-t is close to zero) by a gamma distribution.

The first two articles build procedures to simulate vector of univariate states and estimate parameters in nonlinear and non Gaussian state space models. We propose state space speci fications that offer more flexibility in modeling dynamic relationship with latent variables. Our procedures are extension of the HESSIAN method of McCausland[2012]. Thus, they use approximation of the posterior density of the vector of states that allow to : simulate directly from the state vector posterior distribution, to simulate the states vector in one bloc and jointly with the vector of parameters, and to not allow data augmentation. These properties allow to build posterior simulators with very high relative numerical efficiency. Generic, they open a new path in nonlinear and non Gaussian state space analysis with limited contribution of the modeler. The third article is an essay in commodity market analysis. Private firms coexist with farmers' cooperatives in commodity markets in subsaharan african countries. The private firms have the biggest market share while some theoretical models predict they disappearance once confronted to farmers cooperatives. Elsewhere, some empirical studies and observations link cooperative incidence in a region with interpersonal trust, and thus to farmers trust toward cooperatives. We propose a model that sustain these empirical facts. A model where the cooperative reputation is a leading factor determining the market equilibrium of a price competition between a cooperative and a private firm / Les deux premiers articles élaborent des procédures de simulation du vecteur d'état et d'estimation des paramètres dans des modèles espace-états non linéaires et non-Gaussiens. Nous proposons des spécifi cations des modèles espace-états qui offrent plus de flexibilité dans la modélisation des relations dynamiques avec variables latentes. Les procédures d'estimation des paramètres dans ces modèles sont une extension de la méthode HESSIAN de McCausland[2012]. Ainsi, elles utilisent une approximation de la densité à posteriori du vecteur d'état qui permet de : simuler directement de la loi à posteriori du vecteur d'état, de simuler en seul bloc le vecteur d'état et de le simuler conjointement avec le vecteur de paramètres, et de ne pas admettre l'introduction d'inconnues additionnelles. Ces propriétés permettent d'obtenir des simulateurs à posteriori avec une efficacité numérique relative très élevée. Les procédures d'estimation élaborées sont génériques. Elles ouvrent ainsi une voie pour une analyse des modèles espace-états non linéaires et non-Gaussiens sans une grande contribution du modélisateur. Le troisième article est une contribution dans l'analyse des marchés agricoles. Les firmes privées coexistent avec les coopératives de fermiers dans les marchés agricoles en Afrique subsaharienne. Les firmes privées accaparent les plus grandes parts de marché, alors que certains modèles théoriques prédisent leur disparition une fois confrontées aux coopératives agricoles. Par ailleurs, certaines observations et études empiriques lient la forte incidence d'une coopérative dans une région à la confiance interpersonnelle entre les personnes de cette région, et par conséquent la confiance de ces personnes envers les coopératives existantes. Nous proposons un modèle théorique qui cadre mieux avec ces observations empiriques. Un modèle où la réputation de la coopérative est un facteur déterminant de l'équilibre de marché dans la compétition sur le prix à la livraison entre celle-ci et une firme privée.

The five essays in this dissertation are all concerned with how commodity price uncertainty affects the valuation of real and financial assets.  Focusing on the stochastic process approximating the price process of the commodity, a time-inhomogeneous mean reverting process is suggested and used in the valuation of a pulp mill.  Also an analytic approximation and a parameter estimation procedure to a stochastic volatility option-pricing model are developed.  Generally, the large valuation differences and hedging errors that occur for different assumptions about the price process indicate the importance of an appropriately specified price process.  The dissertation provides examples of this. The question of whether commodity prices are mean reverting or follow a random walk is also studied.  Using a large database with close to 300 different commodities, econometric tests favour a random walk.  There are very few exceptions.  However, when applied to an option pricing model, the time-inhomogeneous mean reverting process gives smaller hedging errors than the traditional Black-Scholes model based on a random walk.  The results are therefore inconclusive, although mean reversion seems more predominant than econometric tests reveal. / Diss. Stockholm : Handelshögskolan, 2003

