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Le Calcul de Malliavin Appliqué à la Finance PDF

77 Pages·2002·1.15 MB·French
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Le Calcul de Malliavin AppliquØ (cid:224) la Finance FrØdØric Cosmao, FrØdØric Dupuy et Antoine Guillon Groupe de Travail DirigØ par Jean-FrØdØric Jouanin, Ashkan Nikeghbali et Thierry Roncalli 4 Juin 2002 Introduction Ce mØmoire introduit une thØorie de calcul variationnel stochastique aussi appelØe Calcul de Malliavin.LarecherchedanscedomaineesttrŁsvivantedepuisunedizained’annØesetlesapplica- tions de cette thØorie (cid:224) la (cid:28)nance sont nombreuses. Cette thØorie comporte une grande dominante de calcul stochastique au formalisme parfois complexe. Pour la rendre accessible aux non-initiØs, nous avons tentØ de l’exposer de maniŁre didactique et intuitive en privilØgiant les exemples. Nous nous intØressons ici essentiellement (cid:224) deux champs d’applications. Dans un premier temps nous prØsentons une nouvelle technique pour le calcul des sensibilitØs du prix d’une option (cid:224) di(cid:27)Ørents paramŁtres, aussi appelØes grecques, dans un cadre assez gØnØral d’options (cid:224) payo(cid:27) discontinus, path-dependent, sur multi sous-jacents. Le rØsultat fondamental de l’approche par le calcul de Malliavin (FourniØ et al. [FLLLT99a], Benhamou [BEN00a]) est que celui-ci permet, par des mØthodes de Monte Carlo, d’estimer les grecques non plus par Di(cid:27)Ørences Finies comme c’est habituellement le cas, mais par une seule espØrance, celle du produit du payo(cid:27) par un poids indØpendant du payo(cid:27) (grecque = E[payo(cid:27).poids]). Nous essayons Øgalement de comparer les deux approches, Di(cid:27)Ørences Finies et Malliavin, pour dØterminer les pro(cid:28)ls de payo(cid:27) pour lesquels le calcul de Malliavin s’avŁre le plus pertinent. Dans un deuxiŁme temps nous proposons, (cid:224) l’aide du calcul de Malliavin (FourniØ et al. [FLLL01b],LionsetRegnier[LR01]),unenouvellereprØsentationdesespØrancesconditionnelles ainsi que ses applications au pricing et au hedging d’options amØricaines. Nous tenons (cid:224) remercier : (cid:21) nos directeurs de GT (Jean-FrØdØric Jouanin, Ashkan Nikeghbali et Thierry Roncalli) pour leur soutien technique et moral, leur disponibilitØ, (cid:21) toute l’Øquipe du GRO, (cid:21) Emmanuel Gobet et Bruno-Denize Bouchard pour leurs Øclaircissements, (cid:21) les animateurs et intervenants du colloque Application du Calcul de Malliavin en Finance, les 13 et 14 dØcembre 2001 (cid:224) l’INRIA. 1 2 Table des matiŁres Introduction 1 1 Introduction au calcul de Malliavin 5 1.1 DØ(cid:28)nition des opØrateurs de Malliavin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.1 DØ(cid:28)nition sur des espaces simples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.2 Extension des opØrateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 PropriØtØs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1 Formule d’intØgration par parties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.2 Formules de calcul et de commutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 Un exemple fondamental : le processus des variations premiŁres . . . . . . . . . . . 10 1.4 Extension au cas multi-dimensionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2 Calcul des sensibilitØs et applications aux options exotiques 13 2.1 Calcul de Malliavin et calcul des sensibilitØs : mØthodologie . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.1 Les sensibilitØs : cadre de travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.2 Evaluation par le calcul de Malliavin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.3 Extension des rØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2 Comparaison des mØthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.1 La mØthode des di(cid:27)Ørences (cid:28)nies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.2 La mØthode du poids de Malliavin et introduction d’une fonction de contr(cid:244)le 20 2.