Phân tích thống kê dự báo và mô phỏng một số chuỗi thời gian

Header Page of 27 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM VĂN KHÁNH PHÂN TÍCH THỐNG KÊ DỰ BÁO VÀ MƠ PHỎNG MỘT SỐ CHUỖI THỜI GIAN LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC Hà Nội - 2015 Footer Page of 27 Header Page of 27 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Văn Khánh PHÂN TÍCH THỐNG KÊ DỰ BÁO VÀ MƠ PHỎNG MỘT SỐ CHUỖI THỜI GIAN Chuyên ngành: Lý thuyết xác suất thống kê toán Mã số: 62 46 15 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC Người hướng dẫn khoa học: GS TS Nguyễn Khắc Minh GS TSKH Nguyễn Duy Tiến Hà Nội - 2015 Footer Page of 27 Header Page of 27 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Footer Page of 27 Header Page of 27 LỜI CẢM ƠN Luận án hoàn thiện hướng dẫn GS.TS Nguyễn Khắc Minh, GS TSKH Nguyễn Duy Tiến Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy định hướng gợi mở vấn đề Thầy nghiên cứu, động viên khuyến khích tận tình thầy dạy dỗ sống Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Khoa Tốn – Cơ – Tin học, Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học quốc gia Hà Nội, nơi tác giả học tập nghiên cứu từ năm 1997 tới Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Thầy Bộ mơn Lý thuyết Xác suất Thống kê tốn, Khoa Toán – Cơ – Tin học giúp đỡ tác giả nhiều trình học tập hồn thành luận án Trong q trình học tập hồn thành luận án, tác giả nhận quan tâm giúp đỡ đóng góp GS.TSKH Đặng Hùng Thắng, PGS.TS Trần Hùng Thao, PGS.TS Nguyễn Xuân Hoài, TS Nguyễn Thịnh, Tác giả xin chân thành cảm ơn tới quý thầy giúp đỡ quý báu Tác giả xin chân thành cảm ơn tới người vợ thân yêu hy sinh động viên, giúp đỡ tác giả học tập, nghiên cứu sống Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới tất thầy cơ, gia đình bạn bè góp ý, ủng hộ động viên tác giả q trình học tập hồn thành luận án Phạm Văn Khánh Footer Page of 27 Header Page of 27 MỤC LỤC Những kí hiệu dùng luận án Mở đầu Chương Chuỗi tự hồi quy cấp với hệ số thành phần ngẫu nhiên không âm 1.1 Điều kiện dừng chuỗi 1.2 Ước lượng tham số mơ hình 1.3 Nghiên cứu mô 1.4 Kết luận chương hồi quy có chứa Chương ƯỚC LƯỢNG THỜI ĐIỂM DỪNG TỐI ƯU CHO QUÁ TRÌNH NGẪU NHIÊN VỚI HỆ SỐ TRƯỢT NGẪU NHIÊN 2.1 Kiến thức liên quan 2.2 Những kết nghiên cứu 2.3 Bài tốn tìm thời điểm bán tối ưu tốc độ tăng giá biến ngẫu nhiên rời rạc nhận giá trị 2.3.1 Đặt toán 2.3.2 Bài toán phụ 2.3.3 Bao dừng tối ưu 2.3.4 Lời giải số mô 2.4 Bài tốn tìm thời điểm mua bán tối ưu tốc độ tăng giá xích Markov rời rạc hai trạng thái 2.4.1 Bài toán mua tài sản 2.4.2 Bài toán bán tài sản 2.5 Kết luận chương 12 13 16 20 26 27 28 30 32 32 36 40 42 55 56 67 81 Chương Phương pháp Monte - Carlo mơ hình giá quyền chọn áp dụng cho q trình có bước nhẩy ngẫu nhiên 84 3.1 Đặt vấn đề 84 Footer Page of 27 Header Page of 27 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Phương trình vi phân ngẫu nhiên hệ số với rủi ro trung tính Giá quyền chọn môi trường rủi ro trung tính Giải thuật Monte–Carlo Kết mô thử nghiệm 3.5.1 Kết mơ q trình giá 3.5.2 Kết mô giá quyền chọn mua quyền chọn bán Kết luận chương 86 88 92 101 101 101 106 Chương Dự báo trạng thái hội tụ thu nhập bình quân đầu người Việt Nam 108 4.1 Giới thiệu 108 4.2 Cơ sở lý thuyết 111 4.2.1 Quan điểm kinh tế phương pháp sử dụng111 4.2.2 Mơ hình hồi quy Barro mở rộng 113 4.2.3 Mơ hình hồi quy Barro mở rộng 122 4.2.4 Mơ hình xích Markov 128 4.3 Kết ước lượng thực nghiệm 130 4.4 So sánh với mơ hình Barro kinh điển 139 4.5 Kết luận chương 139 Chương So sánh mơ hình vector