UST02Y.java

package org.drip.sample.treasuryfutures;

import java.util.Map;

import org.drip.analytics.date.*;
import org.drip.analytics.daycount.Convention;
import org.drip.analytics.output.BondRVMeasures;
import org.drip.numerical.common.FormatUtil;
import org.drip.param.creator.MarketParamsBuilder;
import org.drip.param.market.CurveSurfaceQuoteContainer;
import org.drip.param.quote.*;
import org.drip.param.valuation.*;
import org.drip.product.credit.*;
import org.drip.product.definition.*;
import org.drip.product.govvie.TreasuryFutures;
import org.drip.service.env.EnvManager;
import org.drip.service.template.*;
import org.drip.state.creator.ScenarioRepoCurveBuilder;
import org.drip.state.discount.MergedDiscountForwardCurve;
import org.drip.state.govvie.GovvieCurve;

/*
 * -*- mode: java; tab-width: 4; indent-tabs-mode: nil; c-basic-offset: 4 -*-
 */

/*!
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 * Copyright (C) 2017 Lakshmi Krishnamurthy
 * Copyright (C) 2016 Lakshmi Krishnamurthy
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 *  DRIP is composed of four main libraries:
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 *  - DRIP Fixed Income - https://lakshmidrip.github.io/DRIP-Fixed-Income/
 *  - DRIP Asset Allocation - https://lakshmidrip.github.io/DRIP-Asset-Allocation/
 *  - DRIP Numerical Optimizer - https://lakshmidrip.github.io/DRIP-Numerical-Optimizer/
 *  - DRIP Statistical Learning - https://lakshmidrip.github.io/DRIP-Statistical-Learning/
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 *  - DRIP Fixed Income: Library for Instrument/Trading Conventions, Treasury Futures/Options,
 *      Funding/Forward/Overnight Curves, Multi-Curve Construction/Valuation, Collateral Valuation and XVA
 *      Metric Generation, Calibration and Hedge Attributions, Statistical Curve Construction, Bond RV
 *      Metrics, Stochastic Evolution and Option Pricing, Interest Rate Dynamics and Option Pricing, LMM
 *      Extensions/Calibrations/Greeks, Algorithmic Differentiation, and Asset Backed Models and Analytics.
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 *  - DRIP Asset Allocation: Library for model libraries for MPT framework, Black Litterman Strategy
 *      Incorporator, Holdings Constraint, and Transaction Costs.
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 *  - DRIP Numerical Optimizer: Library for Numerical Optimization and Spline Functionality.
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 *  - DRIP Statistical Learning: Library for Statistical Evaluation and Machine Learning.
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 */

/**
 * UST02Y demonstrates the Details behind the Implementation and the Pricing of the 2Y TU1 UST Futures
 *  Contract.
 *
 * @author Lakshmi Krishnamurthy
 */

public class UST02Y {

    private static final MergedDiscountForwardCurve FundingCurve (
        final JulianDate dtSpot,
        final String strCurrency)
        throws Exception
    {
        String[] astrDepositMaturityTenor = new String[] {
            "2D",
            "1W",
            "1M",
            "2M",
            "3M"
        };

        double[] adblDepositQuote = new double[] {
            0.00195, // 2D
            0.00176, // 1W
            0.00301, // 1M
            0.00401, // 2M
            0.00492  // 3M
        };

        double[] adblFuturesQuote = new double[] {
            0.00609,
            0.00687
        };

        String[] astrFixFloatMaturityTenor = new String[] {
            "01Y",
            "02Y",
            "03Y",
            "04Y",
            "05Y",
            "06Y",
            "07Y",
            "08Y",
            "09Y",
            "10Y",
            "11Y",
            "12Y",
            "15Y",
            "20Y",
            "25Y",
            "30Y",
            "40Y",
            "50Y"
        };

        double[] adblFixFloatQuote = new double[] {
            0.00762, //  1Y
            0.01055, //  2Y
            0.01300, //  3Y
            0.01495, //  4Y
            0.01651, //  5Y
            0.01787, //  6Y
            0.01904, //  7Y
            0.02005, //  8Y
            0.02090, //  9Y
            0.02166, // 10Y
            0.02231, // 11Y
            0.02289, // 12Y
            0.02414, // 15Y
            0.02570, // 20Y
            0.02594, // 25Y
            0.02627, // 30Y
            0.02648, // 40Y
            0.02632  // 50Y
        };

