U.S. subprime financial crisis contagion on BRIC and European Union stock markets

ABSTRACTThe Copula Theory was used to analyze contagion among the BRIC (Brazil, Russia, India and China) and European Union stock markets with the U.S. Equity Market. The market indexes used for the period between January 01, 2005 and February 27, 2010 are: MXBRIC (BRIC), MXEU (European Union) and MXUS (United States). This article evaluated the adequacy of the main copulas found in the financial literature using log-likelihood, Akaike information and Bayesian information criteria. This article provides a groundbreaking study in the area of contagion due to the use of conditional copulas, allowing to calculate the correlation increase between indexes with non-parametric approach. The conditional Symmetrized Joe-Clayton copula was the one that fitted better to the considered pairs of returns. Results indicate evidence of contagion effect in both markets, European Union and BRIC members, with a 5% significance level. Furthermore, there is also evidence that the contagion of U.S. financial crisis was more pronounced in the European Union than in the BRIC markets, with a 5% significance level. Therefore, stock portfolios formed by equities from the BRIC countries were able to offer greater protection during the subprime crisis. The results are aligned with recent papers that present an increase in correlation between stock markets, especially in bear markets.

Explicit ruin formulas for models with dependence among risks

We show that a simple mixing idea allows one to establish a number of explicit formulas for ruin probabilities and related quantities in collective risk models with dependence among claim sizes and among claim inter-occurrence times. Examples include compound Poisson risk models with completely monotone marginal claim size distributions that are dependent according to Archimedean survival copulas as well as renewal risk models with dependent inter-occurrence times.

Age and multiple mating effects on reproductive success of Grapholita molesta (Busck) (Lepidoptera, Tortricidae)

The reproductive success of the oriental peach moth was evaluated in four experiments: 1) assessment of the mating duration, fecundity, fertility and longevity of females paired with virgin and immediately mated males; 2) mating duration, spermatophore size, fecundity, fertility and longevity in females paired with virgin and up to four times mated males; 3) receptivity of females to additional copulations after mating with virgin or mated males, and the effects of this behavior in female fecundity, fertility and longevity; 4) influence of insects age in the reproductive output. Males (33%) could copulate immediately after a previous copula. They were fertile until the fourth mating, but only in the first copula they transferred the longest (1.43 ± 0.10 mm) and widest (0.83 ± 0.11 mm) spermatophore, presenting the fastest mating duration (34.8 ± 2.62 min). A high proportion of females copulated by non-virgin males (84%) was receptive to other copulas, in comparison to those copulated by virgin males (32.4%). However, the fecundity, fertility, and longevity were similar among females that copulate once or more. The age was the most important factor affecting reproductive variables, where one and three day old insects had a significant higher fecundity, fertility and presented a shorter mating duration in comparison with older individuals. Results pointed out that the reproductive capacity of Grapholita molesta changes a little with respect to the analyzed factors, highlighting the elevated biotic potential of the species.

An application of capital allocation principles to operational risk

The cost of operational risk refers to the capital needed to a fford the loss generated by ordinary activities of a firm. In this work we demonstrate how allocation principles can be used to the subdivision of the aggregate capital so that the firm can distribute this cost across its various constituents that generate operational risk. Several capital allocation principles are revised. Proportional allocation allows to calculate a relative risk premium to be charged to each unit. An example of fraud risk in the banking sector is presented and some correlation scenarios between business lines are compared. Keywords: solvency, quantile, value at risk, copulas

A correlation sensitivity analysis of non-life underwriting risk in solvency capital requirement estimation

This paper analyses the impact of using different correlation assumptions between lines of business when estimating the risk-based capital reserve, the Solvency Capital Requirement -SCR-, under Solvency II regulations. A case study is presented and the SCR is calculated according to the Standard Model approach. Alternatively, the requirement is then calculated using an Internal Model based on a Monte Carlo simulation of the net underwriting result at a one-year horizon, with copulas being used to model the dependence between lines of business. To address the impact of these model assumptions on the SCR we conduct a sensitivity analysis. We examine changes in the correlation matrix between lines of business and address the choice of copulas. Drawing on aggregate historical data from the Spanish non-life insurance market between 2000 and 2009, we conclude that modifications of the correlation and dependence assumptions have a significant impact on SCR estimation.

