New simulation schemes for the Heston model

Les titres financiers sont souvent modélisés par des équations différentielles stochastiques (ÉDS). Ces équations peuvent décrire le comportement de l'actif, et aussi parfois certains paramètres du modèle. Par exemple, le modèle de Heston (1993), qui s'inscrit dans la catégorie des modèles à volatilité stochastique, décrit le comportement de l'actif et de la variance de ce dernier. Le modèle de Heston est très intéressant puisqu'il admet des formules semi-analytiques pour certains produits dérivés, ainsi qu'un certain réalisme. Cependant, la plupart des algorithmes de simulation pour ce modèle font face à quelques problèmes lorsque la condition de Feller (1951) n'est pas respectée. Dans ce mémoire, nous introduisons trois nouveaux algorithmes de simulation pour le modèle de Heston. Ces nouveaux algorithmes visent à accélérer le célèbre algorithme de Broadie et Kaya (2006); pour ce faire, nous utiliserons, entre autres, des méthodes de Monte Carlo par chaînes de Markov (MCMC) et des approximations. Dans le premier algorithme, nous modifions la seconde étape de la méthode de Broadie et Kaya afin de l'accélérer. Alors, au lieu d'utiliser la méthode de Newton du second ordre et l'approche d'inversion, nous utilisons l'algorithme de Metropolis-Hastings (voir Hastings (1970)). Le second algorithme est une amélioration du premier. Au lieu d'utiliser la vraie densité de la variance intégrée, nous utilisons l'approximation de Smith (2007). Cette amélioration diminue la dimension de l'équation caractéristique et accélère l'algorithme. Notre dernier algorithme n'est pas basé sur une méthode MCMC. Cependant, nous essayons toujours d'accélérer la seconde étape de la méthode de Broadie et Kaya (2006). Afin de réussir ceci, nous utilisons une variable aléatoire gamma dont les moments sont appariés à la vraie variable aléatoire de la variance intégrée par rapport au temps. Selon Stewart et al. (2007), il est possible d'approximer une convolution de variables aléatoires gamma (qui ressemble beaucoup à la représentation donnée par Glasserman et Kim (2008) si le pas de temps est petit) par une simple variable aléatoire gamma.

Quantifying diffusion in biofilms : from model hydrogels to living biofilms

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement.

Use of cellular impedance to characterize ligand functional selectivity at G protein-coupled receptors

