On Option Price Information Content and Extraction of Implied Probability Distributions

In this study we used market settlement prices of European call options on stock index futures to extract implied probability distribution function (PDF). The method used produces a PDF of returns of an underlying asset at expiration date from implied volatility smile. With this method, the assumption of lognormal distribution (Black-Scholes model) is tested. The market view of the asset price dynamics can then be used for various purposes (hedging, speculation). We used the so called smoothing approach for implied PDF extraction presented by Shimko (1993). In our analysis we obtained implied volatility smiles from index futures markets (S&P 500 and DAX indices) and standardized them. The method introduced by Breeden and Litzenberger (1978) was then used on PDF extraction. The results show significant deviations from the assumption of lognormal returns for S&P500 options while DAX options mostly fit the lognormal distribution. A deviant subjective view of PDF can be used to form a strategy as discussed in the last section.

Hygro-elasto-plastic behavior of planar orthotropic material

The mechanical and hygroscopic properties of paper and board are factors affecting the whole lifecycle of a product, including paper/board quality, production, converting, and material and energy savings. The progress of shrinkage profiles, loose edges of web, baggy web causing wrinkling and misregistration in printing are examples of factors affecting runnability and end product quality in the drying section and converting processes, where paper or board is treated as a moving web. The structural properties and internal stresses or plastic strain differences built up during production also cause the end-product defects related to distortion of the shape of the product such as sheet or box. The objective of this work was to construct a model capable of capturing the characteristic behavior of hygroscopic orthotropic material under moisture change, during different external in-plane stretch or stress conditions. Two independent experimental models were constructed: the elasto-plastic material model and the hygroexpansivity-shrinkage model. Both describe the structural properties of the sheet with a fiber orientation probability distribution, and both are functions of the dry solids content and fiber orientation anisotropy index. The anisotropy index, introduced in this work, simplifies the procedure of determining the constitutive parameters of the material model and the hygroexpansion coefficients in different in-plane directions of the orthotropic sheet. The mathematically consistent elasto-plastic material model and the dry solids content dependent hygroexpansivity have been constructed over the entire range from wet to dry. The presented elastoplastic and hygroexpansivity-shrinkage models can be used in an analytical approach to estimate the plastic strain and shrinkage in simple one-dimensional cases. For studies of the combined and more complicated effects of hygro-elasto-plastic behavior, both models were implemented in a finite element program for a numerical solution. The finite element approach also offered possibilities for studying different structural variations of orthotropic planar material, as well as local buckling behavior and internal stress situations of the sheet or web generated by local strain differences. A comparison of the simulation examples presented in this work to results published earlier confirms that the hygro-elasto-plastic model provides at least qualitatively reasonable estimates. The application potential of the hygro-elasto-plastic model is versatile, including several phenomena and defects appearing in the drying, converting and end-use conditions of the paper or board webs and products, or in other corresponding complex planar materials.

Exact Nonparametric Two-Sample Homogeneity Tests for Possibly Discrete Distributions.

In this paper, we study several tests for the equality of two unknown distributions. Two are based on empirical distribution functions, three others on nonparametric probability density estimates, and the last ones on differences between sample moments. We suggest controlling the size of such tests (under nonparametric assumptions) by using permutational versions of the tests jointly with the method of Monte Carlo tests properly adjusted to deal with discrete distributions. We also propose a combined test procedure, whose level is again perfectly controlled through the Monte Carlo test technique and has better power properties than the individual tests that are combined. Finally, in a simulation experiment, we show that the technique suggested provides perfect control of test size and that the new tests proposed can yield sizeable power improvements.

Structure de la distribution de probabilités de l'état GHZ sous l'action locale de transformations du groupe U(2)

