Mathématiques appliquées à la finance J. Printems Année

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Valentine Robert
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1 IAE Gustave Eiffel Master 2 Gestion de Portefeuille Université Paris xii Val de Marne Mathématiques appliquées à la finance J. Printems Année Épreuve du 15 juillet 2009 Durée : 1 heure 30 Calculatrices et documents de cours seuls autorisés. Exercice 1 Un couple canadien vient d avoir un enfant (t = 0). Comme tous les jeunes parents canadiens, ils prévoient d épargner en vue des futurs frais de scolarité. Ils projettent d envoyer leur enfant à l Université lorsqu il aura 18 ans (t = 18) pour une scolarité de 4 ans. Les frais de scolarité sont aujourd hui de C$7 000 et le couple estime que ces frais vont augmenter de 5% par an. Par ailleurs, dans leur prévision, ils comptent sur 6% par an comme rendement pour leur épargne. 1. Quels seront les frais de scolarité pour les années t = 18, t = 19, t = 20 et t = 21? 2. Quel doit être le montant de leur épargne à t = 17? 3. Combien devront-ils épargner tous les ans en partant de t = 1 en supposant qu ils fassent 17 paiements égaux? 1. On utilise la formule (1) p. 10 des transparents : valeurs futures aux dates t = 18, 19, 20 et 21 d un principal P =C$7 000 à t = 0 avec un taux d intérêt annuel r = 5% composé une fois par an. On obtient respectivement (avec notations évidentes) : soit F 18 = P (1 + r) 18, F 19 = P (1 + r) 19, F 20 = P (1 + r) 20, F 21 = P (1 + r) 21, F 18 = C$16 846, F 19 = C$17 689, F 20 = C$18 573, F 21 = C$ On adapte la formule (4) p. 22 (valeur de l emprunt) pour calculer la valeur présente N (à t = 17) d un flux futur aux dates t = 18, 19, 20 et 21 avec un taux r = 6%, soit N = F 18 (1 + r ) 1 + F 19 (1 + r ) 2 + F 20 (1 + r ) 3 + F 21 (1 + r ) 4. On obtient N =C$

Comme tous les jeunes parents canadiens, ils prévoient d épargner en vue des futurs frais de scolarité.

2 3. Soit A le montant cherché. On égalise la valeur future (à t = 17) des annuités constantes A versées aux dates t = 1,..., t = 17 avec la somme nécessaire N (formule p. 18) : N = A ( (1 + r ) (1 + r ) (1 + r ) 17 17) ( ) (1 + r ) 17 1 = A Soit A = C$ r = A Exercice 2 On considère deux fonds A et B de rendement respectif R A et R B. Soit α un nombre compris entre 0 et 1 à déterminer par la suite. On compose un portefeuille avec α unités de A et de 1 α unités de B. On note R(α) le rendement de ce portefeuille. On a donc R(α) = αr A + (1 α)r B ou encore R(α) = R B + α(r A R B ). Les deux parties qui suivent sont indépendantes. Partie I. 1. Calculez Var(R(α)) en fonction de α, Var(R A ), Var(R B ) et de Cov(R A, R B ). 2. Déterminez α = α qui rend minimum Var(R(α)) et exprimez-le en fonction des variances et de la covariance de A et B. On pourra étudier les variations de la fonction α Var(R(α)). 3. (a) Exprimez la valeur minimale, notée V, de Var(R(α)) pour le paramètre α = α déterminé plus haut en fonction des variances-covariances de A et B. (b) Montrez que V < Var(R B ) et V < Var(R A ). 4. Le tableau 1 donne un exemple de rendements et de matrice de covariance pour deux fonds A et B : (a) Déterminez dans ce cas l allocation optimale d unités du fond A dans le portefeuille qui minimise la variance de R(α). Utilisez les réultats de la question 2. (b) Quels sont le rendement moyen et la variance du nouveau portefeuille ainsi constitué? 1. On utilise la formule qui fournit la variance de la somme de deux variables aléatoires X et Y : Var(X + Y ) = Var(X) + Var(Y ) + 2 Cov(X, Y ). 2

Soit α un nombre compris entre 0 et 1 à déterminer par la suite. On compose un portefeuille avec α unités de A et de 1 α unités de B. On note R(α) le rendement de ce portefeuille.

