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Portfolio Optimization and Optimal Martingale Measures in Markets with Jumps

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2008

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Niethammer, Christina R.

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Portefeuilleoptimierung und optimale Martingalmaße in Märkten mit Sprüngen
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

We discuss optimal portfolio selection with respect to utility functions of type exp(-ax), a>0 (exponential problem) and -|1-ax/p|^p (p-th problem). We consider N risky assets and a risk-free bond. Risky assets are modeled by continuous semimartingales or exponential Lévy processes.

These dynamic expected utility maximization problems are solved by transforming the model into a constrained static version and applying convex duality. The connection between the static and the dynamic problems is drawn as follows: firstly we construct explicit portfolios (dynamic solution) attaining the optimal static values for the p-th problem, secondly we establish uniform convergence in probability of these portfolios and the corresponding wealth processes to the dynamic solution of the exponential problem. Moreover, convergence of the optimal wealth processes in a supremum norm and convergence of the terminal values in L^v, v>=1 follows under the assumption of upward bounded jumps. By construction these results yield an explicit portfolio for the exponential problem. To establish our results, we need to prove several properties on the solutions of the dual problems, i.e. the q-optimal martingale measure and the minimal entropy martingale measure.

In fact, in the presence of unbounded jumps the q-optimal martingale measure (the dual solution of the static p-th problem) may fail to be equivalent.
Depending on the specific formulation of the portfolio selection problem, i.e. whether or not consumption is allowed, we have to consider the signed or the absolutely continuous version of the q-optimal martingale measure. However, techniques usually applied in order to characterize the equivalent case are not suitable. An explicit form of the q-optimal signed martingale measure is therefore established by a new verification procedure via a hedging argument reversing the above duality. Admitting consumption, a superhedging argument yields an explicit form of the absolutely continuous martingale measure. The convergence of both versions of the q-optimal martingale measures to the minimal entropy martingale measure, when q tends to 1 is proved, implying the convergence of the optimal strategies (portfolio and eventually consumption) of the p-th problem to the exponential one.

We close the thesis by a comparison of the achieved results in the continuous
and discontinuous case.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Wir untersuchen Portefeuilleauswahlprobleme in stetigen Semimartingalmärkten als auch in Märkten mit Sprüngen (exponentielle Lévy Prozesse) und betrachten hierzu modifiziert isoelastische (-|1-ax/p|^p, p>0, a>0, p-tes Problem) und exponentielle Nutzenfunktionen (-exp(-ax), exponentielles Problem). In diesem Rahmen suchen wir dann jeweils eine optimale, dynamische Anlagestrategie, die den erwarteten Nutzen des Vermögens des Investors zu einem gegebenen Endzeitpunkt maximiert.

Wir beginnen mit einer Transformation des dynamischen Portefeuilleproblems in eine statische Optimierungsaufgabe unter unendlich vielen Nebenbedingungen, welche mittels konvexer Dualität durch eine zweite Überführung in eine äquivalente Optimierungsaufgabe über Preismaße gelöst wird. Der Zusammenhang zwischen statischer und dynamischer Optimierungsaufgabe stellt sich wie folgt dar:
Als erstes konstruieren wir explizite Portefeuilles (dynamische Lösung), die die optimalen Lösungen der p-ten statischen Probleme replizieren und zeigen dann uniforme Konvergenz in Wahrscheinlichkeit dieser Portefeuilles und der zugehörigen Vermögensprozesse zur dynamischen Lösung des exponentiellen Problems. Sind die Sprünge nach oben beschränkt folgt die Konvergenz der Vermögensprozesse in einer Supremumsnorm sowie die Konvergenz der Endwerte in L^v, v>=1. Die Konstruktion liefert somit das explizite Portefeuille für den exponentiellen Fall. Um diese Ergebnisse zu erhalten, charakterisieren wir die Lösungen der dualen Probleme, d.h. das q-optimale und das Entropie-minimale Maß.

In Modellen mit (v.a. unbeschränkten) Sprüngen kann es jedoch passieren, dass die Äquivalenz des q-optimalen Maßes verloren geht. Abhängig von der Formulierung des Auswahlproblems, d.h. ob wir Konsum erlauben oder nicht, müssen wir die absolutstetige oder signierte Variante betrachten. Da übliche Techniken aus der stochastischen Analysis nicht mehr verwendet werden können, bedienen wir uns der Dualität der Optimierungsprobleme: Eine Verifikationsprozedur liefert unter zur Hilfenahme eines Hedgingproblems für die optimale statische Lösung eine explizite Darstellung des q-optimalen signierten Martingalmaßes. Erlauben wir zu konsumieren erhalten wir analog eine Darstellung der absolutstetigen Version über ein Superhedgingargument. Beide Varianten konvergieren gegen das Entropie-minimale Maß, die Lösung des dualen Problems zum exponentiellen Nutzenproblem, und implizieren somit die Konvergenz der optimalen Strategien.

Die Dissertation wird durch einen Vergleich zwischen stetigem und unstetigem Fall abgerundet.

Fachgebiet (DDC)
510 Mathematik

Schlagwörter

Lévy Prozesse, q-optimales Martingalmaß, Konvergenz zum Entropie-minimalen Maß, utility, Lévy processes, q-optimal martingale measure, convergence to the minimal entropy martingale measure, stochastic duality

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ISO 690NIETHAMMER, Christina R., 2008. Portfolio Optimization and Optimal Martingale Measures in Markets with Jumps [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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May 5, 2008
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