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.1 Le cas de l’option europØenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.2 Le cas de l’option binaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3 Extension au cas des options multi sous-jacents 27 3.1 Calculs thØoriques des coe(cid:30)cients de sensibilitØs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1.1 RØsultats gØnØraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1.2 Application au calcul des grecques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.1 Un exemple avec l’option sur Spread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.2 Un exemple avec l’option WorstOf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4 Valorisation et sensibilitØs d’une option amØricaine 35 4.1 L’Øchec de Monte Carlo pour les options amØricaines . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.1.1 Formulation du problŁme en terme d’espØrances conditionnelles . . . . . . . 36 4.1.2 Un algorithme ine(cid:30)cace numØriquement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.2 Nouvelle reprØsentation d’espØrance conditionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2.1 Un exemple de processus u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2.2 Le concept de fonction localisante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3 Applications aux options amØricaines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3.1 L’algorithme de valorisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3.2 RØsultats numØriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Conclusion 43 3 4 TABLE DES MATI¨RES A ComplØments sur le Calcul de Malliavin i A.1 Lien entre Malliavin et calcul de sensibilitØ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i A.1.1 L’opØrateur d’Ornstein-Uhlenbeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i A.1.2 Formule d’intØgration par parties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i A.2 Passage des payo(cid:27) dans CK∞ aux payo(cid:27) dans L2 : dØmonstration. . . . . . . . . . . ii B Une application de la formule de Clark-Ocone v C Extension (cid:224) la volatilitØ stochastique vii D Les techniques de Monte-Carlo ix D.1 Rappel Monte-Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix D.2 MØthodes classiques de rØduction de variance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x E Quelques options exotiques xiii E.1 Les options asiatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii E.1.1 CaractØrisation des poids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv E.1.2 Valorisation d’options asiatiques par les techniques de Monte-Carlo . . . . . xiv E.2 EDP et arbres appliquØs aux options asiatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi E.2.1 Une mØthode aux di(cid:27)Ørences (cid:28)nies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi E.2.2 La mØthode d’interpolation de Hull et White . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi E.3 Les options barriŁres et lookback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii E.3.1 PrØliminaires sur les options barriŁres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii E.3.2 Les amØnagements nØcessaires pour la mØthode . . . . . . . . . . . . . . . . xxi E.3.3 Passage de la di(cid:27)usion (cid:224) un brownien avec drift . . . . . . . . . . . . . . . . xxi E.3.4 Deux exemples de processus dominants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxii F RØsultats numØriques dans le cas multi dimensionnel xxiii F.1 Calcul du Kappa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiii F.2 RØsultats numØriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiv G SensibilitØs d’options amØricaines xxvii G.1 Les sensibilitØs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxvii G.2 Pricing et Hedging d’une option amØricaine : cas multi-dimensionnel . . . . . . . . xxix G.2.1 Introduction et notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxix G.2.2 Le calcul du Delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxix Chapitre 1 Introduction au calcul de Malliavin Endimension(cid:28)nie,lecalculdi(cid:27)ØrentielusueltraduitladØpendanced’unefonctionparrapport aux coordonnØes d’un vecteur de Rd. Le calcul de Malliavin est un calcul di(cid:27)Ørentiel mais sur un espace de dimension in(cid:28)nie, l’espace de Wiener C([0,1],Rd). Sur cet espace, une trajectoire du brownien peut-Œtre comprise comme la fonction continue la plus gØnØrale qui soit. Les trajectoires du brownien sont les pendants des vecteurs en dimension (cid:28)nie : l’opØrateur de di(cid:27)Ørentiation, ou dØrivØe de Malliavin D, traduit la dØpendance d’une variable alØatoire1 par rapport aux accrois- sements d’une trajectoire du brownien. Pour une approche qui se veut d’abord didactique, nous nouslimitonsauxoutilsnØcessaires(cid:224)lacomprØhensiondurestedurapport.NousfournissonsØga- lement des exemples simples mais instructifs. Pour une prØsentation plus complŁte, les ouvrages de rØfØrence sont ceux de Nualart [NUA95] et de Friz [FRI01]. Nous nous sommes inspirØs d’un cours sur le calcul de Malliavin par Bally [BAL01]. Cette section s’organise en trois parties. Dans la premiŁre, nous dØ(cid:28)nissons sur des objets simples deux opØrateurs : d’une part l’opØrateur de dØrivation, ou dØrivØe de Malliavin D, d’autre part l’intØgrale de Skorokhod2 δ. Ensuite, on les Øtend par densitØ (cid:224) des espaces plus riches. Nous nous contenterons essentiellement de rØsultats en dimension 1, cependant on trouvera (cid:224) la (cid:28)n de ce chapitre les extensions au cas multidimensionnel. Dans un second temps, nous prØsentons les propriØtØs qui nous intØressent (cid:224) commencer par la formule d’intØgration par parties. Elle jouera un r(cid:244)le central dans les dØmonstrations thØoriques de l’exposØ. En(cid:28)n, nous consacrerons un paragraphe (cid:224) un exemple fondamental pour les calculs et les implØmentations numØriques. En e(cid:27)et, nous calculons la dØrivØe au sens de Malliavin d’une di(cid:27)usion dans un cadre gØnØral avant d’exhiber les formules fermØes dans le cadre simpli(cid:28)Ø de Black-Scholes. 1.1 DØ(cid:28)nition des opØrateurs de Malliavin Dans cette section nous dØ(cid:28)nissons les opØrateurs fondamentaux. On se restreint (cid:224) l’intervalle [0,1] pour simpli(cid:28)er. Notations 1 On considŁre un espace de probabilitØ (Ω,F,P) sur lequel est dØ(cid:28)ni un mouvement brownien notØ (Wt)0≤t≤1 et on note Ft =σ(Ws; s≤t). On subdivise l’intervalle [0,1] (cid:224) l’aide des dyadiques tnk =k2−n pour n∈N(cid:63) et k ∈{0,...,2n}. En(cid:28)n, on note Øgalement ∆nk =Wtnk+1−Wtnk les accroissements du mouvement brownien et ∆n =(∆n0,...,∆n2n−1) 1.1.1 DØ(cid:28)nition sur des espaces simples NousintroduisonsmaintenantlesespacessimplessurlesquelsonvadØ(cid:28)nirnosdeuxopØrateurs. C∞p (R2n) dØsigne l’ensemble des fonctions in(cid:28)niment dØrivables (cid:224) croissance au plus polyn(cid:244)mial (cid:224) l’in(cid:28)ni. 1Pour prØciser l’analogie, une variable alØatoire peut s’interprØter comme une fonction d’un espace de Wiener versunespacevectorielrØel. 2C’estuneextensiondel’intØgraled’It(cid:244)valablepourdesprocessusquinesontpasadaptØs. 