Finite Difference Schemes for Option Pricing under Stochastic Volatility and Lévy Processes: Numerical Analysis and Computing

Abstract

[EN] In the stock markets, the process of estimating a fair price for a stock, option or commodity is consider the corner stone for this trade. There are several attempts to obtain a suitable mathematical model in order to enhance the estimation process for evaluating the options for short or long periods. The Black-Scholes partial differential equation (PDE) and its analytical solution, 1973, are considered a breakthrough in the mathematical modeling for the stock markets. Because of the ideal assumptions of Black-Scholes several alternatives have been developed to adequate the models to the real markets. Two strategies have been done to capture these behaviors; the first modification is to add jumps into the asset following Lévy processes, leading to a partial integro-differential equation (PIDE); the second is to allow the volatility to evolve stochastically leading to a PDE with two spatial variables.

Here in this work, we solve numerically PIDEs for a wide class of Lévy processes using finite difference schemes for European options and also, the associated linear complementarity problem (LCP) for American option. Moreover, the models for options under stochastic volatility incorporated with jump-diffusion are considered. Numerical analysis for the proposed schemes is studied since it is the efficient and practical way to guarantee the convergence and accuracy of numerical solutions. In fact, without numerical analysis, careless computations may waste good mathematical models.

This thesis consists of four chapters; the first chapter is an introduction containing historically review for stochastic processes, Black-Scholes equation and preliminaries on numerical analysis. Chapter two is devoted to solve the PIDE for European option under CGMY process. The PIDE for this model is solved numerically using two distinct discretization approximations; the first approximation guarantees unconditionally consistency while the second approximation provides unconditional positivity and stability. In the first approximation, the differential part is approximated using the explicit scheme and the integral part is approximated using the trapezoidal rule. In the second approximation, the differential part is approximated using the Patankar-scheme and the integral part is approximated using the four-point open type formula.

Chapter three provides a unified treatment for European and American options under a wide class of Lévy processes as CGMY, Meixner and Generalized Hyperbolic. First, the reaction and convection terms of the differential part of the PIDE are removed using appropriate mathematical transformation. The differential part for European case is explicitly discretized , while the integral part is approximated using Laguerre-Gauss quadrature formula. Numerical properties such as positivity, stability and consistency for this scheme are studied. For the American case, the differential part of the LCP is discretized using a three-time level approximation with the same integration technique. Next, the Projected successive over relaxation and multigrid techniques have been implemented to obtain the numerical solution. Several numerical examples are given including discussion of the errors and computational cost.

Finally in Chapter four, the PIDE for European option under Bates model is considered. Bates model combines both stochastic volatility and jump diffusion approaches resulting in a PIDE with a mixed derivative term. Since the presence of cross derivative terms involves the existence of negative coefficient terms in the numerical scheme deteriorating the quality of the numerical solution, the mixed derivative is eliminated using suitable mathematical transformation. The new PIDE is solved numerically and the numerical analysis is provided. Moreover, the LCP for American option under Bates model is studied.

[ES] El proceso de estimación del precio de una acción, opción u otro derivado en los mercados de valores es objeto clave de estudio de las matemáticas financieras. Se pueden encontrar diversas técnicas para obtener un modelo matemático adecuado con el fin de mejorar el proceso de valoración de las opciones para periodos cortos o largos. Históricamente, la ecuación de Black-Scholes (1973) fue un gran avance en la elaboración de modelos matemáticos para los mercados de valores. Es un modelo práctico para estimar el valor razonable de una opción. Sobre unos supuestos determinados, F. Black y M. Scholes obtuvieron una ecuación diferencial parcial lineal y su solución analítica. Desde entonces se han desarrollado modelos más complejos para adecuarse a la realidad de los mercados. Un tipo son los modelos con volatilidad estocástica que vienen descritos por una ecuación en derivadas parciales con dos variables espaciales. Otro enfoque consiste en añadir saltos en el precio del subyacente por medio de modelos de Lévy lo que lleva a resolver una ecuación integro-diferencial parcial (EIDP).

En esta memoria se aborda la resolución numérica de una amplia clase de modelos con procesos de Lévy. Se desarrollan esquemas en diferencias finitas para opciones europeas y también para opciones americanas con su problema de complementariedad lineal (PCL) asociado. Además se tratan modelos con volatilidad estocástica incorporando difusión con saltos. Se plantea el análisis numérico ya que es el camino eficiente y práctico para garantizar la convergencia y precisión de las soluciones numéricas. De hecho, la ausencia de análisis numérico debilita un buen modelo matemático.

Esta memoria está organizada en cuatro capítulos. El primero es una introducción con un breve repaso de los procesos estocásticos, el modelo de Black-Scholes así como nociones preliminares de análisis numérico. En el segundo capítulo se trata la EIDP para las opciones europeas según el modelo CGMY. Se proponen dos esquemas en diferencias finitas; el primero garantiza consistencia incondicional de la solución mientras que el segundo proporciona estabilidad y positividad incondicionales. Con el primer enfoque, la parte diferencial se discretiza por medio de un esquema explícito y para la parte integral se usa la regla del trapecio. En la segunda aproximación, para la parte diferencial se usa un esquema tipo Patankar y la parte integral se aproxima por medio de la fórmula de tipo abierto con cuatro puntos.