Dans ce mémoire, je démontre que la distribution de probabilités de l'état quantique Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) sous l'action locale de mesures de von Neumann indépendantes sur chaque qubit suit une distribution qui est une combinaison convexe de deux distributions. Les coefficients de la combinaison sont reliés aux parties équatoriales des mesures et les distributions associées à ces coefficients sont reliées aux parties réelles des mesures. Une application possible du résultat est qu'il permet de scinder en deux la simulation de l'état GHZ. Simuler, en pire cas ou en moyenne, un état quantique comme GHZ avec des ressources aléatoires, partagées ou privées, et des ressources classiques de communication, ou même des ressources fantaisistes comme les boîtes non locales, est un problème important en complexité de la communication quantique. On peut penser à ce problème de simulation comme un problème où plusieurs personnes obtiennent chacune une mesure de von Neumann à appliquer sur le sous-système de l'état GHZ qu'il partage avec les autres personnes. Chaque personne ne connaît que les données décrivant sa mesure et d'aucune façon une personne ne connaît les données décrivant la mesure d'une autre personne. Chaque personne obtient un résultat aléatoire classique. La distribution conjointe de ces résultats aléatoires classiques suit la distribution de probabilités trouvée dans ce mémoire. Le but est de simuler classiquement la distribution de probabilités de l'état GHZ. Mon résultat indique une marche à suivre qui consiste d'abord à simuler les parties équatoriales des mesures pour pouvoir ensuite savoir laquelle des distributions associées aux parties réelles des mesures il faut simuler. D'autres chercheurs ont trouvé comment simuler les parties équatoriales des mesures de von Neumann avec de la communication classique dans le cas de 3 personnes, mais la simulation des parties réelles résiste encore et toujours.

Quantile based entropy function

Quantile functions are efficient and equivalent alternatives to distribution functions in modeling and analysis of statistical data (see Gilchrist, 2000; Nair and Sankaran, 2009). Motivated by this, in the present paper, we introduce a quantile based Shannon entropy function. We also introduce residual entropy function in the quantile setup and study its properties. Unlike the residual entropy function due to Ebrahimi (1996), the residual quantile entropy function determines the quantile density function uniquely through a simple relationship. The measure is used to define two nonparametric classes of distributions

Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray

Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray Stefan Rohrer Im Rahmen eines mehrjährigen Forschungsprojektes, gefördert von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG), wurden am Institut für Mikroelektronik (IPM) der Universität Kassel digitale Magnetfeldsensoren mit einer Breite bis zu 1 µm entwickelt. Die vorliegende Dissertation stellt ein aus diesem Forschungsprojekt entstandenes Magnetfeld-Sensorarray vor, das speziell dazu entworfen wurde, um digitale Magnetfelder schnell und auf minimaler Fläche mit einer guten räumlichen und zeitlichen Auflösung zu detektieren. Der noch in einem 1,0µm-CMOS-Prozess gefertigte Test-Chip arbeitet bis zu einer Taktfrequenz von 27 MHz bei einem Sensorabstand von 6,75 µm. Damit ist er das derzeit kleinste und schnellste digitale Magnetfeld-Sensorarray in einem Standard-CMOS-Prozess. Konvertiert auf eine 0,09µm-Technologie können Frequenzen bis 1 GHz erreicht werden bei einem Sensorabstand von unter 1 µm. In der Dissertation werden die wichtigsten Ergebnisse des Projekts detailliert beschrieben. Basis des Sensors ist eine rückgekoppelte Inverter-Anordnung. Als magnetfeldsensitives Element dient ein auf dem Hall-Effekt basierender Doppel-Drain-MAGFET, der das Verhalten der Kippschaltung beeinflusst. Aus den digitalen Ausgangsdaten kann die Stärke und die Polarität des Magnetfelds bestimmt werden. Die Gesamtanordnung bildet einen stochastischen Magnetfeld-Sensor. In der Arbeit wird ein Modell für das Kippverhalten der rückgekoppelten Inverter präsentiert. Die Rauscheinflüsse des Sensors werden analysiert und in einem stochastischen Differentialgleichungssystem modelliert. Die Lösung der stochastischen Differentialgleichung zeigt die Entwicklung der Wahrscheinlichkeitsverteilung des Ausgangssignals über die Zeit und welche Einflussfaktoren die Fehlerwahrscheinlichkeit des Sensors beeinflussen. Sie gibt Hinweise darauf, welche Parameter für das Design und Layout eines stochastischen Sensors zu einem optimalen Ergebnis führen. Die auf den theoretischen Berechnungen basierenden Schaltungen und Layout-Komponenten eines digitalen stochastischen Sensors werden in der Arbeit vorgestellt. Aufgrund der technologisch bedingten Prozesstoleranzen ist für jeden Detektor eine eigene kompensierende Kalibrierung erforderlich. Unterschiedliche Realisierungen dafür werden präsentiert und bewertet. Zur genaueren Modellierung wird ein SPICE-Modell aufgestellt und damit für das Kippverhalten des Sensors eine stochastische Differentialgleichung mit SPICE-bestimmten Koeffizienten hergeleitet. Gegenüber den Standard-Magnetfeldsensoren bietet die stochastische digitale Auswertung den Vorteil einer flexiblen Messung. Man kann wählen zwischen schnellen Messungen bei reduzierter Genauigkeit und einer hohen lokalen Auflösung oder einer hohen Genauigkeit bei der Auswertung langsam veränderlicher Magnetfelder im Bereich von unter 1 mT. Die Arbeit präsentiert die Messergebnisse des Testchips. Die gemessene Empfindlichkeit und die Fehlerwahrscheinlichkeit sowie die optimalen Arbeitspunkte und die Kennliniencharakteristik werden dargestellt. Die relative Empfindlichkeit der MAGFETs beträgt 0,0075/T. Die damit erzielbaren Fehlerwahrscheinlichkeiten werden in der Arbeit aufgelistet. Verglichen mit dem theoretischen Modell zeigt das gemessene Kippverhalten der stochastischen Sensoren eine gute Übereinstimmung. Verschiedene Messungen von analogen und digitalen Magnetfeldern bestätigen die Anwendbarkeit des Sensors für schnelle Magnetfeldmessungen bis 27 MHz auch bei kleinen Magnetfeldern unter 1 mT. Die Messungen der Sensorcharakteristik in Abhängigkeit von der Temperatur zeigen, dass die Empfindlichkeit bei sehr tiefen Temperaturen deutlich steigt aufgrund der Abnahme des Rauschens. Eine Zusammenfassung und ein ausführliches Literaturverzeichnis geben einen Überblick über den Stand der Technik.