Nonlinear principal and canonical directions from continuous extensions of multidimensional scaling

A continuous random variable is expanded as a sum of a sequence of uncorrelated random variables. These variables are principal dimensions in continuous scaling on a distance function, as an extension of classic scaling on a distance matrix. For a particular distance, these dimensions are principal components. Then some properties are studied and an inequality is obtained. Diagonal expansions are considered from the same continuous scaling point of view, by means of the chi-square distance. The geometric dimension of a bivariate distribution is defined and illustrated with copulas. It is shown that the dimension can have the power of continuum.

Economic capital allocation

For my Licentiate thesis, I conducted research on risk measures. Continuing with this research, I now focus on capital allocation. In the proportional capital allocation principle, the choice of risk measure plays a very important part. In the chapters Introduction and Basic concepts, we introduce three definitions of economic capital, discuss the purpose of capital allocation, give different viewpoints of capital allocation and present an overview of relevant literature. Risk measures are defined and the concept of coherent risk measure is introduced. Examples of important risk measures are given, e. g., Value at Risk (VaR), Tail Value at Risk (TVaR). We also discuss the implications of dependence and review some important distributions. In the following chapter on Capital allocation we introduce different principles for allocating capital. We prefer to work with the proportional allocation method. In the following chapter, Capital allocation based on tails, we focus on insurance business lines with heavy-tailed loss distribution. To emphasize capital allocation based on tails, we define the following risk measures: Conditional Expectation, Upper Tail Covariance and Tail Covariance Premium Adjusted (TCPA). In the final chapter, called Illustrative case study, we simulate two sets of data with five insurance business lines using Normal copulas and Cauchy copulas. The proportional capital allocation is calculated using TCPA as risk measure. It is compared with the result when VaR is used as risk measure and with covariance capital allocation. In this thesis, it is emphasized that no single allocation principle is perfect for all purposes. When focusing on the tail of losses, the allocation based on TCPA is a good one, since TCPA in a sense includes features of TVaR and Tail covariance.

Pairs trading profitability in the Finnish stock market: A comparison between three methods

Pairs trading is an algorithmic trading strategy that is based on the historical co-movement of two separate assets and trades are executed on the basis of degree of relative mispricing. The purpose of this study is to explore one new and alternative copula-based method for pairs trading. The objective is to find out whether the copula method generates more trading opportunities and higher profits than the more traditional distance and cointegration methods applied extensively in previous empirical studies. Methods are compared by selecting top five pairs from stocks of the large and medium-sized companies in the Finnish stock market. The research period includes years 2006-2015. All the methods are proven to be profitable and the Finnish stock market suitable for pairs trading. However, copula method doesn’t generate more trading opportunities or higher profits than the other methods. It seems that the limitations of the more traditional methods are not too restrictive for this particular sample data.

Densités de copules archimédiennes hiérarchiques

Les copulas archimédiennes hiérarchiques ont récemment gagné en intérêt puisqu’elles généralisent la famille de copules archimédiennes, car elles introduisent une asymétrie partielle. Des algorithmes d’échantillonnages et des méthodes ont largement été développés pour de telles copules. Néanmoins, concernant l’estimation par maximum de vraisemblance et les tests d’adéquations, il est important d’avoir à disposition la densité de ces variables aléatoires. Ce travail remplie ce manque. Après une courte introduction aux copules et aux copules archimédiennes hiérarchiques, une équation générale sur les dérivées des noeuds et générateurs internes apparaissant dans la densité des copules archimédiennes hiérarchique. sera dérivée. Il en suit une formule tractable pour la densité des copules archimédiennes hiérarchiques. Des exemples incluant les familles archimédiennes usuelles ainsi que leur transformations sont présentés. De plus, une méthode numérique efficiente pour évaluer le logarithme des densités est présentée.