        MergedDiscountForwardCurve dcFunding = LatentMarketStateBuilder.SmoothFundingCurve (
            dtSpot,
            strCurrency,
            astrDepositMaturityTenor,
            adblDepositQuote,
            "ForwardRate",
            adblFuturesQuote,
            "ForwardRate",
            astrFixFloatMaturityTenor,
            adblFixFloatQuote,
            "SwapRate"
        );

        Component[] aDepositComp = OTCInstrumentBuilder.FundingDeposit (
            dtSpot,
            strCurrency,
            astrDepositMaturityTenor
        );

        Component[] aFuturesComp = ExchangeInstrumentBuilder.ForwardRateFuturesPack (
            dtSpot,
            adblFuturesQuote.length,
            strCurrency
        );

        Component[] aFixFloatComp = OTCInstrumentBuilder.FixFloatStandard (
            dtSpot,
            strCurrency,
            "ALL",
            astrFixFloatMaturityTenor,
            "MAIN",
            0.
        );

        ValuationParams valParams = new ValuationParams (
            dtSpot,
            dtSpot,
            strCurrency
        );

        CurveSurfaceQuoteContainer csqc = MarketParamsBuilder.Create (
            dcFunding,
            null,
            null,
            null,
            null,
            null,
            null
        );

        System.out.println ("\n\n\t|------------------------------------||");

        System.out.println ("\t|       DEPOSIT INPUT vs. CALC       ||");

        System.out.println ("\t|------------------------------------||");

        for (int i = 0; i < aDepositComp.length; ++i)
            System.out.println ("\t| [" + aDepositComp[i].maturityDate() + "] =" +
                FormatUtil.FormatDouble (aDepositComp[i].measureValue (
                    valParams,
                    null,
                    csqc,
                    null,
                    "ForwardRate"
                ), 1, 6, 1.) + " |" +
                FormatUtil.FormatDouble (adblDepositQuote[i], 1, 6, 1.) + " ||"
            );

        System.out.println ("\t|------------------------------------||");

        System.out.println ("\n\t|------------------------------------||");

        System.out.println ("\t|       FUTURES INPUT vs. CALC       ||");

        System.out.println ("\t|------------------------------------||");

        for (int i = 0; i < aFuturesComp.length; ++i)
            System.out.println ("\t| [" + aFuturesComp[i].maturityDate() + "] =" +
                FormatUtil.FormatDouble (aFuturesComp[i].measureValue (
                    valParams,
                    null,
                    csqc,
                    null,
                    "ForwardRate"
                ), 1, 6, 1.) + " |" +
                FormatUtil.FormatDouble (adblFuturesQuote[i], 1, 6, 1.) + " ||"
            );

        System.out.println ("\t|------------------------------------||");

        System.out.println ("\n\t|-----------------------------------------------|| ");

        System.out.println ("\t|         FIX-FLOAT INPUTS vs CALIB             ||");

        System.out.println ("\t|-----------------------------------------------|| ");

        for (int i = 0; i < aFixFloatComp.length; ++i)
            System.out.println ("\t| [" + aFixFloatComp[i].maturityDate() + "] =" +
                FormatUtil.FormatDouble (aFixFloatComp[i].measureValue (
                    valParams,
                    null,
                    csqc,
                    null,
                    "CalibSwapRate"
                ), 1, 6, 1.) + " |" +
                FormatUtil.FormatDouble (adblFixFloatQuote[i], 1, 6, 1.) + " |" +
                FormatUtil.FormatDouble (aFixFloatComp[i].measureValue (
                    valParams,
                    null,
                    csqc,
                    null,
                    "FairPremium"
                ), 1, 6, 1.) + " ||"
            );

