GAL-Buckle95/GAL-Buckle95.Rnw

\documentclass[letter]{report}
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\begin{document}

\title{GAL Buckle 95}
\author{François Pelletier}
\maketitle
\tableofcontents

\chapter{Initialisation}

\section{Chargement des paquets}
<<>>=
setwd("/home/francois/git/GAL-Buckle95")
library(actuar)
library(MASS)
library(xtable)
library(moments)
library(FourierStuff)
library(GeneralizedAsymmetricLaplace)
library(GMMStuff)
library(OptionPricingStuff)
library(QuadraticEstimatingEquations)
@

\section{Constantes et données}

<<>>=
#Nombre de décimales affichées
options(digits=6)
#Marge pour intervalles de confiance
alpha.confint <- 0.05 
#Marge pour test d'hypothèses
alpha.test <- 0.05
#Chargement des données
RETURNS <- head(read.csv("abbeyn.csv",sep="\t",header=TRUE)[,1],-1)
#Taille de l'échantillon
n <- length(RETURNS)
#Nom de l'échantillon
strData <- "Buckle95"
@

\section{Test de normalité}

<<>>=
EppsPulley.test(RETURNS)
@

\chapter{Estimation}

\section{Données mises à l'échelle}

<<>>=
sRET <- as.vector(scale(RETURNS))
@

\section{Première estimation par QEE}

<<>>=
## Point de départ	
pt.depart <- startparamGAL(sRET)
## Fonctions pour les moments
meanQEE <- function(param) mGAL(param,1)
varianceQEE <- function(param) cmGAL(param,2)
sdQEE <- function(param) sqrt(cmGAL(param,2))
skewnessQEE <- function(param) cmGAL(param,3)
kurtosisQEE <- function(param) cmGAL(param,4)
## Fonctions pour les dérivées
dmeanQEE <- function(param) dmGAL(param,1)
dsdQEE <- function(param) dmGAL(param,2)
## Estimation gaussienne
optim1 <- optim(pt.depart,obj.gauss,gr=NULL,sRET,
		meanQEE,varianceQEE,dmeanQEE,dsdQEE)
pt.optim1 <- optim1$par
## Estimation de crowder
optim2 <- optim(pt.depart,obj.Crowder,gr=NULL,sRET,
		meanQEE,varianceQEE,skewnessQEE,kurtosisQEE,dmeanQEE,dsdQEE)
pt.optim2 <- optim2$par
## Estimation de crowder modifiée
optim3 <- optim(pt.depart,obj.Crowder.Mod,gr=NULL,sRET,
		meanQEE,varianceQEE,dmeanQEE,dsdQEE)
pt.optim3 <- optim3$par
@

\section{Résultats de la première estimation par QEE}

<<>>=
cov.optim1 <- covariance.QEE(M.gauss(pt.optim1,sRET,
				meanQEE,varianceQEE,dmeanQEE,dsdQEE),
		V.gauss(pt.optim1,sRET,meanQEE,varianceQEE,
				skewnessQEE,kurtosisQEE,dmeanQEE,dsdQEE),n)
cov.optim2 <- covariance.QEE(M.Crowder(pt.optim2,sRET,
				varianceQEE,skewnessQEE,kurtosisQEE,dmeanQEE,dsdQEE),
		V.Crowder(pt.optim2,sRET,varianceQEE,
				skewnessQEE,kurtosisQEE,dmeanQEE,dsdQEE),n)
cov.optim3 <- covariance.QEE(M.Crowder.Mod(pt.optim3,sRET,
				varianceQEE,skewnessQEE,kurtosisQEE,dmeanQEE,dsdQEE),
		V.Crowder.Mod(pt.optim3,sRET,varianceQEE,dmeanQEE,dsdQEE),n)
confidence.interval.QEE(pt.optim1,cov.optim1,n)
confidence.interval.QEE(pt.optim2,cov.optim2,n)
confidence.interval.QEE(pt.optim3,cov.optim3,n)
@

