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Modeles Mathematiques Discrets pour la Finance et l'Assurance

De
71 pages
Modeles Mathematiques Discrets pour la Finance et l'Assurance Marc et Francine DIENER 28 mars 2010

  • modele

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  • contrat d'option

  • evaluation du prix

  • exemples de produits derives de taux

  • option


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Mod`eles Math´ematiques Discrets
pour la Finance et l’Assurance
Marc et Francine DIENER
28 mars 20102Table des mati`eres
1 Prix et couverture d’une option d’achat 5
1.1 Evaluation du prix dans un mod`ele a` une ´etape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Mod`ele a` deux ´etapes : couverture dynamique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Formule fondamentale dans un mod`ele de Cox-Ross-Rubinstein 11
2.1 Le mod`ele de Cox-Ross-Rubinstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Construction du portefeuille de couverture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Probabilit´e risque neutre et formule fondamentale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4Hypoth`esesdumod`ele...................................... 14
3 Marches al´eatoires. Filtration et information 17
3.1 D´efinitions et exemple du mod`ele CRR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 L’ensemble Ω, ou comment indexer tous les avenirs possibles. . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 Caract´eriser ce qui sera connu et ce qui restera al´eatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
t
3.3.1 La relation∼ et la partition Ω| deΩ......................... 19t
S3.3.2 La tribuF ........................................ 19t
3.3.3 La tribu associ´ee a` une v.a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
S3.4 F -mesurabilit´e.......................................... 20t
4 Esp´erance conditionnelle 21
4.1 Esp´erance d’une v.a. sachant un ´ev`enement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2 Esp´ d’une v.a. par rapport a` une tribu . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
24.3 L’espace euclidien L(Ω)..................................... 22
4.4 Application au calcul de prix d’options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5 Martingales, arbitrage et compl´etude 25
5.1Martingales............................................ 25
5.2 March´e et “pertes et profits” d’un portefeuille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.3March´essansarbitrage...................................... 28
5.4 March´es complets et non complets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6 Options am´ericaines 31
6.1 Calcul du prix par r´ecurrence r´etrograde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
6.2 Th´eor`eme d’arrˆet optimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
6.3 Strat´egie de couverture avec consommation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
7 Options barri`eres 35
7.1 D´efinitions et exemples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
7.2 Mesurabilit´e et temps d’arrˆet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7.3 Calcul du prix d’une option DIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
7.4 Evaluation par le principe d’Andr´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
8 Black-Scholes comme limite de CRR 41
8.1 La formule de Black-Scholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
8.2LimiteduprixCRR....................................... 41
8.3 Convergence vers Black-Scholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
8.4Vitesedeconvergence...................................... 44
3`4 TABLE DES MATIERES
9 Le mod`ele de Ho et Lee 47
9.1 Actifs `a flux d´eterministes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
9.2Tauxal´eatoires.......................................... 48
9.2.1 Wherearetherisks?................................... 48
9.2.2 Courbes de taux et structure par terme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
9.3 Le mod`ele de Ho et Lee pour les z´ero-coupons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
9.3.1 Un model `a trois param`etres : π, δ,etn ....................... 51
9.4 Exemples de produits deriv´es de taux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
A Exercices 55
A.1 Les trajectoires d’un mod`ele `a n´etapes............................ 55
A.2 Les trajectoires du call d’un mod`ele `a n´etapes........................ 56
A.3 Calcul de prix par esp´erance conditionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
A.4LeDeltadecouverture...................................... 58