tự hồi qui mơ hình tạo lập trình Gen dự báo số giá tiêu dùng Việt Nam 141 5.1 Cơ sở phương pháp 142 5.1.1 Giới thiệu khái qt mơ hình VAR 142 5.1.2 Giới thiệu lập trình Gen 144 5.2 Ước lượng thực nghiệm 148 5.2.1 Áp dụng mơ hình VAR dự báo lạm phát 148 5.2.2 Sử dụng GP cho dự báo lạm phát Việt Nam 151 5.3 Kết luận chương 155 Kết luận kiến nghị 157 Danh mục cơng trình khoa học tác giả liên quan đến luận án 158 Tài liệu tham khảo Footer Page of 27 160 Header Page of 27 NHỮNG KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Ý nghĩa (Ω, F, P ) I(A) [x] max{ln(x), 0} log(x) hcc ARCH Không gian xác suất Hàm tiêu tập hợp A Số nguyên lớn không vượt x với x ≥ ln+ (x) log10 (x) Hầu chắn Mơ hình tự hồi quy với phương sai có điều kiện sai số thay đổi Tổng sản phẩm quốc nội Độc lập phân bố Quá trình trung bình trượt Sai số dự báo bình phương trung bình Ước lượng hợp lý cực đại Căn bậc hai MSE Mơ hình ARCH tổng qt Mơ hình GARCH dạng mũ Mơ hình GARCH phân ngưỡng Bình phương tối thiểu Bình quân thu nhập Độ lệch chuẩn Lập trình Gen Giải thuật tiến hóa GDP IID MA MSE MLE RMSE GARCH EGARCH TGARCH BPTT BQTN Std.Dev GP EA Footer Page of 27 Header Page of 27 MỞ ĐẦU Phân tích liệu thực nghiệm điểm khác theo thời gian dẫn đến toán độc đáo mơ hình thống kê suy diễn thống kê Sự tương quan mẫu lấy điểm lân cận theo thời gian làm hạn chế việc áp dụng nhiều phương pháp thống kê truyền thống phụ thuộc vào giả định quan sát liền kề độc lập phân bố Phân tích chuỗi thời gian hiểu sử dụng phương pháp tiếp cận có hệ thống để trả lời câu hỏi toán học thống kê mối tương quan thời gian nói Có nhiều yêu cầu việc phân tích thống kê quan sát phụ thuộc nhiều lĩnh vực khác kinh tế, kỹ thuật khoa học tự nhiên Một mô tả cấu trúc xác suất chuỗi quan sát phụ thuộc gọi mơ hình q trình ngẫu nhiên Trong luận án không giới hạn việc xem xét chuỗi thời gian truyền thống trình tự hồi qui (AR), trung bình trượt (MA), tự hồi qui trung bình trượt (ARMA), vector tự hồi qui (VAR) mà mở rộng xem xét chuỗi thời gian có hệ số ngẫu nhiên, chuỗi thời gian liên tục mà hệ số chứa thành phần ngẫu nhiên, chuỗi thời gian liên tục có tác động bước nhảy ngẫu nhiên Phương pháp tiếp cận phân tích chuỗi thời gian thường dựa giả thiết tương quan điểm lân cận theo thời gian giải thích tốt cho phụ thuộc giá trị giá trị khứ Các phương pháp phân tích chuỗi thời gian tập trung vào việc mơ hình hóa giá trị tương lai chuỗi thời gian hàm giá trị khứ Theo kịch này, bắt đầu hồi quy Footer Page of 27 Header Page of 27 giá trị chuỗi thời gian giá trị khứ thân chuỗi giá trị khứ chuỗi khác Mơ hình sử dụng công cụ dự báo đặc biệt phổ biến với nhà kinh tế lý Trong luận án này, sử dụng kết phân tích mơ chuỗi thời gian để ứng dụng điều khiển dự báo Việc điều khiển chuỗi thời gian thể toán xác định thời điểm dừng tối ưu Đối với tốn biến điều khiển biến thời gian mà người đầu tư cần định giá trị trị biến thời gian mà người đầu tư cần dừng lại trình đầu tư để thu cực đại lợi nhuận Bản chất toán toán dự báo: dự báo thời điểm thay đổi xu chuỗi thời gian: thời điểm giá đạt đỉnh thời điểm giá chạm đáy Thời điểm chuỗi giá thay đổi xu ta gọi thời điểm chuyển mà nhà đầu tư thường đưa định mua hay bán Một kết thú vị chương cho thấy thời điểm tối ưu để mua giá lên vừa qua đáy, thời điểm tối ưu để bán giá xuống vừa qua đỉnh! Bài toán dự báo toán chủ yếu phân tích mơ chuỗi thời gian Việc dự báo tiêu kinh tế mong muốn nhà lãnh đạo, nhà đầu tư người dân Chính luận án giải phần quan trọng vấn đề thời đất nước dự báo trạng thái hội tụ thu nhập bình quân đầu người số