\section{Seconde estimation par QEE}

<<>>=
## Estimation gaussienne
optim4 <- optim(pt.optim1,obj.gauss,gr=NULL,sRET,
		meanQEE,varianceQEE,dmeanQEE,dsdQEE,
		ginv(V.gauss(pt.optim1,sRET,meanQEE,
						varianceQEE,skewnessQEE,kurtosisQEE,
						dmeanQEE,dsdQEE)))
pt.optim4 <- optim4$par
## Estimation de crowder
optim5 <- optim(pt.optim2,obj.Crowder,gr=NULL,sRET,
		meanQEE,varianceQEE,skewnessQEE,kurtosisQEE,dmeanQEE,dsdQEE,
		ginv(V.Crowder(pt.optim2,sRET,varianceQEE,skewnessQEE,
						kurtosisQEE,dmeanQEE,dsdQEE)))
pt.optim5 <- optim5$par
## Estimation de crowder modifiée
optim6 <- optim(pt.optim3,obj.Crowder.Mod,gr=NULL,sRET,
		meanQEE,varianceQEE,dmeanQEE,dsdQEE,
		ginv(V.Crowder.Mod(pt.optim3,sRET,varianceQEE,
						dmeanQEE,dsdQEE)))
pt.optim6 <- optim6$par
@

\section{Résultats de la seconde estimation par QEE}

<<>>=
cov.optim4 <- covariance.QEE(M.gauss(pt.optim4,sRET,
				meanQEE,varianceQEE,dmeanQEE,dsdQEE),
		V.gauss(pt.optim4,sRET,meanQEE,varianceQEE,
				skewnessQEE,kurtosisQEE,dmeanQEE,dsdQEE),n)
cov.optim5 <- covariance.QEE(M.Crowder(pt.optim5,sRET,
				varianceQEE,skewnessQEE,kurtosisQEE,dmeanQEE,dsdQEE),
		V.Crowder(pt.optim5,sRET,varianceQEE,skewnessQEE,
				kurtosisQEE,dmeanQEE,dsdQEE),n)
cov.optim6 <- covariance.QEE(M.Crowder.Mod(pt.optim6,sRET,
				varianceQEE,skewnessQEE,kurtosisQEE,dmeanQEE,dsdQEE),
		V.Crowder.Mod(pt.optim6,sRET,varianceQEE,dmeanQEE,dsdQEE),n)
confidence.interval.QEE(pt.optim4,cov.optim4,n)
confidence.interval.QEE(pt.optim5,cov.optim5,n)
confidence.interval.QEE(pt.optim6,cov.optim6,n)
@

\section{Estimation par GMM}

<<>>=
## GMM régulier
optim7 <- optim.GMM(pt.depart,
		conditions.vector=meanvariance.gmm.vector,
		data=sRET,W=diag(2),
		meanf=meanQEE,variancef=varianceQEE)
pt.optim7 <- optim7$par
cov.optim7 <- mean.variance.GMM.gradient.GAL(pt.optim7,sRET) %*% 
		covariance.GMM(pt.optim7,meanvariance.gmm.vector,sRET,
				meanf=meanQEE,variancef=varianceQEE) %*%
		t(mean.variance.GMM.gradient.GAL(pt.optim7,sRET)) / n
## GMM itératif
optim8 <- iterative.GMM(pt.depart,
		conditions.vector=meanvariance.gmm.vector,
		data=sRET,W=diag(2),
		meanf=meanQEE,variancef=varianceQEE)
pt.optim8 <- optim8$par
cov.optim8 <-  mean.variance.GMM.gradient.GAL(pt.optim8,sRET) %*% 
		optim8$cov %*%  
		t(mean.variance.GMM.gradient.GAL(pt.optim8,sRET)) / n
confidence.interval.QEE(pt.optim7,cov.optim7,n)
confidence.interval.QEE(pt.optim8,cov.optim8,n)
@

\chapter{Comparaison des résultats}
<<>>=
# Aggrégation des estimateurs (pour simplifier les calculs)
pts.estim <- cbind(pt.optim1,pt.optim2,pt.optim3,pt.optim4,
		pt.optim5,pt.optim6,pt.optim7,pt.optim8)
l.pts.estim <- as.list(data.frame(pts.estim))
@

\section{Fonction de répartition}
<<>>=
# Points d'évaluation
xi <- seq(2*min(sRET),2*max(sRET),length.out=2^6)
# Fonction de répartition par intégration de la fonction caractéristique
dist1 <- cbind(cftocdf(xi,cfGAL,param=pt.optim1),
		cftocdf(xi,cfGAL,param=pt.optim2),
		cftocdf(xi,cfGAL,param=pt.optim3),
		cftocdf(xi,cfGAL,param=pt.optim4),
		cftocdf(xi,cfGAL,param=pt.optim5),
		cftocdf(xi,cfGAL,param=pt.optim6),
		cftocdf(xi,cfGAL,param=pt.optim7),
		cftocdf(xi,cfGAL,param=pt.optim8))
# Fonction de répartition par point de selle
dist2 <- cbind(psaddleapproxGAL(xi,pt.optim1),
		psaddleapproxGAL(xi,pt.optim2),
		psaddleapproxGAL(xi,pt.optim3),
		psaddleapproxGAL(xi,pt.optim4),
		psaddleapproxGAL(xi,pt.optim5),
		psaddleapproxGAL(xi,pt.optim6),
		psaddleapproxGAL(xi,pt.optim7),
		psaddleapproxGAL(xi,pt.optim8))
# Fonction de répartition par intégration de la fonction de densité
dist3 <- cbind(pGAL(xi,pt.optim1),
		pGAL(xi,pt.optim2),
		pGAL(xi,pt.optim3),
		pGAL(xi,pt.optim4),
		pGAL(xi,pt.optim5),
		pGAL(xi,pt.optim6),
		pGAL(xi,pt.optim7),
		pGAL(xi,pt.optim8))
@
\pagebreak
\subsection{Graphiques}

