Sequential Machine learning Approaches for Portfolio Management

Cette thèse envisage un ensemble de méthodes permettant aux algorithmes d'apprentissage statistique de mieux traiter la nature séquentielle des problèmes de gestion de portefeuilles financiers. Nous débutons par une considération du problème général de la composition d'algorithmes d'apprentissage devant gérer des tâches séquentielles, en particulier celui de la mise-à-jour efficace des ensembles d'apprentissage dans un cadre de validation séquentielle. Nous énumérons les desiderata que des primitives de composition doivent satisfaire, et faisons ressortir la difficulté de les atteindre de façon rigoureuse et efficace. Nous poursuivons en présentant un ensemble d'algorithmes qui atteignent ces objectifs et présentons une étude de cas d'un système complexe de prise de décision financière utilisant ces techniques. Nous décrivons ensuite une méthode générale permettant de transformer un problème de décision séquentielle non-Markovien en un problème d'apprentissage supervisé en employant un algorithme de recherche basé sur les K meilleurs chemins. Nous traitons d'une application en gestion de portefeuille où nous entraînons un algorithme d'apprentissage à optimiser directement un ratio de Sharpe (ou autre critère non-additif incorporant une aversion au risque). Nous illustrons l'approche par une étude expérimentale approfondie, proposant une architecture de réseaux de neurones spécialisée à la gestion de portefeuille et la comparant à plusieurs alternatives. Finalement, nous introduisons une représentation fonctionnelle de séries chronologiques permettant à des prévisions d'être effectuées sur un horizon variable, tout en utilisant un ensemble informationnel révélé de manière progressive. L'approche est basée sur l'utilisation des processus Gaussiens, lesquels fournissent une matrice de covariance complète entre tous les points pour lesquels une prévision est demandée. Cette information est utilisée à bon escient par un algorithme qui transige activement des écarts de cours (price spreads) entre des contrats à terme sur commodités. L'approche proposée produit, hors échantillon, un rendement ajusté pour le risque significatif, après frais de transactions, sur un portefeuille de 30 actifs.

Factor models, VARMA processes and parameter instability with applications in macroeconomics