Some New Classes of Orthogonal Polynomials and Special Functions

In dieser Dissertation präsentieren wir zunächst eine Verallgemeinerung der üblichen Sturm-Liouville-Probleme mit symmetrischen Lösungen und erklären eine umfassendere Klasse. Dann führen wir einige neue Klassen orthogonaler Polynome und spezieller Funktionen ein, welche sich aus dieser symmetrischen Verallgemeinerung ableiten lassen. Als eine spezielle Konsequenz dieser Verallgemeinerung führen wir ein Polynomsystem mit vier freien Parametern ein und zeigen, dass in diesem System fast alle klassischen symmetrischen orthogonalen Polynome wie die Legendrepolynome, die Chebyshevpolynome erster und zweiter Art, die Gegenbauerpolynome, die verallgemeinerten Gegenbauerpolynome, die Hermitepolynome, die verallgemeinerten Hermitepolynome und zwei weitere neue endliche Systeme orthogonaler Polynome enthalten sind. All diese Polynome können direkt durch das neu eingeführte System ausgedrückt werden. Ferner bestimmen wir alle Standardeigenschaften des neuen Systems, insbesondere eine explizite Darstellung, eine Differentialgleichung zweiter Ordnung, eine generische Orthogonalitätsbeziehung sowie eine generische Dreitermrekursion. Außerdem benutzen wir diese Erweiterung, um die assoziierten Legendrefunktionen, welche viele Anwendungen in Physik und Ingenieurwissenschaften haben, zu verallgemeinern, und wir zeigen, dass diese Verallgemeinerung Orthogonalitätseigenschaft und -intervall erhält. In einem weiteren Kapitel der Dissertation studieren wir detailliert die Standardeigenschaften endlicher orthogonaler Polynomsysteme, welche sich aus der üblichen Sturm-Liouville-Theorie ergeben und wir zeigen, dass sie orthogonal bezüglich der Fisherschen F-Verteilung, der inversen Gammaverteilung und der verallgemeinerten t-Verteilung sind. Im nächsten Abschnitt der Dissertation betrachten wir eine vierparametrige Verallgemeinerung der Studentschen t-Verteilung. Wir zeigen, dass diese Verteilung gegen die Normalverteilung konvergiert, wenn die Anzahl der Stichprobe gegen Unendlich strebt. Eine ähnliche Verallgemeinerung der Fisherschen F-Verteilung konvergiert gegen die chi-Quadrat-Verteilung. Ferner führen wir im letzten Abschnitt der Dissertation einige neue Folgen spezieller Funktionen ein, welche Anwendungen bei der Lösung in Kugelkoordinaten der klassischen Potentialgleichung, der Wärmeleitungsgleichung und der Wellengleichung haben. Schließlich erklären wir zwei neue Klassen rationaler orthogonaler hypergeometrischer Funktionen, und wir zeigen unter Benutzung der Fouriertransformation und der Parsevalschen Gleichung, dass es sich um endliche Orthogonalsysteme mit Gewichtsfunktionen vom Gammatyp handelt.