5 6 CHAPITRE 1. INTRODUCTION AU CALCUL DE MALLIAVIN DØ(cid:28)nition 1 (L’ensemble des fonctionnelles simples) Soit : (cid:189) (cid:190) S = f(∆n,...,,∆n ); f ∈ ∞(R2n) . n 0 2n−1 Cp (cid:83) Les Sn forment une suite croissante d’ensembles inclus dans L2(Ω). Les ØlØments de S = n≥1Sn s’appellent fonctionnelles simples. CetensemblenouspermettradedØ(cid:28)nirladØrivØedeMalliavin.L’espacedesfonctionnellessimples est construit de telle sorte qu’appara(cid:238)sse clairement la dØpendance d’une variable alØatoire de Sn aveclesaccroissementsdubrownien.Defa(cid:231)onanalogue,nousdØ(cid:28)nissonslesensemblesquiserviront (cid:224) construire l’intØgrale de Skorokhod. DØ(cid:28)nition 2 (L’ensemble des processus simples) Soit : (cid:189)2(cid:88)n−1 (cid:190) Pn = 1[tn,tn [(t)Fi(ω);(t,w)∈[0,1]×Ω et Fk ∈Sn . i i+1 i=0 (cid:83)Les Pn forment une suite croissante d’ensembles inclus dans L2([0,1]×Ω). Les ØlØments de P = n≥1Pn s’appellent processus simples. Nous pouvons dØsormais introduire les opØrateurs sur ces espaces : DØ(cid:28)nition 3 (L’opØrateur de dØrivation au sens de Malliavin) Soit F ∈S, alors ∃n∈N∗ tel que F = f(∆n). L’opØrateur de dØrivation, au sens de Malliavin, de la fonctionnelle simple F en un point s ∈ [tnk,tnk+1[ est alors la fonction D : Sn −→ Pn dØ(cid:28)nie par DsF = ∂∂xfk(∆n), c’est-(cid:224)-dire : 2(cid:88)n−1 ∂f D F = 1 (s) (∆n) s [tni,tni+1[ ∂xk i=0 Il est logique que cet opØrateur de dØrivation associe (cid:224) une variable alØatoire un processus. A la date s, la dØrivØe au sens de Malliavin traduit l’impact des accroissements du brownien (cid:224) cette datesurunevariablealØatoire.ApartirdecettedØ(cid:28)nition,onconstatedØj(cid:224)quepourunevariable alØatoire Ft-adaptØe et pour s > t on a DsF = 0 : une variable alØatoire caractØrisØe (cid:224) une date donnØe ne dØpend pas des accroissements postØrieurs du brownien. Exemple : on calcule la dØrivØe au sens de Malliavin de W1. Notons que W1 =∆11 donc DsW1 = 1 (s) [0,1] DØ(cid:28)nition 4 (L’opØrateur d’intØgration au sens de Skorokhod) Soit u ∈ P, alors ∃n ∈ N∗ tel que u∈Pn. L’opØrateur d’intØgration, au sens de Skorokhod, du processus simple u est alors la fonction δ : Pn −→Sn dØ(cid:28)nie par 2(cid:88)n−1 2(cid:88)n−1 ∂f 1 δ(u)= f (∆n)∆n− i(∆n) i i ∂x 2n i i=0 i=0 avec : 2(cid:88)n−1 u(t,ω)= 1[tn,tn [(t)Fi(ω) et Fi =fi(∆n) i i+1 i=0 Notonsquelepremiertermedecesdeuxsommescorrespond(cid:224)uneintØgraleusuelled’It(cid:244).Lesecond terme prend en compte, le fait que le processus n’est pas nØcessairement adaptØ. Ce deuxiŁme terme est nØcessaire pour obtenir la relation d’intØgration par parties et a ØtØ intØgrØ dans la dØ(cid:28)nition dans ce but. Nous reviendrons sur ce point dans la partie relative aux propriØtØs de ces opØrateurs. 1.1. D(cid:201)FINITION DES OP(cid:201)RATEURS DE MALLIAVIN 7 Si on dØ(cid:28)nit les processus prØvisibles par : ∀k ∈{0,...,2n−1}, f (∆n)=f (∆n,...,∆n ) k k 0 k−1 On remarque que lorsque le processus simple u est prØvisible, le second terme de cette somme s’annule. Quand on Øtend cette propriØtØ par densitØ, les processus adaptØs Øtant des limites de processus prØvisibles, les intØgrales de Skorokhod co(cid:239)ncident avec celles d’It(cid:244). 1.1.2 Extension des opØrateurs Nous allons maintenant Øtendre les opØrateurs D et δ (cid:224) des espaces plus gros. Notons dans un premier temps que : (cid:21) S est dense dans L2(Ω), (cid:21) P est dense dans L2([0,1]×Ω). Lebutseraitdoncd’ØtendrelesopØrateursD etδ respectivement(cid:224)L2(Ω)et(cid:224)L2([0,1]×Ω).Pour- tant, ces opØrateurs n’Øtant pas continus, nous ne pouvons pas appliquer les mØthodes habituelles d’extension et nous devrons nous contenter d’une extension moins riche. Proposition 1 D et δ sont des opØrateurs fermØs, c’est-(cid:224)-dire que si (Fn)n est une suite de S qui tend vers 0 dans L2(Ω) et si (DFn)n tend vers u dans L2([0,1]×Ω), alors u = 0. Il en va de mŒme pour δ. Ci-dessous la dØ(cid:28)nition de l’espace D1,2 sur lequel on peut Øtendre la notion de dØrivØe au sens de Malliavin. DØ(cid:28)nition 5 On dØ(cid:28)nit    