Examen du cours de Mesures de risque en finance



Documents pareils
Dualité dans les espaces de Lebesgue et mesures de Radon finies

Espérance conditionnelle

Amphi 3: Espaces complets - Applications linéaires continues

Image d un intervalle par une fonction continue

4. Martingales à temps discret

Chp. 4. Minimisation d une fonction d une variable

Moments des variables aléatoires réelles

De même, le périmètre P d un cercle de rayon 1 vaut P = 2π (par définition de π). Mais, on peut démontrer (difficilement!) que

Limites finies en un point

3. Conditionnement P (B)

I. Polynômes de Tchebychev

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours

Simulation de variables aléatoires

Séminaire TEST. 1 Présentation du sujet. October 18th, 2013

Intégration et probabilités TD1 Espaces mesurés Corrigé

Exercice autour de densité, fonction de répatition, espérance et variance de variables quelconques.

Intégration et probabilités TD1 Espaces mesurés

3 Approximation de solutions d équations

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

Souad EL Bernoussi. Groupe d Analyse Numérique et Optimisation Rabat http ://

Correction de l examen de la première session

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

Baccalauréat S Antilles-Guyane 11 septembre 2014 Corrigé

Continuité et dérivabilité d une fonction

Résolution d équations non linéaires

Texte Agrégation limitée par diffusion interne

LEÇON N 7 : Schéma de Bernoulli et loi binomiale. Exemples.

Loi binomiale Lois normales

M2 IAD UE MODE Notes de cours (3)

Leçon 01 Exercices d'entraînement

Loi d une variable discrète

Capes Première épreuve

Licence MASS (Re-)Mise à niveau en Probabilités. Feuilles de 1 à 7

Capacité d un canal Second Théorème de Shannon. Théorie de l information 1/34

Exercices - Polynômes : corrigé. Opérations sur les polynômes

Calcul fonctionnel holomorphe dans les algèbres de Banach

Chapitre 7 : Intégration sur un intervalle quelconque

PROBABILITÉS: COURS DE LICENCE DE MATHÉMATIQUES APPLIQUÉES LM 390

Fonctions de plusieurs variables, intégrales multiples, et intégrales dépendant d un paramètre

Théorie de la Mesure et Intégration

Équations non linéaires

CCP PSI Mathématiques 1 : un corrigé

Méthodes de quadrature. Polytech Paris-UPMC. - p. 1/48

Sujet 4: Programmation stochastique propriétés de fonction de recours

Le théorème de Perron-Frobenius, les chaines de Markov et un célèbre moteur de recherche

MESURE ET INTÉGRATION EN UNE DIMENSION. Notes de cours

Optimisation non linéaire Irène Charon, Olivier Hudry École nationale supérieure des télécommunications

CONCOURS D ENTREE A L ECOLE DE 2007 CONCOURS EXTERNE. Cinquième épreuve d admissibilité STATISTIQUE. (durée : cinq heures)

Introduction à l étude des Corps Finis

ÉTUDE ASYMPTOTIQUE D UNE MARCHE ALÉATOIRE CENTRIFUGE

Intégrale de Lebesgue

Correction du baccalauréat ES/L Métropole 20 juin 2014

ENS de Lyon TD septembre 2012 Introduction aux probabilités. A partie finie de N

Economie de l incertain et de l information Partie 1 : Décision en incertain probabilisé Chapitre 1 : Introduction à l incertitude et théorie de

Exo7. Matrice d une application linéaire. Corrections d Arnaud Bodin.

Filtrage stochastique non linéaire par la théorie de représentation des martingales

Exo7. Limites de fonctions. 1 Théorie. 2 Calculs

I. Ensemble de définition d'une fonction

Fonctions de plusieurs variables

THÉORIE DE LA MESURE ET DE L INTÉGRATION.

