[BSHM meetings] Topics in the history of financial mathematics: early commerce to chaos in modern stock markets

This account provides an overview of the study day, entitled 'Topics in the History of Financial Mathematics: Early commerce to chaos in modern stock markets,' held by the British Society for the History of Mathematics jointly with Gresham College, at Gresham College, London on 25th April 2008. The series of talks explored the development of mathematics and mathematical techniques in a commercial and financial context.

Some Applications of Markov Additive Processes as Models in Insurance and Financial Mathematics

Cette thèse est principalement constituée de trois articles traitant des processus markoviens additifs, des processus de Lévy et d'applications en finance et en assurance. Le premier chapitre est une introduction aux processus markoviens additifs (PMA), et une présentation du problème de ruine et de notions fondamentales des mathématiques financières. Le deuxième chapitre est essentiellement l'article "Lévy Systems and the Time Value of Ruin for Markov Additive Processes" écrit en collaboration avec Manuel Morales et publié dans la revue European Actuarial Journal. Cet article étudie le problème de ruine pour un processus de risque markovien additif. Une identification de systèmes de Lévy est obtenue et utilisée pour donner une expression de l'espérance de la fonction de pénalité actualisée lorsque le PMA est un processus de Lévy avec changement de régimes. Celle-ci est une généralisation des résultats existant dans la littérature pour les processus de risque de Lévy et les processus de risque markoviens additifs avec sauts "phase-type". Le troisième chapitre contient l'article "On a Generalization of the Expected Discounted Penalty Function to Include Deficits at and Beyond Ruin" qui est soumis pour publication. Cet article présente une extension de l'espérance de la fonction de pénalité actualisée pour un processus subordinateur de risque perturbé par un mouvement brownien. Cette extension contient une série de fonctions escomptée éspérée des minima successives dus aux sauts du processus de risque après la ruine. Celle-ci a des applications importantes en gestion de risque et est utilisée pour déterminer la valeur espérée du capital d'injection actualisé. Finallement, le quatrième chapitre contient l'article "The Minimal entropy martingale measure (MEMM) for a Markov-modulated exponential Lévy model" écrit en collaboration avec Romuald Hervé Momeya et publié dans la revue Asia-Pacific Financial Market. Cet article présente de nouveaux résultats en lien avec le problème de l'incomplétude dans un marché financier où le processus de prix de l'actif risqué est décrit par un modèle exponentiel markovien additif. Ces résultats consistent à charactériser la mesure martingale satisfaisant le critère de l'entropie. Cette mesure est utilisée pour calculer le prix d'une option, ainsi que des portefeuilles de couverture dans un modèle exponentiel de Lévy avec changement de régimes.

Előszó egy pénzügyi matematika tankönyvhöz = Preface to a textbook on financial mathematics

A szerző a pénzügyi válság kapcsán a pénzügyi matematikát ért kritikai észrevételekre próbál válaszolni. Megítélése szerint a pénzügyi matematika negatív hatása a magyarországi pénzügyi problémák esetében nem mutatható ki, ugyanis Magyarországon a pénzügyi döntések mindenfajta kvantitatív megalapozás nélkül, nagyrészt politikai alapon történtek, így a felelősséget is a politikát körülvevő gazdaságpolitikusoknak kell viselniük. A matematikai modellek legfőbb felhasználási területe nem a konkrét pénzügyi döntések megalapozásában, hanem sokkal inkább az oktatásban található. _____ The author discusses some critical observations about financial mathematics in connection with the financial crisis. In his view no negative effect of financial mathematics on Hungary's financial problems can be observed, since the financial decisions in Hungary were made without any kind of serious quantitative basis. The decisions were made mainly on political ground, so that the blame must go to economic politicians involved in that policy. The main area of application of mathematical models is not its application in specific financial decisions, but far more in the field of education.

