Simulation ofan SPDE Model
for a Credit Basket
Christoph ReisingerJoint work with N. Bush, B. Hambly, H. Haworth
MCFG, Mathematical Institute, Oxford University
C. Reisinger – p.1
Outline
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Introduction, structural models of credit
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Example: Credit default swap spreads
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
A general multi-factor model
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Large basket limit and CDO pricing
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Numerical simulation of the SPDE
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Calibration and pricing examples
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Improvements, extensions
C. Reisinger – p.2
Framework
Limit
Results
Extensions
Structural setup
As in Merton (1974), and Black and Cox (1976),
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
At the company’s asset value, governed by
dAt
At= µdt + σ dWt
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
µ the mean return, σ the volatility, W a standard Brownianmotion
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
denoting the default threshold barrier by b, say constant, definethe distance to default, Xt, as
Xt =1
σ( logAt − logb ) .
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Merton: company defaults if XT < 0
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Black/Cox: default time τ is given by the first time Xt hits 0
C. Reisinger – p.3
Framework
Limit
Results
Extensions
Default probabilities
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
By first exit time theory, the probability of survival to T is
Q(T ≤ τ |Xt) = Q(Xs ≥ 0, t ≤ s ≤ T |Xt)
= H(Xt, T − t),
where
H(x, s) = Φ
(
x + ms√s
)
− e−2mxΦ
(
−x + ms√s
)
.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Φ the standard Gaussian CDF, m the risk-neutral drift of Xs
C. Reisinger – p.4
Framework
Limit
Results
Extensions
More companies
Consider firm values, for i = 1, . . . , N (risk-neutral measure),
dAit = (rf − qi)A
it dt + σiA
it dWi(t)
where
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
rf risk-free rate
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
qi dividend yields
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
σi volatilities
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Wi(t) Brownian motions and
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
cov(Wi(t), Wj(t)) = ρijt.
C. Reisinger – p.5
Framework
Limit
Results
Extensions
More companies
Consider firm values, for i = 1, . . . , N (risk-neutral measure),
dAit = (rf − qi)A
it dt + σiA
it dWi(t)
where
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
rf risk-free rate
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
qi dividend yields
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
σi volatilities
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Wi(t) Brownian motions and
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
cov(Wi(t), Wj(t)) = ρijt.
We assume that each company has an exponential default barrier,
bi(t) = Kie−γi(T−t)
for constants Ki, γi. T represents the maturity of the product.
C. Reisinger – p.5
Framework
Limit
Results
Extensions
Transformation
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Setting
Xit = ln
(
Ait
Ai0
e−γit
)
= αit + σiWi(t)
with αi = rf − qi − γi − 12σ2
i , leads to a Brownian motion with
drift and constant barrier Bi = ln(
bi(0)Ai
0
)
≤ 0, Xi0 = 0.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
C. Reisinger – p.6
Framework
Limit
Results
Extensions
Transformation
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Setting
Xit = ln
(
Ait
Ai0
e−γit
)
= αit + σiWi(t)
with αi = rf − qi − γi − 12σ2
i , leads to a Brownian motion with
drift and constant barrier Bi = ln(
bi(0)Ai
0
)
≤ 0, Xi0 = 0.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Defining the running minimum
Xit = min
0≤s≤tXi
s,
and default time, τi, as the first hitting time of the defaultbarrier,
τ i = inf{t : Xit = Bi},
the survival probability is then
Q(τ i > s) = Q(Xis ≥ Bi).
C. Reisinger – p.6
Framework
Limit
Results
Extensions
2D case
For two firms, this problem is ‘analytically’ tractable, e. g.
Q(t) = Q(X1t ≥ B1, X
2t ≥ B2)
=2
βtea1B1+a2B2+bt
∞∑
n=1
e−r2
0/2t sin
(
nπθ0
β
)∫ β
0
sin
(
nπθ
β
)
gn(θ) dθ
where
gn(θ) =
∫ ∞
0
re−r2/2teA(θ)rI( nπβ
)
(rr0
t
)
dr
a1 =α1σ2 − ρα2σ1
(1 − ρ2)σ21σ2
, a2 =α2σ1 − ρα1σ2
(1 − ρ2)σ1σ22
b = −α1a1 − α2a2 +1
2σ2
1a21 + ρσ1σ2a1a2 +
1
2σ2
2a22
tanβ = −√
1 − ρ2
ρ, β ∈ [0, π]
etc, and I( nπβ
)
(
rr0
t
)
is a modified Bessel’s function.C. Reisinger – p.7
Framework
Limit
Results
Extensions
CDS spread calculation
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The buyer of a kth-to-default credit default swap (CDS) on abasket of n companies pays a premium, the CDS spread, forthe life of the CDS – until maturity or the kth default.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
In the event of default by the kth underlying referencecompany, the buyer receives a default payment and thecontract terminates.