Avec les avancements de la technologie de l'information, les données temporelles économiques et financières sont de plus en plus disponibles. Par contre, si les techniques standard de l'analyse des séries temporelles sont utilisées, une grande quantité d'information est accompagnée du problème de dimensionnalité. Puisque la majorité des séries d'intérêt sont hautement corrélées, leur dimension peut être réduite en utilisant l'analyse factorielle. Cette technique est de plus en plus populaire en sciences économiques depuis les années 90. Étant donnée la disponibilité des données et des avancements computationnels, plusieurs nouvelles questions se posent. Quels sont les effets et la transmission des chocs structurels dans un environnement riche en données? Est-ce que l'information contenue dans un grand ensemble d'indicateurs économiques peut aider à mieux identifier les chocs de politique monétaire, à l'égard des problèmes rencontrés dans les applications utilisant des modèles standards? Peut-on identifier les chocs financiers et mesurer leurs effets sur l'économie réelle? Peut-on améliorer la méthode factorielle existante et y incorporer une autre technique de réduction de dimension comme l'analyse VARMA? Est-ce que cela produit de meilleures prévisions des grands agrégats macroéconomiques et aide au niveau de l'analyse par fonctions de réponse impulsionnelles? Finalement, est-ce qu'on peut appliquer l'analyse factorielle au niveau des paramètres aléatoires? Par exemple, est-ce qu'il existe seulement un petit nombre de sources de l'instabilité temporelle des coefficients dans les modèles macroéconomiques empiriques? Ma thèse, en utilisant l'analyse factorielle structurelle et la modélisation VARMA, répond à ces questions à travers cinq articles. Les deux premiers chapitres étudient les effets des chocs monétaire et financier dans un environnement riche en données. Le troisième article propose une nouvelle méthode en combinant les modèles à facteurs et VARMA. Cette approche est appliquée dans le quatrième article pour mesurer les effets des chocs de crédit au Canada. La contribution du dernier chapitre est d'imposer la structure à facteurs sur les paramètres variant dans le temps et de montrer qu'il existe un petit nombre de sources de cette instabilité. Le premier article analyse la transmission de la politique monétaire au Canada en utilisant le modèle vectoriel autorégressif augmenté par facteurs (FAVAR). Les études antérieures basées sur les modèles VAR ont trouvé plusieurs anomalies empiriques suite à un choc de la politique monétaire. Nous estimons le modèle FAVAR en utilisant un grand nombre de séries macroéconomiques mensuelles et trimestrielles. Nous trouvons que l'information contenue dans les facteurs est importante pour bien identifier la transmission de la politique monétaire et elle aide à corriger les anomalies empiriques standards. Finalement, le cadre d'analyse FAVAR permet d'obtenir les fonctions de réponse impulsionnelles pour tous les indicateurs dans l'ensemble de données, produisant ainsi l'analyse la plus complète à ce jour des effets de la politique monétaire au Canada. Motivée par la dernière crise économique, la recherche sur le rôle du secteur financier a repris de l'importance. Dans le deuxième article nous examinons les effets et la propagation des chocs de crédit sur l'économie réelle en utilisant un grand ensemble d'indicateurs économiques et financiers dans le cadre d'un modèle à facteurs structurel. Nous trouvons qu'un choc de crédit augmente immédiatement les diffusions de crédit (credit spreads), diminue la valeur des bons de Trésor et cause une récession. Ces chocs ont un effet important sur des mesures d'activité réelle, indices de prix, indicateurs avancés et financiers. Contrairement aux autres études, notre procédure d'identification du choc structurel ne requiert pas de restrictions temporelles entre facteurs financiers et macroéconomiques. De plus, elle donne une interprétation des facteurs sans restreindre l'estimation de ceux-ci. Dans le troisième article nous étudions la relation entre les représentations VARMA et factorielle des processus vectoriels stochastiques, et proposons une nouvelle classe de modèles VARMA augmentés