FIMA, 7 juillet 2005

Programmation linéaire

Le modèle de Black et Scholes

Approximations variationelles des EDP Notes du Cours de M2

Rupture et plasticité

Correction du Baccalauréat S Amérique du Nord mai 2007

Relation d ordre. Manipulation des relations d ordre. Lycée Pierre de Fermat 2012/2013 Feuille d exercices

Continuité en un point

Continuité d une fonction de plusieurs variables

TSTI 2D CH X : Exemples de lois à densité 1

Produits d espaces mesurés

Probabilités conditionnelles Exercices corrigés

Différentiabilité ; Fonctions de plusieurs variables réelles

Principe de symétrisation pour la construction d un test adaptatif

1.1 Codage de source et test d hypothèse

Cours d analyse numérique SMI-S4

Théorème du point fixe - Théorème de l inversion locale

Master IMEA 1 Calcul Stochastique et Finance Feuille de T.D. n o 1

Programmes des classes préparatoires aux Grandes Ecoles

Cours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables

La Licence Mathématiques et Economie-MASS Université de Sciences Sociales de Toulouse 1

Fonctions de plusieurs variables : dérivés partielles, diérentielle. Fonctions composées. Fonctions de classe C 1. Exemples

EXERCICE 4 (7 points ) (Commun à tous les candidats)

Suites numériques 3. 1 Convergence et limite d une suite

Théorie de la Mesure et Intégration

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable

Pour l épreuve d algèbre, les calculatrices sont interdites.

Lois de probabilité. Anita Burgun

Tests non-paramétriques de non-effet et d adéquation pour des covariables fonctionnelles

Calcul différentiel sur R n Première partie

Optimisation Discrète

Correction du baccalauréat S Liban juin 2007

Construction de l'intégrale de Lebesgue

Chapitre 1 : Évolution COURS

Equations aux Dérivées Partielles

C. R. Acad. Sci. Paris, Ser. I

Probabilités et Statistiques. Feuille 2 : variables aléatoires discrètes

Chapitre 5. Équilibre concurrentiel et bien-être

Processus aléatoires avec application en finance

Théorie de la mesure. S. Nicolay

Transcription:

Examen du cours de Mesures de risque en finance Mercredi 15 Décembre 21 (9h-11h) Seul document autorisé: une feuille A4 manuscrite recto-verso. Important : rédiger sur une même copie les exercices 1 et 2 et sur une autre l exercice 3. Exercice 1 (Mesures de risque). Les questions 2.c et 5 sont facultatives, ce qui signifie qu il n est pas nécessaire de les résoudre pour avoir la note maximale. Elle seront cependant notées avec une pondération comparable aux autres questions. On considère (Ω, F, P) un espace de probabilité tel qu il existe une variable aléatoire réelle U de loi uniforme sous P. On considère X = L (Ω, F, P), l ensemble des variables aléatoires à valeurs bornées muni de la norme X = inf{m >, P( X M) = 1}. On définit, pour α,+ [, X X, ρ α (X) = 1 α log(e[e αx ). 1. Montrer que ρ α (X) est une mesure de risque monétaire convexe. Est-elle cohérente? 2. (a) Montrer que pour X X fixé, α ρ α (X) est une fonction croissante. (b) Calculer pour X X, ρ (X) := lim α ρ α (X). Est-ce que ρ est une mesure de risque cohérente? (c) (Facultatif) Pour X X, on pose ess inf X = sup{m R, P(X M) = 1}. Montrer que pour ε >, P(X < ess inf X + ε) > et que P(X < ess inf X + ε)e α(ess inf X+ε) E[e αx e αess inf X. Calculer pour X X, ρ (X) := lim α + ρ α(x). Est-ce que ρ est une mesure de risque cohérente? On note L 1 (Ω, F, P) l ensemble des variables aléatoires réelles intégrables. On introduit, comme dans le cours, M 1 (P) l ensemble des mesures de probabilité sur (Ω, F) qui sont absolument continues par rapport à P. Par la suite, E désignera l espérance par rapport à la probabilité de référence P, et pour Q M 1 (P), E Q désignera l espérance sous la probabilité Q. Le théorème de Radon-Nikodym nous assure que Q M 1 (P) Z L 1 (Ω, F, P), X L (Ω, F, P), E Q [X = E[ZX. De plus, la variable aléatoire Z est unique et est notée. 3. On se donne α,+ [. (a) Soit (X n ) n N X N une suite telle que Montrer que ρ α (X) lim inf ρ α(x n ). (b) En déduire que { Xn X,p.s. M >, n N, X n M. ρ α (X) = où γ α (Q) = sup E[ X 1 α log E[e αx. sup E Q [ X γ α (Q), Q M 1 (P) 1