Una aproximación de la variable aleatoria a procesos de toma de decisión que implican condiciones de riesgo e incertidumbre

La variable aleatoria es una función matemática que permite asignar valores numéricos a cada uno de los posibles resultados obtenidos en un evento de naturaleza aleatoria. Si el número de estos resultados se puede contar, se tiene un conjunto discreto; por el contrario, cuando el número de resultados es infinito y no se puede contar, se tiene un conjunto continuo. El objetivo de la variable aleatoria es permitir adelantar estudios probabilísticos y estadísticos a partir del establecimiento de una asignación numérica a través de la cual se identifiquen cada uno de los resultados que pueden ser obtenidos en el desarrollo de un evento determinado. El valor esperado y la varianza son los parámetros por medio de los cuales es posible caracterizar el comportamiento de los datos reunidos en el desarrollo de una situación experimental; el valor esperado permite establecer el valor sobre el cual se centra la distribución de la probabilidad, mientras que la varianza proporciona información acerca de la manera como se distribuyen los datos obtenidos. Adicionalmente, las distribuciones de probabilidad son funciones numéricas asociadas a la variable aleatoria que describen la asignación de probabilidad para cada uno de los elementos del espacio muestral y se caracterizan por ser un conjunto de parámetros que establecen su comportamiento funcional, es decir, cada uno de los parámetros propios de la distribución suministra información del experimento aleatorio al que se asocia. El documento se cierra con una aproximación de la variable aleatoria a procesos de toma de decisión que implican condiciones de riesgo e incertidumbre.

Distribution patterns of infection with multiple types of human papillomaviruses and their association with risk factors

Background: Infection with multiple types of human papillomavirus (HPV) is one of the main risk factors associated with the development of cervical lesions. In this study, cervical samples collected from 1,810 women with diverse sociocultural backgrounds, who attended to their cervical screening program in different geographical regions of Colombia, were examined for the presence of cervical lesions and HPV by Papanicolau testing and DNA PCR detection, respectively. Principal Findings: The negative binomial distribution model used in this study showed differences between the observed and expected values within some risk factor categories analyzed. Particularly in the case of single infection and coinfection with more than 4 HPV types, observed frequencies were smaller than expected, while the number of women infected with 2 to 4 viral types were higher than expected. Data analysis according to a negative binomial regression showed an increase in the risk of acquiring more HPV types in women who were of indigenous ethnicity (+37.8%), while this risk decreased in women who had given birth more than 4 times (-31.1%), or were of mestizo (-24.6%) or black (-40.9%) ethnicity. Conclusions: According to a theoretical probability distribution, the observed number of women having either a single infection or more than 4 viral types was smaller than expected, while for those infected with 2-4 HPV types it was larger than expected. Taking into account that this study showed a higher HPV coinfection rate in the indigenous ethnicity, the role of underlying factors should be assessed in detail in future studies.

Analysis and Simulation of Transverse Random Fracture of Long Fibre Reinforced Composites

La present tesi proposa una metodología per a la simulació probabilística de la fallada de la matriu en materials compòsits reforçats amb fibres de carboni, basant-se en l'anàlisi de la distribució aleatòria de les fibres. En els primers capítols es revisa l'estat de l'art sobre modelització matemàtica de materials aleatoris, càlcul de propietats efectives i criteris de fallada transversal en materials compòsits. El primer pas en la metodologia proposada és la definició de la determinació del tamany mínim d'un Element de Volum Representatiu Estadístic (SRVE) . Aquesta determinació es du a terme analitzant el volum de fibra, les propietats elàstiques efectives, la condició de Hill, els estadístics de les components de tensió i defromació, la funció de densitat de probabilitat i les funcions estadístiques de distància entre fibres de models d'elements de la microestructura, de diferent tamany. Un cop s'ha determinat aquest tamany mínim, es comparen un model periòdic i un model aleatori, per constatar la magnitud de les diferències que s'hi observen. Es defineix, també, una metodologia per a l'anàlisi estadístic de la distribució de la fibra en el compòsit, a partir d'imatges digitals de la secció transversal. Aquest anàlisi s'aplica a quatre materials diferents. Finalment, es proposa un mètode computacional de dues escales per a simular la fallada transversal de làmines unidireccionals, que permet obtenir funcions de densitat de probabilitat per a les variables mecàniques. Es descriuen algunes aplicacions i possibilitats d'aquest mètode i es comparen els resultats obtinguts de la simulació amb valors experimentals.