3 Il y a deux réponses possibles 1 selon que l on utilise l écriture R(α) = αr A + (1 α)r B ou bien R(α) = R B + α(r A R B ). Avec la deuxième, on obtient ( ) Var(R(α)) = Var(R B ) + α 2 Var(R A R B ) + 2αCov(R B, R A R B ). Avec la première, on obtient ( ) Var(R(α)) = α 2 Var(R A ) + (1 α) 2 Var(R B ) + 2α(1 α)cov(r A, R B ). 2. On remarque que la fonction α Var(R(α)) est du second degré en α. Grâce à son écriture en aα 2 + bα + c dans ( ), on sait qu elle atteint son minimum en b/(2a), soit : α = Cov(R B, R A R B ) Var(R A R B ) = Var(R B ) Cov(R B, R A ) Var(R A ) + Var(R B ) 2 Cov(R A, R B ). Autre solution : On peut aussi dériver l une des deux expressions plus hautes par rapport à α et en déduire la valeur de α qui annulle la dérivée. 3. (a) La valeur minimiale V est obtenue en remplaçant α par α dans ( ) ou ( ). On obtient par exemple : V = Var(R B ) (Cov(R B, R A R B )) 2. Var(R A R B ) D autres expressions sont possibles, par exemple : V = Var(R A)Var(R B ) Cov(R A, R B ) Var(R A ) + Var(R B ) 2 Cov(R A, R B ). (b) Comme V est le minimum de Var(R(α)) sur [0, 1], on ne peut dire en toute généralité que V Var(R(α = 0)) = Var(R B ), V Var(R(α = 1)) = Var(R A ). 4. (a) En utilisant l expression de α donnée plus haut, on obtient, grâce aux données de la table 1 : α = = (b) Rendement moyen : E(R(α )) = 13.62%, V = Partie II. 5. On note C le portefeuille qui correspond à l allocation α = 0.2. Un gérant souhaite réaliser un rendement minimum de 3% et hésite devant les trois placements : A (α = 1), B 1. Une seule réponse suffit. 3

Avec la première, on obtient ( ) Var(R(α)) = α 2 Var(R A ) + (1 α) 2 Var(R B ) + 2α(1 α)cov(r A, R B ). 2. On remarque que la fonction α Var(R(α)) est du second degré en α.

4 (α = 0) ou C (α = 0.2). On représente dans le tableau 1 les caractéristiques des deux fonds A et B. Selon la règle «Safety-First», laquelle de ces trois allocations est la meilleure? 6. En supposant que les rendements suivent des lois gaussiennes, donnez la probabilité que le rendement du portefeuille sélectionné à la question précédente soit inférieur à 3%. On pourra utiliser le tableau On forme les ratios de Sharpe suivant en utilisant la table 1 : E(R A ) R mini σ(r A ) = 0.68, E(R B ) R mini σ(r B ) = 0.64, E(R C ) R mini σ(r C ) = Pour estimer σ(r C ), on peut, soit remarquer que Var(R C ) Var(R(α = 0.202)) = V = , soit calculer directement Var(R C ) par la formule ( ) ou ( ) avec α = 0.2. Si la règle «Safety-First» s applique, c.-à-d. si les rendements de portefeuilles sont gaussiens, le portefeuille optimale est C. 6. On pose Z = (R C E(R C ))/σ(r C ). Alors par définition Z suit une loi normale centrée réduite. On a R C R mini R C E(R C ) σ(r C ) R mini E(R C ) σ(r C ) Z Or par symétrie, P (Z 0.82) = P (Z 0.82) = 1 P (Z 0.82) = Dans l hypothèse gaussienne, la probabilité d avoir un rendement inférieur au rendement minimum est de l ordre de 21%. Exercice 3 On considère un marché à deux périodes, dans lequel sont négociés : un actif sans risque rapportant un taux r = 5% sur chaque période et un actif risqué dont le prix S t, t = 0, 1, 2 évolue selon les scénarii suivants : {S 0 = 100, S 1 = 120, S 2 = 140} avec probabilité p 1 ; {S 0 = 100, S 1 = 120, S 2 = 110} avec probabilité p 2 ; {S 0 = 100, S 1 = 80, S 2 = 110} avec probabilité p 3 ; {S 0 = 100, S 1 = 80, S 2 = 60} avec probabilité p Exprimez P(S 1 = 120) et P(S 1 = 80) en fonction des p i. En déduire E(S 1 ) en fonction des p i. On pourra faire un dessin. 4

On pourra utiliser le tableau 2. 5. On forme les ratios de Sharpe suivant en utilisant la table 1 : E(R A ) R mini σ(r A ) = 0.68, E(R B ) R mini σ(r B ) = 0.64, E(R C ) R mini σ(r C ) = 0.82.