<<results=tex>>=
for (i in 1:8)
{
	file<-paste(strData,"-repart-",i,".pdf",sep="")
	pdf(file=file,paper="special",width=6,height=6)
	plot.ecdf(sRET,main=paste("Fonction de répartition ",i))
	lines(xi,dist1[,i],col="green")
	lines(xi,dist2[,1],col="red")
	lines(xi,dist3[,1],col="pink")
	lines(xi,pnorm(xi),type="l",col="blue")
	dev.off()
	cat("\\includegraphics[height=4in,width=4in]{",
			file,"}\n",sep="")
}
@

\subsection{Statistiques}
Test du $\chi^2$, Méthode avec intégration
<<results=tex>>=
chisquare.test1 <- function(param,DATA.hist,FUN,method)
{
	chisquare.test(DATA.hist,FUN,param,method=method)
}
xtable(do.call(rbind,lapply(l.pts.estim,chisquare.test1,hist(sRET),
						cfGAL,"integral")),digits=6)
@

Test du $\chi^2$, Méthode avec point de selle
<<results=tex>>=
xtable(do.call(rbind,lapply(l.pts.estim,chisquare.test1,hist(sRET),
						pGAL,"saddlepoint")),digits=6)
@

Statistique de Kolmogorov-Smirnov
<<results=tex>>=
ks.test1 <- function(param,x,y) ks.test(x,y,param)
xtable(do.call(rbind,mclapply(l.pts.estim,ks.test1,sRET,"pGAL")),digits=6)
@

Statistique de distance minimale

<<results=tex>>=
tvariate1 <- seq(-.1,.1,by=0.01)
xtable(do.call(rbind,mclapply(l.pts.estim,
						md.test,sRET,tvariate1,cfGAL,empCF)),digits=6)
@

\section{Fonction de densité}

Intégration de la fonction de densité approximée avec le point de selle, pour la
normaliser en fonction qui intègre à 1.

<<>>=
f_integrale_saddle <- function(param,f,lower,upper) 
	integrate(f,lower,upper,param)$value
norm_int_saddle <- sapply(l.pts.estim,f_integrale_saddle,
		f=dsaddleapproxGAL,lower=-Inf,upper=Inf)
@

Séquence de points pour les graphiques
<<>>=
x_sRET <- seq(min(sRET)-sd(sRET),max(sRET)+sd(sRET),length.out=50)
@

Graphique de la fonction de densité

<<results=tex>>=
colors2=c("black","red","green","blue","grey")
for (i in 1:dim(pts.estim)[2])
{
	file=paste(strData,"-densite-", i, ".pdf", sep="")
	pdf(file=file, paper="special", width=6, height=6)
	plot(density(sRET),ylim=c(0,.7),type="l",
			main=paste("Densité de",strData, i),xlab=strData,
			ylab="f",lwd=2,lty=1)
	points(x_sRET,
			dGAL(x_sRET,pts.estim[,i]),
			type="b",ylim=c(0,4),col="red",pch=19,lwd=2,lty=2)
	points(x_sRET,
			dsaddleapproxGAL(x_sRET,pts.estim[,i])/norm_int_saddle[i],
			type="b",ylim=c(0,4),col="green",pch=20,lwd=2,lty=3)
	
	lines(x_sRET,dnorm(x_sRET),type="b",col="blue",
			pch=21,lwd=2,lty=4)
	points(seq(-2,4,length.out=1000)[seq(40,1000,by=40)],
			cftodensity.fft(cfGAL,1000,-2,4,pts.estim[,i])$dens[seq(40,1000,by=40)],
			type="b",col="grey",pch=23,lty=6)
	legend(quantile(sRET,0.9),0.7, c("emp","est.GAL","pt.selle","appx.nrm","fft"),
			cex=0.8, col=colors2, pch=c(NA,19:23), lty=1:6, title="Courbes")
	dev.off()
	cat("\\includegraphics[height=4in, width=4in]{"
			,file, "}\n", sep="")
}  
@

