Les équations différentielles stochastiques: une introduction Plan de

Les ´equations diff´erentielles stochastiques:
une introduction
Les m´ethodes stochastiques dans les sciences de la gestion
6-640-93
Genevi`eve Gauthier
Derni`ere mise `a jour : 19 mars 2002
Plan de la pr´esentation
Les ´equations diff´erentielles ordinaires
Une introduction aux ´equations diff´erentielles stochastiques
Les ´equations diff´erentielles ordinaires
Lorsquenousmod´elisons certaines situations, nous ne savons pas a priori
quelle fonction nous devons utiliser, car nous n’avons qu’une connaissance
locale du comportement de notre syst`eme. Par exemple, supposons que
f(t)repr´esente le prix d’une denr´ee `a l’instant t.Nous´ecrivons
f(t+∆t)f(t)=µtf(t)o`uµ0
pour signifier que la variation f(t+∆t)f(t)duprixdeladenr´ee au
cours d’une p´eriode de temps est proportionnelle `a la longueur ∆tde la
eriode de temps consid´er´eeainsiquauprixf(t)deladenr´ee au d´ebut
de la p´eriode, c’est-`a-dire µtf(t)´etant une constante. En divisant
de part et d’autre de l’´egalit´epar∆t,nousobtenons
f(t+∆t)f(t)
t=µf(t).
Prenons maintenant la limite lorsque ∆ttend vers z´ero :
d
dtf(t) = lim
t0
f(t+∆t)f(t)
t=lim
t0µf(t)=µf(t).
Les ´equations diff´erentielles ordinaires (suite)
Rappelons que nous consid´erons l’´equation
d
dtf(t)=µf(t).
La notation souvent employ´ee pour les ´equations diff´erentielles permet de
ecrire l’´equation pec´edente :
df(t)=µf(t)dt. (1)
Notons que, techniquement parlant, l’objet df(t) n’est pas bien d´efini.
Cette derni`ere ´equation n’est qu’une notation pour exprimer ”la d´eriv´ee
de la fonction est proportionnelle `alafonctionelle-mˆeme”, c’est-`a-dire
d
dtf(t)=µf(t).L’inconnue, dans cette ´equation, est la fonction f.
Nous cherchons les fonctions qui satisfont cette ´egalit´e.
1
Les ´equations diff´erentielles ordinaires (suite)
Rappelons que nous ´etudions l’´equation
df(t)=µf(t)dt. (1)
Il est possible de montrer que la fonction d´efinie pour tout tRpar
f(t)=ceµt,o`ucest une constante quelconque, (2)
satisfait l´equation (1). En effet, dans ce cas,
d
dtf(t)= d
dtceµt =µceµt =µf (t).
Nous d´eterminons la constante c`a l’aide de la condition initiale. Nous
connaissons le prix f0de la denr´ee aujourd’hui. Par cons´equent,
f0=f(0) = ceµ×0=c,
ce qui entraˆıne que le prix de la denr´ee au temps test
f(t)=f0eµt.
Dans cet exemple, la connaissance du comportement infinit´esimal du prix
de la denr´ee (df(t)=µf(t)dt) et du prix initial f0suffit `ad´eterminer
de fa¸con exacte le prix `a tout instant.
Les ´equations diff´erentielles ordinaires (suite)
Rappelons que nous ´etudions l’´equation
df(t)=µf(t)dt. (1)
L’´equation (1) est un exemple d’une ´equation diff´erentielle ordinaire et
cederniersecomportedefa¸con tout `a fait charmante puisqu’il existe au
moins une fonction fqui satisfait l’´equation (1) et, de plus, il est possible
de montrer que cette fonction est n´ecessairement de la forme d´ecrite en
(2) :
f(t)=f0eµt.
Les ´equations diff´erentielles ordinaires (suite)
Il existe des ´equations diff´erentielles ordinaires beaucoup moins sympa-
tiques. Par exemple,
df(t)=f(t)
t2dt. (3)
La solution de cette ´equation a la forme
f(t)=ce1
to`ucest une constante.
Il faut maintenant sp´ecifier c`a l’aide de la condition initiale. Or f(0) = 0
quel que soit c, ce qui implique que (3) poss`ede une infinit´e de solutions
lorsque f(0) = 0 et n’en poss`ede aucune lorsque f(0) =0.
2
Introduction aux ´equations
diff´erentielles stochastiques
Supposons maintenant que le processus stochastique S={St:t0}
repr´esente l’´evolution du prix d’un actif risqu´e. Nous ne connaissons pas,
en g´en´eral, la loi qui gouverne un tel processus, mais nous avons peut-ˆetre
une id´ee de son comportement local. Par exemple, sur un court intervalle