The impact of planning delays and other holding costs on housing affordability

Housing affordability is gaining increasing prominence in the Australian socioeconomic landscape, despite strong economic growth and prosperity. It is a major consideration for any new development. However, it is multi-dimensional, has many facets, is complex and interwoven. One factor widely held to impact housing affordability is holding costs. Although it is only one contributor, the nature and extent of its impact requires clarification. It is certainly more multifarious than simple calculation of the interest or opportunity cost of land holding. For example, preliminary analysis suggests that even small shifts in the regulatory assessment period can significantly affect housing affordability. Other costs associated with “holding” also impact housing affordability, however these costs cannot always be easily identified. Nevertheless it can be said that ultimately the real impact is felt by those whom can least afford it - new home buyers whom can be relatively easily pushed into the realms of un-affordability.

The efficacy of the Sortino ratio and other benchmarked performance measures under skewed return distributions

This paper will investigate the suitability of existing performance measures under the assumption of a clearly defined benchmark. A range of measures are examined including the Sortino Ratio, the Sharpe Selection ratio (SSR), the Student’s t-test and a decay rate measure. A simulation study is used to assess the power and bias of these measures based on variations in sample size and mean performance of two simulated funds. The Sortino Ratio is found to be the superior performance measure exhibiting more power and less bias than the SSR when the distribution of excess returns are skewed.

A heterogeneous computing approach to simulation of the Heston Stochastic Volatility Model

Stochastic volatility models are of fundamental importance to the pricing of derivatives. One of the most commonly used models of stochastic volatility is the Heston Model in which the price and volatility of an asset evolve as a pair of coupled stochastic differential equations. The computation of asset prices and volatilities involves the simulation of many sample trajectories with conditioning. The problem is treated using the method of particle filtering. While the simulation of a shower of particles is computationally expensive, each particle behaves independently making such simulations ideal for massively parallel heterogeneous computing platforms. In this paper, we present our portable Opencl implementation of the Heston model and discuss its performance and efficiency characteristics on a range of architectures including Intel cpus, Nvidia gpus, and Intel Many-Integrated-Core (mic) accelerators.

Financial modelling with 2-EPT probability density functions

The class of all Exponential-Polynomial-Trigonometric (EPT) functions is classical and equal to the Euler-d’Alembert class of solutions of linear differential equations with constant coefficients. The class of non-negative EPT functions defined on [0;1) was discussed in Hanzon and Holland (2010) of which EPT probability density functions are an important subclass. EPT functions can be represented as ceAxb, where A is a square matrix, b a column vector and c a row vector where the triple (A; b; c) is the minimal realization of the EPT function. The minimal triple is only unique up to a basis transformation. Here the class of 2-EPT probability density functions on R is defined and shown to be closed under a variety of operations. The class is also generalised to include mixtures with the pointmass at zero. This class coincides with the class of probability density functions with rational characteristic functions. It is illustrated that the Variance Gamma density is a 2-EPT density under a parameter restriction. A discrete 2-EPT process is a process which has stochastically independent 2-EPT random variables as increments. It is shown that the distribution of the minimum and maximum of such a process is an EPT density mixed with a pointmass at zero. The Laplace Transform of these distributions correspond to the discrete time Wiener-Hopf factors of the discrete time 2-EPT process. A distribution of daily log-returns, observed over the period 1931-2011 from a prominent US index, is approximated with a 2-EPT density function. Without the non-negativity condition, it is illustrated how this problem is transformed into a discrete time rational approximation problem. The rational approximation software RARL2 is used to carry out this approximation. The non-negativity constraint is then imposed via a convex optimisation procedure after the unconstrained approximation. Sufficient and necessary conditions are derived to characterise infinitely divisible EPT and 2-EPT functions. Infinitely divisible 2-EPT density functions generate 2-EPT Lévy processes. An assets log returns can be modelled as a 2-EPT Lévy process. Closed form pricing formulae are then derived for European Options with specific times to maturity. Formulae for discretely monitored Lookback Options and 2-Period Bermudan Options are also provided. Certain Greeks, including Delta and Gamma, of these options are also computed analytically. MATLAB scripts are provided for calculations involving 2-EPT functions. Numerical option pricing examples illustrate the effectiveness of the 2-EPT approach to financial modelling.