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) représentent la plus grande famille de cibles thérapeutiques pour le traitement d’une panoplie de pathologies humaines. Bien que plusieurs décennies de recherche aient permis de façonner nos connaissances sur ces protéines membranaires, notre compréhension des déterminants moléculaires de leur activité signalétique reste encore limitée. De ces domaines de recherche, une avancée récente a mis à jour un nouveau phénomène, appelé sélectivité fonctionnelle des ligands, qui a bouleversé les paradigmes décrivant leu fonctionnement de ces récepteurs. Ce concept émane d’observations montrant que l’activité pharmacologique de certains ligands n’est pas nécessairement conservée sur tout le répertoire signalétiques connu du récepteur et peu se restreindre à l'activation sélective d’un sous-groupe de voies de signalisation.Ce nouveau modèle pharmacologique de l'activation des RCPG ouvre de nouvelles possibilités pour la découverte de médicaments plus efficace et sûr, ciblant les RCPGs. En effet, il permet la conception de molécules modulant spécifiquement les voies signalétiques d’intérêt thérapeutique, sans engager les autres voies qui pourraient mener à des effets secondaires indésirables ou de la tolérance. Cette thèse décrit l'utilisation d'une nouvelle approche sans marquage, basée sur la mesure du changement l'impédance cellulaire. Par la mesure des changements cellulaires, comme la morphologie, l’adhésion et/ou la redistribution des macromolécules, cette approche permet de mesurer de façon simultanée l'activité de plusieurs voies de signalisation impliqués dans ces réponses. Utilisant le récepteur β2-adrénergique (β2AR) comme modèle, nous avons démontré que les variations dans l’impédance cellulaire étaient directement liées à l’activation de multiples voies de signalisation suite à la stimulation du récepteur par son ligand. L’agoniste type du β2AR, l’isoprotérénol, s’est avéré induire une réponse d’impédance dose-dépendante constituée, dans le temps, de plusieurs caractéristiques distinctes pouvant être bloquées de façon compétitive par l’antagoniste ICI118,551 Par l’utilisation d’inhibiteurs sélectifs, nous avons été en mesure de déterminer la contribution de plusieurs voies signalétiques canoniques, comme les voies dépendantes de Gs et Gi, la production d’AMPc et l’activation de ERK1/2, sur ces changements. De plus, la dissection de la réponse d’impédance a permis d’identifier une nouvelle voie de mobilisation du Ca2+ contribuant à la réponse globale des changements initiés par la stimulation du β2AR. Dans une autre étude, nous avons rapporté que la réponse calcique induite par le β2AR serait attribuable à une transactivation Gs-dépendant du récepteur purinergique P2Y11, lui-même couplé à la protéine Gq. La mesure d’impédance permettant de distinguer et de décrire une pléiade d’activités signalétiques, nous avons émis l’hypothèse que des ligands arborant des profils signalétiques différents généreraient des réponses d’impédance distinctes. Le criblage d’une librairie de ligands spécifiques au β2AR a révélé une grande variété de signatures d’impédance. Grâce au développement d’une approche computationnelle innovatrice, nous avons été en mesure de regrouper ces signatures en cinq classes de composés, un regroupement qui s’est avéré hautement corrélé avec le profil signalétique des différents ligands. Nous avons ensuite combiné le criblage de composés par impédance avec l’utilisation d’inhibiteurs sélectifs de voies signalétiques afin d’augmenter la résolution du regroupement. En évaluant l’impact d’une voie signalétique donnée sur la signature d’impédance, nous avons été en mesure de révéler une plus grande variété de textures parmi les ligands. De plus, cette méthode s’est avérée efficace pour prédire le profil signalétique d’une librairie de composés non caractérisés, ciblant le β2AR. Ces travaux ont mené à l’élaboration d’une méthode permettant d’exprimer visuellement la sélectivité fonctionnelle de ligands et ont révélé de nouvelles classes de composés pour ce récepteur. Ces nouvelles classes de composés ont ensuite été testées sur des cardiomyocytes humains, confirmant que les composés regroupés dans différentes classes produisent des effets distincts sur la contractilité de ces cellules. Globalement, ces travaux démontrent la pertinence de l’utilisation de l’impédance cellulaire pour une évaluation précise des différences fonctionnelles parmi les composés ciblant les RCPGs. En fournissant une représentation pluridimensionnelle de la signalisation émanant des RCPGs à l’aide d’un seul essai ne requérant pas de marquage, les signatures d’impédance représentent une stratégie simple et innovante pour l’évaluation de la fonctionnalité sélective des ligands. Cette méthode pourrait être d’une grande utilité dans le processus de découverte de nouveaux médicaments.

Broad-Band Gap Coupled Microstrip Antenna

A microstrip antenna with large bandwidth is developed using a parasitic technique . Compared to the available wide-baud antennas,the proposed antenna structure is very compact and gives a lessdistorted radiation pattern with frequency . An impedance bandwidth,eight times that of a conventional patch antenna of the same size, Isachieved. The concept of coupled microstrip line model Is extended fortheoretical interpretation of the impedance loci

Phase effects on synchronization by dynamical relaying in delay-coupled systems

Synchronization in an array of mutually coupled systems with a finite time delay in coupling is studied using the Josephson junction as a model system. The sum of the transverse Lyapunov exponents is evaluated as a function of the parameters by linearizing the equation about the synchronization manifold. The dependence of synchronization on damping parameter, coupling constant, and time delay is studied numerically. The change in the dynamics of the system due to time delay and phase difference between the applied fields is studied. The case where a small frequency detuning between the applied fields is also discussed.