par facteurs (FAVARMA). Notre point de départ est de constater qu'en général les séries multivariées et facteurs associés ne peuvent simultanément suivre un processus VAR d'ordre fini. Nous montrons que le processus dynamique des facteurs, extraits comme combinaison linéaire des variables observées, est en général un VARMA et non pas un VAR comme c'est supposé ailleurs dans la littérature. Deuxièmement, nous montrons que même si les facteurs suivent un VAR d'ordre fini, cela implique une représentation VARMA pour les séries observées. Alors, nous proposons le cadre d'analyse FAVARMA combinant ces deux méthodes de réduction du nombre de paramètres. Le modèle est appliqué dans deux exercices de prévision en utilisant des données américaines et canadiennes de Boivin, Giannoni et Stevanovic (2010, 2009) respectivement. Les résultats montrent que la partie VARMA aide à mieux prévoir les importants agrégats macroéconomiques relativement aux modèles standards. Finalement, nous estimons les effets de choc monétaire en utilisant les données et le schéma d'identification de Bernanke, Boivin et Eliasz (2005). Notre modèle FAVARMA(2,1) avec six facteurs donne les résultats cohérents et précis des effets et de la transmission monétaire aux États-Unis. Contrairement au modèle FAVAR employé dans l'étude ultérieure où 510 coefficients VAR devaient être estimés, nous produisons les résultats semblables avec seulement 84 paramètres du processus dynamique des facteurs. L'objectif du quatrième article est d'identifier et mesurer les effets des chocs de crédit au Canada dans un environnement riche en données et en utilisant le modèle FAVARMA structurel. Dans le cadre théorique de l'accélérateur financier développé par Bernanke, Gertler et Gilchrist (1999), nous approximons la prime de financement extérieur par les credit spreads. D'un côté, nous trouvons qu'une augmentation non-anticipée de la prime de financement extérieur aux États-Unis génère une récession significative et persistante au Canada, accompagnée d'une hausse immédiate des credit spreads et taux d'intérêt canadiens. La composante commune semble capturer les dimensions importantes des fluctuations cycliques de l'économie canadienne. L'analyse par décomposition de la variance révèle que ce choc de crédit a un effet important sur différents secteurs d'activité réelle, indices de prix, indicateurs avancés et credit spreads. De l'autre côté, une hausse inattendue de la prime canadienne de financement extérieur ne cause pas d'effet significatif au Canada. Nous montrons que les effets des chocs de crédit au Canada sont essentiellement causés par les conditions globales, approximées ici par le marché américain. Finalement, étant donnée la procédure d'identification des chocs structurels, nous trouvons des facteurs interprétables économiquement. Le comportement des agents et de l'environnement économiques peut varier à travers le temps (ex. changements de stratégies de la politique monétaire, volatilité de chocs) induisant de l'instabilité des paramètres dans les modèles en forme réduite. Les modèles à paramètres variant dans le temps (TVP) standards supposent traditionnellement les processus stochastiques indépendants pour tous les TVPs. Dans cet article nous montrons que le nombre de sources de variabilité temporelle des coefficients est probablement très petit, et nous produisons la première évidence empirique connue dans les modèles macroéconomiques empiriques. L'approche Factor-TVP, proposée dans Stevanovic (2010), est appliquée dans le cadre d'un modèle VAR standard avec coefficients aléatoires (TVP-VAR). Nous trouvons qu'un seul facteur explique la majorité de la variabilité des coefficients VAR, tandis que les paramètres de la volatilité des chocs varient d'une façon indépendante. Le facteur commun est positivement corrélé avec le taux de chômage. La même analyse est faite avec les données incluant la récente crise financière. La procédure suggère maintenant deux facteurs et le comportement des coefficients présente un changement important depuis 2007. Finalement, la méthode est appliquée à un modèle TVP-FAVAR. Nous trouvons que seulement 5 facteurs dynamiques gouvernent l'instabilité temporelle dans presque 700 coefficients.