C. Reisinger – p.8
Framework
Limit
Results
Extensions
CDS spread calculation
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The buyer of a kth-to-default credit default swap (CDS) on abasket of n companies pays a premium, the CDS spread, forthe life of the CDS – until maturity or the kth default.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
In the event of default by the kth underlying referencecompany, the buyer receives a default payment and thecontract terminates.
Equating discounted spread payment and discounted defaultpayment,
DSP = cK
∫ T
0
e−rf sQ(τk > s) ds
DDP = (1 − R)K
∫ T
0
e−rf sQ(s ≤ τk ≤ s + ds)
gives the market kth-to-default CDS spread, ck, as
ck =(1 − R)
{
1 − e−rf T Q(τk > T ) −∫ T
0rfe−rf sQ(τk > s) ds
}
∫ T
0e−rf sQ(τk > s) ds
.
C. Reisinger – p.8
Framework
Limit
Results
Extensions
Varying T
First-to-default CDS, varying T
−1 −0.5 0 0.5 10
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Correlation
Spr
ead
1 year2 years3 years4 years5 years
Second-to-default CDS, varying T
−1 −0.5 0 0.5 1−0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Correlation
Spr
ead
1 year2 years3 years4 years5 years
σ1 = σ2 = 0.2, K1 = 100, rf = 0.05, q1 = q2 = 0,
γ1 = γ2 = 0.03, initial distance-to-default = 2, R = 0.5
C. Reisinger – p.9
Framework
Limit
Results
Extensions
Varying σ
First-to-default CDS, varying σ
−1 −0.5 0 0.5 10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Correlation
Spr
ead
σi=0.1
σi=0.15
σi=0.2
σi=0.25
σi=0.3
Second-to-default CDS, varying σ
−1 −0.5 0 0.5 1−0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Correlation
Spr
ead
σi=0.1
σi=0.15
σi=0.2
σi=0.25
σi=0.3
K1 = 100, rf = 0.05, q1 = q2 = 0, R = 0.5
γ1 = γ2 = 0.03, initial distance to default = 2, T = 5
C. Reisinger – p.10
Framework
Limit
Results
Extensions
Portfolio model
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Consider a portfolio of N different companies.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Denoting the companies’ asset values at time t by Ait, we
assume that under the risk neutral measure they follow adiffusion process given by
dAit = µ(t, Ai
t) dt + σ(t, Ait) dW i
t +
m∑
j=1
σij(t, Ait) dM j
t ,
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
W it and M j
t are Brownian motions satisfying
d⟨
W it , M
jt
⟩
= 0 ∀i, j
and
d⟨
W it , W
jt
⟩
= d⟨
M it , M j
t
⟩
= δij dt.
C. Reisinger – p.11
Framework
Limit
Results
Extensions
Numerical PDE solution
Solve Kolmogorov equation numerically?
Isotropic grid for N = 2 directions (firms):
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
C. Reisinger – p.12
Framework
Limit
Results
Extensions
Numerical PDE solution
Solve Kolmogorov equation numerically?
Isotropic grid for N = 2 directions (firms):
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
C. Reisinger – p.12
Framework
Limit
Results
Extensions
Numerical PDE solution
Solve Kolmogorov equation numerically?
Isotropic grid for N = 2 directions (firms):
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
C. Reisinger – p.12
Framework
Limit
Results
Extensions
Numerical PDE solution
Solve Kolmogorov equation numerically?
Isotropic grid for N = 2 directions (firms):
‘Curse of dimensionality’:
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
After n refinements, unknowns ∼ h−N ∼ 2nN
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Accuracy ǫ has complexity C(ǫ) ∼ ǫ−N/2 (for an order 2method)
→ exponential growth of required computational resourcesC. Reisinger – p.12
Framework
Limit
Results
Extensions
What is high dimensional?
Example, 30 firms: If each asset is represented by onlytwo states, the total number of variables is already
230
= 1 073 741 824.
C. Reisinger – p.13
Framework
Limit
Results
Extensions
What is high dimensional?
Example, 30 firms: If each asset is represented by onlytwo states, the total number of variables is already
230
= 1 073 741 824.
If we choose a reasonable number of points in each di-rection, say 32 = 25, the same total number is alreadyobtained for
dim = 6.
C. Reisinger – p.13
Framework
Limit
Results
Extensions
Sparse grids
Full grid, h−N points Sparse, h−1| log h|N−1
But: require too much smoothness and have ‘large constants’.