        System.out.println ("\t|-----------------------------------------------|| \n");

        return dcFunding;
    }

    private static final void OnTheRunQuote (
        final CurveSurfaceQuoteContainer csqc,
        final String[] astrOnTheRunCode,
        final double[] adblYield)
        throws Exception
    {
        for (int i = 0; i < astrOnTheRunCode.length; ++i) {
            ProductMultiMeasure pmmq = new ProductMultiMeasure();

            pmmq.addQuote (
                "Yield",
                new MultiSided (
                    "mid",
                    adblYield[i]
                ),
                true
            );

            csqc.setProductQuote (
                astrOnTheRunCode[i],
                pmmq
            );
        }
    }

    private static final void FuturesQuote (
        final CurveSurfaceQuoteContainer csqc,
        final TreasuryFutures bf,
        final double dblFuturesPrice)
        throws Exception
    {
        ProductMultiMeasure pmmq = new ProductMultiMeasure();

        pmmq.addQuote (
            "Price",
            new MultiSided (
                "mid",
                dblFuturesPrice
            ),
            true
        );

        csqc.setProductQuote (
            bf.name(),
            pmmq
        );
    }

    private static final void RepoCurves (
        final JulianDate dtSpot,
        final CurveSurfaceQuoteContainer csqc,
        final Bond[] aBond,
        final double[] adblRepoRate)
        throws Exception
    {
        for (int i = 0; i < aBond.length; ++i) {
            csqc.setRepoState (
                ScenarioRepoCurveBuilder.FlatRateRepoCurve (
                    dtSpot,
                    aBond[i],
                    adblRepoRate[i]
                )
            );
        }
    }

    private static final GovvieCurve TreasuryCurve (
        final JulianDate dtSpot,
        final String strCode,
        final double[] adblCoupon,
        final double[] adblYield)
        throws Exception
    {
        JulianDate[] adtEffective = new JulianDate[] {
            dtSpot,
            dtSpot,
            dtSpot,
            dtSpot,
            dtSpot,
            dtSpot,
            dtSpot
        };

        JulianDate[] adtMaturity = new JulianDate[] {
            dtSpot.addTenor ("1Y"),
            dtSpot.addTenor ("2Y"),
            dtSpot.addTenor ("3Y"),
            dtSpot.addTenor ("5Y"),
            dtSpot.addTenor ("7Y"),
            dtSpot.addTenor ("10Y"),
            dtSpot.addTenor ("30Y")
        };

        GovvieCurve gc = LatentMarketStateBuilder.ShapePreservingGovvieCurve (
            strCode,
            dtSpot,
            adtEffective,
            adtMaturity,
            adblCoupon,
            adblYield,
            "Yield"
        );

        BondComponent[] aComp = TreasuryBuilder.FromCode (
            strCode,
            adtEffective,
            adtMaturity,
            adblCoupon
        );

        ValuationParams valParams = new ValuationParams (
            dtSpot,
            dtSpot,
            "USD"
        );

        CurveSurfaceQuoteContainer csqc = new CurveSurfaceQuoteContainer();

        csqc.setGovvieState (gc);

        System.out.println ("\n\t|--------------------------------------------||");

        System.out.println ("\t|       TREASURY INPUT vs CALIB YIELD        ||");

        System.out.println ("\t|--------------------------------------------||");

        for (int i = 0; i < aComp.length; ++i)
            System.out.println ("\t| " + aComp[i].name() + " | " +
                FormatUtil.FormatDouble (adblYield[i], 2, 2, 100.) + "% | " +
                FormatUtil.FormatDouble (aComp[i].yieldFromPrice (
                    valParams,
                    null,
                    null,
                    aComp[i].maturityDate().julian(),
                    1.,
                    aComp[i].priceFromYield (
                        valParams,
                        null,
                        null,
                        gc.yield (aComp[i].maturityDate().julian())
                    )
                ), 2, 2, 100.) + "% ||"
            );

        System.out.println ("\t|--------------------------------------------||");

        return gc;
    }

    private static final void AccumulateBondMarketQuote (
        final CurveSurfaceQuoteContainer csqc,
        final Bond[] aBond,
        final double[] adblCleanPrice)
        throws Exception
    {
        for (int i = 0; i < aBond.length; ++i) {
            ProductMultiMeasure pmmq = new ProductMultiMeasure();

            pmmq.addQuote (
                "Price",
                new MultiSided (
                    "mid",
                    adblCleanPrice[i]
                ),
                true
            );

            csqc.setProductQuote (
                aBond[i].name(),
                pmmq
            );
        }
    }