5 2. Exprimez E(S 2 S 1 = 120) et E(S 2 S 1 = 80) en fonction de p 1, p 2, p 3 et p Déterminez les probabilités risque-neutre p i, i = 1, 2, 3, 4 de ce modèle. 4. On prend les probabilités suivantes : p 1 = 0.4, p 2 = 0.35, p 3 = 0.12 et p 4 = Déterminez le prix d un put européen de prix d exercice 120 qui arrive à échéance à la fin de la deuxième période. La particularité de cet exercice est que les probabilités données sont celles des chemins entiers sur les 2 périodes et non pas celles de monter ou descendre à chaque période. Ce genre de donnée est utile lorsque l on traite des options trajectoiresdépendantes (path-dependent) (voir ex 5 feuille 3 pour un exercice similaire). 1. On a P (S 1 = 120) = P (S 1 = 120, S 2 = 140) + P (S 1 = 120, S 2 = 110) = p 1 + p 2. De même, P (S 1 = 80) = p 3 + p 4. On a donc E(S 1 ) = 120 P (S 1 = 120) + 80 P (S 1 = 80) = 120(p 1 + p 2 ) + 80(p 3 + p 4 ). 2. Par définition de l espérance conditionnelle, on a d une part : E(S 2 S 1 = 120) = 140 P (S 2 = 140 S 1 = 120)+110 P (S 2 = 110 S 1 = 120). D autre part, par définition de la probabilité conditionnelle, on a : P (S 2 = 140 S 1 = 120) = P (S 2 = 140, S 1 = 120) P (S 1 = 120) = p 1 p 1 + p 2, d après la question 1. De même, on a P (S 2 = 110 S 1 = 120) = P (S 2 = 110, S 1 = 120) P (S 1 = 120) = p 2 p 1 + p 2. Bilan : E(S 2 S 1 = 120) = 140 Le même raisonnement donne : E(S 2 S 1 = 80) = 110 p 1 p p 1 + p 2 p 1 + p 2 p 3 p p 3 + p 4 p 3 + p 4 3. Il faut déterminer un jeu de probabilités p 1, p 2, p 3, p4 pour lesquelles l actif risqué actualisé soit une martingale, c.-à-d. E(S 1 ) = (1 + r) S 0, E(S 2 S 1 ) = (1 + r) S 1. Soit 3 équations. Compte tenu des réponses précédentes, on obtient 120 (p 1 + p 2 ) + 80 (p 3 + p 4 ) = 100 (1 + r), (= E(S 1 )) p 1 p = 120 (1 + r), (= E(S 2 S 1 = 120)) p 1 + p 2 p 1 + p 2 p 3 p = 80 (1 + r), (= E(S 2 S 1 = 80)). p 3 + p 4 p 3 + p 4 5

La particularité de cet exercice est que les probabilités données sont celles des chemins entiers sur les 2 périodes et non pas celles de monter ou descendre à chaque période.

6 En multipliant les deux dernières lignes par p 1 +p 2 et p 3 +p 4. On obtient le système llnéaire d inconnues p i, i = 1,..., 4 suivant D où l on tire la solution suivante 120p p p p 4 = 105, 14p 1 16p 2 = 0, 26p 3 24p 4 = 0, p 1 + p 2 + p 3 + p 4 = 1. p 1 = 1 3, p 2 = 7 24, p 3 = 0.18, p 4 = On calcule E(Z)/(1 + r) 2 où Z = (120 S 2 ) + avec le jeu de probabilités donné (qui n est pas risque-neutre). La v.a. Z prend pour valeurs 0 (proba. p 1 ), 10 (proba. p 2 + p 3 ) et 60 (proba. p 4 ). Sa moyenne est donc (le pricing risque-neutre donne 16.42) E(Z) = (p 2 + p 3 ) 10 + p 4 60 =

p 1 = 1 3, p 2 = 7 24, p 3 = 0.18, p 4 = 0.195. 4. On calcule E(Z)/(1 + r) 2 où Z = (120 S 2 ) + avec le jeu de probabilités donné (qui n est pas risque-neutre).

7 Table 1 Rendements moyens et matrice de covariance de deux fonds. Rendements Fond A B E(R A ) = 20% E(R B ) = 12% Matrice de covariance Fond A B A B

8 Table 2 Tabulation de N(x) = P (Z x) où Z N (0, 1) pour x [0, 3]. Première colonne = dixièmes ; première ligne = centièmes. Ex : N(0.73) =

5871 0.5910 0.5948 0.5987 0.6026 0.6064 0.6103 0.6141 0.3000 0.6179 0.6217 0.6255 0.6293 0.6331 0.6368 0.6406 0.6443 0.6480 0.6517 0.4000 0.6554 0.6591 0.6628 0.6664 0.6700 0.6736 0.6772 0.6808 0.

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