Ninomiya-Victoir scheme : strong convergence, asymptotics for the normalized error and multilevel Monte Carlo methods

par Anis Al Gerbi

Thèse de doctorat en Mathématiques

Sous la direction de Benjamin Jourdain et de Emmanuelle Clément.

Le président du jury était Gilles Pagès.

Le jury était composé de Benjamin Jourdain, Emmanuelle Clément, Pierre Henry-Labordère, Ahmed Kebaier.

Les rapporteurs étaient Antoine Lejay, Fabien Panloup.

  • Titre traduit

    Schéma de Ninomiya Victoir : convergence forte, asymptotiques pour l'erreur renomalisée et méthodes de Monte Carlo multi-pas


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés de convergence forte du schéma de Ninomiya et Victoir. Les auteurs de ce schéma proposent d'approcher la solution d'une équation différentielle stochastique (EDS), notée $X$, en résolvant $d+1$ équations différentielles ordinaires (EDOs) sur chaque pas de temps, où $d$ est la dimension du mouvement brownien. Le but de cette étude est d'analyser l'utilisation de ce schéma dans une méthode de Monte-Carlo multi-pas. En effet, la complexité optimale de cette méthode est dirigée par l'ordre de convergence vers $0$ de la variance entre les schémas utilisés sur la grille grossière et sur la grille fine. Cet ordre de convergence est lui-même lié à l'ordre de convergence fort entre les deux schémas. Nous montrons alors dans le chapitre $2$, que l'ordre fort du schéma de Ninomiya-Victoir, noté $X^{NV,eta}$ et de pas de temps $T/N$, est $1/2$. Récemment, Giles et Szpruch ont proposé un estimateur Monte-Carlo multi-pas réalisant une complexité $Oleft(epsilon^{-2}right)$ à l'aide d'un schéma de Milstein modifié. Dans le même esprit, nous proposons un schéma de Ninomiya-Victoir modifié qui peut-être couplé à l'ordre fort $1$ avec le schéma de Giles et Szpruch au dernier niveau d'une méthode de Monte-Carlo multi-pas. Cette idée est inspirée de Debrabant et Rossler. Ces auteurs suggèrent d'utiliser un schéma d'ordre faible élevé au niveau de discrétisation le plus fin. Puisque le nombre optimal de niveaux de discrétisation d'une méthode de Monte-Carlo multi-pas est dirigé par l'erreur faible du schéma utilisé sur la grille fine du dernier niveau de discrétisation, cette technique permet d'accélérer la convergence de la méthode Monte-Carlo multi-pas en obtenant une approximation d'ordre faible élevé. L'utilisation du couplage à l'ordre $1$ avec le schéma de Giles-Szpruch nous permet ainsi de garder un estimateur Monte-Carlo multi-pas réalisant une complexité optimale $Oleft( epsilon^{-2} right)$ tout en profitant de l'erreur faible d'ordre $2$ du schéma de Ninomiya-Victoir. Dans le troisième chapitre, nous nous sommes intéressés à l'erreur renormalisée définie par $sqrt{N}left(X - X^{NV,eta}right)$. Nous montrons la convergence en loi stable vers la solution d'une EDS affine, dont le terme source est formé des crochets de Lie entre les champs de vecteurs browniens. Ainsi, lorsqu'au moins deux champs de vecteurs browniens ne commutent pas, la limite n'est pas triviale. Ce qui assure que l'ordre fort $1/2$ est optimal. D'autre part, ce résultat peut être vu comme une première étape en vue de prouver un théorème de la limite centrale pour les estimateurs Monte-Carlo multi-pas. Pour cela, il faut analyser l'erreur en loi stable du schéma entre deux niveaux de discrétisation successifs. Ben Alaya et Kebaier ont prouvé un tel résultat pour le schéma d'Euler. Lorsque les champs de vecteurs browniens commutent, le processus limite est nul. Nous montrons que dans ce cas précis, que l'ordre fort est $1$. Dans le chapitre 4, nous étudions la convergence en loi stable de l'erreur renormalisée $Nleft(X - X^{NV}right)$ où $X^{NV}$ est le schéma de Ninomiya-Victoir lorsque les champs de vecteurs browniens commutent. Nous démontrons la convergence du processus d'erreur renormalisé vers la solution d'une EDS affine. Lorsque le champ de vecteurs dritf ne commute pas avec au moins un des champs de vecteurs browniens, la vitesse de convergence forte obtenue précédemment est optimale


  • Résumé

    This thesis is dedicated to the study of the strong convergence properties of the Ninomiya-Victoir scheme, which is based on the resolution of $d+1$ ordinary differential equations (ODEs) at each time step, to approximate the solution to a stochastic differential equation (SDE), where $d$ is the dimension of the Brownian. This study is aimed at analysing the use of this scheme in a multilevel Monte Carlo estimator. Indeed, the optimal complexity of this method is driven by the order of convergence to zero of the variance between the two schemes used on the coarse and fine grids at each level, which is related to the strong convergence order between the two schemes. In the second chapter, we prove strong convergence with order $1/2$ of the Ninomiya-Victoir scheme $X^{NV,eta}$, with time step $T/N$, to the solution $X$ of the limiting SDE. Recently, Giles and Szpruch proposed a modified Milstein scheme and its antithetic version, based on the swapping of each successive pair of Brownian increments in the scheme, permitting to construct a multilevel Monte Carlo estimator achieving the optimal complexity $Oleft(epsilon^{-2}right)$ for the precision $epsilon$, as in a simple Monte Carlo method with independent and identically distributed unbiased random variables. In the same spirit, we propose a modified Ninomiya-Victoir scheme, which may be strongly coupled with order $1$ to the Giles-Szpruch scheme at the finest level of a multilevel Monte Carlo estimator. This idea is inspired by Debrabant and R"ossler who suggest to use a scheme with high order of weak convergence on the finest grid at the finest level of the multilevel Monte Carlo method. As the optimal number of discretization levels is related to the weak order of the scheme used in the finest grid at the finest level, Debrabant and R"ossler manage to reduce the computational time, by decreasing the number of discretization levels. The coupling with the Giles-Szpruch scheme allows us to combine both ideas. By this way, we preserve the optimal complexity $Oleft(epsilon^{-2}right)$ and we reduce the computational time, since the Ninomiya-Victoir scheme is known to exhibit weak convergence with order 2. In the third chapter, we check that the normalized error defined by $sqrt{N}left(X - X^{NV,eta}right)$ converges to an affine SDE with source terms involving the Lie brackets between the Brownian vector fields. This result ensures that the strong convergence rate is actually $1/2$ when at least two Brownian vector fields do not commute. To link this result to the multilevel Monte Carlo estimator, it can be seen as a first step to adapt to the Ninomiya-Victoir scheme the central limit theorem of Lindeberg Feller type, derived recently by Ben Alaya and Kebaier for the multilevel Monte Carlo estimator based on the Euler scheme. When the Brownian vector fields commute, the limit vanishes. We then prove strong convergence with order $1$ in this case. The fourth chapter deals with the convergence of the normalized error process $Nleft(X - X^{NV}right)$, where $X^{NV}$ is the Ninomiya-Victoir in the commutative case. We prove its stable convergence in law to an affine SDE with source terms involving the Lie brackets between the Brownian vector fields and the drift vector field. This result ensures that the strong convergence rate is actually $1$ when the Brownian vector fields commute, but at least one of them does not commute with the Stratonovich drift vector field


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