Estimation of State Space Models and Stochastic Volatility

Ma thèse est composée de trois chapitres reliés à l'estimation des modèles espace-état et volatilité stochastique. Dans le première article, nous développons une procédure de lissage de l'état, avec efficacité computationnelle, dans un modèle espace-état linéaire et gaussien. Nous montrons comment exploiter la structure particulière des modèles espace-état pour tirer les états latents efficacement. Nous analysons l'efficacité computationnelle des méthodes basées sur le filtre de Kalman, l'algorithme facteur de Cholesky et notre nouvelle méthode utilisant le compte d'opérations et d'expériences de calcul. Nous montrons que pour de nombreux cas importants, notre méthode est plus efficace. Les gains sont particulièrement grands pour les cas où la dimension des variables observées est grande ou dans les cas où il faut faire des tirages répétés des états pour les mêmes valeurs de paramètres. Comme application, on considère un modèle multivarié de Poisson avec le temps des intensités variables, lequel est utilisé pour analyser le compte de données des transactions sur les marchés financières. Dans le deuxième chapitre, nous proposons une nouvelle technique pour analyser des modèles multivariés à volatilité stochastique. La méthode proposée est basée sur le tirage efficace de la volatilité de son densité conditionnelle sachant les paramètres et les données. Notre méthodologie s'applique aux modèles avec plusieurs types de dépendance dans la coupe transversale. Nous pouvons modeler des matrices de corrélation conditionnelles variant dans le temps en incorporant des facteurs dans l'équation de rendements, où les facteurs sont des processus de volatilité stochastique indépendants. Nous pouvons incorporer des copules pour permettre la dépendance conditionnelle des rendements sachant la volatilité, permettant avoir différent lois marginaux de Student avec des degrés de liberté spécifiques pour capturer l'hétérogénéité des rendements. On tire la volatilité comme un bloc dans la dimension du temps et un à la fois dans la dimension de la coupe transversale. Nous appliquons la méthode introduite par McCausland (2012) pour obtenir une bonne approximation de la distribution conditionnelle à posteriori de la volatilité d'un rendement sachant les volatilités d'autres rendements, les paramètres et les corrélations dynamiques. Le modèle est évalué en utilisant des données réelles pour dix taux de change. Nous rapportons des résultats pour des modèles univariés de volatilité stochastique et deux modèles multivariés. Dans le troisième chapitre, nous évaluons l'information contribuée par des variations de volatilite réalisée à l'évaluation et prévision de la volatilité quand des prix sont mesurés avec et sans erreur. Nous utilisons de modèles de volatilité stochastique. Nous considérons le point de vue d'un investisseur pour qui la volatilité est une variable latent inconnu et la volatilité réalisée est une quantité d'échantillon qui contient des informations sur lui. Nous employons des méthodes bayésiennes de Monte Carlo par chaîne de Markov pour estimer les modèles, qui permettent la formulation, non seulement des densités a posteriori de la volatilité, mais aussi les densités prédictives de la volatilité future. Nous comparons les prévisions de volatilité et les taux de succès des prévisions qui emploient et n'emploient pas l'information contenue dans la volatilité réalisée. Cette approche se distingue de celles existantes dans la littérature empirique en ce sens que ces dernières se limitent le plus souvent à documenter la capacité de la volatilité réalisée à se prévoir à elle-même. Nous présentons des applications empiriques en utilisant les rendements journaliers des indices et de taux de change. Les différents modèles concurrents sont appliqués à la seconde moitié de 2008, une période marquante dans la récente crise financière.

A class of bivariate Erlang distributions and ruin probabilities in multivariate risk models

Nous y introduisons une nouvelle classe de distributions bivariées de type Marshall-Olkin, la distribution Erlang bivariée. La transformée de Laplace, les moments et les densités conditionnelles y sont obtenus. Les applications potentielles en assurance-vie et en finance sont prises en considération. Les estimateurs du maximum de vraisemblance des paramètres sont calculés par l'algorithme Espérance-Maximisation. Ensuite, notre projet de recherche est consacré à l'étude des processus de risque multivariés, qui peuvent être utiles dans l'étude des problèmes de la ruine des compagnies d'assurance avec des classes dépendantes. Nous appliquons les résultats de la théorie des processus de Markov déterministes par morceaux afin d'obtenir les martingales exponentielles, nécessaires pour établir des bornes supérieures calculables pour la probabilité de ruine, dont les expressions sont intraitables.

Les modèles vectoriels et multiplicatifs avec erreurs non-négatives de séries chronologiques.