A.5Optionsam´ericaines....................................... 59
A.6 La formule de Black et Scholes; convergence des prix CRR vers BS . . . . . . . . . . . . . 61
A.7 Calcul de prix d’options barri`ere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
A.8 Mod`eles de Ho et Lee, et produits de taux d’int´erˆets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
A.9 Incidence du paiment d’un dividende sur le prix d’une action et d’une option . . . . . . . 66
A.10Examen2006-2007........................................ 67
A.11Examen2007-2008........................................ 67
A.12Examen2008-2009........................................ 69Chapitre 1
Prix et couverture d’une option
d’achat
Dans cette premi`ere le¸con, on explique comment on peut calculer le prix d’un contrat d’option en
´evaluant celui d’un portefeuille de couverture de cette option. On se place dans un cas tr`es simple, celui
d’une option d’achatsur un actiffinancierdont ona mod´elis´eladynamique aumoyend’un arbrebinaire.
Le taux d’int´erˆet mon´etaire est suppos´e constant pendant la dur´ee du contrat.
D´efinition : Une option d’achat (europ´eenne), encore appel´ee call, est un titre donnant droit `a son
d´etenteur d’acheter un actif financier `a une date future et `a un prix fix´e. Il s’agit d’un droit et non
d’une obligation. Le prix fix´e s’appelle le prix d’exercice de l’option et la date de fin du contrat la date
d’´ech´eance ou date d’exercice. L’actif financier sur lequel porte le contrat s’appelle l’actif sous-jacent.
Le propre d’un contrat d’option, tient a` ce qu’`a la date de souscription, la valeur a` l’´ech´eance de
l’actif sous-jacent n’est pas connue mais le paiment que pourra exiger le d´etenteur de l’option, s’il exerce
l’option, d´epend de cette valeur `a l’´echeance. C’est pourquoi on appelle aussi les options des contrats
contingents.On peut comprendre,dansun premiertemps, un tel contrat commeun contratd’assurance:
le vendeur de l’option est l’assureur, l’acheteur l’assur´e, ce dernier cherchant `a se couvrir contre une
envol´ee de la valeur du sous-jacent. Il s’agit alors d’un contrat de transfert de risque moyennant un prix.
Mais nous verrons plus loin qu’il y a une diff´erence essentielle entre un contrat d’assurance classique
(assurance habitation ou automobile) et un contrat d’option.
L’exemple le plus naturel d’actif financier est sans doute celui d’une action cot´ee en bourse, comme
l’action Micsft ou Netscp sur le NASDAQ ou AmOnLne sur le NYSE. Mais cela peut aussi ˆetre le cours
d’une mati`ere premi`ere comme le prix d’une tonne de zing ou celui d’un produit agricole tel le prix
de 50.000 livres de boeuf. Les premiers contrats d’option ´etaient des contrats sur cours agricoles d´ej`a
courants au si`ecle dernier. Les contrats d’option sur actions se sont vraiment d´evelopp´es lorsqu’ils ont
pu faire l’objet d’une n´egociation en bourse, c’est-`a-dire a` partir des ann´ees 70 sur le CBOT, `a Chicago,
puis progressivement dans la plupart des autres places financi`eres.
1.1 Evaluation du prix dans un mod`ele `a une ´etape
Pour´evaluerleprixd’uneoptiond’achat`al’instantinitial,c’est-`a-direlasommea`verserparl’acheteur
au vendeur, pla¸cons nous tout d’abord dans un cas tr`es simple. Notonst=0 l’instant de souscription de
l’option, t =T son ´ech´eance et K son prix d’exercice. Supposons que l’actif sous-jacent ait la valeur S0
a` l’instant initial et qu’il ne puisse prendre que deux valeurs S = S u ou S = S d a` l’´ech´eance, avecT 0 T 0
0<d<1<u. On verra qu’il est naturel de supposer en outre que Sd<K<Su. Soit C la valeur, `a0 0 0
d´eterminer,du call a` l’instantt=0; c’est le prix du contrat, ou la prime. A l’instant initial le vendeur ne
sait pas si S prendra la valeur S u ou S d, mais il peut ´evaluer ce qu’il devra `a l’acheteur dans chacunT 0 0
des deux cas: siS =S d, l’acheteurn’exercerapas(puisqu’il peut alorsacheter l’actif sous-jacentsur leT 0
march´ea` un prix inf´erieura`K) et donc la valeur de l’option est nulle; par contre siS =S u, l’acheteurT 0
r´eclameraau vendeur la diff´erence entre le prix de march´eet le prix convenuK, soitS u−K, somme lui0
permettant d’effectuer son achat a` ce prix. Comment le vendeur peut-il, avec la prime qu’il a re¸cue, faire
face a` ses engagements? L’id´ee est d’utiliser la prime pour constituer un portefeuille, appel´e portefeuille
de couverture Π, compos´e de a actifs S et de b unit´es mon´etaires, et de choisir sa composition a et b0
de telle fa¸con que sa valeur `a l’´ech´eance soit pr´ecis´ement celle de l’option, c’est-`a-dire 0 si S = S d etT 0
56 CHAPITRE 1. PRIX ET COUVERTURE D’UNE OPTION D’ACHAT