(c) Montrer que γ α (Q) = 1 α γ 1(Q) On pose ϕ(x) = xlog(x) [ ( ), x (ϕ() [ ( = ) en prolongeant par continuité). Pour Q M 1 (P), on pose H(Q P) = E ϕ = E Q log la fonction H(Q P) est appelée l entropie de Q par rapport à P. 4. (a) Montrer que ϕ est convexe et minorée. En déduire que H(Q P) a un sens lorsque Q est absolument continue par rapport à P, et montrer que H(Q P). (b) Montrer que γ 1 (Q) H(Q P). (c) On pose, pour Z X, Z continue par rapport à P Z, et calculer = ez E[e Z. Montrer que si Q M 1(P), Q est absolument Z. [ (d) Montrer que H(Q P) = H(Q P Z ) + E Z log(e(e Z )), puis que H(Q P) γ 1 (Q). En déduire la représentation suivante de ρ α : ρ α (X) = sup E Q [ X 1 Q M 1 (P) α H(Q P). 5. (Facultatif) Retrouver à l aide de cette représentation que α ρ α (X) est une fonction croissante, et en déduire la valeur de lim ρ α(x). α + Exercice 2 (Lois de valeurs extrêmes). Soit α >. On se donne une suite (X k,k 1) α de variables aléatoires de densité x 1 1+α x>1. On pose M n = max 1 k n X k. Construire des suites de réels a n et b n telles que (M n b n )/a n converge en loi vers une loi de Fréchet dont on précisera le paramètre. 2

Exercice 3 (Borne sur une famille de copules qui ont un τ de Kendall donné) Les différentes questions sont indépendantes. Merci de rédiger cet exercice sur une feuille séparée. On rappelle la définition du tau de Kendall : τ(c) = 4 1 1 C(u,v)dC(u,v) 1. 1. Soit C 1 et C 2 deux copules telles que C 1 (u,v) C 2 (u,v) pour tout (u,v) [,1 2. Montrer que τ(c 1 ) τ(c 2 ). 2. Demontrer la representation alternative suivante pour le tau de Kendall : 3. Pour t [ 1, 1, on définit τ(c) = 1 4 Justifier pourquoi T t est non vide. u C(u,v) C(u,v)dudv. (1) v T t := {C C copule,τ(c) = t}. Dans le reste de l exercice on cherche à trouver une borne inférieure commune pour les copules dans T t. 4. Soit C une copule telle que C(a,b) = θ. Monter que pour tout u,v [,1, C(u,v) min(u,v,θ + (u a) + + (v b) + ) := C a,b,θ (u,v). Montrer que C a,b,θ est une copule (ou admettez-le si la démonstration vous parait difficile). 5. En utilisant (2), montrer que τ(c a,b,θ ) = 1 4(a θ)(b θ). 6. Soit C T t telle que C(a,b) = θ. Montrer que t 1 4(a θ)(b θ). En déduire que pour tout (u,v) [,1 2, ( C(u,v) max,u + v 1, 1 [ (u + v) (u v) 2 2 + 1 t ) := T t (u,v). 7. Soit X et Y les valeurs à la date T de deux actifs sous-jacents, dont on connaît les fonctions de repartition F X et F Y ainsi que le tau de Kendall t. Donner une borne supérieure sur le prix de l option sur spread de X et Y de pay-off f(x,y ) = (X Y K) +, K. 3