Financial Decisions via Methods of Guaranteed Control Theory

AMS subject classification: 93C95, 90A09.

A study of the Hobson and Rogers volatility model

We firstly examine the model of Hobson and Rogers for the volatility of a financial asset such as a stock or share. The main feature of this model is the specification of volatility in terms of past price returns. The volatility process and the underlying price process share the same source of randomness and so the model is said to be complete. Complete models are advantageous as they allow a unique, preference independent price for options on the underlying price process. One of the main objectives of the model is to reproduce the `smiles' and `skews' seen in the market implied volatilities and this model produces the desired effect. In the first main piece of work we numerically calibrate the model of Hobson and Rogers for comparison with existing literature. We also develop parameter estimation methods based on the calibration of a GARCH model. We examine alternative specifications of the volatility and show an improvement of model fit to market data based on these specifications. We also show how to process market data in order to take account of inter-day movements in the volatility surface. In the second piece of work, we extend the Hobson and Rogers model in a way that better reflects market structure. We extend the model to take into account both first and second order effects. We derive and numerically solve the pde which describes the price of options under this extended model. We show that this extension allows for a better fit to the market data. Finally, we analyse the parameters of this extended model in order to understand intuitively the role of these parameters in the volatility surface.

Modélisation du carnet d'ordres limites et prévision de séries temporelles

Le contenu de cette thèse est divisé de la façon suivante. Après un premier chapitre d’introduction, le Chapitre 2 est consacré à introduire aussi simplement que possible certaines des théories qui seront utilisées dans les deux premiers articles. Dans un premier temps, nous discuterons des points importants pour la construction de l’intégrale stochastique par rapport aux semimartingales avec paramètre spatial. Ensuite, nous décrirons les principaux résultats de la théorie de l’évaluation en monde neutre au risque et, finalement, nous donnerons une brève description d’une méthode d’optimisation connue sous le nom de dualité. Les Chapitres 3 et 4 traitent de la modélisation de l’illiquidité et font l’objet de deux articles. Le premier propose un modèle en temps continu pour la structure et le comportement du carnet d’ordres limites. Le comportement du portefeuille d’un investisseur utilisant des ordres de marché est déduit et des conditions permettant d’éliminer les possibilités d’arbitrages sont données. Grâce à la formule d’Itô généralisée il est aussi possible d’écrire la valeur du portefeuille comme une équation différentielle stochastique. Un exemple complet de modèle de marché est présenté de même qu’une méthode de calibrage. Dans le deuxième article, écrit en collaboration avec Bruno Rémillard, nous proposons un modèle similaire mais cette fois-ci en temps discret. La question de tarification des produits dérivés est étudiée et des solutions pour le prix des options européennes de vente et d’achat sont données sous forme explicite. Des conditions spécifiques à ce modèle qui permettent d’éliminer l’arbitrage sont aussi données. Grâce à la méthode duale, nous montrons qu’il est aussi possible d’écrire le prix des options européennes comme un problème d’optimisation d’une espérance sur en ensemble de mesures de probabilité. Le Chapitre 5 contient le troisième article de la thèse et porte sur un sujet différent. Dans cet article, aussi écrit en collaboration avec Bruno Rémillard, nous proposons une méthode de prévision des séries temporelles basée sur les copules multivariées. Afin de mieux comprendre le gain en performance que donne cette méthode, nous étudions à l’aide d’expériences numériques l’effet de la force et la structure de dépendance sur les prévisions. Puisque les copules permettent d’isoler la structure de dépendance et les distributions marginales, nous étudions l’impact de différentes distributions marginales sur la performance des prévisions. Finalement, nous étudions aussi l’effet des erreurs d’estimation sur la performance des prévisions. Dans tous les cas, nous comparons la performance des prévisions en utilisant des prévisions provenant d’une série bivariée et d’une série univariée, ce qui permet d’illustrer l’avantage de cette méthode. Dans un intérêt plus pratique, nous présentons une application complète sur des données financières.

Exam 1999

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Exercise sheet 6

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Exercise sheet 5

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