100180



120 50

Q Q
Q Q
60 0

Fig. 1.1 – Un exemple de mod`ele a` une ´etape
S u−K si S = S u. . Si l’on d´esigne par r le taux d’int´erˆet mon´etaire, la composition du portefeuille0 T 0
(a,b) devra donc v´erifier les deux ´equations suivantes :

rTaS u+be = S u−K0 0
(1.1)rTaS d+be =00
Onr´esoutfacilementcesyst`eme(syst`emelin´eairededeux´equations`adeuxinconnuesaetb)et ond´eduit
des valeurs de a et b obtenues la valeur du portefeuille `a l’instant initial Π = aS +b . On peut alors0 0
donner a` C la valeur C =Π.0 0 0
Exemple : Par exemple, si S = 120, u=1,5, u=0,5, r = 0, et K = 80, la r´esolution du syst`eme0
5(1.1) donnea= , b=−50 et donc Π =50. Cela signifie que, ayant touch´e la prime fix´ee `a C =50, le0 06
5vendeur emprunte 50 (car b =−50) et ach`ete a = de S (au prix 100); a` l’´ech´eance, son portefeuille06
5vaudrasoit150= 180,siS =S u,etilpaieraalors100=180−80aud´etenteurducalletrembourseraT 06
5les 50 emprunt´es (sans interˆets puisqu’on a suppos´er =0), soit il vaudra 50= 60, si S =S d, ce qui,T 06
compte tenu du fait que le d´etenteur du call ne viendra pas l’exercer, lui permet de rembourser les 50
emprunt´es.
Remarque : Notons que pour que le probl`eme admette une solution, il suffit que le syst`eme (1.1)
admette unesolution,cequiest assur´ed`esqueu=d, cequi estpr´ecis´ementl’originedu sens ducontrat:
si l’actif sous-jacent n’avait qu’un seul prix `a t=T, il n’y aurait pas besoin de souscrire d’option!
Remarque : Le raisonnement pr´ec´edent se g´en´eralise facilement a` d’autres contrats d’option; par
exemple pour un contrat d’option qui donne le droit de vendre au prix K (au lieu du droit d’acheter),
appel´e un put, sa valeur a` l’´ech´eance sera K−S d si S = S d et 0 si S = S u. Plus g´en´eralement,0 T 0 T 0
si l’on d´esigne par C = ϕ(S ) le prix du contrat d’option a` l’instant T, la r´esolution du syst`eme (1.1)T T
dans ce cas montre que la composition du portefeuille en actif sous-jacent sera donn´ee par
ϕ(S u)−ϕ(S d)0 0
a= (1.2)
S u−S d0 0
Les praticiens d´esignent ce quotient sous le nom de delta de couverture (ou simplement delta). Il d´esigne
la quantit´e d’actifs sous-jacent qu’il faut avoir dans son portefeuille si l’on veut couvrir l’option.
1.2 Mod`ele `a deux ´etapes : couverture dynamique.
La seule id´ee du portefeuille de couverture (a,b) constitu´e a` l’instant initial ne suffit plus si l’option
peut prendre trois valeurs a` l’´ech´eance (parce que l’actif sous-jacent en prendrait trois). Par contre, si
l’on ajoute la possibilit´e de modifier, a` une date interm´ediaire (entre t=0ett =T) la composition du
portefeuille constitu´e a` la date initiale, en tenant compte de la valeur S du sous-jacent `a cette date, ont
peut trouver une solution `a ce probl`eme : c’est l’id´ee de la couverture dynamique.
Consid´erons un mod`ele a` deux ´etapes de l’actif sous-jacent : t∈{0,δt,2δt = T} et (S ) prenant lat
valeur S `a l’instant initial, l’une des deux valeurs S = S d ou S = S u a` l’instant interm´ediaire0 δt 0 δt 0
2 2t =δt et l’une des trois valeurs S = S d , S = S ud ou S = S u a` l’´ech´eance. Pour d´eterminer laT 0 T 0 T 0
6` ` ´1.2. MODELE A DEUX ETAPES : COUVERTURE DYNAMIQUE. 7

22S u ϕ(S u )00


S u0 ?