detempsdelongueur∆t, il est possible que ce prix ait tendance `a varier
proportionnellement `alalongueurdelap´eriode et au prix de l’actif au
ebut de la p´eriode. Nous ´ecrivons, pour d´ebuter,
St+∆tSt=µS
tt.
Si, en g´en´eral, les prix augmentent, alors µest une constante positive et
si les prix tendent `a diminuer, alors µest n´egative.
Introduction aux ´equations diff´erentielles stochastiques (suite)
Rappel
St+∆tSt=µS
tt
Il y a cependant un probl`eme avec cette derni`ere ´equation : nous ne
sommes pas certain que le prix varie proportionnellement `a la longueur de
la p´eriode et au prix de l’actif, nous pr´etendons seulement qu’il a tendance
`a le faire. Il faut donc incorporer `anotre´equation une erreur non pevisible.
Nous pouvons toutefois contrˆoler l’ampleur de cette erreur al´eatoire. Par
exemple, nous pouvons supposer qu’elle d´epend du prix de l’actif en d´ebut
de p´eriode. En effet, nous constatons que plus le prix est ´elev´e, plus le prix
de l’actif risqu´epeuts´ecarter de la tendance. De plus, l’erreur al´eatoire
doit aussi d´ependre de la longueur de l’intervalle de temps consid´er´e : plus
l’intervalle est grand, plus le prix risque de s’´ecarter de la tendance. C’est
pourquoi nous ajoutons un terme stochastique `anotrequation de d´epart.
Introduction aux ´equations diff´erentielles stochastiques (suite)
Le terme stochastique `a ajouter `anotrequation initiale nous m`ene `a
l’´equation
St+∆tSt=µS
tt+σS
t(∆t)1/2ξt(4)
o`uσest une constante positive et ξtest une variable al´eatoiredeloi
N(0,1) ind´ependante de {Su:0ut}. Cette derni`ere condition est
importante, car nous ne devons pas ˆetre capable de pr´edire l’erreur ξten
observantlecomportementduprixdelactifrisqu´e ant´erieurement `ala
date t.
Cette ´equation est al´eatoire et doit ˆetre satisfaite par ”presque” tous les
ω,cest-`a-dire que
Pr ωΩ:St+∆t(ω)St(ω)=µS
t(ω)∆t+σS
t(ω)(t)1
2ξt(ω)
vaut un.
Introduction aux ´equations diff´erentielles stochastiques (suite)
Concernant l’amplitude de l’erreur al´eatoire, remarquons que (∆t)1/2ξt
estdeloiN(0,t).De plus,
EσS
t(∆t)1
2ξt|σ{Su:u∈{0,t, 2∆t..., t}}=σSt(∆t)1
2E[ξt]
=0,
EσS
t(∆t)1
2ξt2|σ{Su:u∈{0,t, ..., t}}=σ2S2
ttE ξ2
t
=σ2S2
tt,
ce qui implique que l’´ecart-type conditionnel de notre terme d’erreur est
σSt(∆t)1/2. Ainsi, plus la longueur de l’intervalle de temps test grande
ou plus le prix Stdu titre est ´elev´e, plus l’´ecart-type de l’erreur al´eatoire
est grand. Cela implique que les valeurs pouvant ˆetre prises par l’erreur
al´eatoire sont plus dispers´ees autour de son esp´erance (qui est de z´ero).
3
Introduction aux ´equations diff´erentielles stochastiques (suite)
Rappel
St+∆tSt=µS
tt+σS
t(∆t)1/2ξt.(4)
ecrivons l’´equation (4) pour la p´eriode suivante :
St+2∆tSt+∆t=µS
t+∆tt+σS
t+∆t(∆t)1/2ξt+∆t.
Si nous ne voulons pas ˆetre en mesure de pr´edire l’erreur ξt+∆t,ilfautque
cette derni`ere soit ind´ependante de {Su:u∈{0,t, ..., t +∆t}}.Pour
cette raison, nous introduisons le mouvement brownien puisqu’il est un
processus gaussien dont les incr´ements sont mutuellement ind´ependants :
St+∆tSt=µS
tt+σS
tWt+∆tWt.(5)
Notons que la loi de Wt+∆tWtest la mˆeme que la loi de (∆t)1/2ξt:
elles sont toutes deux de loi N(0,t).
Introduction aux ´equations diff´erentielles stochastiques (suite)
Soit W={Wt:t0}un mouvement brownien construit sur un espace
probabilis´efiltr´e(,F,F,P) tel que la filtration Fest celle engendr´ee par
le mouvement brownien, augment´ee de tous les ´ev´enements de probabilit´e
nulle, c’est-`a-dire que pour tout t0,
Ft=σ(Net Ws:0st).
Introduction aux ´equations diff´erentielles stochastiques (suite)
Le prix de l’actif risqu´e aujourd’hui (t= 0) est connu avec certitude. S0
est donc (,Ω) mesurable donc F0mesurable. Reprenons l’´equation (5)
en prenant t=0.
St
=S0