Model Calculations and Implementation of Filters and Hybrid Green VCSELs based on Optical Thin Film Stacks

This work introduced the novel conception of complex coupled hybrid VCSELs for the first time. Alternating organic and inorganic layers in the lasers provide periodic variation of refractive index and optical gain, which enable single mode operation and low threshold of the VCSELs. Model calculations revealed great reduction of the lasing threshold with factors over 30, in comparison with the existing micro-cavity lasers. Tunable green VCSEL has been also designed, implemented and analyzed taking advantage of the broad photoluminescence spectra of the organics. Free standing optical thin films without compressive stress are technologically implemented. Multiple membrane stacks with air gap in between have been fabricated for the implementation of complex coupled VCSEL structures. Complex coupled hybrid VCSEL is a very promising approach to fill the gaps in the green spectral range of the semiconductor lasers.

Generic Finite Element Model for Mechanically Consistent Scaling of Composite Beam-to-column Joint with Welded Connection

To study the behaviour of beam-to-column composite connection more sophisticated finite element models is required, since component model has some severe limitations. In this research a generic finite element model for composite beam-to-column joint with welded connections is developed using current state of the art local modelling. Applying mechanically consistent scaling method, it can provide the constitutive relationship for a plane rectangular macro element with beam-type boundaries. Then, this defined macro element, which preserves local behaviour and allows for the transfer of five independent states between local and global models, can be implemented in high-accuracy frame analysis with the possibility of limit state checks. In order that macro element for scaling method can be used in practical manner, a generic geometry program as a new idea proposed in this study is also developed for this finite element model. With generic programming a set of global geometric variables can be input to generate a specific instance of the connection without much effort. The proposed finite element model generated by this generic programming is validated against testing results from University of Kaiserslautern. Finally, two illustrative examples for applying this macro element approach are presented. In the first example how to obtain the constitutive relationships of macro element is demonstrated. With certain assumptions for typical composite frame the constitutive relationships can be represented by bilinear laws for the macro bending and shear states that are then coupled by a two-dimensional surface law with yield and failure surfaces. In second example a scaling concept that combines sophisticated local models with a frame analysis using a macro element approach is presented as a practical application of this numerical model.

An Interpolative Analytical Cache Model with Application to Performance-Power Design Space Exploration

Caches are known to consume up to half of all system power in embedded processors. Co-optimizing performance and power of the cache subsystems is therefore an important step in the design of embedded systems, especially those employing application specific instruction processors. In this project, we propose an analytical cache model that succinctly captures the miss performance of an application over the entire cache parameter space. Unlike exhaustive trace driven simulation, our model requires that the program be simulated once so that a few key characteristics can be obtained. Using these application-dependent characteristics, the model can span the entire cache parameter space consisting of cache sizes, associativity and cache block sizes. In our unified model, we are able to cater for direct-mapped, set and fully associative instruction, data and unified caches. Validation against full trace-driven simulations shows that our model has a high degree of fidelity. Finally, we show how the model can be coupled with a power model for caches such that one can very quickly decide on pareto-optimal performance-power design points for rapid design space exploration.

A deterministic model for lake clarity; application to management of Lake Tahoe (California-Nevada), USA

This dissertation has as its goal the quantitative evaluation of the application of coupled hydrodynamic, ecological and clarity models, to address the deterministic prediction of water clarity in lakes and reservoirs. Prediction of water clarity is somewhat unique, insofar as it represents the integrated and coupled effects of a broad range of individual water quality components. These include the biological components such as phytoplankton, together with the associated cycles of nutrients that are needed to sustain their popuiations, and abiotic components such as suspended particles that may be introduced by streams, atmospheric deposition or sediment resuspension. Changes in clarity induced by either component will feed back on the phytoplankton dynamics, as incident light also affects biological growth. Thus ability to successfully model changes in clarity will by necessity have to achieve the correct modeling of these other water quality parameters. Water clarity is also unique in that it may be one of the earliest and most easily detected wamings of the acceleration of the process of eutrophication in a water body.

