Randomized Quasi-Monte Carlo Methods for Density Estimation and Simulation of Markov Chains

La méthode Quasi-Monte Carlo Randomisé (RQMC) est souvent utilisée pour estimer une intégrale sur le cube unitaire (0,1)^s de dimension s. Cette intégrale est interprétée comme l'espérance mathématique d'une variable aléatoire X. Il est bien connu que, sous certaines conditions, les estimateurs d'intégrales par RQMC peuvent converger plus rapidement que les estimateurs par Monte Carlo. Pour la simulation de chaînes de Markov sur un grand nombre d'étapes en utilisant RQMC, il existe peu de résultats. L'approche la plus prometteuse proposée à ce jour est la méthode array-RQMC. Cette méthode simule, en parallèle, n copies de la chaîne en utilisant un ensemble de points RQMC aléatoires et indépendants à chaque étape et trie ces chaînes en utilisant une fonction de tri spécifique après chaque étape. Cette méthode a donné, de manière empirique, des résultats significatifs sur quelques exemples (soit, un taux de convergence bien meilleur que celui observé avec Monte Carlo standard). Par contre, les taux de convergence observés empiriquement n'ont pas encore été prouvés théoriquement. Dans la première partie de cette thèse, nous examinons comment RQMC peut améliorer, non seulement, le taux de convergence lors de l'estimation de l'espérance de X mais aussi lors de l'estimation de sa densité. Dans la deuxième partie, nous examinons comment RQMC peut être utilisé pour la simulation de chaînes de Markov sur un grand nombre d'étapes à l'aide de la méthode array-RQMC. Notre thèse contient quatre articles. Dans le premier article, nous étudions l'efficacité gagnée en remplaçant Monte Carlo (MC) par les méthodes de Quasi-Monte Carlo Randomisé (RQMC) ainsi que celle de la stratification. Nous allons ensuite montrer comment ces méthodes peuvent être utilisées pour rendre un échantillon plus représentatif. De plus, nous allons montrer comment ces méthodes peuvent aider à réduire la variance intégrée (IV) et l'erreur quadratique moyenne intégrée (MISE) pour les estimateurs de densité par noyau (KDE). Nous fournissons des résultats théoriques et empiriques sur les taux de convergence et nous montrons que les estimateurs par RQMC et par stratification peuvent atteindre des réductions significatives en IV et MISE ainsi que des taux de convergence encore plus rapides que MC pour certaines situations, tout en laissant le biais inchangé. Dans le deuxième article, nous examinons la combinaison de RQMC avec une approche Monte Carlo conditionnelle pour l'estimation de la densité. Cette approche est définie en prenant la dérivée stochastique d'une CDF conditionnelle de X et offre une grande amélioration lorsqu'elle est appliquée. L'utilisation de la méthode array-RQMC pour évaluer une option asiatique sous un processus ordinaire de mouvement brownien géométrique avec une volatilité fixe a déjà été tentée dans le passé et un taux de convergence de O(n⁻²) a été observé pour la variance. Dans le troisième article, nous étudions le prix des options asiatiques lorsque le processus sous-jacent présente une volatilité stochastique. Plus spécifiquement, nous examinons les modèles de volatilité stochastique variance-gamma, Heston ainsi que Ornstein-Uhlenbeck. Nous montrons comment l'application de la méthode array-RQMC pour la détermination du prix des options asiatiques et européennes peut réduire considérablement la variance. L'algorithme t-leaping est utilisé dans la simulation des systèmes biologiques stochastiques. La méthode Monte Carlo (MC) est une approche possible pour la simulation de ces systèmes. Simuler la chaîne de Markov pour une discrétisation du temps de longueur t via la méthode quasi-Monte Carlo randomisé (RQMC) a déjà été explorée empiriquement dans plusieurs expériences numériques et les taux de convergence observés pour la variance, lorsque la dimension augmente, s'alignent avec ceux observés avec MC. Dans le dernier article, nous étudions la combinaison de array-RQMC avec cet algorithme et démontrons empiriquement que array-RQMC fournit une réduction significative de la variance par rapport à la méthode de MC standard. The Randomized Quasi Monte Carlo method (RQMC) is often used to estimate an integral over the s-dimensional unit cube (0,1)^s. This integral is interpreted as the mathematical expectation of some random variable X. It is well known that RQMC estimators can, under some conditions, converge at a faster rate than crude Monte Carlo estimators of the integral. For Markov chains simulation on a large number of steps by using RQMC, little exists. The most promising approach proposed to date is the array-RQMC method. This method simulates n copies of the chain in parallel using a set of independent RQMC points at each step, and sorts the chains using a specific sorting function after each step. This method has given empirically significant results in terms of convergence rates on a few examples (i.e. a much better convergence rate than that observed with Monte Carlo standard). However, the convergence rates observed empirically have not yet been theoretically proven. In the first part of this thesis, we examine how RQMC can improve the convergence rate when estimating not only X's expectation, but also its distribution. In the second part, we examine how RQMC can be used for Markov chains simulation on a large number of steps using the array-RQMC method. Our thesis contains four articles. In the first article, we study the effectiveness of replacing Monte Carlo (MC) by either randomized quasi Monte Carlo (RQMC) or stratification to show how they can be applied to make samples more representative. Furthermore, we show how these methods can help to reduce the integrated variance (IV) and the mean integrated square error (MISE) for the kernel density estimators (KDEs). We provide both theoretical and empirical results on the convergence rates and show that the RQMC and stratified sampling estimators can achieve significant IV and MISE reductions with even faster convergence rates compared to MC in some situations, while leaving the bias unchanged. In the second article, we examine the combination of RQMC with a conditional Monte Carlo approach to density estimation. This approach is defined by taking the stochastic derivative of a conditional CDF of X and provides a large improvement when applied. Using array-RQMC in order to price an Asian option under an ordinary geometric Brownian motion process with fixed volatility has already been attempted in the past and a convergence rate of O(n⁻²) was observed for the variance. In the third article, we study the pricing of Asian options when the underlying process has stochastic volatility. More specifically, we examine the variance-gamma, Heston, and Ornstein-Uhlenbeck stochastic volatility models. We show how applying the array-RQMC method for pricing Asian and European options can significantly reduce the variance. An efficient sample path algorithm called (fixed-step) t-leaping can be used to simulate stochastic biological systems as well as well-stirred chemical reaction systems. The crude Monte Carlo (MC) method is a feasible approach when it comes to simulating these sample paths. Simulating the Markov chain for fixed-step t-leaping via ordinary randomized quasi-Monte Carlo (RQMC) has already been explored empirically and, when the dimension of the problem increased, the convergence rate of the variance was realigned with those observed in several numerical experiments using MC. In the last article, we study the combination of array-RQMC with this algorithm and empirically demonstrate that array-RQMC provides a significant reduction in the variance compared to the standard MC algorithm.

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