\subsection{Tests avec contraintes}

Test de Wald

<<>>=
R <- matrix(c(0,0,1,0,
				0,0,0,1),ncol=4)
r <- matrix(c(0,0),ncol=1)
V <- lapply(l.pts.estim,covariance.GMM,meanvariance.gmm.vector,
		sRET,meanQEE,varianceQEE)
D <- lapply(l.pts.estim,mean.variance.GMM.gradient.GAL,sRET)

xtable(mapply(Wald.Test,l.pts.estim,n,list(R),list(r),V,D),
		caption="Test de Wald", digits=2)
@

\subsection{Vrais paramètres}

Comme nous avons estimé avec des données centrées et réduites, nous utilisons
une propriété de la distribution GAL qui nous permet d'obtenir les paramètres
des rendements non réduits.

<<>>=
pts.estim.ns <- apply(pts.estim,2,scaleGAL,type="mu",
		mean(RETURNS),sd(RETURNS))
@

<<results=tex>>=
	xtable(pts.estim.ns, 
			caption="Paramètres des données non centrées et réduites",
			digits=4)
@

\section{Prix d'options}

\subsection{Données de base}

<<>>=
#Taux sans risque
rfrate <- .05/365
#Échéance
Time_to_expiry <- 30
#Pas de discrétisation courbe des prix
pas <- 1/300 
#Prix initial
stock0 <- 299
#Prix d'exercice dans le cours (put)
strike1 <- stock0*seq(0.90,1,pas)  
#Prix d'exercice hors le cours (put)
strike2 <- stock0*seq(1+pas,1.10,pas) 
#Prix d'exercice combinés
strike <- c(strike1,strike2)
#Damping parameter
alpha <- 3
@ 

\subsection{Paramètres neutres au risque}

<<>>=
pts.estim.ns.rn <- apply(pts.estim.ns,2,riskneutralparGAL,rfrate)
l.pts.estim.ns.rn <- as.list(data.frame(pts.estim.ns.rn))
@

<<results=tex>>=
xtable(pts.estim.ns.rn,caption="Paramètres neutres au risque",digits=4)
@


\subsection{Méthode de Epps}

<<>>=
	f_putEpps <- function(param,strikeprice,char.fn,eval.time,expiry.time,rate,...)
		putEpps(strikeprice,char.fn,param,eval.time,expiry.time,rate,...)
	prix_put_Epps <- as.data.frame(cbind(strike/stock0,sapply(l.pts.estim.ns.rn,f_putEpps,strike/stock0,cfLM,0,Time_to_expiry,rfrate)))
@

<<results=tex>>=
	xtable(prix_put_Epps,caption="Prix unitaire de l'option de vente, Méthode de Epps",digits=6)
@

\subsection{Méthode de Carr-Madan}
<<>>=
	f_callCarrMadan <- function(param,strikeprice,char.fn,eval.time,expiry.time,rate,alpha,...)
	{
		callCarrMadan(strikeprice,char.fn,param,eval.time,expiry.time,rate,alpha,...)
	}
	prix_call_CarrMadan <- as.data.frame(cbind(strike/stock0,sapply(l.pts.estim.ns.rn,f_callCarrMadan,strike/stock0,cfLM,0,Time_to_expiry,rfrate,alpha)))
@

<<results=tex>>=
	xtable(prix_call_CarrMadan,caption="Prix unitaire de l'option d'achat, Méthode de Carr-Madan",digits=6)
@

\subsection{Méthode de Heston}

<<>>=
	prix_put_Heston <- as.data.frame(cbind(strike/stock0,
					sapply(l.pts.estim.ns.rn,putHeston,strike/stock0,pnormapproxEsscherLM,0,Time_to_expiry,rfrate)))
@

<<results=tex>>=
	xtable(prix_put_Heston,caption="Prix unitaire de l'option de vente, Méthode de Heston",digits=6)
@

\subsection{Méthode de Heston avec point de selle}


<<>>=
	prix_put_Heston_Saddle <- as.data.frame(cbind(strike/stock0,
					sapply(l.pts.estim.ns.rn,putHestonSaddle,strike/stock0,psaddleapproxGAL,psaddleapproxEsscherGAL,0,Time_to_expiry,rfrate)
	)
	)
	
	
@

<<results=tex>>=
	xtable(prix_put_Heston_Saddle,caption="Prix unitaire de l'option de vente, Méthode de Heston avec point de selle",digits=6)
@





















\end{document}