L'objectif du présent mémoire vise à présenter des modèles de séries chronologiques multivariés impliquant des vecteurs aléatoires dont chaque composante est non-négative. Nous considérons les modèles vMEM (modèles vectoriels et multiplicatifs avec erreurs non-négatives) présentés par Cipollini, Engle et Gallo (2006) et Cipollini et Gallo (2010). Ces modèles représentent une généralisation au cas multivarié des modèles MEM introduits par Engle (2002). Ces modèles trouvent notamment des applications avec les séries chronologiques financières. Les modèles vMEM permettent de modéliser des séries chronologiques impliquant des volumes d'actif, des durées, des variances conditionnelles, pour ne citer que ces applications. Il est également possible de faire une modélisation conjointe et d'étudier les dynamiques présentes entre les séries chronologiques formant le système étudié. Afin de modéliser des séries chronologiques multivariées à composantes non-négatives, plusieurs spécifications du terme d'erreur vectoriel ont été proposées dans la littérature. Une première approche consiste à considérer l'utilisation de vecteurs aléatoires dont la distribution du terme d'erreur est telle que chaque composante est non-négative. Cependant, trouver une distribution multivariée suffisamment souple définie sur le support positif est plutôt difficile, au moins avec les applications citées précédemment. Comme indiqué par Cipollini, Engle et Gallo (2006), un candidat possible est une distribution gamma multivariée, qui impose cependant des restrictions sévères sur les corrélations contemporaines entre les variables. Compte tenu que les possibilités sont limitées, une approche possible est d'utiliser la théorie des copules. Ainsi, selon cette approche, des distributions marginales (ou marges) peuvent être spécifiées, dont les distributions en cause ont des supports non-négatifs, et une fonction de copule permet de tenir compte de la dépendance entre les composantes. Une technique d'estimation possible est la méthode du maximum de vraisemblance. Une approche alternative est la méthode des moments généralisés (GMM). Cette dernière méthode présente l'avantage d'être semi-paramétrique dans le sens que contrairement à l'approche imposant une loi multivariée, il n'est pas nécessaire de spécifier une distribution multivariée pour le terme d'erreur. De manière générale, l'estimation des modèles vMEM est compliquée. Les algorithmes existants doivent tenir compte du grand nombre de paramètres et de la nature élaborée de la fonction de vraisemblance. Dans le cas de l'estimation par la méthode GMM, le système à résoudre nécessite également l'utilisation de solveurs pour systèmes non-linéaires. Dans ce mémoire, beaucoup d'énergies ont été consacrées à l'élaboration de code informatique (dans le langage R) pour estimer les différents paramètres du modèle. Dans le premier chapitre, nous définissons les processus stationnaires, les processus autorégressifs, les processus autorégressifs conditionnellement hétéroscédastiques (ARCH) et les processus ARCH généralisés (GARCH). Nous présentons aussi les modèles de durées ACD et les modèles MEM. Dans le deuxième chapitre, nous présentons la théorie des copules nécessaire pour notre travail, dans le cadre des modèles vectoriels et multiplicatifs avec erreurs non-négatives vMEM. Nous discutons également des méthodes possibles d'estimation. Dans le troisième chapitre, nous discutons les résultats des simulations pour plusieurs méthodes d'estimation. Dans le dernier chapitre, des applications sur des séries financières sont présentées. Le code R est fourni dans une annexe. Une conclusion complète ce mémoire.

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.

Sur les prolongements de sous-copules

L’objet du travail est d’étudier les prolongements de sous-copules. Un cas important de l’utilisation de tels prolongements est l’estimation non paramétrique d’une copule par le lissage d’une sous-copule (la copule empirique). Lorsque l’estimateur obtenu est une copule, cet estimateur est un prolongement de la souscopule. La thèse présente au chapitre 2 la construction et la convergence uniforme d’un estimateur bona fide d’une copule ou d’une densité de copule. Cet estimateur est un prolongement de type copule empirique basé sur le lissage par le produit tensoriel de fonctions de répartition splines. Le chapitre 3 donne la caractérisation de l’ensemble des prolongements possibles d’une sous-copule. Ce sujet a été traité par le passé; mais les constructions proposées ne s’appliquent pas à la dépendance dans des espaces très généraux. Le chapitre 4 s’attèle à résoudre le problème suivant posé par [Carley, 2002]. Il s’agit de trouver la borne supérieure des prolongements en dimension 3 d’une sous-copule de domaine fini.

Implementación de cópulas para la estimación del valor en riesgo

La dependencia entre las series financieras, es un parámetro fundamental para la estimación de modelos de Riesgo. El Valor en Riesgo (VaR) es una de las medidas más importantes utilizadas para la administración y gestión de Riesgos Financieros, en la actualidad existen diferentes métodos para su estimación, como el método por simulación histórica, el cual no asume ninguna distribución sobre los retornos de los factores de riesgo o activos, o los métodos paramétricos que asumen normalidad sobre las distribuciones. En este documento se introduce la teoría de cópulas, como medida de dependencia entre las series, se estima un modelo ARMA-GARCH-Cópula para el cálculo del Valor en Riesgo de un portafolio compuesto por dos series financiera, la tasa de cambio Dólar-Peso y Euro-Peso. Los resultados obtenidos muestran que la estimación del VaR por medio de copulas es más preciso en relación a los métodos tradicionales.