F0mesurable
+µS
0t

F0mesurable
+σS
0

F0mesurable
(WtW0)

Ftmesurable
ind´ependant de F0

Ftmesurable
Nous constatons que Stest Ftmesurable. Nous pouvons montrer par
induction que Sntest Fntmesurable, quel que soit l’entier positif n.
Introduction aux ´equations diff´erentielles stochastiques (suite)
En effet, supposons qu’il existe k∈{0,1,2,...}tel que Sktest Fktmesurabl
e
Alors
S(k+1) ∆t
=Skt

Fktmesurable
+µS
ktt
  
Fktmesurable
+σS
kt

Fktmesurable W(k+1) ∆tWkt
 
F(k+1) ∆tmesurable
ind´ependant de Fkt
  
F(k+1) ∆tmesurable
ce qui implique que S(k+1) ∆test F(k+1) ∆tmesurable. Notre processus
Shabite sur le mˆeme espace probabilis´efiltr´e que le mouvement brownien
Wque nous avons utilis´e pour le construire.
4
Introduction aux ´equations diff´erentielles stochastiques (suite)
Reprenons l’´equation (5)
St+∆tSt=µS
tt+σS
tWt+∆tWt.
Lorsque les intervalles de temps de longueur ∆tdeviennent de longueur
infinit´esimale, nous obtenons une ´equation du type
dSt=µS
tdt +σS
tdWt.
Cette derni`ere ´equation est un exemple d’´equation diff´erentielle stochas-
tique et elle devrait soulever quelques interrogations : (i) le terme σS
t
dWtn’est pas bien d´efini, particuli`erement si nous nous rappelons que les
trajectoires du mouvement brownien sont nulle part diff´erentiables ! (ii)
existe-t-il une solution `a cette ´equation ? et (iii) si cette solution existe,
est-elle unique et comment faisons-nous pour la trouver ?
Notons que la solution `a une ´equation diff´erentielle stochastique n’est pas,
commedanslecasdes´equations di´erentielles ordinaires, une fonction
mais est un processus stochastique.
Introduction aux ´equations diff´erentielles stochastiques (suite)
Pour r´epondre `a ces questions nous consid´erons une ´equation diff´erentielle
stochastique sous une forme plus g´en´erale
dX (t)= b(X(t),t)
  
coefficient de d´erive
dt +a(X(t),t)

coefficient de diffusion
dW (t).(6)
o`u les fonctions a:R×[0,)Ret b:R×[0,)Rsont des
fonctions mesurables.
(i) Que signifions-nous par a(X(t),t)dW (t) ? Nous n’avons pas
efini ce terme. Dans les faits, l’´equation (6) est la forme diff´erentielle de
l’´equation int´egrale :
X(t)=X(0) + t
0b(X(u),u)du +t
0a(X(u),u)dW (u)
et nous connaissons maintenant la signification du terme
t
0a(X(u),u)dW (u).
Introduction aux ´equations diff´erentielles stochastiques (suite)
Il n’existe pas toujours de solution `a cette ´equation et nous verrons quelques
esultats nous donnant des conditions sur les fonctions bet aqui feront en
sorte qu’une solution existe. Pour epondre aux questions (ii) et (iii), nous
avons besoin de quelques outils suppl´ementaires.
ef´erences
Martin Baxter et Andrew Rennie (1996). Financial Calculus, an indroduc-
tion to derivative pricing, Cambridge university press.
Damien Lamberton et Bernard Lapeyre (1991). Introduction au calcul
stochastique appliqu´e`alafinance, Ellipses.
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