En el capítulo tercero se propone un tratamiento unificado para una amplia clase de modelos de opciones en procesos de Lévy como CGMY, Meixner e hiperbólico generalizado. Se eliminan los términos de reacción y convección por medio de un apropiado cambio de variables. Después la parte diferencial se aproxima por un esquema explícito mientras que para la parte integral se usa la fórmula de cuadratura de Laguerre-Gauss. Se analizan positividad, estabilidad y consistencia. Para las opciones americanas, la parte diferencial del LCP se discretiza con tres niveles temporales mediante cuadratura de Laguerre-Gauss para la integración numérica. Finalmente se implementan métodos iterativos de proyección y relajación sucesiva y la técnica de multimalla. Se muestran varios ejemplos incluyendo estudio de errores y coste computacional.

El capítulo 4 está dedicado al modelo de Bates que combina los enfoques de volatilidad estocástica y de difusión con saltos derivando en una EIDP con un término con derivadas cruzadas. Ya que la discretización de una derivada cruzada comporta la existencia de coeficientes negativos en el esquema que deterioran la calidad de la solución numérica, se propone un cambio de variables que elimina dicha derivada cruzada. La EIDP transformada se resuelve numéricamente y se muestra el análisis numérico. Por otra parte se estudia el LCP para opciones americanas con el modelo de Bates.

[CA] El procés d'estimació del preu d'una acció, opció o un altre derivat en els mercats de valors és objecte clau d'estudi de les matemàtiques financeres . Es poden trobar diverses tècniques per a obtindre un model matemàtic adequat a fi de millorar el procés de valoració de les opcions per a períodes curts o llargs. Històricament, l'equació Black-Scholes (1973) va ser un gran avanç en l'elaboració de models matemàtics per als mercats de valors. És un model matemàtic pràctic per a estimar un valor raonable per a una opció. Sobre uns suposats F. Black i M. Scholes van obtindre una equació diferencial parcial lineal amb solució analítica. Des de llavors s'han desenrotllat models més complexos per a adequar-se a la realitat dels mercats. Un tipus és els models amb volatilitat estocástica que ve descrits per una equació en derivades parcials amb dos variables espacials. Un altre enfocament consistix a afegir bots en el preu del subjacent per mitjà de models de Lévy el que porta a resoldre una equació integre-diferencial parcial (EIDP) . En esta memòria s'aborda la resolució numèrica d'una àmplia classe de models baix processos de Lévy. Es desenrotllen esquemes en diferències finites per a opcions europees i també per a opcions americanes amb el seu problema de complementarietat lineal (PCL) associat. A més es tracten models amb volatilitat estocástica incorporant difusió amb bots. Es planteja l'anàlisi numèrica ja que és el camí eficient i pràctic per a garantir la convergència i precisió de les solucions numèriques. De fet, l'absència d'anàlisi numèrica debilita un bon model matemàtic. Esta memòria està organitzada en quatre capítols. El primer és una introducció amb un breu repàs dels processos estocásticos, el model de Black-Scholes així com nocions preliminars d'anàlisi numèrica. En el segon capítol es tracta l'EIDP per a les opcions europees segons el model CGMY. Es proposen dos esquemes en diferències finites; el primer garantix consistència incondicional de la solució mentres que el segon proporciona estabilitat i positivitat incondicionals. Amb el primer enfocament, la part diferencial es discretiza per mitjà d'un esquema explícit i per a la part integral s'empra la regla del trapezi. En la segona aproximació, per a la part diferencial s'usa l'esquema tipus Patankar i la part integral s'aproxima per mitjà de la fórmula de tipus obert amb quatre punts. En el capítol tercer es proposa un tractament unificat per a una àmplia classe de models d'opcions en processos de Lévy com ara CGMY, Meixner i hiperbòlic generalitzat. S'eliminen els termes de reacció i convecció per mitjà d'un apropiat canvi de variables. Després la part diferencial s'aproxima per un esquema explícit mentres que per a la part integral s'usa la fórmula de quadratura de Laguerre-Gauss. S'analitzen positivitat, estabilitat i consistència. Per a les opcions americanes, la part diferencial del LCP es discretiza amb tres nivells temporals amb quadratura de Laguerre-Gauss per a la integració numèrica. Finalment s'implementen mètodes iteratius de projecció i relaxació successiva i la tècnica de multimalla. Es mostren diversos exemples incloent estudi d'errors i cost computacional. El capítol 4 està dedicat al model de Bates que combina els enfocaments de volatilitat estocástica i de difusió amb bots derivant en una EIDP amb un terme amb derivades croades. Ja que la discretización d'una derivada croada comporta l'existència de coeficients negatius en l'esquema que deterioren la qualitat de la solució numèrica, es proposa un canvi de variables que elimina dita derivada croada. La EIDP transformada es resol numèricament i es mostra l'anàlisi numèrica. D'altra banda s'estudia el LCP per a opcions americanes en el model de Bates.