Choix de portefeuille de grande taille et mesures de risque pour preneurs de décision pessimistes

Cette thèse de doctorat consiste en trois chapitres qui traitent des sujets de choix de portefeuilles de grande taille, et de mesure de risque. Le premier chapitre traite du problème d’erreur d’estimation dans les portefeuilles de grande taille, et utilise le cadre d'analyse moyenne-variance. Le second chapitre explore l'importance du risque de devise pour les portefeuilles d'actifs domestiques, et étudie les liens entre la stabilité des poids de portefeuille de grande taille et le risque de devise. Pour finir, sous l'hypothèse que le preneur de décision est pessimiste, le troisième chapitre dérive la prime de risque, une mesure du pessimisme, et propose une méthodologie pour estimer les mesures dérivées. Le premier chapitre améliore le choix optimal de portefeuille dans le cadre du principe moyenne-variance de Markowitz (1952). Ceci est motivé par les résultats très décevants obtenus, lorsque la moyenne et la variance sont remplacées par leurs estimations empiriques. Ce problème est amplifié lorsque le nombre d’actifs est grand et que la matrice de covariance empirique est singulière ou presque singulière. Dans ce chapitre, nous examinons quatre techniques de régularisation pour stabiliser l’inverse de la matrice de covariance: le ridge, spectral cut-off, Landweber-Fridman et LARS Lasso. Ces méthodes font chacune intervenir un paramètre d’ajustement, qui doit être sélectionné. La contribution principale de cette partie, est de dériver une méthode basée uniquement sur les données pour sélectionner le paramètre de régularisation de manière optimale, i.e. pour minimiser la perte espérée d’utilité. Précisément, un critère de validation croisée qui prend une même forme pour les quatre méthodes de régularisation est dérivé. Les règles régularisées obtenues sont alors comparées à la règle utilisant directement les données et à la stratégie naïve 1/N, selon leur perte espérée d’utilité et leur ratio de Sharpe. Ces performances sont mesurée dans l’échantillon (in-sample) et hors-échantillon (out-of-sample) en considérant différentes tailles d’échantillon et nombre d’actifs. Des simulations et de l’illustration empirique menées, il ressort principalement que la régularisation de la matrice de covariance améliore de manière significative la règle de Markowitz basée sur les données, et donne de meilleurs résultats que le portefeuille naïf, surtout dans les cas le problème d’erreur d’estimation est très sévère. Dans le second chapitre, nous investiguons dans quelle mesure, les portefeuilles optimaux et stables d'actifs domestiques, peuvent réduire ou éliminer le risque de devise. Pour cela nous utilisons des rendements mensuelles de 48 industries américaines, au cours de la période 1976-2008. Pour résoudre les problèmes d'instabilité inhérents aux portefeuilles de grandes tailles, nous adoptons la méthode de régularisation spectral cut-off. Ceci aboutit à une famille de portefeuilles optimaux et stables, en permettant aux investisseurs de choisir différents pourcentages des composantes principales (ou dégrées de stabilité). Nos tests empiriques sont basés sur un modèle International d'évaluation d'actifs financiers (IAPM). Dans ce modèle, le risque de devise est décomposé en deux facteurs représentant les devises des pays industrialisés d'une part, et celles des pays émergents d'autres part. Nos résultats indiquent que le risque de devise est primé et varie à travers le temps pour les portefeuilles stables de risque minimum. De plus ces stratégies conduisent à une réduction significative de l'exposition au risque de change, tandis que la contribution de la prime risque de change reste en moyenne inchangée. Les poids de portefeuille optimaux sont une alternative aux poids de capitalisation boursière. Par conséquent ce chapitre complète la littérature selon laquelle la prime de risque est importante au niveau de l'industrie et au niveau national dans la plupart des pays. Dans le dernier chapitre, nous dérivons une mesure de la prime de risque pour des préférences dépendent du rang et proposons une mesure du degré de pessimisme, étant donné une fonction de distorsion. Les mesures introduites généralisent la mesure de prime de risque dérivée dans le cadre de la théorie de l'utilité espérée, qui est fréquemment violée aussi bien dans des situations expérimentales que dans des situations réelles. Dans la grande famille des préférences considérées, une attention particulière est accordée à la CVaR (valeur à risque conditionnelle). Cette dernière mesure de risque est de plus en plus utilisée pour la construction de portefeuilles et est préconisée pour compléter la VaR (valeur à risque) utilisée depuis 1996 par le comité de Bâle. De plus, nous fournissons le cadre statistique nécessaire pour faire de l’inférence sur les mesures proposées. Pour finir, les propriétés des estimateurs proposés sont évaluées à travers une étude Monte-Carlo, et une illustration empirique en utilisant les rendements journaliers du marché boursier américain sur de la période 2000-2011.

Gamma stochastic volatility models

This paper presents gamma stochastic volatility models and investigates its distributional and time series properties. The parameter estimators obtained by the method of moments are shown analytically to be consistent and asymptotically normal. The simulation results indicate that the estimators behave well. The insample analysis shows that return models with gamma autoregressive stochastic volatility processes capture the leptokurtic nature of return distributions and the slowly decaying autocorrelation functions of squared stock index returns for the USA and UK. In comparison with GARCH and EGARCH models, the gamma autoregressive model picks up the persistence in volatility for the US and UK index returns but not the volatility persistence for the Canadian and Japanese index returns. The out-of-sample analysis indicates that the gamma autoregressive model has a superior volatility forecasting performance compared to GARCH and EGARCH models.

A Trainable Object Detection System: Car Detection in Static Images

This paper describes a general, trainable architecture for object detection that has previously been applied to face and peoplesdetection with a new application to car detection in static images. Our technique is a learning based approach that uses a set of labeled training data from which an implicit model of an object class -- here, cars -- is learned. Instead of pixel representations that may be noisy and therefore not provide a compact representation for learning, our training images are transformed from pixel space to that of Haar wavelets that respond to local, oriented, multiscale intensity differences. These feature vectors are then used to train a support vector machine classifier. The detection of cars in images is an important step in applications such as traffic monitoring, driver assistance systems, and surveillance, among others. We show several examples of car detection on out-of-sample images and show an ROC curve that highlights the performance of our system.