Convectively coupled equatorial waves: A new methodology for identifying wave structures in observational data

Convectively coupled equatorial waves are fundamental components of the interaction between the physics and dynamics of the tropical atmosphere. A new methodology, which isolates individual equatorial wave modes, has been developed and applied to observational data. The methodology assumes that the horizontal structures given by equatorial wave theory can be used to project upper- and lower-tropospheric data onto equatorial wave modes. The dynamical fields are first separated into eastward- and westward-moving components with a specified domain of frequency–zonal wavenumber. Each of the components for each field is then projected onto the different equatorial modes using the y structures of these modes given by the theory. The latitudinal scale yo of the modes is predetermined by data to fit the equatorial trapping in a suitable latitude belt y = ±Y. The extent to which the different dynamical fields are consistent with one another in their depiction of each equatorial wave structure determines the confidence in the reality of that structure. Comparison of the analyzed modes with the eastward- and westward-moving components in the convection field enables the identification of the dynamical structure and nature of convectively coupled equatorial waves. In a case study, the methodology is applied to two independent data sources, ECMWF Reanalysis and satellite-observed window brightness temperature (Tb) data for the summer of 1992. Various convectively coupled equatorial Kelvin, mixed Rossby–gravity, and Rossby waves have been detected. The results indicate a robust consistency between the two independent data sources. Different vertical structures for different wave modes and a significant Doppler shifting effect of the background zonal winds on wave structures are found and discussed. It is found that in addition to low-level convergence, anomalous fluxes induced by strong equatorial zonal winds associated with equatorial waves are important for inducing equatorial convection. There is evidence that equatorial convection associated with Rossby waves leads to a change in structure involving a horizontal structure similar to that of a Kelvin wave moving westward with it. The vertical structure may also be radically changed. The analysis method should make a very powerful diagnostic tool for investigating convectively coupled equatorial waves and the interaction of equatorial dynamics and physics in the real atmosphere. The results from application of the analysis method for a reanalysis dataset should provide a benchmark against which model studies can be compared.

Enhancement of ENSO variability by a weakened Atlantic thermohaline circulation in a coupled GCM

A coupled ocean–atmosphere general circulation model is used to investigate the modulation of El Niño–Southern Oscillation (ENSO) variability due to a weakened Atlantic thermohaline circulation (THC). The THC weakening is induced by freshwater perturbations in the North Atlantic, and leads to a well-known sea surface temperature dipole and a southward shift of the intertropical convergence zone (ITCZ) in the tropical Atlantic. Through atmospheric teleconnections and local coupled air–sea feedbacks, a meridionally asymmetric mean state change is generated in the eastern equatorial Pacific, corresponding to a weakened annual cycle, and westerly anomalies develop over the central Pacific. The westerly anomalies are associated with anomalous warming of SST, causing an eastward extension of the west Pacific warm pool particularly in August–February, and enhanced precipitation. These and other changes in the mean state lead in turn to an eastward shift of the zonal wind anomalies associated with El Niño events, and a significant increase in ENSO variability. In response to a 1-Sv (1 Sv ≡ 106 m3 s−1) freshwater input in the North Atlantic, the THC slows down rapidly and it weakens by 86% over years 50–100. The Niño-3 index standard deviation increases by 36% during the first 100-yr simulation relative to the control simulation. Further analysis indicates that the weakened THC not only leads to a stronger ENSO variability, but also leads to a stronger asymmetry between El Niño and La Niña events. This study suggests a role for an atmospheric bridge that rapidly conveys the influence of the Atlantic Ocean to the tropical Pacific and indicates that fluctuations of the THC can mediate not only mean climate globally but also modulate interannual variability. The results may contribute to understanding both the multidecadal variability of ENSO activity during the twentieth century and longer time-scale variability of ENSO, as suggested by some paleoclimate records.

