BCE Maths appliquées ESSEC ECE 2012Sujet, corrigé et rapport du jury
Epreuve de maths appliquées - ECE 2012
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Annale de maths appliquées BCE ESSEC pour la filiere ECE, session 2012.
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BANQUE COMMUNE D'ÉPREUVES
Concepteur : ESSEC
OPTION ÉCONOMIQUE
MATHEMATIQUES
Abstract
La présentation, la lisibilité, l'orthographe, la qualité de la rédaction, la clarté et la précision des raisonnements entreront pour une part importante dans l'appréciation des copies. Les candidats sont invités à encadrer dans la mesure du possible les résultats de leurs calculs. Ils ne doivent faire usage d'aucun document. L'utilisation de toute calculatrice et de tout matériel électronique est interdite. Seule l'utilisation d'une règle graduée est autorisée. Si au cours de l'épreuve un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il la signalera sur sa copie et poursuivra sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il sera amené à prendre.
Dans la première partie on étudie les lois log-normales. On s'intéresse dans la partie II à une modélisation du cours d'une action appelée modèle binomial ou de Cox-Ross-Rubinstein et à son comportement asymptotique. Dans la troisième partie, on établit la formule de Black et Scholes, pour le prix d'une option dans le modèle limite obtenu dans la partie II.
Notations et DÉFINITIONS
- Les variables aléatoires qui interviennent dans ce problème sont toutes définies sur le même espace probabilisé (
Ω, A, P ). - On note
Φ la fonction de répartition de la loi normale centrée réduite. - On note respectivement
E(X) etV(X) l'espérance et la variance d'une variable aléatoireX , lorsque celles-ci existent. - Soit
m un réel etσ un réel strictement positif. On dit qu'une variable aléatoireX suit la loi lognormale de paramètres(m, σ^2) siX est à valeurs strictement positives et siln(X) suit la loi normale de paramètres(m, σ^2) . On écrit alorsX↪ℒ𝒩(m, σ^2) .
Partie I - Quelques propriétés des lois log-normales
Soit
On pourra dans la suite utiliser la variable aléatoire
- Soit
a etb deux réels,a étant différent de 0 . On rappelle que siU est une variable aléatoire qui suit une loi normale de paramètres(m, σ^2) , alorsaU + b suit aussi une loi normale.
Quels en sont les paramètres? - Cas où
m = 0 .
(a) Densité.
En déduire que
(b) Espérance.
i. Établir l'existence de
ii. En utilisant le changement de variable
(c) Variance.
i. Soit
ii. En déduire que
3. On reprend le cas général :
(a) Soit
(b) Justifier l'existence de
Partie II - Le modèle binomial de Cox-Ross-Rubinstein
On souhaite modéliser l'évolution du cours d'une action entre les dates 0 et
-
μ est une constante réelle strictement positive liée au rendement moyen de l'action sur une durée égale àt ; -
v est une constante réelle strictement positive appelée volatilité de l'action sur la duréet ; -
(Y_k)_(k ∈ ℕ^∗) est une suite de variables aléatoires indépendantes suivant toutes la loi uniforme sur{ − 1, 1} (autrement dit,P(Y_k = 1) = P(Y_k = − 1) = 1/2 ).
On suppose quen est assez grand pour que1 + μ/n − v/(√n) > 0 .
On admet queS_(0, n), …, S_(n, n) sont des variables aléatoires discrètes.
On noteC_n la variable aléatoireS_(n, n) , qui modélise le cours de l'action à l'instantt .
- Simulation de la variable aléatoire
C_n .
(a) Quelles sont les valeurs que peut prendre l'expression Pascal :2∗ random(2)-1?
(b) Dans la déclaration de fonction qui suit, remplacer les «... » par des expressions Pascal pour que la fonction ainsi déclarée simule la variable aléatoireC_n .
function C(n:integer;mu,v:real):real;
var k:integer; tmp:real;
begin
tmp:=1;
for k:= ... to ... do
tmp:=tmp* ... ;
C:= ... ;
end;
- (a) Calculer l'espérance et la variance commune aux
Y_k .
(b) i. Montrer l'égalité :C_n = ∏_(k = 1)^n(1 + μ/n + v/(√n)Y_k) .
ii. En déduire queE(C_n) = (1 + μ/n)^n etV(C_n) = ((1 + μ/n)^2 + (v^2)/n)^n − (1 + μ/n)^(2n) .
(c) Déterminerlim_(n → + ∞)E(C_n) et montrer quelim_(n → + ∞)V(C_n) = e^(2μ)(e^(v^2) − 1) .
6. (a) Expliciter un couple de réels
(c) Établir la convergence en loi, quand
7. (a) Rappeler le développement limité à l'ordre 2 de la fonction
(b) Déterminer les développements limités à l'ordre 2 au voisinage de 0 des fonctions
(c) Montrer que:
On suppose dans la suite que cette condition est réalisée.
8. On note
Soit
(a) Soit
i. Établir l'existence d'un réel
9. Démontrer que
Partie III - La formule de Black et Scholes
À la date 0 , un investisseur achète sur un marché une option sur une action dont la date d'échéance est
- Si à la date
t , le coursC de l'action est supérieur ou égal àK , il peut acheter l'action au prixK et la revendre au prixC ; - dans le cas contraire, son option n'a plus de valeur à la date
t .
- On choisit comme unité le cours de l'action à la date 0 c'est-à-dire qu'à cet instant le cours de l'action vaut 1 .
- Le cours de l'action à la date
t est une variable aléatoireC qui suit une loi log-normale de paramètres(m, v^2) . - On suppose qu'il existe sur le marché un actif non risqué dont le taux de rentabilité entre les dates 0 et
t vaute^r − 1 , oùr est un réel strictement positif. - On définit la fonction
f surℝ par, pour toutx réel,f(x) = max(0, x) .
- (a) Justifier que la valeur de l'option à la date
t estf(C − K) .
(b) Si au lieu d'acheter l'option, l'investisseur avait placé à la date 0 son prix d'achatπ_K sur l'actif non risqué, quel serait la valeur de son placement à la datet ?
(c) En déduire qu'il convient de poserπ_K = e^(− r)E(f(C − K)) si l'on veut que ces deux stratégies aient la même rentabilité moyenne.
Dans les questions suivantes, c'est cette valeur deπ_K que l'on utilise. - (a) Montrer que
f est continue surℝ .
(b) Établir l'existence deE(f(C − K)) et l'égalité
- (a) Montrer l'égalité :
Établir la formule de Black-Scholes :
- Dans la pratique, le prix de l'option est fixé par le marché et vaut
x , oùx est un réel strictement positif. On poseθ = r − ln(K) , de sorte que le prix d'échéance vautK = exp(r − θ) .
On appelle alors volatilité implicite de l'action, tout réel positifv , s'il en existe, tel que :
(a) Montrer que
On distinguera les cas
(b) Déterminer pour quelles valeurs de
En conclure finalement que l'on peut définir la volatilité implicite si et seulement si :
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