A Nonparametric Approach to Pricing and Hedging Derivative Securities via Learning Networks

We propose a nonparametric method for estimating derivative financial asset pricing formulae using learning networks. To demonstrate feasibility, we first simulate Black-Scholes option prices and show that learning networks can recover the Black-Scholes formula from a two-year training set of daily options prices, and that the resulting network formula can be used successfully to both price and delta-hedge options out-of-sample. For comparison, we estimate models using four popular methods: ordinary least squares, radial basis functions, multilayer perceptrons, and projection pursuit. To illustrate practical relevance, we also apply our approach to S&P 500 futures options data from 1987 to 1991.

A simplified pricing model for volatility futures

We develop a general model to price VIX futures contracts. The model is adapted to test both the constant elasticity of variance (CEV) and the Cox–Ingersoll–Ross formulations, with and without jumps. Empirical tests on VIX futures prices provide out-of-sample estimates within 2% of the actual futures price for almost all futures maturities. We show that although jumps are present in the data, the models with jumps do not typically outperform the others; in particular, we demonstrate the important benefits of the CEV feature in pricing futures contracts. We conclude by examining errors in the model relative to the VIX characteristics

Better cross hedges with composite hedging? Hedging equity portfolios using financial and commodity futures

Unless a direct hedge is available, cross hedging must be used. In such circumstances portfolio theory implies that a composite hedge (the use of two or more hedging instruments to hedge a single spot position) will be beneficial. The study and use of composite hedging has been neglected; possibly because it requires the estimation of two or more hedge ratios. This paper demonstrates a statistically significant increase in out-of-sample effectiveness from the composite hedging of the Amex Oil Index using S&P500 and New York Mercantile Exchange crude oil futures. This conclusion is robust to the technique used to estimate the hedge ratios, and to allowance for transactions costs, dividends and the maturity of the futures contracts.

Optimal hedging with higher moments

This study proposes a utility-based framework for the determination of optimal hedge ratios (OHRs) that can allow for the impact of higher moments on hedging decisions. We examine the entire hyperbolic absolute risk aversion family of utilities which include quadratic, logarithmic, power, and exponential utility functions. We find that for both moderate and large spot (commodity) exposures, the performance of out-of-sample hedges constructed allowing for nonzero higher moments is better than the performance of the simpler OLS hedge ratio. The picture is, however, not uniform throughout our seven spot commodities as there is one instance (cotton) for which the modeling of higher moments decreases welfare out-of-sample relative to the simpler OLS. We support our empirical findings by a theoretical analysis of optimal hedging decisions and we uncover a novel link between OHRs and the minimax hedge ratio, that is the ratio which minimizes the largest loss of the hedged position. © 2011 Wiley Periodicals, Inc. Jrl Fut Mark

Can sentiment surveys pre-empt real estate market activities?

We evaluate a number of real estate sentiment indices to ascertain current and forward-looking information content that may be useful for forecasting the demand and supply activities. Our focus lies on sector-specific surveys targeting the players from the supply-side of both residential and non-residential real estate markets. Analyzing the dynamic relationships within a Vector Auto-Regression (VAR) framework, we test the efficacy of these indices by comparing them with other coincident indicators in predicting real estate returns. Overall, our analysis suggests that sentiment indicators convey important information which should be embedded in the modeling exercise to predict real estate market returns. Generally, sentiment indices show better information content than broad economic indicators. The goodness of fit of our models is higher for the residential market than for the non-residential real estate sector. The impulse responses, in general, conform to our theoretical expectations. Variance decompositions and out-of-sample predictions generally show desired contribution and reasonable improvement respectively, thus upholding our hypothesis. Quite remarkably, consistent with the theory, the predictability swings when we look through different phases of the cycle. This perhaps suggests that, e.g. during recessions, market players’ expectations may be more accurate predictor of the future performances, conceivably indicating a ‘negative’ information processing bias and thus conforming to the precautionary motive of consumer behaviour.