C. Reisinger – p.14
Framework
Limit
Results
Extensions
Correlation data (typical)1.00 0.62 0.65 0.59 0.33 0.61 0.57 0.66 0.01 0.28 0.61 0.38 0.60
0.62 1.00 0.77 0.74 0.45 0.74 0.59 0.76 0.21 0.34 0.64 0.27 0.72
0.65 0.77 1.00 0.73 0.54 0.77 0.57 0.83 0.10 0.44 0.69 0.33 0.68
0.59 0.74 0.73 1.00 0.43 0.68 0.51 0.70 0.25 0.40 0.56 0.30 0.66
0.33 0.45 0.54 0.43 1.00 0.51 0.42 0.54 0.37 0.27 0.59 0.46 0.44
0.61 0.74 0.77 0.68 0.51 1.00 0.62 0.75 0.31 0.38 0.66 0.28 0.83
0.57 0.59 0.57 0.51 0.42 0.62 1.00 0.46 0.11 0.26 0.51 0.14 0.69
0.66 0.76 0.83 0.70 0.54 0.75 0.46 1.00 0.20 0.33 0.68 0.46 0.65
0.01 0.21 0.10 0.25 0.37 0.31 0.11 0.20 1.00 0.17 0.31 0.23 0.21
0.28 0.34 0.44 0.40 0.27 0.38 0.26 0.33 0.17 1.00 0.02 0.09 0.23
0.61 0.64 0.69 0.56 0.59 0.66 0.51 0.68 0.31 0.02 1.00 0.42 0.64
0.38 0.27 0.33 0.30 0.46 0.28 0.14 0.46 0.23 0.09 0.42 1.00 0.19
0.60 0.72 0.68 0.66 0.44 0.83 0.69 0.65 0.21 0.23 0.64 0.19 1.00
0.55 0.52 0.63 0.63 0.51 0.50 0.35 0.63 0.34 0.23 0.59 0.35 0.44
0.39 0.67 0.66 0.58 0.55 0.57 0.37 0.64 0.21 0.36 0.51 0.27 0.59
0.51 0.57 0.55 0.62 0.30 0.40 0.64 0.49 0.03 0.12 0.52 0.16 0.52
0.59 0.69 0.75 0.61 0.53 0.75 0.62 0.73 0.15 0.21 0.71 0.41 0.70
0.65 0.82 0.8 0.89 0.49 0.73 0.51 0.76 0.25 0.47 0.64 0.31 0.72
0.34 0.63 0.52 0.56 0.42 0.6 0.33 0.62 0.19 0.1 0.47 0.18 0.71
0.3 0.41 0.4 0.42 0.23 0.42 0.27 0.41 0.03 0.41 0.12 0.15 0.3
C. Reisinger – p.15
Framework
Limit
Results
Extensions
Correlation data1.00 0.62 0.65 0.59 0.33 0.61 0.57 0.66 0.01 0.28 0.61 0.38 0.60
0.62 1.00 0.77 0.74 0.45 0.74 0.59 0.76 0.21 0.34 0.64 0.27 0.72
0.65 0.77 1.00 0.73 0.54 0.77 0.57 0.83 0.10 0.44 0.69 0.33 0.68
0.59 0.74 0.73 1.00 0.43 0.68 0.51 0.70 0.25 0.40 0.56 0.30 0.66
0.33 0.45 0.54 0.43 1.00 0.51 0.42 0.54 0.37 0.27 0.59 0.46 0.44
0.61 0.74 0.77 0.68 0.51 1.00 0.62 0.75 0.31 0.38 0.66 0.28 0.83
0.57 0.59 0.57 0.51 0.42 0.62 1.00 0.46 0.11 0.26 0.51 0.14 0.69
0.66 0.76 0.83 0.70 0.54 0.75 0.46 1.00 0.20 0.33 0.68 0.46 0.65
0.01 0.21 0.10 0.25 0.37 0.31 0.11 0.20 1.00 0.17 0.31 0.23 0.21
0.28 0.34 0.44 0.40 0.27 0.38 0.26 0.33 0.17 1.00 0.02 0.09 0.23
0.61 0.64 0.69 0.56 0.59 0.66 0.51 0.68 0.31 0.02 1.00 0.42 0.64
0.38 0.27 0.33 0.30 0.46 0.28 0.14 0.46 0.23 0.09 0.42 1.00 0.19
0.60 0.72 0.68 0.66 0.44 0.83 0.69 0.65 0.21 0.23 0.64 0.19 1.00
0.55 0.52 0.63 0.63 0.51 0.50 0.35 0.63 0.34 0.23 0.59 0.35 0.44
0.39 0.67 0.66 0.58 0.55 0.57 0.37 0.64 0.21 0.36 0.51 0.27 0.59
0.51 0.57 0.55 0.62 0.30 0.40 0.64 0.49 0.03 0.12 0.52 0.16 0.52
0.59 0.69 0.75 0.61 0.53 0.75 0.62 0.73 0.15 0.21 0.71 0.41 0.70
0.65 0.82 0.8 0.89 0.49 0.73 0.51 0.76 0.25 0.47 0.64 0.31 0.72
0.34 0.63 0.52 0.56 0.42 0.6 0.33 0.62 0.19 0.1 0.47 0.18 0.71
0.3 0.41 0.4 0.42 0.23 0.42 0.27 0.41 0.03 0.41 0.12 0.15 0.3
5 10 15 20 25 30
0.005
0.01
0.05
0.1
0.5
1
l
k
σ(Σ)λ1
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Spectral gap after λ1
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Exponential decay from λ2
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Asymptotic expansion? Not enough regularity.C. Reisinger – p.16
Framework
Limit
Results
Extensions
A different viewpoint
It is irrelevant which of the firms default. Assume interchangeable.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Let νN,t the empirical measure for the entire portfolio,
νN,t =1
N
N∑
i=1
δAit
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Let φ ∈ C∞c (R) and for measure νt write
〈φ, νt〉 =
∫
φ(x)νt(dx).