    /*
     * Print the Bond RV Measures
     * 
     *      USE WITH CARE: This sample ignores errors and does not handle exceptions.
     */

    private static final boolean PrintRVMeasures (
        final String strPrefix,
        final BondRVMeasures rv)
        throws Exception
    {
        if (null == rv) return false;

        System.out.println (strPrefix + "ASW               : " + FormatUtil.FormatDouble (rv.asw(), 2, 0, 10000.));

        System.out.println (strPrefix + "Bond Basis        : " + FormatUtil.FormatDouble (rv.bondBasis(), 2, 0, 10000.));

        System.out.println (strPrefix + "Convexity         : " + FormatUtil.FormatDouble (rv.convexity(), 1, 4, 1000000.));

        System.out.println (strPrefix + "Discount Margin   : " + FormatUtil.FormatDouble (rv.discountMargin(), 2, 0, 10000.));

        System.out.println (strPrefix + "G Spread          : " + FormatUtil.FormatDouble (rv.gSpread(), 2, 0, 10000.));

        System.out.println (strPrefix + "I Spread          : " + FormatUtil.FormatDouble (rv.iSpread(), 2, 0, 10000.));

        System.out.println (strPrefix + "Macaulay Duration : " + FormatUtil.FormatDouble (rv.macaulayDuration(), 1, 4, 1.));

        System.out.println (strPrefix + "Modified Duration : " + FormatUtil.FormatDouble (rv.modifiedDuration(), 1, 4, 10000.));

        System.out.println (strPrefix + "Price             : " + FormatUtil.FormatDouble (rv.price(), 2, 4, 100.));

        System.out.println (strPrefix + "Workout Date      : " + new JulianDate (rv.wi().date()));

        System.out.println (strPrefix + "Workout Factor    : " + FormatUtil.FormatDouble (rv.wi().factor(), 2, 4, 1.));

        System.out.println (strPrefix + "Workout Type      : " + rv.wi().type());

        System.out.println (strPrefix + "Workout Yield     : " + FormatUtil.FormatDouble (rv.wi().yield(), 1, 4, 100.) + "%");

        System.out.println (strPrefix + "Yield01           : " + FormatUtil.FormatDouble (rv.yield01(), 1, 4, 10000.));

        System.out.println (strPrefix + "Yield Basis       : " + FormatUtil.FormatDouble (rv.bondBasis(), 2, 0, 10000.));

        System.out.println (strPrefix + "Yield Spread      : " + FormatUtil.FormatDouble (rv.bondBasis(), 2, 0, 10000.));

        System.out.println (strPrefix + "Z Spread          : " + FormatUtil.FormatDouble (rv.zSpread(), 2, 0, 10000.));

        return true;
    }

    private static final void BondRVMeasuresSample (
        final BondComponent bond,
        final JulianDate dtSpot,
        final CurveSurfaceQuoteContainer csqc,
        final double dblPrice)
        throws Exception
    {

        ValuationParams valParams = ValuationParams.Spot (
            dtSpot,
            0,
            "",
            Convention.DATE_ROLL_ACTUAL
        );

        /*
         * Compute the work-out date given the price.
         */

        WorkoutInfo wi = bond.exerciseYieldFromPrice (
            valParams,
            csqc,
            null,
            dblPrice
        );

        /*
         * Compute the base RV measures to the work-out date.
         */

        org.drip.analytics.output.BondRVMeasures rvm = bond.standardMeasures (
            valParams,
            null,
            csqc,
            null,
            wi,
            dblPrice
        );

        System.out.println ("\t|---------------------------------------------||\n");

        PrintRVMeasures ("\t|\t", rvm);

        Map<String, Double> mapOutput = bond.value (
            valParams,
            null,
            csqc,
            null
        );

        System.out.println ("\t|---------------------------------------------||\n");