A Double-threshold GARCH Model for the French Franc/Deutschmark exchange rate

This paper combines and generalizes a number of recent time series models of daily exchange rate series by using a SETAR model which also allows the variance equation of a GARCH specification for the error terms to be drawn from more than one regime. An application of the model to the French Franc/Deutschmark exchange rate demonstrates that out-of-sample forecasts for the exchange rate volatility are also improved when the restriction that the data it is drawn from a single regime is removed. This result highlights the importance of considering both types of regime shift (i.e. thresholds in variance as well as in mean) when analysing financial time series.

Bicorrelations and cross-bicorrelations as non-linearity tests and tools for exchange rate forecasting

This paper proposes and implements a new methodology for forecasting time series, based on bicorrelations and cross-bicorrelations. It is shown that the forecasting technique arises as a natural extension of, and as a complement to, existing univariate and multivariate non-linearity tests. The formulations are essentially modified autoregressive or vector autoregressive models respectively, which can be estimated using ordinary least squares. The techniques are applied to a set of high-frequency exchange rate returns, and their out-of-sample forecasting performance is compared to that of other time series models

Predicting stock index volatility: can market volume help?

This paper explores a number of statistical models for predicting the daily stock return volatility of an aggregate of all stocks traded on the NYSE. An application of linear and non-linear Granger causality tests highlights evidence of bidirectional causality, although the relationship is stronger from volatility to volume than the other way around. The out-of-sample forecasting performance of various linear, GARCH, EGARCH, GJR and neural network models of volatility are evaluated and compared. The models are also augmented by the addition of a measure of lagged volume to form more general ex-ante forecasting models. The results indicate that augmenting models of volatility with measures of lagged volume leads only to very modest improvements, if any, in forecasting performance.

Metas de inflação : uma análise da experiência brasileira

Desde que foi introduzido pela primeira vez na Nova Zelândia, em março de 1990, o regime de metas de inflação tem sido objeto de crescente interesse na literatura econômica. Seguindo a Nova Zelândia, inúmeros outros países passaram a adotar metas de inflação como regime de política monetária, como, por exemplo, o Canadá, Reino Unido, Suécia, Finlândia, Espanha, Chile, e Brasil. Por se tratar de um regime relativamente novo, surgiram na literatura diversos trabalhos com o propósito de avaliar este regime, tanto de uma perspectiva teórica quanto empírica. O objetivo principal deste trabalho é implementar alguns testes iniciais sobre a efetividade do regime de metas de inflação no Brasil. Para alcançar este objetivo, utilizamos duas abordagens principais. Em primeiro lugar, estimamos uma função de reação do tipo Taylor, e olhamos para mudanças nos pesos relativos sobre a atividade real e sobre a inflação. Na segunda abordagem, obtemos dois modelos Auto-Regressivos Vetoriais (VAR), um restrito e outro irrestrito. Estes dois modelos foram utilizados num exercício de previsão fora da amostra (out-of-sample). Os resultados, embora ainda preliminares produzidos pelos poucos dados disponíveis, permitem-nos concluir que o impacto inicial de metas de inflação foi positivo. Nossos resultados indicam que metas de inflação foi um mecanismo importante para manter a estabilidade de preços obtida a partir do Plano Real, mesmo num contexto de acentuada desvalorização cambial.

Are price limits on futures markets that cool?: evidence from the Brazilian Mercantile and Futures Exchange

This paper investigates the impact of price limits on the Brazilian futures markets using high frequency data. The aim is to identify whether there is a cool-off or a magnet effect. For that purpose, we examine a tick-by-tick data set that includes all contracts on the S˜ao Paulo stock index futures traded on the Brazilian Mercantile and Futures Exchange from January 1997 to December 1999. The results indicate that the conditional mean features a floor cool-off effect, whereas the conditional variance significantly increases as the price approaches the upper limit. We then build a trading strategy that accounts for the cool-off effect in the conditional mean so as to demonstrate that the latter has not only statistical, but also economic significance. The in-sample Sharpe ratio indeed is way superior to the buy-and-hold benchmarks we consider, whereas out-of-sample results evince similar performances.