Q Q Q Q
S S ud ϕ(S ud)? 00 0


Q Q Q Q
S d ?0

Q QQ Q
22 ϕ(S d )S d 00

Fig. 1.2 – Quelles valeurs donner a` l’option aux instants t=δt et t=0?
valeur d’un portefeuille de couverture d’une option C =ϕ(S ), raisonnons en partant de sa valeur ΠT T T
`a l’´ech´eance, qui est connue puisque, pour couvrir l’option il devra valoir Π = ϕ(S ), somme due enT T
t =T par le vendeur a` l’acheteur de l’option. Il y a trois possibilit´es pour cette valeur, selon les valeurs
prises par S . En utilisant la mˆeme m´ethode que dans le cas d’un mod`ele a` une ´etape, on peut calculerT
lesdeuxvaleursΠ =a S +b quedevraprendreleportefeuille`al’instantt=δt,selonqueS =S dδt δt δt δt δt 0
ou S =S u. Pour cela, il suffit de r´esoudre les deux syst`emesδt 0

2 rδt 2aS u +be = ϕ(S u )0 0
(1.3)rδtaS ud+be = ϕ(S ud)0 0

rδtaS ud+be = ϕ(S ud)0 0 (1.4)2 rδt 2aS d +be = ϕ(S d )0 0
u dD´esignons par Π et Π les deux valeurs de Π = a S +b obtenues en rempla¸cant d’une partδt δt δt δtδt δt
(a ,b ) par la solution du syst`eme (1.3) et S par S u et d’autre part (a ,b ) par la solution duδt δt δt 0 δt δt
syst`eme (1.4) et S par S d. Pour obtenir la valeur cherch´ee du portefeuille `a l’instant initial, qui seraδt 0
comme pr´ec´edemment la valeur initiale de l’option (ou prime), il reste alors simplement `a r´esoudre le
syst`eme

rδt uaS u+be =Π0 δt (1.5)rδt daS d+be0 δt
Exemple : Soit un titre valant S = 80 et changeant deux fois de prix avant l’´ech´eance en T =2δt.0
1 1Observons que dans l’exemple pr´ec´edent nous avions, a` t = δt, S = S (1 + )ouS = S (1− ).δt 0 δt 02 2
Supposons qu’ici S suive un processus analogue :
1 1S =S (1± ),S =S (1± ).δt 0 2δt δt2 2
Cela donne pour cet actif la dynamique indiqu´ee figure 1.2 :
S =80 devient S =120 ouS =40 (1.6)0 δt δt
S =120 devient S =180 ouS =60 (1.7)0 2δt 2δt
S =40 devient S =60 ou S =20 (1.8)0 2δt 2δt
Soit une option call de date d’exerciceT=2δtet prix d’exerciceK =80 (lorsqueK =S , on dit que0
c’est une option “`a la monnaie”). On suppose, pour simplifier, que le taux d’int´eret mon´etaire r est ici
´egal `a 0.
Observonsque siS =120 nous retrouvons l’exemple pr´ec´edentet comprenons que le portefeuille deδt
couverture, dans ce cas (c’est-`a-dire si S =120), doit valoirδt
uΠ =50.δt
Qu’en est-il si S = 40? Inutile de faire des calculs : les deux seules possibilit´e a` venir pour S sontδt 2δt
60 ou 20. Comme ces deux valeurs sont inf´erieures au prix d’exerciceK =80, on aura dans les deux cas
ϕ(S ) =0, et donc a =b =Π =0 puisqu’il n’y a plus rien `a couvrir dans ce cas.2δt δt δt δt

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