        System.out.println ("\n\t|--------------------------------------------------------------------------||");

        System.out.println ("\t|                  CTD Full Bond Measures                                  ||");

        System.out.println ("\t|--------------------------------------------------------------------------||");

        for (Map.Entry<String, Double> me : mapOutput.entrySet())
            System.out.println ("\t|\t" + me.getKey() + " => " + me.getValue());

        System.out.println ("\t|--------------------------------------------------------------------------||");
    }

    private static final void ComputeFuturesMeasures (
        final TreasuryFutures bf,
        final JulianDate dtSpot,
        final CurveSurfaceQuoteContainer csqc,
        final double[] adblCleanPrice)
        throws Exception
    {
        ValuationParams valParams = ValuationParams.Spot (
            dtSpot,
            0,
            "",
            Convention.DATE_ROLL_ACTUAL
        );

        AccumulateBondMarketQuote (
            csqc,
            bf.basket(),
            adblCleanPrice
        );

        Map<String, Double> mapOutput = bf.value (
            valParams,
            null,
            csqc,
            null
        );

        System.out.println ("\n\t|--------------------------------------------------------------------------||");

        System.out.println ("\t|                  Bond Futures Measures                                   ||");

        System.out.println ("\t|--------------------------------------------------------------------------||");

        for (Map.Entry<String, Double> me : mapOutput.entrySet())
            System.out.println ("\t|\t" + me.getKey() + " => " + me.getValue());

        System.out.println ("\t|--------------------------------------------------------------------------||");
    }

    public static final void main (
        final String[] astrArgs)
        throws Exception
    {
        EnvManager.InitEnv ("");

        JulianDate dtSpot = DateUtil.CreateFromYMD (
            2015,
            DateUtil.NOVEMBER,
            18
        );

        String strCurrency = "USD";
        String strTreasuryCode = "UST";

        MergedDiscountForwardCurve dcFunding = FundingCurve (
            dtSpot,
            strCurrency
        );

        double[] adblTreasuryCoupon = new double[] {
            0.0100,
            0.0100,
            0.0125,
            0.0150,
            0.0200,
            0.0225,
            0.0300
        };

        double[] adblTreasuryYield = new double[] {
            0.00692,
            0.00945,
            0.01257,
            0.01678,
            0.02025,
            0.02235,
            0.02972
        };

        GovvieCurve gc = TreasuryCurve (
            dtSpot,
            strTreasuryCode,
            adblTreasuryCoupon,
            adblTreasuryYield
        );

        CurveSurfaceQuoteContainer csqc = MarketParamsBuilder.Create (
            dcFunding,
            null,
            null,
            null,
            null,
            null,
            null
        );

        csqc.setGovvieState (gc);

        OnTheRunQuote (
            csqc,
            new String[] {
                "01YON",
                "02YON",
                "03YON",
                "05YON",
                "07YON",
                "10YON",
                "30YON"
            },
            adblTreasuryYield
        );

        Bond ust912828UE = TreasuryBuilder.UST (
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2014,
                DateUtil.DECEMBER,
                31
            ),
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2017,
                DateUtil.DECEMBER,
                31
            ),
            0.00750
        );

        Bond ust912828G7 = TreasuryBuilder.UST (
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2014,
                DateUtil.DECEMBER,
                15
            ),
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2017,
                DateUtil.DECEMBER,
                15
            ),
            0.01000
        );

        Bond ust912828UA = TreasuryBuilder.UST (
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2014,
                DateUtil.NOVEMBER,
                30
            ),
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2017,
                DateUtil.NOVEMBER,
                30
            ),
            0.00625
        );

        Bond ust912828G2 = TreasuryBuilder.UST (
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2014,
                DateUtil.NOVEMBER,
                15
            ),
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2017,
                DateUtil.NOVEMBER,
                15
            ),
            0.00875
        );

        Bond ust912828TW = TreasuryBuilder.UST (
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2014,
                DateUtil.OCTOBER,
                31
            ),
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2017,
                DateUtil.OCTOBER,
                31
            ),
            0.00750
        );