Exercice 1 : Correction 1. Soient X,Y X. Si X Y P-p.s., e αx e αy P-p.s. et donc ρ α (X) ρ α (Y ). Pour m R, ρ α (X + m) = 1 α log(e[e αm e αx ) = ρ α (X) m. Pour prouver la convexité, il s agit de montrer que pour λ,1[, 1 α log(e[e αλx e α(1 λ)y ) λ α log(e[e αx )+ 1 λ α log(e[e αy ), ou encore E[e αλx e α(1 λ)y E[e αx λ E[e αy (1 λ), ce qui n est rien d autre que l inégalité de Hölder avec 1/p = λ et 1/q = 1 λ. Enfin ρ α n est pas une mesure de risque cohérente. En effet, Si X suit une loi de Bernoulli de paramêtre 1/2, on a pour λ >, ρ α (λx) = 1 α log(1 2 (1 + e λα log(2) )) λ + α, ce qui n est pas compatible avec un comportement linéaire. 2. (a) Soient < α < α. On pose p = α /α > 1. Par l inégalité de Jensen, E[e αx E[e αpx 1/p, et par conséquent 1 α log(e[e αx ) 1 α log(e[e α X ). (b) Pour X X, ρ α (X) = k= ( α)k E[X k /k!. Il s agit d une série absolument convergente et on a ρ α (X) = α 1 αe[x + O(α 2 ), et par conséquent ρ (X) = E[ X, ce qui est clairement une mesure de risque cohérente. (c) On a {M R, P(X M) = 1} =,ess inf X[ ou,ess inf X. Par conséquent pour ε >, on a ess inf X + ε {M R, P(X M) = 1}, i.e. P(X ess inf X + ε) < 1. Ainsi, P(X < ess inf X + ε) > et en utilisant que ess inf X X 1 X<ess inf X+ε (ess inf X + ε) + 1 X ess inf X+ε, il vient que Ainsi, on obtient que P(X < ess inf X + ε)e α(ess inf X+ε) E[e αx e αess inf X. 1 α log(p(x < ess inf X + ε)) (ess inf X + ε) ρ α(x) ess inf X, puis que pour tout ε >, (ess inf X+ε) lim inf α + ρ α (X) lim sup α + ρ α (X) ess inf X, ce qui prouve que lim ρ α(x) = ess inf X. Ainsi, ρ (X) = ess inf X α + est une mesure de risque convexe cohérente. 3. (a) Soit (X n ) n N X N une suite telle que { Xn X,p.s. M >, n N, X n M. Par convergence dominée, on a E[e αxn E[e αx et donc lim ρ α (X n ) = ρ α (X). En particulier, on a que ρ α (X) lim inf ρ α(x n ). (b) D après le théorème vu en cours sur la représentation des mesures de risque convexes s.c.i., on en déduit grâce à (a) que ρ α (X) = où γ α (Q) = sup E[ X 1 α log E[e αx. (c) On a γ α (Q) = 1 α sup E[ αx 1 α γ 1(Q), puisque αx = X. sup E Q [ X γ α (Q), Q M 1 (P) log E[e αx = 1 α sup 4 E[ X log E[e X =

4. (a) On a ϕ (x) = 1 + log(x) est une fonction croissante et ϕ est donc convexe. De plus ϕ (x) < pour x < 1/e et ϕ (x) > pour x > 1/e, ce qui assure que ϕ atteint son minimum en 1/e, et donc ϕ(x) ϕ(1/e) = 1/e. Ainsi, H(Q P) = E[ϕ( ) a un sens comme espérance d une variable aléatoire minorée. En outre on a par l inégalité de Jensen, H(Q P) = E[ log( ) ϕ(e[ ) =. (b) Pour n,p N, on pose X n,p = log( )1 1/p n X. On a [ γ 1 (Q) E log( ) 1 1/p n [ E 1 1/p n. ( ) Par convergence dominée, il vient en faisant tendre p + que γ 1 (Q) E[ϕ 1 n E[ 1 n, puis en faisant tendre n +, on obtient par convergence monotone que γ 1 (Q) H(Q P). [ [ e Z (c) Pour X X, E Q [X = E X = E absolument continue par rapport à P Z, et E[e Z E[e Z e Z X Z = E[eZ e Z. (d) En utilisant l égalité de la question précédente, = E P Z[ E[eZ e Z X. Donc Q est [ H(Q P) = E log ( ) [ [ ( ) = E (Z log(e[ez )) + E log Z = E Q [Z log(e[e Z ) + E P Z[ϕ( Z ) [ = E Z log(e[e Z ) + H(Q P Z ). Comme, H(Q P Z ) et que Z X est arbitraire, il vient : [ Z H(Q P) supe Z X 5. Comme H(Q P), on a pour α α et Q M 1 (P), log(e[e Z ) = γ 1 (Q). E Q [ X 1 α H(Q P) E Q[ X 1 α H(Q P), et en passant au sup sur les probabilités Q, il vient que ρ α (X) ρ α (X). Ainsi ρ (X) = lim α + ρ α (X) = sup α> ρ α (X) = sup Q M1 (P) sup α> E Q [ X 1 α H(Q P) = sup Q M1 (P) E Q [ X = ess inf X. 5