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Define a family of processes FN,φt by
FN,φt = 〈φ, νN,t〉 =
1
N
N∑
i=1
φ(Ait).
C. Reisinger – p.17
Framework
Limit
Results
Extensions
Evolution of measure
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Applying Ito’s lemma to FN,φt we have
FN,φt =
1
N
N∑
i=1
∫ t
0
φ′(Ais)
µ(s, Ais) dt + σ(s, Ai
s) dW is +
m∑
j=1
σij(s, Ais) dM j
s
+1
N
N∑
i=1
∫ t
0
1
2φ′′(Ai
s)
m∑
j=1
σ2ij + σ2
ds.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
We now assume that σij = σj for all i = 1, 2 . . . , then
FN,φt = FN,φ
0 +
∫ t
0
〈Aφ, νN,s〉 ds +
∫ t
0
m∑
j=1
〈σjφ′, νN,s〉 dM j
s +
+
∫ t
0
1
N
N∑
i=1
φ′(Ais) σ(s, Ai
s) dW is .
A = µ∂
∂x+
1
2σ̄2 ∂2
∂x2, σ̄2 =
m∑
j=1
σ2j + σ2,
C. Reisinger – p.18
Framework
Limit
Results
Extensions
Limiting equation
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The idiosyncratic component becomes deterministic in theinfinite dimensional limit, see also [Kurtz & Xiong, 1999].
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
As the market factors affect each company to the samedegree, we can write
FN,φt → Fφ
t = 〈φ, νt〉 as N → ∞,
with
dFφt = 〈Aφ, νt〉 dt +
m∑
j=1
〈σjφ′, νt〉 dM j
t .
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Alternatively, we can write this in integrated form as
〈φ, νt〉 = 〈φ, ν0〉 +
∫ t
0
〈Aφ, νs〉 ds +
m∑
j=1
∫ t
0
〈σjφ′, νs〉 dM j
s
C. Reisinger – p.19
Framework
Limit
Results
Extensions
Density
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Assume the measure νt to be absolutely continuous withrespect to the Lebesgue measure, to write νt(dx) = v(t, x)dx
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
In differential form,
dv = −µ∂v
∂xdt +
1
2σ̄2 ∂2v
∂x2dt −
m∑
j=1
∂
∂x(σj(t, x)v) dM j
t .
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
This is a stochastic PDE that describes the evolution of aninfinite portfolio of assets whose dynamics were given before.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
For solubility see [Krylov, 1994].
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Can now use this to approximate the loss distribution for aportfolio of fixed size N .
C. Reisinger – p.20
Framework
Limit
Results
Extensions
Simplification
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Assume asset processes are correlated via a single factor.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Specifically, let the SDEs for the asset processes be given by
dAit
Ait
= r dt +√
1 − ρσ dW it +
√ρσ dMt, Ai
0 = ai,
where ρ ∈ [0, 1), d⟨
W it , Mt
⟩
= 0.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The distance-to-default
Xit =
1
σ
(
log Ait − log Bi
t
)
evolves according to
dXit = µdt +
√
1 − ρdW it +
√ρdMt, Xi
0 = xi
with µ = 1σ
(
r − 12σ2)
and xi = 1σ
(
log ai − log Bi0
)
.
C. Reisinger – p.21
Framework
Limit
Results
Extensions
Portfoilio loss
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Constant coefficient SPDE for v.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The portfolio loss variable
LNt = (1 − R)
1
N
N∑
i=1
1{τi≤t}
measures the losses at time t.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Assume that a fraction R of losses, 0 ≤ R ≤ 1, the recoveryrate, is recovered after default.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Absorbing barrier condition:
v(t, 0) = 0 for t ≥ 0.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The loss distribution is then
Lt = (1 − R)
(
1 −∫ ∞
0
v(t, x) dx
)
.
C. Reisinger – p.22
Framework
Limit
Results
Extensions
Properties
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Matching the initial conditions for both measures, we need
v(0, x) =1
N
N∑
i=1
δAi0
.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Given this initial condition,
L0 = N
(
1 − 1
N
N∑
i=1
∫ ∞
Bt
δAi0
)
= 0,
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Also,0 ≤ Lt ≤ 1, for t ≥ 0
Q(Ls ≥ K) ≤ Q(Lt ≥ K), for s ≤ t,
which ensure that there is no arbitrage in the loss distribution.