        Bond ust912828F5 = TreasuryBuilder.UST (
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2014,
                DateUtil.OCTOBER,
                15
            ),
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2017,
                DateUtil.OCTOBER,
                17
            ),
            0.00875
        );

        Bond ust912828TS = TreasuryBuilder.UST (
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2014,
                DateUtil.SEPTEMBER,
                30
            ),
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2017,
                DateUtil.SEPTEMBER,
                30
            ),
            0.00625
        );

        Bond ust912828D9 = TreasuryBuilder.UST (
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2014,
                DateUtil.SEPTEMBER,
                15
            ),
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2017,
                DateUtil.SEPTEMBER,
                15
            ),
            0.01000
        );

        Bond[] aBond = new Bond[] {
            ust912828UE,
            ust912828G7,
            ust912828UA,
            ust912828G2,
            ust912828TW,
            ust912828F5,
            ust912828TS,
            ust912828D9
        };

        double dblContractSize = 200000.;
        double dblFuturesPrice = 1.0808594;

        TreasuryFutures tu1 = new TreasuryFutures (
            aBond,
            new double[] {
                0.9024, // 912828UE
                0.9071, // 912828G7
                0.9040, // 912828UA
                0.9085, // 912828G2
                0.9101, // 912828TW
                0.9122, // 912828F5
                0.9119, // 912828TS
                0.9181, // 912828D9
            },
            null
        );

        double[] adblRepoRate = new double[] {
             0.00800,
             0.00825,
             0.00850,
             0.00875,
             0.00900,
             0.00925,
             0.00950,
             0.01000
        };

        RepoCurves (
            dtSpot,
            csqc,
            aBond,
            adblRepoRate
        );

        tu1.setExpiry (
            DateUtil.CreateFromYMD (
                2016,
                DateUtil.FEBRUARY,
                15
            )
        );

        double[] adblCleanPrice = new double[] {
             0.9956250,
             1.0009375,
             0.9937500,
             0.9990625,
             0.9975000,
             1.0000000,
             0.9953125,
             1.0025000
        };

        FuturesQuote (
            csqc,
            tu1,
            dblFuturesPrice
        );

        Bond bondCTD = tu1.cheapestToDeliverYield (
            dtSpot.julian(),
            adblCleanPrice
        ).bond();

        System.out.println ("\n\t|---------------------------------------------||");

        System.out.println ("\t|                                             ||");

        System.out.println ("\t|       Bond #1: " + ust912828UE.name() + "       ||");

        System.out.println ("\t|       Bond #2: " + ust912828G7.name() + "       ||");

        System.out.println ("\t|       Bond #3: " + ust912828UA.name() + "       ||");

        System.out.println ("\t|       Bond #4: " + ust912828G2.name() + "       ||");

        System.out.println ("\t|       Bond #5: " + ust912828TW.name() + "       ||");

        System.out.println ("\t|       Bond #6: " + ust912828F5.name() + "       ||");

        System.out.println ("\t|       Bond #7: " + ust912828TS.name() + "       ||");

        System.out.println ("\t|       Bond #8: " + ust912828D9.name() + "       ||");

        System.out.println ("\t|                                             ||");

        System.out.println ("\t|---------------------------------------------||");

        System.out.println ("\t| Cheapest to Deliver: " + bondCTD.name() + " ||");

        BondRVMeasuresSample (
            (BondComponent) bondCTD,
            dtSpot,
            csqc,
            1.0025000
        );

        ComputeFuturesMeasures (
            tu1,
            dtSpot,
            csqc,
            adblCleanPrice
        );

        System.out.println ("\n\t|---------------------------------------------||");

        System.out.println ("\t|      Futures Price  : " + FormatUtil.FormatDouble (dblFuturesPrice, 2, 5, 100.) + "            ||");

        System.out.println ("\t|      Contract Size  : " + FormatUtil.FormatDouble (dblContractSize, 1, 2, 1.) + "            ||");

        System.out.println ("\t|      Contract Value : " + FormatUtil.FormatDouble (dblContractSize * dblFuturesPrice, 1, 2, 1.) + "            ||");

        System.out.println ("\t|---------------------------------------------||\n");
    }
}