The effect of doubled CO2 and model basic state biases on the monsoon-ENSO system. II: Changing ENSO regimes

Integrations of a fully-coupled climate model with and without flux adjustments in the equatorial oceans are performed under 2×CO2 conditions to explore in more detail the impact of increased greenhouse gas forcing on the monsoon-ENSO system. When flux adjustments are used to correct some systematic model biases, ENSO behaviour in the modelled future climate features distinct irregular and periodic (biennial) regimes. Comparison with the observed record yields some consistency with ENSO modes primarily based on air-sea interaction and those dependent on basinwide ocean wave dynamics. Simple theory is also used to draw analogies between the regimes and irregular (stochastically forced) and self-excited oscillations respectively. Periodic behaviour is also found in the Asian-Australian monsoon system, part of an overall biennial tendency of the model under these conditions related to strong monsoon forcing and increased coupling between the Indian and Pacific Oceans. The tropospheric biennial oscillation (TBO) thus serves as a useful descriptor for the coupled monsoon-ENSO system in this case. The presence of obvious regime changes in the monsoon-ENSO system on interdecadal timescales, when using flux adjustments, suggests there may be greater uncertainty in projections of future climate, although further modelling studies are required to confirm the realism and cause of such changes.

The effect of doubled CO2 and model basic state biases on the monsoon-ENSO system. I: Mean response and interannual variability

The impact of doubled CO2 concentration on the Asian summer monsoon is studied using a coupled ocean-atmosphere model. Both the mean seasonal precipitation and interannual monsoon variability are found to increase in the future climate scenario presented. Systematic biases in current climate simulations of the coupled system prevent accurate representation of the monsoon-ENSO teleconnection, of prime importance for seasonal prediction and for determining monsoon interannual variability. By applying seasonally varying heat flux adjustments to the tropical Pacific and Indian Ocean surface in the future climate simulation, some assessment can be made of the impact of systematic model biases on future climate predictions. In simulations where the flux adjustments are implemented, the response to climate change is magnified, with the suggestion that systematic biases may be masking the true impact of increased greenhouse gas forcing. The teleconnection between ENSO and the Asian summer monsoon remains robust in the future climate, although the Indo-Pacific takes on more of a biennial character for long periods of the flux-adjusted simulation. Assessing the teleconnection across interdecadal timescales shows wide variations in its amplitude, despite the absence of external forcing. This suggests that recent changes in the observed record cannot be distinguished from internal variations and as such are not necessarily related to climate change.

Decadal predictability of the Atlantic Ocean in a coupled GCM: forecast skill and optimal perturbations using Linear Inverse Modelling

The decadal predictability of three-dimensional Atlantic Ocean anomalies is examined in a coupled global climate model (HadCM3) using a Linear Inverse Modelling (LIM) approach. It is found that the evolution of temperature and salinity in the Atlantic, and the strength of the meridional overturning circulation (MOC), can be effectively described by a linear dynamical system forced by white noise. The forecasts produced using this linear model are more skillful than other reference forecasts for several decades. Furthermore, significant non-normal amplification is found under several different norms. The regions from which this growth occurs are found to be fairly shallow and located in the far North Atlantic. Initially, anomalies in the Nordic Seas impact the MOC, and the anomalies then grow to fill the entire Atlantic basin, especially at depth, over one to three decades. It is found that the structure of the optimal initial condition for amplification is sensitive to the norm employed, but the initial growth seems to be dominated by MOC-related basin scale changes, irrespective of the choice of norm. The consistent identification of the far North Atlantic as the most sensitive region for small perturbations suggests that additional observations in this region would be optimal for constraining decadal climate predictions.

QUAGMIRE v1.3: a quasi-geostrophic model for investigating rotating fluids experiments

QUAGMIRE is a quasi-geostrophic numerical model for performing fast, high-resolution simulations of multi-layer rotating annulus laboratory experiments on a desktop personal computer. The model uses a hybrid finite-difference/spectral approach to numerically integrate the coupled nonlinear partial differential equations of motion in cylindrical geometry in each layer. Version 1.3 implements the special case of two fluid layers of equal resting depths. The flow is forced either by a differentially rotating lid, or by relaxation to specified streamfunction or potential vorticity fields, or both. Dissipation is achieved through Ekman layer pumping and suction at the horizontal boundaries, including the internal interface. The effects of weak interfacial tension are included, as well as the linear topographic beta-effect and the quadratic centripetal beta-effect. Stochastic forcing may optionally be activated, to represent approximately the effects of random unresolved features. A leapfrog time stepping scheme is used, with a Robert filter. Flows simulated by the model agree well with those observed in the corresponding laboratory experiments.