Exercice 2. Soit x R. On a si on prend a n >, P((M n b n )/a n x) = P(M n b n + a n x) = P(X 1 a n x + b n ) n. Par ailleurs, P(X 1 x) = 1 1/x α si x > 1 et P(X 1 x) = sinon. Ainsi, en prenant a n = n 1/α et b n =, on obtient : { si x P((M n b n )/a n x) = (1 1 nx ) n si x > et n assez grand α Ainsi, pour x >, P((M n b n )/a n x) e x α, i.e. M n /n 1/α converge en loi vers une loi de Fréchet de paramètre α. Exercice 3. (Borne sur une famille de copules qui ont un τ de Kendall donné) Le sujet est tiré de l article BOUNDS ON BIVARIATE DISTRIBUTION FUNCTIONS WITH GIVEN MARGINS AND MEASURES OF ASSOCIATION par Roger B. Nelsen, José Juan Quesada-Molina, José Antonio Rodriguez-Lallena, et Manuel Ubeda-Flores, publié dans COMMUN. STATIST. THEORY METH., 3(6), 1155 1162 (21). 1. Par intégration par parties (Fubini) on a : τ(c 1 ) τ(c 2 ) = 4 4 = 4 C 1 (u,v)dc 1 (u,v) 4 C 2 (u,v)d(c 1 (u,v) C 2 (u,v)) (C 1 (u,v) C 2 (u,v))dc 2 (u,v). C 2 (u,v)dc 2 (u,v) 2. Demontrer la representation alternative suivante pour le tau de Kendall : τ(c) = 1 4 u C(u,v) C(u,v)dudv. (2) v Soit µ la mesure positive sur [,1 2 engendrée par C. En utilisant de nouveau le théorème de Fubini, on trouve : τ(c) = 4 1 u u1 v vµ(du dv)µ(du dv ) 1 [,1 4 = 4 µ(du dv ) µ(du dv) 1 = 4 = 4 = 1 4 u [,1 v [,1 u [,1 v [,1 u [,u dv v C(u,v ) ( v [v,1 v C(u,v ) u C(u,v )dudv 1 + 4 v C(u,v ) u C(u,v )dudv. ) µ(du dv) du v [,1 u C(u,v ) 1 du 1 dv v C(u,v ) 1 6

3. Soit C λ (u,v) := λmin(u,v) + (1 λ)max(,u + v 1). Alors λ τ(c λ ) est une fonction continue et vérifie τ(c ) = 1 et τ(c 1 ) = 1. 4. On considère séparement les différents cas possibles : Si u > a et u > b, alors la propriété Lipschitz de la copule implique C(u,v) C(a,b) + u a + v b. Si u a et v b alors la croissance de la copule en chacun de ses arguments donne C(u,v) C(a,b). Si u a et v > b, en utilisant d abord la croissance et ensuite la propriété Lipschitz, on a : C(u,v) C(a,v) C(a,v) + v b. Le cas u > a et v b se traite de manière similaire. Dans tous les cas, on a alors C(u,v) θ + (u a) + + (v b) +. Comme par ailleurs C(u,v) min(u,v) (borne de Frechet), on a le résultat. Pour montrer que C a,b,θ est une copule, une possibilité est de montrer que C a,b,θ est la fonction de répartition du couple (U, V ) où U est uniforme sur [, 1 et V = U si U < θ ou U a + b θ, V = U + b θ si θ U < a et V = U a + θ si a U < a + b θ. 5. Soit A = {(u,v) [,1 2 : min(u,v) > θ + (u a) + + (v b) + }. Il est clair que sur A c, =, et donc, C u C v C C u v = C C u v 1 A = 1 u>a 1 u>b 1 A = 1 u>a 1 u>b 1 u>θ+u a+v b 1 v>θ+u a+v b, d où le résultat par application de (1). 6. L estimation t 1 4(a θ)(b θ) est une conséquence directe de 1. et 4. On en déduit que pour t fixé, tout θ qui vérifie cette inégalité est plus grand que la plus petite des deux racines de l équation t = 1 4(a θ)(b θ) : θ 1 2 ( a + b ) (a b) 2 + 1 t. Comme par ailleurs C(a, b) max(, a + b 1), on a le résultat. 7. Soit X et Y les valeurs à la date T de deux actifs sous-jacents, dont on connaît les fonctions de repartition F X et F Y ainsi que le tau de Kendall t. Donner une borne supérieure sur le prix de l option sur spread de X et Y de pay-off f(x,y ) = (X Y K) +, K. Par un résultat du cours, le prix de l option sur spread peut être exprimé à partir de la copule C de X et Y : d où π(c) = π(c) K K {F Y (x K) C(F X (x),f Y (x K))}dK, {F Y (x K) T t (F X (x),f Y (x K))}dK. 7