C. Reisinger – p.23
Framework
Limit
Results
Extensions
CDOs
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
CDOs slice up the losses into tranches, defined by theirattachment and detachment points.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Typical numbers are 0-3%, 3%-6%, 6%-9%, 9%-12%,12%-22%, 22%-100%.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
For an attachment point a and detachment point d > a, theoutstanding tranche notional
Xt = max(d − Lt, 0) − max(a − Lt, 0)
and tranche loss
Yt = (d − a) − Xt = max(Lt − a, 0) − max(Lt − d, 0)
determine the spread and default payments for that tranche.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Spreads are quoted as an annual payment, as a ratio of thenotional, but assumed to be paid quarterly. a
athere is a variation for the equity tranche, but we do not go into details.
C. Reisinger – p.24
Framework
Limit
Results
Extensions
Spread calculation
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Assume the notional to be 1, c the spread payment;
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
n the maximum number of payments up to expiry T ;
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Ti the payment dates for 1 ≤ i ≤ n, δ = 0.25 the intervalbetween payments.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The expected sum of discounted fee payments, referred to asthe fee leg, is given by
cV fee = cn∑
i=1
δe−rTiEQ[XTi],
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The protection leg is
V prot =
n∑
i=1
e−rTiEQ[XTi−1− XTi
].
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The fair spread payment is then given by s = V prot
V fee .C. Reisinger – p.25
Framework
Limit
Results
Extensions
Computation
Recall the SPDE
dv = − 1
σ
(
r − 1
2σ2
)
vx dt +1
2vxx dt −√
ρvx dMt, t > 0, x > 0
v(0, x) = v0(x), x > 0
v(t, 0) = 0 t ≥ 0
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Monte Carlo on top of a PDE solver computationally costly.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
For each simulated path of the market factor, a PDE needs tobe solved, e. g. by a finite difference method.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
From the PDE solution, quantities like tranche losses can becomputed,
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
then averaged over the simulated paths.
C. Reisinger – p.26
Framework
Limit
Results
Extensions
Discrete defaults
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
First make the assumption that defaults are only observed at adiscrete set of times,
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
taken quarterly to coincide with the payment dates,
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
i.e. if a firm’s value is below the default barrier on one of theobservation dates Ti, removed from the basket.
We therefore solve the modified SPDE problem
dv = − 1
σ
(
r − 1
2σ2
)
vx dt +1
2vxx dt −√
ρvx dMt, t ∈ (Tk, Tk+1),
v(0, x) = v0(x),
v(Tk, x) = 0 ∀x ≤ 0, 0 < k ≤ n
C. Reisinger – p.27
Framework
Limit
Results
Extensions
Lagrangian coordinate
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The boundary condition is not active in intervals (Tk, Tk+1).
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The Brownian driver only introduces a random shift.
The solution can therefore be written as
v(t, x) =
8
<
:
0 x ≤ 0 ∧ t ∈ {Tk, 1 ≤ i ≤ n}v(i)(t − Tk, x −√
ρ(Mt − MTk)) else if t ∈ (Tk, Tk+1], 0 ≤ k < n
where v(k) is the solution to the (deterministic) problem
v(k)t =
1
2(1 − ρ)v(k)
xx − 1
σ
(
r − 1
2σ2
)
v(k)x , t ∈ (0, τ) = (0, Tk+1 − Tk)
v(k)(0, x) = v(Tk, x)
assuming payment dates are equally spaced, τ = Tk+1 − Tk.
C. Reisinger – p.28
Framework
Limit
Results
Extensions
Algorithm
This suggests the following inductive strategy for k = 0, . . . , n − 1:
1. Start with v(0)(0, x) = v0(x).
2. Solve the PDE numerically in the interval (0, T1), to obtainv(0)(T1, x).
3. Simulate MT1, evaluate v(T1, x).
4. For k > 0, having computed v(Tk, x) in the previous step, usethis as initial condition for v(k), and repeat until k = n.
C. Reisinger – p.29
Framework
Limit
Results
Extensions
Finite differences
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The initial distribution is assumed localised.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Approximate the distribution by one with support [xmin, xmax]with xmin < 0 and xmax > 0.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Can ensure that the expected error of this approximation ismuch smaller than the standard error of the Monte Carloestimates.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Grid x0 = xmin, x1 = xmin + ∆x, . . . , xmin + j∆x, . . . , xJ =xmin + J∆x = xmax, where ∆x = (xmax − xmin)/J ,
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
timesteps t0 = 0, t1 = ∆t, . . . , tI = I∆t = τ , where ∆t = τ/I.
Define an approximation vij to v(ti, xj) as solution to a FD/FE
scheme with θ timestepping.