Cette thèse contient deux sujets différents la simulation d'événements rares et un transport d'homotopie pour l'estimation du modèle de volatilité stochastique, dont chacun est couvert dans une partie distincte de cette thèse. Les méthodes de particules, qui généralisent les modèles de Markov cachés, sont largement utilisées dans différents domaines tels que le traitement du signal, la biologie, l'estimation d'événements rares, la finance, etc. Il existe un certain nombre d'approches basées sur les méthodes de Monte Carlo, tels que Markov Chain Monte Carlo (MCMC), Monte Carlo séquentiel (SMC). Nous appliquons des algorithmes SMC pour estimer les probabilités de défaut dans un processus d'intensité basé sur un processus stable afin de calculer un ajustement de valeur de crédit (CV A) avec le wrong way risk (WWR). Nous proposons une nouvelle approche pour estimer les événements rares, basée sur la génération de chaînes de Markov en simulant le système hamiltonien. Nous démontrons les propriétés, ce qui nous permet d'avoir une chaîne de Markov ergodique et nous montrons la performance de notre approche sur l'exemple que nous rencontrons dans la valorisation des options. Dans la deuxième partie, nous visons à estimer numériquement un modèle de volatilité stochastique, et à le considérer dans le contexte d'un problème de transport, lorsque nous aimerions trouver «un plan de transport optimal» qui représente la mesure d'image. Dans un contexte de filtrage, nous le comprenons comme le transport de particules d'une distribution antérieure à une distribution postérieure dans le pseudo-temps. Nous avons également proposé de repondérer les particules transportées, de manière à ce que nous puissions nous diriger vers la zone où se concentrent les particules de poids élevé. Nous avons montré sur l'exemple du modèle de la volatilité stochastique de Stein-Stein l'application de notre méthode et illustré le biais et la variance. / The thesis introduces simulation techniques that are based on particle methods and it consists of two parts, namely rare event simulation and a homotopy transport for stochastic volatility model estimation. Particle methods, that generalize hidden Markov models, are widely used in different fields such as signal processing, biology, rare events estimation, finance, etc. There are a number of approaches that are based on Monte Carlo methods that allow to approximate a target density such as Markov Chain Monte Carlo (MCMC), sequential Monte Carlo (SMC). We apply SMC algorithms to estimate default probabilities in a stable process based intensity process to compute a credit value adjustment (CV A) with a wrong way risk (WWR). We propose a novel approach to estimate rare events, which is based on the generation of Markov Chains by simulating the Hamiltonian system. We demonstrate the properties, that allows us to have ergodic Markov Chain and show the performance of our approach on the example that we encounter in option pricing.In the second part, we aim at numerically estimating a stochastic volatility model, and consider it in the context of a transportation problem, when we would like to find "an optimal transport map" that pushes forward the measure. In a filtering context, we understand it as the transportation of particles from a prior to a posterior distribution in pseudotime. We also proposed to reweight transported particles, so as we can direct to the area, where particles with high weights are concentrated. We showed the application of our method on the example of option pricing with Stein­Stein stochastic volatility model and illustrated the bias and variance.

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Submitted by Cristiane Shirayama (cristiane.shirayama@fgv.br) on 2011-06-03T16:41:12Z No. of bitstreams: 1 66080100251.pdf: 1071566 bytes, checksum: 633248672cb6ac94f704bfeda06b29d3 (MD5) / Approved for entry into archive by Vera Lúcia Mourão(vera.mourao@fgv.br) on 2011-06-03T16:46:36Z (GMT) No. of bitstreams: 1 66080100251.pdf: 1071566 bytes, checksum: 633248672cb6ac94f704bfeda06b29d3 (MD5) / Approved for entry into archive by Vera Lúcia Mourão(vera.mourao@fgv.br) on 2011-06-03T17:00:17Z (GMT) No. of bitstreams: 1 66080100251.pdf: 1071566 bytes, checksum: 633248672cb6ac94f704bfeda06b29d3 (MD5) / Made available in DSpace on 2011-06-03T18:49:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 66080100251.pdf: 1071566 bytes, checksum: 633248672cb6ac94f704bfeda06b29d3 (MD5) Previous issue date: 2011-02-11 / Nos últimos anos, o mercado brasileiro de opções apresentou um forte crescimento, principalmente com o aparecimento da figura dos High Frequency Traders (HFT) em busca de oportunidades de arbitragem, de modo que a escolha adequada do modelo de estimação de volatilidade pode tornar-se um diferencial competitivo entre esses participantes. Este trabalho apresenta as vantagens da adoção do modelo de volatilidade estocástica de Heston (1993) na construção de superfície de volatilidade para o mercado brasileiro de opções de dólar, bem como a facilidade e o ganho computacional da utilização da técnica da Transformada Rápida de Fourier na resolução das equações diferenciais do modelo. Além disso, a partir da calibração dos parâmetros do modelo com os dados de mercado, consegue-se trazer a propriedade de não-arbitragem para a superfície de volatilidade. Os resultados, portanto, são positivos e motivam estudos futuros sobre o tema. / In recent years, the Brazilian option market has grown considerable, especially with the emergence of the High Frequency Traders (HFT) in search of arbitrage opportunities, so that the appropriate choice of a volatility estimation model should become a competitive differentiator among these participants. This paper presents the advantages of adopting the Heston stochastic volatility model on the construction of the volatility surface for the Brazilian US Dollar option market, as well as the easiness and the computational gain by applying the Fast Fourier Transform technique on the models differential equations resolution. Furthermore, from calibration of the model parameters to market data, it is possible to bring the no-arbitrage property to the volatility surface. The results, therefore, are positive and motivate further studies on the subject.