Operations on Risk Variables

In the article the author considers and analyzes operations and functions on risk variables. She takes into account the following variables: the sum of risk variables, its product, multiplication by a constant, division, maximum, minimum and median of a sum of random variables. She receives the formulas for probability distribution and basic distribution parameters. She conducts the analysis for dependent and independent random variables. She propose the examples of the situations in the economy and production management of risk modelled by this operations. The analysis is conducted with the way of mathematical proving. Some of the formulas presented are taken from the literature but others are the permanent results of the author.

Accounting for the economic risk, caused by variation in disease severity, in fungicide dose decisions: exemplified for Mycosphaerella graminicola on winter wheat

A method is presented to calculate economic optimum fungicide doses accounting for the risk-aversion of growers responding to variability in disease severity between crops. Simple dose-response and disease-yield loss functions are used to estimate net disease-related costs (fungicide cost, plus disease-induced yield loss) as a function of dose and untreated severity. With fairly general assumptions about the shapes of the probability distribution of disease severity and the other functions involved, we show that a choice of fungicide dose which minimises net costs on average across seasons results in occasional large net costs caused by inadequate control in high disease seasons. This may be unacceptable to a grower with limited capital. A risk-averse grower can choose to reduce the size and frequency of such losses by applying a higher dose as insurance. For example, a grower may decide to accept ‘high loss’ years one year in ten or one year in twenty (i.e. specifying a proportion of years in which disease severity and net costs will be above a specified level). Our analysis shows that taking into account disease severity variation and risk-aversion will usually increase the dose applied by an economically rational grower. The analysis is illustrated with data on septoria tritici leaf blotch of wheat caused by Mycosphaerella graminicola. Observations from untreated field plots at sites across England over three years were used to estimate the probability distribution of disease severities at mid-grain filling. In the absence of a fully reliable disease forecasting scheme, reducing the frequency of ‘high loss’ years requires substantially higher doses to be applied to all crops. Disease resistant cultivars reduce both the optimal dose at all levels of risk and the disease-related costs at all doses.

Describing seasonal variability in the distribution of daily effective temperatures for 1985-2009 compared to 1904-1984 for De Bilt, Holland

This paper proposes a method for describing the distribution of observed temperatures on any day of the year such that the distribution and summary statistics of interest derived from the distribution vary smoothly through the year. The method removes the noise inherent in calculating summary statistics directly from the data thus easing comparisons of distributions and summary statistics between different periods. The method is demonstrated using daily effective temperatures (DET) derived from observations of temperature and wind speed at De Bilt, Holland. Distributions and summary statistics are obtained from 1985 to 2009 and compared to the period 1904–1984. A two-stage process first obtains parameters of a theoretical probability distribution, in this case the generalized extreme value (GEV) distribution, which describes the distribution of DET on any day of the year. Second, linear models describe seasonal variation in the parameters. Model predictions provide parameters of the GEV distribution, and therefore summary statistics, that vary smoothly through the year. There is evidence of an increasing mean temperature, a decrease in the variability in temperatures mainly in the winter and more positive skew, more warm days, in the summer. In the winter, the 2% point, the value below which 2% of observations are expected to fall, has risen by 1.2 °C, in the summer the 98% point has risen by 0.8 °C. Medians have risen by 1.1 and 0.9 °C in winter and summer, respectively. The method can be used to describe distributions of future climate projections and other climate variables. Further extensions to the methodology are suggested.

Size and power properties of some tests in the Birnbaum-Saunders regression model

The Birnbaum-Saunders distribution has been used quite effectively to model times to failure for materials subject to fatigue and for modeling lifetime data. In this paper we obtain asymptotic expansions, up to order n(-1/2) and under a sequence of Pitman alternatives, for the non-null distribution functions of the likelihood ratio, Wald, score and gradient test statistics in the Birnbaum-Saunders regression model. The asymptotic distributions of all four statistics are obtained for testing a subset of regression parameters and for testing the shape parameter. Monte Carlo simulation is presented in order to compare the finite-sample performance of these tests. We also present two empirical applications. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.