C. Reisinger – p.30
Framework
Limit
Results
Extensions
Stability
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Standard central differencing is second order accurate in ∆x.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The backward Euler scheme θ = 1 is of first order accurate (in∆t) and strongly stable.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The Crank-Nicolson scheme θ = 12 is of second order
accurate, and is unconditionally stable in the l2-norm.
We deal with initial conditions of the form
v(0, x) =1
N
N∑
i=1
δ(x − xi),
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Crank-Nicolson timestepping gives spurious oscillations forDirac initial conditions, and
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
reduces the convergence order for discontinuous intitialconditions.
C. Reisinger – p.31
Framework
Limit
Results
Extensions
Rannacher timestepping
Rannacher proposed the following modification:
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Replace first Crank-Nicolson steps with backward Euler steps.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Need to balance between accuracy and stability.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Analysis by Giles and Carter of the heat equation suggests toreplace the first two Crank-Nicolson steps by four backwardEuler steps of half the stepsize.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
We do this at t = 0, and also at t = Tk where the interfaceconditions introduce discontinuities at x = 0.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
This restores second order convergence in time.
C. Reisinger – p.32
Framework
Limit
Results
Extensions
Averaging
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The sum of δ-distributions needs approximation on the grid.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Could collect the firms into symmetric intervals of width ∆xaround grid points,
v0j =
1
N∆x
∫ xj+∆x/2
xj−∆x/2
δ(xi − x) dx,
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
however, this reduces the overall order of the finite differencescheme to 1:
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The approximation cannot distinguish between initial positionsxi in an interval of length ∆x.
C. Reisinger – p.33
Framework
Limit
Results
Extensions
Projection
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
To achieve higher (i. e. second) order, the δ’s are split betweenadjacent grid points. The correct weighting for a single firmwith distance-to-default xi in the interval [xj , xj+1), is
v0k =
∆x−2(xj+1 − xi) k = j
∆x−2(xi − xj) k = j + 1
0 else
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
This can be written more elegantly as L2-projection onto thebasis of ‘hat functions’ 〈Φk〉0≤k≤N where
Φk(x) =1
∆xmin (max(x − xk + ∆x), max(xk − x, 0)) ,
then v0k = 〈Φk, v0〉 =
∫ xmax
xmin
Φk(x)v0(x) dx.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Note that ∆x∑N
k=0 v0k = 1.
C. Reisinger – p.34
Framework
Limit
Results
Extensions
Interface condition
At t = Tk, we have to evaluate the grid function at shiftedarguments that do not normally coincide with the grid.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
First, define a piecewise linear reconstruction from theapproximation vI
k obtained in the last step over the previousinterval [Tk−1, Tk], as
v∆x(Tk, x) =
N∑
j=0
Φj(x − ∆M)vIj .
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Then, approximate the shift by setting
v0j =
∫ xj+∆x/2
max(xj−∆x/2,0)
v∆x(Tk, x) dx,
with ∆M = MTk− MTk−1
.
C. Reisinger – p.35
Framework
Limit
Results
Extensions
Interface condition
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Use this as initial condition for the next interval (the integral isunderstood to be 0 if the lower limit is larger than the upperlimit).
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
This ensures that
∆x
J∑
j=0
v0j =
∫ xmax
0
vh(Tk, x) dx,
so the cumulative density of firms with firm values greater than0 is preserved.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Also, the solution is smoothened at x = 0
C. Reisinger – p.36
Framework
Limit
Results
Extensions
Simulations
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
For a given realisation of the market factor, we canapproximate the loss functional LTk
at time Tk by
L∆xTk
= 1 −∫ xmax
0
v∆x(Tk, x) dx
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Explicitly include the dependency L∆xTk
(Φ), where Φi are drawnindependently from a standard normal distribution,
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Then for Nsims simulations with samples Φl = (Φlk)1≤k≤n,
1 ≤ l ≤ Nsims,
EQ[XTk] ≈ EQ[max(d − L∆x
Tk(Φ), 0) − max(a − L∆x
Tk(Φ), 0)]
≈ 1
Nsims
Nsims∑
l=1
(
max(d − L∆xTk
(Φl), 0) − max(a − L∆xTk
(Φl), 0))
C. Reisinger – p.37
Framework
Limit
Results
Extensions
Data
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
The simulation error has two components, the discretisationerror and the variance of the Monte Carlo estimate.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
For the following simulations we have used these data:
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
T = 5, r = 0.027, σ = 0.24, R = 0.7, ρ = 0.13.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Initial positions for individual firms, calibrated to their individualCDS spreads,
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
were well within the range [xmin, xmax] = [−10, 20].
C. Reisinger – p.38
Framework
Limit
Results
Extensions
Grid convergence
First consider the discretisation error in ∆t and ∆x.
101
102
103
104
10−6
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
100
J
ǫ J
100
101
102
103
10−8
10−7
10−6
10−5
10−4
10−3
I
ǫ I
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Extrapolation-based estimator for the discretisation error ofLTn
for increasing J (left) and I (right) for a single realisation ofthe path of the market factor.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
We clearly see second order convergence in ∆t and ∆x.
