A journey through second order BSDEs and other contemporary issues in mathematical finance.
Voyage au coeur des EDSRs du second ordre et autres problèmes contemporains de mathématiques financières.
Résumé
This PhD dissertation presents two independent research topics dealing with contemporary issues in mathematical finance, the second one being divided into into two distinct problems. Throughout the first part of the dissertation, we study the notion of second order backward stochastic differential equations (2BSDE in the following), first introduced by Cheredito, Soner, Touzi and Victoir, then reformulated by Soner, Touzi and Zhang. We start by proving an extension of their existence and uniqueness results to the case of a continuous generator with linear growth. Then, we pursue our study with another extension to the case of a quadratic generator. The theoretical results obtained in that chapter allow us to solve a problem of utility maximization for an investor in an incomplete market, the source of incompleteness being on one hand the restrictions on the class of admissible trading strategies, and on the other hand the fact that the volatility of the market is uncertain. We prove the existence of optimal strategies, we characterize the value function of the problem thanks to a 2BSDE and solve explicetely several examples which give further insight into the main modifications introduced by the uncertain volatility framework. We conclude the first part of the dissertation by introducing the notion of 2BSDEs reflected on an obstacle. We prove existence and uniqueness of the solutions of those equations and propose an application to the pricing problem of American options under volatility uncertainty. The first chapter of the second part of the dissertation deals with a problem of option pricing in an illiquidity model. We provide asymptotic expansions of those prices in the infinite liquidity limit and highlight a transition phase effect depending on the regularity of the payoff considered. We also give numerical results. Finally, the last chapter of this thesis is devoted to a Principal/Agent problem with moral hazard. A bank (the agent) has a certain number of defaultable loans and is ready to exchange their interests with the promess of payments. The bank can influence the default probabilities by choosing whether it monitors the loans or not, this monitoring being costly for the bank. Those choices are only known by the bank itself. Investors (the principal) want to design contracts which maximize their utility while implicitely giving incentives to the bank to monitor all the loans at all times. We solve explicitely this optimal control problem, we describe the associated optimal contract and its economic implications and provide some numerical simulations.
Cette thèse présente deux principaux sujets de recherche indépendants, le dernier étant décliné sous la forme de deux problèmes distincts. Dans toute la première partie de la thèse, nous nous intéressons à la notion d'équations différentielles stochastiques rétrogrades du second ordre (dans la suite 2EDSR), introduite tout d'abord par Cheredito, Soner, Touzi et Victoir puis reformulée récemment par Soner, Touzi et Zhang. Nous prouvons dans un premier temps une extension de leurs résultats d'existence et d'unicité lorsque le générateur considéré est seulement continu et à croissance linéaire. Puis, nous poursuivons notre étude par une nouvelle extension au cas d'un générateur quadratique. Ces résultats théoriques nous permettent alors de résoudre un problème de maximisation d'utilité pour un investisseur dans un marché incomplet, à la fois car des contraintes sont imposées sur ses stratégies d'investissement, et parce que la volatilité du marché est supposée être inconnue. Nous prouvons dans notre cadre l'existence de stratégies optimales, caractérisons la fonction valeur du problème grâce à une EDSR du second ordre et résolvons explicitement certains exemples qui nous permettent de mettre en exergue les modifications induites par l'ajout de l'incertitude de volatilité par rapport au cadre habituel. Nous terminons cette première partie en introduisant la notion d'EDSR du second ordre avec réflexion sur un obstacle. Nous prouvons l'existence et l'unicité des solutions de telles équations, et fournissons une application possible au problème de courverture d'options Américaines dans un marché à volatilité incertaine. Le premier chapitre de la seconde partie de cette thèse traite d'un problème de pricing d'options dans un modèle où la liquidité du marché est prise en compte. Nous fournissons des développements asymptotiques de ces prix au voisinage de liquidité infinie et mettons en lumière un phénomène de transition de phase dépendant de la régularité du payoff des options considérées. Quelques résultats numériques sont également proposés. Enfin, nous terminons cette thèse par l'étude d'un problème Principal/Agent dans un cadre d'aléa moral. Une banque (qui joue le rôle de l'agent) possède un certain nombre de prêts dont elle est prête à échanger les intérêts contre des flux de capitaux. La banque peut influencer les probabilités de défaut de ces emprunts en exerçant ou non une activité de surveillance coûteuse. Ces choix de la banque ne sont connus que d'elle seule. Des investisseurs (qui jouent le rôle de principal) souhaitent mettre en place des contrats qui maximisent leur utilité tout en incitant implicitement la banque à exercer une activité de surveillance constante. Nous résolvons ce problème de contrôle optimal explicitement, décrivons le contrat optimal associé ainsi que ses implications économiques et fournissons quelques simulations numériques.
Mots clés
Second order backward stochastic differential equations
singular probability measures
quasi-sure stochastic analysis
non-linear Feynman-Kac formula
fully non-linear PDEs
linear growth generator
quadratic growth generator
robust utility maximization
volatility uncertainty
obstacle problem
American options
super-replication
viscosity solutions
liquidity
asymptotic expansions
bank monitoring
principal/agent problem
HJB equation
équations différentielles stochastiques rétrogrades du second ordre
mesures de probabilité singulières
analyse stochastique quasi-sûre
formule de Feynman-Kac non-linéaire
EDP complètement non-linéaires
générateur à croissance linéaire
générateur à croissance quadratique
maximisation d'utilité robuste
incertitude de volatilité
problème d'obstacle
options Américaines
sur-réplication
solutions de viscosité
liquidité
développements asymptotiques
surveillance des banques
CDS
problème principal/agent
équation de HJB
Domaines
Probabilités [math.PR]
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