Vilela Mendes et al. (2015), based on the discovery of long-range dependence in the volatility of stock returns, proposed a stochastic volatility continuous mar- ket model where the volatility is given as a transform of the fractional Brownian motion (fBm) and studied its No-Arbitrage and completeness properties under va- rious assumptions. We investigate the possibility of generalization of their results from fBm to a wider class of Hermite processes. We have reworked and completed the proofs of the propositions in the cited article. Under the assumption of indepen- dence of the stock price and volatility driving processes the model is arbitrage-free. However, apart from a case of a special relation between the drift and the volatility, the model is proved to be incomplete. Under a different assumption that there is only one source of randomness in the model and the volatility driving process is bounded, the model is arbitrage-free and complete. All the above results apply to any Hermite process driving the volatility. 1

This master thesis should provide reader with an overview of the European spread options evaluation using the fast Fourier transform numerical method. The first and second part of the thesis deal with the theoretical foundations of Fourier analysis and existing approaches of spread option valuation under two and three-factors frameworks (namely GBM - geometric Brown motion and SV - stochastic volatility). The third part describes extention of Hurd-Zhou (2010) valuation method by tool for call and put spread options pricing in case of negative or zero strikes. Extension will be compared with Monte Carlo simulation results from a variety of perspectives, including computing complexity and implementation requirements. Dempster-Hong model, Hurd-Zhou model and Monte Carlo simulation are implemented and tested in R (programming language).

Dans le Chapitre 1, nous présentons une nouvelle approche pour évaluer des options dites à barrières basée sur une méthode connue sous le nom de méthode Vanna-Volga. Cette nouvelle méthode nous permet une calibration simple et rapide sur le marché des options à barrières directement ce qui permet d'évaluer ces options avec un outil en accord avec le marché. Nous comparons également nos résultats avec ceux provenant d’autres modèles célèbres et nous étudions la sensibilité de cette méthode par rapport aux données du marché. Nous donnons une nouvelle justification théorique associée à la méthode Vanna-Volga comme étant une approximation de Taylor du premier ordre du prix de l'option autour de la volatilité dite à la monnaie.<p><p><p>Dans le Chapitre 2 de la thèse nous allons développer un modèle qui compte de la volatilité implicite du marché et de la variabilité des taux d'intérêts. Nous travaillons dans le marché particulier des taux de changes, avec un modèle à volatilité locale pour la dynamique du taux de change dans lequel les taux d'intérêts domestiques et étrangers sont également supposé stochastiques. Nous dérivons l'expression de la volatilité locale et dérivons divers résultats particulièrement utiles pour la calibration du modèle. Finalement, nous développons un nouveau modèle hybride où la volatilité du taux de change possède une composante locale et une composante stochastique et nous dérivons une méthode de calibration pour ce nouveau modèle.<p><p><p>Dans le Chapitre 3, nous allons appliquer le modèle à volatilité locale et taux d'intérêts stochastiques développé dans le précédent chapitre mais dans le cadre d'évaluation de produits dérivés associés aux assurances vie. Nous utilisons une méthode de calibration développée dans le Chapitre 2. Les produits étudiés étant exotiques, nous allons également comparer les prix obtenus dans différents modèles, à savoir le modèle à volatilité locale, à volatilité stochastique et enfin à volatilité constante pour le sous-jacent, les trois modèles étant combinés avec des taux d'intérêts stochastiques.<p><p><p>Finalement, dans le Chapitre 4 nous allons travailler avec un modèle dit de Lévy pour modéliser le sous-jacent. Nous nous intéressons à l'évaluation d'options Asiatiques arithmétiques. Comme de nombreuses options exotiques, il n'est pas possible d'obtenir un prix analytique et dans ce cas seules les méthodes numériques permettent de résoudre le problème. Dans ce Chapitre 4, nous développons une méthode basée sur la méthode de simulations de Monte Carlo et nous employons deux types de variables de contrôle permettant d'améliorer la convergence du programme. Nous développons également une méthode permettant d'obtenir une borne inférieure au prix de l'option avec une efficacité qui surpasse les autres méthodes.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

本研究以Lévy過程為模型基礎，考慮Merton Jump及跳躍強度服從Hawkes Process的Merton Jump兩種跳躍風險，利用Particle Filter方法及EM演算法估計出模型參數並計算出對數概似值、AIC及BIC。以S&P500指數為實證資料，比較隨機波動度模型、Variance Gamma模型及兩種不同跳躍風險對市場真實價格的配適效果。實證結果顯示，隨機波動度模型其配適效果勝於Variance Gamma模型，且加入跳躍風險後可使模型配適效果提升，尤其在模型中加入跳躍強度服從Hawkes Process的Merton Jump，其配適效果更勝於Merton Jump。整體而言，本研究發現，以S&P500指數為實證資料時，SVHJ模型有較好的配適效果。 / This paper, based on the Lévy process, considers two kinds of jump risk, Merton Jump and the Merton Jump whose jump intensity follows Hawkes Process. We use Particle Filter method and EM Algorithm to estimate the model parameters and calculate the log-likelihood value, AIC and BIC. We collect the S&P500 index for our empirical analysis and then compare the goodness of fit between the stochastic volatility model, the Variance Gamma model and two different jump risks. The empirical results show that the stochastic volatility model is better than the Variance Gamma model, and it is better to consider the jump risk in the model, especially the Merton Jump whose jump intensity follows Hawkes Process. The goodness of fit is better than Merton Jump. Overall, we find SVHJ model has better goodness of fit when S&P500 index was used as the empirical data.