Python随机波动性SV模型：贝叶斯推断马尔可夫链蒙特卡洛MCMC分析英镑/美元汇率时间序列数据

news/2024/9/29 17:36:57

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原文出处：拓端数据部落公众号

本文描述了帮助客户使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法通过贝叶斯方法估计基本的单变量随机波动模型，就像Kim等人（1998年）所做的那样。

定义模型以及从条件后验中抽取样本的函数的代码也在Python脚本中提供。

%matplotlib inline
from __future__ import division
......from src import sv

来自Kim等人（1998年）的经典单变量随机波动性模型，在此之后简称KSC，如下所示:

这里，yt代表某个资产的修正后平均收益，ht为对数波动率

示例

我们将对1981年10月1日至1985年6月28日期间的英镑/美元汇率进行建模。

ex = pd.read_excel('es.xls')
dta = np.l......
.iloc[1:]endg = (dta['......
ean()) * 100

准拟然估计

估计该模型参数的一种方法是Harvey等人（1994年）的“准拟然估计法”，其中将log(ε^2_t)用与均值和方差相同的高斯随机变量来近似替换。

mod_QSV = sv.QL......
())

贝叶斯估计

KSC提供了一种使用贝叶斯技术估计该模型的替代方法；他们将log(ε^2_t)用高斯混合分布近似表示，使得：

其中 st 是一个指示随机变量，定义为 P(st=i)=qi, i=1,…,K (K 是混合成分数目)。定义了 (qi,mi,v2i) 表示组成高斯分布的值如下所示。

# q_i, m_i, v_i^2
ksc_aras = np.array([......
)

在给定 stTt=1 的条件下，每个时间段的观测方程是由一个高斯噪声项定义的。

通过设置 K=7 是对 logε2t 进行很好近似的方法，Omori et al. (2007) 将其扩展到 K=10。

class TLDT(sm.t......
Model):"""时变局部线性确定性趋势......# 转换为对数平方，带有偏移量endog = n.logenog**2+ offset# 初始化基本模型super(TVLLDT, self)._......
tationary')# 设置观测方程的时变数组self['o......
.nobs))# 设置状态空间矩阵的固定分量self['d......
0] = 1def update......
7036, v_i^2)self['o......
rams[1]self['state_cov', 0, 0] = params[2]

先验分布

为了计算模型，我们需要为参数 θ 的先验分布进行特定的指定。下面的先验规范取自于 KSC。

σ2η 的先验分布

我们考虑共轭先验分布：

其中我们将 σr=5 和 Sσ=0.01×σr=0.05。

ϕ 的先验分布

定义 ϕ∗=(ϕ+1)/2，我们对 ϕ∗ 指定一个先验分布：

正如在 KSC 中讨论的那样，该先验分布在 (−1,1) 上支持随机波动性过程的平稳性。

设置 ϕ(1)=20 和 ϕ(2)=1.5 意味着 E[ϕ]=0.86。

最后：

μ 的先验分布

KSC 建议对 μ 设定一个模糊的先验分布（或者也可以稍微具有信息的先验分布，比如 μ∼N(0,10)）。

从条件后验中采样

KSC 表明，在上述指定的先验条件下，我们可以按照以下方式从条件后验中采样：

采样 σ2η

条件后验分布为：

def draw_po......
or_params=(5, 0.05)):sigma_r, S_sigma = prior_paramsv1 = sig......
i * (states[0, :-1] - mu))**2)delta1 = S_sigma + tmp1 + tmpreturn ingammars(v1,scal=deta1)

采样 ϕ

我们可以应用 Metropolis 步骤：从 N(ϕ^,Vθ) 中生成一个提议值 ϕ∗

python

def g(phi, ......# 先验分布对非平稳过程给予零权重if np.abs(phi) >= 1:ret......
2) / 2 * sigma2tmp2 = 0.5 * np.log(1 - phi**2)return n......V_phi = sigma2 / tmp2proposal ......
om.uniform() else phi

采样μ̂

条件后验分布为：

python

def draw_pos......* (1 - phi)**2 + ......
)return norm.r......
2_mu**0.5)

采样htTt=1̂

在混合指示符（用于生成时变观测方程矩阵）和参数条件下，可以通过通常的模拟平滑器对状态进行采样。

采样stTt=1̂

每个指示变量st只能取有限个离散值（因为它是一个指示变量，表示时间t时哪个混合分布处于活动状态）。KSC表明，可以从以下概率质量函数独立地采样混合指示符：

其中fN(y∗t∣a,b)表示均值为a，方差为b的高斯随机变量在y∗t处的概率密度。

def (mod states):resid = od.nog[:, 0] - states[0]# 构建均值 (nobs x 7), 方差 (7,), 先验概率 (7,)means = ks_aram......
0]# 调整维度以便广播计算resid = np.repe......
[None, :], mod.nobs,axis=0)# 计算对数似然 (nobs x 7)loglikelihoods = -0.5 * ((resi......
* variances))# 得到(与后验(对数))成比例的值 (nobs x 7)posterior_kernel = log......
ilities)# 归一化得到实际后验概率tmp = logsumxp(psterir_kernl,axis=1)posterior_probabilitie......
d, states)# 从后验中抽取样本varaes = np.radom.niorm(ize=od.obs)
......sample = np.argmax(tmp, axis=1)return sample

MCMC

下面我们进行10,000次迭代以从后验中进行抽样。在下面展示结果时，我们将舍弃前5,000次迭代作为燃烧期，并且在剩下的5,000次迭代中，我们只保存每十次迭代的结果。然后从剩下的500次迭代中计算结果。


# 设置模型和模拟平滑器
md = TVLLT(eog)
mo.(0, sothr_stateTrue)
sim = md.siutin_sother()# 模拟参数
nitertons = 10000
brn = 5000
tin = 10# 存储轨迹
trae_sooted = np.eros((_iteations+ 1 mod.nobs))......trce_sim2 = np.ers((n_iteations + 1, 1))# 初始值 (p. 367)
trce_miing[0] = 0
[0] = 0.95
trace_sigma2[0] = 0.5
# 迭代
for s in range(1, n_teations + 1):# 更新模型参数mod.updat_ming(tace_mixing[s-1])......# 模拟平滑sim.smuate()......# 抽取混合指标trac_miing[s] = drawmixngmod states)# 抽取参数tra_phi[s] = (mod, sates, trace_phi[s-1], trace_mu[s-1], trace_sigma2[s-1])......

结果

下面我们给出参数的后验均值。我们还展示了相应的QMLE估计值。这些估计值与 ϕ 和 β 的后验均值相似，但是对于 ση² 的QMLE估计值约为贝叶斯方法的一半，可能表明准拟然方法的一个缺点。

# 参数的后验均值
menphi = n.men(trae_hi[burn:thin])......print('  beta          = %.5f' % npexp(rs_LSVparams[2] / 2))

由于参数ση²控制潜在随机波动率过程的方差，低估将抑制样本中波动率过程的变化。如下图所示

fig, ax = plt.subplots(f......ax.legend();

最后，我们可能对参数的完全条件后验分布感兴趣。以下是这些分布，以及后验均值和QMLE估计值。

fig, axes = plt.subplots(1, 3, ......axes[0].set(title=r'$\phi$', ylim=ylim)
axes[0].legend(loc='upper left')
......
axes[2].set(title=r'$\beta$', ylim=ylim);