F∈L2(Ω), tq∃(Fn)n suite de Stq  D1,2 = −L−2−(−Ω→)  FnL2([0,1]×FΩ)  D −−−−−−−→u Fn On pose alors pour F∈D1,2, D =u F Remarque 1 La dØ(cid:28)nition de DF ne dØpend pas de la suite (Fn)n car l’opØrateur D est fermØ. On dØ(cid:28)nit Øgalement l’espace Dom(δ) sur lequel on Øtend la notion d’intØgrale de Skorokhod. DØ(cid:28)nition 6 On appelle Dom(δ) l’ensemble des u∈L2([0,1]×Ω) tel qu’il existe une suite (un)n de P telle que   L2([0,1]×Ω) u −−−−−−−→u n  L2(Ω) δ(u )−−−−→F n On dØ(cid:28)nit alors pour un tel u F =δ(u) L(cid:224) encore, la fermeture de l’opØrateur δ implique que le rØsultat ne dØpend pas de la suite choisie. Remarque 2 On aurait pu caractØriser l’espace D1,2 autrement. En e(cid:27)et, si on dØ(cid:28)nit sur S la norme (cid:107)F(cid:107) =(cid:107)F(cid:107) +(cid:107)DF(cid:107) 1,2 L2(Ω) L2([0,1]×Ω) alors D1,2 est la fermeture de S pour cette norme. 8 CHAPITRE 1. INTRODUCTION AU CALCUL DE MALLIAVIN 1.2 PropriØtØs Le calcul de Malliavin a de nombreuses applications en (cid:28)nance. La premiŁre a ØtØ permise dans le cadre de marchØ complet. Sous cette hypothŁse, on peut valoriser une option (cid:224) l’aide des portefeuilles auto(cid:28)nan(cid:231)ants de rØplication. Un portefeuille auto(cid:28)nan(cid:231)ant traduit que le prix d’une option est la combinaison (cid:224) tout instant d’une certaine quantitØ d’actif risquØ et non risquØ. Un des rØsultats du calcul de Malliavin, la formule de Clark-Ocone (qui dØ(cid:28)nit complŁtement la reprØsentation d’une variable alØatoire par une martingale.) permet de trouver ces quantitØs directement. Nous donnons en Annexe B un exemple de ce type d’application dans le cas Black- Scholes.Cependant,aujourd’hui,laformulecentralepourlesapplications(cid:224)la(cid:28)nanceestlaformule d’intØgration par parties(en abrØgØ I.P.P). Ses applications ne se limitent pas au marchØ complet. Gr(cid:226)ce (cid:224) elle, on peut par exemple calculer les sensibilitØs dans le cadre d’un modŁle (cid:224) volatilitØ stochastique 3. 1.2.1 Formule d’intØgration par parties Proposition 2 (Formule d’intØgration par parties) (cid:90) 1 ∀F ∈D1,2, ∀u∈Dom(δ) on a E( DsF.usds)=E(F.δ(u)) 0 On a donc la relation d’adjonction suivante <DF,u> =<F,δ(u)> . L2([0,1]×Ω) L2(Ω) Pour dØmontrer cette proposition on a besoin du lemme suivant : Lemme 1 soit ∆ une v.a.r. de loi N(o,σ2), alors pour ϕ, g ∈C1(R), on a (cid:183) (cid:184) (cid:183) (cid:184) ∆ E ϕ(cid:48)(∆)g(∆) =E ϕ(∆)( g(∆)−g(cid:48)(∆)) σ2 Preuve. Cela rØsulte d’un calcul direct par intØgration par parties : (cid:183) (cid:184) (cid:90) ∞ 1 −x2 E ϕ(cid:48)(∆)g(∆) = ϕ(cid:48)(x)g(x)√ exp( )dx 2πσ2 2σ2 −∞ (cid:183) 1 −x2 (cid:184)∞ (cid:90) ∞ (cid:179) x (cid:180) 1 −x2 = ϕ(x)g(x)√ exp( ) − ϕ(x) g(cid:48)(x)− g(x) √ exp( )dx 2πσ2 2σ2 σ2 2πσ2 2σ2 (cid:183) (cid:181) (cid:182)(cid:184)−∞ −∞ ∆ = E ϕ(∆) g(∆)−g(cid:48)(∆) σ2 Preuve de la proposition 2. OnsedonneF ∈Sn, u∈Pn etonutiliseladØ(cid:28)nitiondeDsF : (cid:183)(cid:90) 1 (cid:184) 2(cid:88)n−1 (cid:183) ∂f (cid:184) 1 E DsF.usds = E ∂x (∆n)fk(∆n) 2n soit en utilisant le lemme 0 k=0 k 2(cid:88)n−1 (cid:183) (cid:181)∆n (cid:182)(cid:184) 1 = E f(∆n) f (∆n)−∂ f (∆n) 2−n k k k 2n k=0 (cid:183) (cid:181)2(cid:88)n−1 2(cid:88)n−1 ∂f 1 (cid:182)(cid:184) = E F. f(∆n)∆n− k(∆n) ∂x 2n k (cid:183) k=(cid:184)0 k=0 = E F.δ(u) 3IlpeutsemblersurprenantdecalculerdessensibilitØsalorsqu’unmarchØincompletnepermetpasunecouverture parfaite.Nousreviendronssurcepointdanslapartiecorrespondante.

Description:
En effet, presque toutes les trajectoires simulées vont passer à côté de l'événement par rapport auquel on conditionne. Dans une seconde partie, grâce au calcul de Malliavin, on obtient une nouvelle représentation de l'espérance conditionnelle introduite, la première fois par Fournié et
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