C. Reisinger – p.39
Framework
Limit
Results
Extensions
MC convergence
s [0, 3%] [3%, 6%] [6%, 9%] [9%, 12%] [12%, 22%] [22%, 100%]
1 6.2725e-03 2.0969e-02 2.61110e-02 2.95131e-02 1.000000e-01 7.8000000e-01
2 7.9104e-03 2.2701e-02 2.73422e-02 2.95842e-02 9.985866e-02 7.8000000e-01
3 7.385e-03 2.2685e-02 2.82221e-02 2.97561e-02 9.996077e-02 7.8000000e-01
4 7.6036e-03 2.2834e-02 2.80317e-02 2.95556e-02 9.987046e-02 7.8000000e-01
5 7.5088e-03 2.2772e-02 2.80370e-02 2.95103e-02 9.984416e-02 7.7999902e-01
6 7.4316e-03 2.2754e-02 2.80541e-02 2.94878e-02 9.982312e-02 7.7999919e-01
7 7.3909e-03 2.2683e-02 2.80568e-02 2.94938e-02 9.982567e-02 7.7999904e-01
8 7.4092e-03 2.2681e-02 2.80461e-02 2.94908e-02 9.982834e-02 7.7999870e-01
9 7.4051e-03 2.2676e-02 2.80520e-02 2.94934e-02 9.982809e-02 7.7999860e-01
10 7.4068e-03 2.2678e-02 2.80526e-02 2.94938e-02 9.982806e-02 7.7999866e-01
Monte Carlo estimates for expected outstanding tranche notionals forNsims = 64 ∗ 4s−1 Monte Carlo runs, s = 1, ..., 10. The finite difference parameterswere fixed at J = 256, I = 4.
C. Reisinger – p.40
Framework
Limit
Results
Extensions
MC convergence
2 4 6 8 10 12 140
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
log4 Nsims
EQ[X
Tn],
a=
0,b
=0.
03
2 4 6 8 10 12 140
1
2
3x 10
−4
log4 Nsims
EQ[X
Tn],
a=
0.06,b
=0.
09
2 4 6 8 10 12 140
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5x 10
−7
log4 Nsims
EQ[X
Tn],
a=
0.12,b
=0.
22
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Monte Carlo estimates with standard error bars
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
for expected losses in tranches [0, 3%], [6%, 9%], [12%, 22%]
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
for Nsims = 16 · 4k−1, k = 1, ..., 10, J = 256, I = 4.
C. Reisinger – p.41
Framework
Limit
Results
Extensions
Index spreads
The fixed coupons, traded spreads and model spreads for theiTraxx Main Series 10 index.
Maturity Date Fixed Coupon (bp) Traded Spread (bp) Model Spread (bp)
20/12/2011 30 21 19.6
20/12/2013 40 30 30.7
20/12/2016 50 41 41.0
February 22, 2007. Parameters used for the model spreads arer = 0.042, σ = 0.22, R = 0.4.
Maturity Date Fixed Coupon (bp) Traded Spread (bp) Model Spread (bp)
20/12/2013 120 215 207
20/12/2015 125 195 195
20/12/2018 130 175 176
December 5, 2008. Parameters used for the model spreads arer = 0.033, σ = 0.136, R = 0.4.
C. Reisinger – p.42
Framework
Limit
Results
Extensions
Implied correlation
Implied Correlation Skew for iTraxx Main Series 6 Tranches, Feb 22, 2007. Theimplied correlation for each tranche is the value of correlation that gives a modeltranche spread equal to the market tranche spread.
3% 6% 9% 12% 22% 100%0
10
20
30
40
50
60
70
Tranche Detachment Point
Impl
ied
Cor
rleat
ion
(%)
5 Year7 Year10 Year
Model parameters are r = 0.042, σ = 0.22, R = 0.4.
C. Reisinger – p.43
Framework
Limit
Results
Extensions
Results
5 Year
Tranche Market ρ = 0.3 ρ = 0.4 ρ = 0.5 ρ = 0.6 ρ = 0.7 ρ = 0.8 ρ
0%-3% 71.5 % 81.88 % 75.9 % 69.56 % 63.02 % 56.25 % 49.16 % 41.65
3%-6% 1576.3 2275.2 1978.5 1743.2 1546.8 1374.6 1222.8 1090.1
6%-9% 811.5 1273.1 1168.2 1079.7 1001.4 931.3 864.6 796.3
9%-12% 506.1 775.7 765.8 748.6 724.7 695.8 663.2 629.1
12%-22% 180.3 307.8 353.3 384.7 405.5 418.1 423.4 420.5
22%-100% 77.9 9.2 16.5 25 34.3 44.5 55.7 68.1
Model tranche spreads (bp) for varying values of the correlation parameter. Theequity tranches are quoted as an upfront assuming a 500bp running spread.
