Quantifying and modeling financial market fluctuations

Die Entstehung eines Marktpreises für einen Vermögenswert kann als Superposition der einzelnen Aktionen der Marktteilnehmer aufgefasst werden, die damit kumulativ Angebot und Nachfrage erzeugen. Dies ist in der statistischen Physik mit der Entstehung makroskopischer Eigenschaften vergleichbar, die von mikroskopischen Wechselwirkungen zwischen den beteiligten Systemkomponenten hervorgerufen werden. Die Verteilung der Preisänderungen an Finanzmärkten unterscheidet sich deutlich von einer Gaußverteilung. Dies führt zu empirischen Besonderheiten des Preisprozesses, zu denen neben dem Skalierungsverhalten nicht-triviale Korrelationsfunktionen und zeitlich gehäufte Volatilität zählen. In der vorliegenden Arbeit liegt der Fokus auf der Analyse von Finanzmarktzeitreihen und den darin enthaltenen Korrelationen. Es wird ein neues Verfahren zur Quantifizierung von Muster-basierten komplexen Korrelationen einer Zeitreihe entwickelt. Mit dieser Methodik werden signifikante Anzeichen dafür gefunden, dass sich typische Verhaltensmuster von Finanzmarktteilnehmern auf kurzen Zeitskalen manifestieren, dass also die Reaktion auf einen gegebenen Preisverlauf nicht rein zufällig ist, sondern vielmehr ähnliche Preisverläufe auch ähnliche Reaktionen hervorrufen. Ausgehend von der Untersuchung der komplexen Korrelationen in Finanzmarktzeitreihen wird die Frage behandelt, welche Eigenschaften sich beim Wechsel von einem positiven Trend zu einem negativen Trend verändern. Eine empirische Quantifizierung mittels Reskalierung liefert das Resultat, dass unabhängig von der betrachteten Zeitskala neue Preisextrema mit einem Anstieg des Transaktionsvolumens und einer Reduktion der Zeitintervalle zwischen Transaktionen einhergehen. Diese Abhängigkeiten weisen Charakteristika auf, die man auch in anderen komplexen Systemen in der Natur und speziell in physikalischen Systemen vorfindet. Über 9 Größenordnungen in der Zeit sind diese Eigenschaften auch unabhängig vom analysierten Markt - Trends, die nur für Sekunden bestehen, zeigen die gleiche Charakteristik wie Trends auf Zeitskalen von Monaten. Dies eröffnet die Möglichkeit, mehr über Finanzmarktblasen und deren Zusammenbrüche zu lernen, da Trends auf kleinen Zeitskalen viel häufiger auftreten. Zusätzlich wird eine Monte Carlo-basierte Simulation des Finanzmarktes analysiert und erweitert, um die empirischen Eigenschaften zu reproduzieren und Einblicke in deren Ursachen zu erhalten, die zum einen in der Finanzmarktmikrostruktur und andererseits in der Risikoaversion der Handelsteilnehmer zu suchen sind. Für die rechenzeitintensiven Verfahren kann mittels Parallelisierung auf einer Graphikkartenarchitektur eine deutliche Rechenzeitreduktion erreicht werden. Um das weite Spektrum an Einsatzbereichen von Graphikkarten zu aufzuzeigen, wird auch ein Standardmodell der statistischen Physik - das Ising-Modell - auf die Graphikkarte mit signifikanten Laufzeitvorteilen portiert. Teilresultate der Arbeit sind publiziert in [PGPS07, PPS08, Pre11, PVPS09b, PVPS09a, PS09, PS10a, SBF+10, BVP10, Pre10, PS10b, PSS10, SBF+11, PB10].

The formation of market prices for financial assets can be understood as superposition of individual actions of market participants, in which they provide cumulative supply and demand. This concept of macroscopic properties emerging from microscopic interactions among the various subcomponents of the overall system is also well-known in statistical physics. The distribution of price changes in financial markets is clearly non-Gaussian leading to distinct features of the price process, such as scaling behavior, non-trivial correlation functions and clustered volatility. This thesis focuses on the analysis of financial time series and their correlations. A new method is introduced for quantifying pattern based correlations of a time series. With this methodology, evidence is found that typical behavioral patterns of financial market participants manifest over short time scales, i.e., that reactions to given price patterns are not entirely random, but that similar price patterns also cause similar reactions. Based on the investigation of the complex correlations in financial time series, the question arises, which properties change when switching from a positive trend to a negative trend. An empirical quantification by rescaling provides the result that new price extrema coincide with a significant increase in transaction volume and a significant decrease in the length of corresponding time intervals between transactions. These findings are independent of the time scale over 9 orders of magnitude, and they exhibit characteristics which one can also find in other complex systems in nature (and in physical systems in particular). These properties are independent of the markets analyzed. Trends that exist only for a few seconds show the same characteristics as trends on time scales of several months. Thus, it is possible to study financial bubbles and their collapses in more detail, because trend switching processes occur with higher frequency on small time scales. In addition, a Monte Carlo based simulation of financial markets is analyzed and extended in order to reproduce empirical features and to gain insight into their causes. These causes include both financial market microstructure and the risk aversion of market participants. The computationally expensive analysis procedures employed in these investigations are coded on a graphics card architecture which leads to a significant reduction of computing time. In order to demonstrate the wide range of possible applications, a standard model in statistical physics - the Ising model - is ported to graphics card architectures as well, resulting in large speedup values. Some of the results presented in this thesis have already been published in [PGPS07, PPS08, Pre11, PVPS09b, PVPS09a, PS09, PS10a, SBF+10, BVP10, Pre10, PS10b, PSS10, SBF+11, PB10].