giá tiêu dùng Luận án nghiên cứu việc tính tốn giá phái sinh thị trường tài Nó giúp cho nhà đầu tư bảo hiểm định thị trường có cú sốc (bước nhảy ngẫu nhiên) ngồi ý muốn Luận án nghiên cứu phân tích thống kê, mô chuỗi thời gian áp dụng cho chuỗi thời gian kinh tế bao gồm vĩ mơ vi mơ Vì đặc trưng khác chuỗi nên phương pháp tiếp cận nghiên cứu khác Footer Page of 27 Header Page 10 of 27 Luận án gồm năm chương cấu trúc sau: Trong Chương 1, chúng tơi trình bày mơ hình chuỗi thời gian Đó chuỗi tự hồi quy cấp mà hệ số góc có tác động thành phần ngẫu nhiên không âm Chuỗi dùng để mô hình hóa q trình tăng trưởng phương sai sai số thay đổi Để mô tả độ biến động q trình ngẫu nhiên ta thường mơ hình hóa q trình ARCH, GARCH, EGARCH hay TGARCH Tuy nhiên việc mô ta thấy RCA(1) gần với mơ hình việc ước lượng tham số, kiểm định dự báo dễ dàng nhiều Việc sử dụng chuỗi thời gian cho ta tiện lợi nhiều so với mơ hình có Ở Chương chúng tơi xét mơ hình chuỗi thời gian liên tục rời rạc hóa mơ hình chuỗi thời gian chương ta mơ hình giống với chương nghĩa tốc độ tăng trưởng (hệ số góc) phụ thuộc vào biến ngẫu nhiên rời rạc q trình ngẫu nhiên rời rạc (có thể nhận giá trị âm) Tuy nhiên, chương xem xét toán điều khiển tối ưu chuỗi thời gian mà biến điều khiển biến thời gian biến trạng thái (không quan sát được) biến ngẫu nhiên rời rạc nhận giá trị trình Markov trạng thái biến trạng thái quan sát trình giá Đây mở rộng kết có tốn xác định thời điểm dừng tối ưu thêm thành phần ngẫu nhiên vào hệ số dịch chuyển (hệ số góc-tốc độ tăng trưởng) Các kết thu khả quan kiểm tra liệu mô cho thấy tính đắn kết tìm Bài toán xác định thời điểm dừng tối ưu sử dụng thống kê toán học (ước lượng kiểm định), tốn tài chính, kỹ thuật tài chính, giải thuật gen di truyền (thời điểm dừng cho q trình tiến hóa) Trong luận án chúng tơi áp dụng tốn thời điểm dừng tối ưu áp dụng cho tốn tài Chương chúng tơi xét chuỗi thời gian liên tục có thêm thành phần ngẫu nhiên khác loại với chuyển động Brown thành phần bước nhảy cộng hợp vào mơ hình mà khơng chứa hệ số hồi quy chương chương để mô hình hóa biến cố dạng sốc tác Footer Page 10 of 27 Header Page 11 of 27 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN [1] Nguyễn Khắc Minh, Phạm Văn Khánh (2009), "Một số phương pháp tiếp cận toán hội tụ thu nhập bình quân đầu người Việt Nam", Tạp chí Ứng dụng Tốn học Tập VII (1), pp 71-91 [2] Phạm Văn Khánh (2011), "Phương pháp Monte-Carlo mơ hình giá quyền chọn áp dụng cho q trình ngẫu nhiên có bước nhảy", Tạp chí Ứng dụng Toán học Tập IX (1), pp 51-71 [3] Pham Van Khanh (2012), "The First Order Autoregressive Model with Coefficient Contains Non-Negative Random Elements: Simulation and Esimation", Open Journal of Statistics (5), pp 498-503 [4] Pham Van Khanh (2012), "Optimal Stopping Time for Holding an Asset", American Journal of Operations Research (4), pp 527-535 [5] Pham Van Khanh (2012), "Comparisons of VAR Model and Models Created by Genetic Programming in Consumer Price Index Prediction in Vietnam", Open Journal of Statistics (3), pp 237-250 [6] Nguyen Khac Minh, Pham Van Khanh (2013), "Forecasting the Convergence State of per Capital Income in Vietnam", American Journal of Operations Research (6), pp 487-496 [7] Pham Van Khanh (2014), "Optimal stopping time to buy an asset when growth rate is two states Markov chain", American Journal of Operations Research 4, pp 132-141 158 Footer Page 11 of 27 Header Page 12 of 27 [8] Nguyen Khac Minh, Pham Van Khanh (2014), "Expanded Barro Regression in Studying Convergence Problem", American