The model is calibrated to the iTraxx Main Series 10 index for Dec 5, 2008. Marketlevels shown are for this date; model parameters are r = 0.033, σ = 0.136, R = 0.4.
C. Reisinger – p.44
Framework
Limit
Results
Extensions
Results
7 Year
Tranche Market ρ = 0.3 ρ = 0.4 ρ = 0.5 ρ = 0.6 ρ = 0.7 ρ = 0.8 ρ
0%-3% 72.9 % 84.03 % 78.98 % 73.26 % 66.93 % 60 % 52.41 % 44.13
3%-6% 1473.2 2327.3 1985.7 1715.2 1493.4 1308 1147.8 1001.3
6%-9% 804.2 1344.2 1199 1085.2 988.2 900.7 820.9 747.9
9%-12% 512.4 855.4 808.4 765.3 725.3 684.8 643 600.4
12%-22% 182.6 375.4 401.7 417.6 425.6 427.4 423.1 411.8
22%-100% 75.8 14 22 30.6 39.6 49.3 59.7 71.2
Model tranche spreads (bp) for varying values of the correlation parameter. Theequity tranches are quoted as an upfront assuming a 500bp running spread.
The model is calibrated to the iTraxx Main Series 10 index for Dec 5, 2008. Marketlevels shown are for this date; model parameters are r = 0.033, σ = 0.136, R = 0.4.
C. Reisinger – p.45
Framework
Limit
Results
Extensions
Results
10 Year
Tranche Market ρ = 0.3 ρ = 0.4 ρ = 0.5 ρ = 0.6 ρ = 0.7 ρ = 0.8
0%-3% 73.8 % 85.13 % 80.57 % 74.99 % 68.51 % 61.31 % 53.31 %
3%-6% 1385.5 2270.8 1895.7 1611.1 1385.8 1195.3 1032
6%-9% 824.7 1332.2 1164.2 1033.7 925.5 833.5 749.8
9%-12% 526.1 870.8 798.8 740.7 689.3 640.5 592.1
12%-22% 174.1 406.1 414.9 417.5 415.6 409.8 400.2
22%-100% 76.3 18.3 26.1 34 42.1 50.6 59.7
Model tranche spreads (bp) for varying values of the correlation parameter. Theequity tranches are quoted as an upfront assuming a 500bp running spread.
The model is calibrated to the iTraxx Main Series 10 index for Dec 5, 2008. Marketlevels shown are for this date; model parameters are r = 0.033, σ = 0.136, R = 0.4.
C. Reisinger – p.46
Framework
Limit
Results
Extensions
Extensions
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Dynamic properties, forward starting CDOs, options ontranches,...
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Simulation of SPDEs driven by jumps, with Karolina Bujok.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Calibration, including jumps.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Analytic work by Hambly/Jin on jumps, contagion, granularity.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Continuous defaults, with Mike Giles, via Multi-Level MonteCarlo.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Convergence analysis through mean-square stability.
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Importance sampling for senior tranches, with Tom Dean.
C. Reisinger – p.47
Framework
Limit
Results
Extensions
Importance sampling
Using large deviations theory, see also [Glasserman et al, 1999,2007], preliminary observations:
without importance sampling
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
0.11
with importance sampling
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.045
0.05
0.055
0.06
0.065
0.07
0.075
0.08
Probability of more than 3% defaults occuring for 1000 × 2n Monte Carlo paths
C. Reisinger – p.48
Framework
Limit
Results
Extensions
Importance sampling
Using large deviations theory, see also [Glasserman et al, 1999,2007], preliminary observations:
without importance sampling
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8x 10
−3
with importance sampling
0 2 4 6 8 10 120.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8x 10
−3
Probability of more than 10% defaults occuring for 1000 × 2n Monte Carlo paths
C. Reisinger – p.48
Literature
References[Black & Cox(1976)] Black, F. & Cox, J. (1976) Valuing Corporate
Securities: Some Effects of Bond Indenture Provisions,J.Finance, 31, 351–367.
[Cameron & Martin(1947)] Cameron, R. H., & Martin, W. T. (1947)The Orthogonal Development of Non-Linear Functionals inSeries of Fourier-Hermite Functionals, Ann. Math, 48, 385-392.
[Giles & Carter(2006)] Giles, M. & Carter, R. (2006) Convergenceanalysis of Crank-Nicolson and Rannacher time-marching, J.Comp. Fin., 9(4), 89–112.
[Hambly & Jin (2008)] Hambly, B.M. & Jin, L. (2008) SPDEapproximations for large basket portfolio credit modelling, inpreparation.
[Haworth & Reisinger(2007)] Haworth, H., & Reisinger, C. (2007)Modelling Basket Credit Default Swaps with Default Contagion,J. Credit Risk, 3(4), 31–67.
[Hull & White(2001)] Hull, J., & White, A. (2001) Valuing CreditC. Reisinger – p.49