Journal of Operations Research 4, pp 301-310 [9] Pham Van Khanh (2015), "When to Sell an Asset Where Its Drift Drops from a High Value to a Smaller One ", American Journal of Operations Research (5) , this paper will be published in September 2015 159 Footer Page 12 of 27 Header Page 13 of 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Quý Hỷ (2004), Phương pháp mô số Monte-Carlo, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội [2] Trần Hùng Thao (2009), Nhập mơn Tốn học tài chính, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Đặng Hùng Thắng (2005), Q trình ngẫu nhiên tính tốn ngẫu nhiên, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội Tiếng Anh [4] Taniguchi, M Kakizawa, Y (2000), "Asymptotic Theory of Statistic Inference for Time Series", Springer, Tokyo [5] Nicholls, D and Quinn, B.(1982), “Random Coefficient Autore gressive Models: An Introduction”, Lecture Notes in Statistics,11, Springer, New York [6] Aue, A , Horvath, L and Steinbach, J (2006), “ Estimation in random coefficient autoregressive models”, Journal of Time Series Analysis 27, pp 61-76 [7] duToit, J and Peskir, G (2009), "Selling a stock at the ultimate maximum", Ann Appl Probab 19 (3), pp 983–1014 160 Footer Page 13 of 27 Header Page 14 of 27 [8] Urusov, M A (2005), "On a property of the moment at which Brownian motion attains its maximum and some optimal stopping problems", Theory Probab Appl 49, pp 169-176 [9] Yam, S C P.,Yung, S.P., Zhou, W (2012), "Optimal Selling Time in Stock Market over a Finite Time Horizon", Acta Mathematicae Applicatae Sinica, English Series 28 (3), pp 557-570 [10] Peskir, G and Shiryaev, A N (2006), “Optimal stopping and freeboundary problems”, Lectures in Mathematics ETH, Verlag, Basel [11] Shiryaev, A N , Xu, Z and Zhou, X Y (2008), “Thou Shalt Buy and Hold”, Quantitative Finance - QUANT FINANC (8), pp 765-776 [12] Lipster, R S and Shiryaev, A N (2001),Statistics of Random Process: I General Theory, Springer-Verlag Berlin Heidelberg [13] Liptser, R.S and Shiryayev, A N (1978), Statistics of Random Processes: II Aplications, Springer-Verlag, NewYork–Heidelberg [14] Peskir, G (2005), "On the American option problem", Math.Finance {bf 15, pp 169–181 [15] Dayanik, S and Karatzas, I (2003), "On the optimal stopping problem for one-dimensional diffusions", StochasticProcess.Appl., 107, 173–212 [16] Rogers, L C G (2002), "Monte-Carlo valuation of American options", Math.Finance 12, pp 271–286 [17] Hanson, F.B (2005), Applied Stochastic Process and Control for JumpDiffusion: Modeling, Analysis and Computation, SIAM Books, Philadelphia, PA [18] Ross, S M (2000), Introduction to Probability Models, A Harcourt Sci Tech Com., New York [19] Longstaff , F A., and Schwartz, E S (2001), "Valuing American options by simulation: a simple least-squares approach", Review of Financial Studies 14, pp 113-147 161 Footer Page 14 of 27  ... ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Văn Khánh PHÂN TÍCH THỐNG KÊ DỰ BÁO VÀ MƠ PHỎNG MỘT SỐ CHUỖI THỜI GIAN Chuyên ngành: Lý thuyết xác suất thống kê toán Mã số: 62 46 15 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC... pháp thống kê truyền thống phụ thuộc vào giả định quan sát liền kề độc lập phân bố Phân tích chuỗi thời gian hiểu sử dụng phương pháp tiếp cận có hệ thống để trả lời câu hỏi toán học thống kê mối... ngẫu nhiên, chuỗi thời gian liên tục mà hệ số chứa thành phần ngẫu nhiên, chuỗi thời gian liên tục có tác động bước nhảy ngẫu nhiên Phương pháp tiếp cận phân tích chuỗi thời gian thường dựa giả