Luận văn Lý thuyết cực trị trong tài chính và bảo hiểm

Nội dung tài liệu: Luận văn Lý thuyết cực trị trong tài chính và bảo hiểm

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------- TRỊNH NHƯ QUỲNH LÝ THUYẾT CỰC TRỊ TRONG TÀI CHÍNH VÀ BẢO HIỂM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 1
2. Hà Nội, năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------- TRỊNH NHƯ QUỲNH LÝ THUYẾT CỰC TRỊ TRONG TÀI CHÍNH VÀ BẢO HIỂM Chuyên ngành: Lý thuyết xác suất và thống kê toán học Mã số: 60.46.0106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN HÙNG THAO Hà Nội, năm 2014 2
3. LỜI MỞ ĐẦU Lý thuyết cực trị tài chính là một chủ đề cổ điển trong lý thuyết xác suất và thống kê Toán học. Nó bắt nguồn từ những nghiên cứu của hai nhà toán học Fisher và Tippett. Từ đó, một số lượng lớn sách và các công trình nghiên cứu về lý thuyết cực trị đã xuất bản. Ngày nay, có nhiều độc giả quan tâm, trong đó phải kể đến các nhà toán học: Adler, Aldous, Beirlant, Reiss, Galabos, Gumbel, Rootzen Một số ghi chép về lịch sử của lý thuyết cực trị ghi nhận, người đặt nền móng cho lý thuyết này là Nicolas Bernoulli (1709). Những cuốn sách đã được xuất bản của Leadbetter, Lindgren, Rootzen và Resnick và đã thu hút nhiều người đọc. Những cuốn sách sau đó liên quan đến nguồn gốc của lý thuyết cực trị gắn với các biến ngẫu nhiên độc lập, cùng phân phối. Hai công cụ đóng vai trò trung tâm của nghiên cứu lý thuyết cực trị là: lý thuyết các hàm biến đổi đều và quá trình điểm thuộc xác suất cơ bản. Lý thuyết cực trị cho các biến ngẫu nhiên rời rạc được nghiên cứu bởi Anderson, Arnnold, Balakrishman, Nagaraja, Gordon, Schilling và Waterman. Lý thuyết cực trị với các quá trình với thời gian liên tục cũng được nghiên cứu bởi Adler, Berman và Leadbetter. Leadbetter tiến hành nghiên cứu cực trị của các dãy và quá trình dừng bằng cách tổng kết các kết quả quan sát các biến ngẫu nhiên độc lập cùng phân phối. Galambos và Resnick cũng nghiên cứu về cực trị nhiều chiều. Beirlant, Gumbel, Peifer và Reiss chứng minh các kết quả cực trị dựa vào thống kê. Từ đó, phương pháp thống kê cũng trở thành cơ sở nghiên cứu của lý thuyết cực trị nói chung và lý thuyết cực trị trong Toán tài chính nói riêng. Ứng dụng của toán học vào các lĩnh vực trong đời sống luôn là hướng đi thú vị và thu hút được nhiều quan tâm của các nhà toán học hiện nay. Lý thuyết EVT là một trong số lý thuyết được nghiên cứu và vận dụng vào các bài toán thực tế của đời sống. Một số những ứng dụng của nó đã được nghiên cứu hiện nay là các lĩnh vực: dự báo thời tiết; cảnh báo thiên tai, động đất; tài chính; bảo hiểm và chi trả bảo hiểm Một số nhà toán học nghiên cứu lý thuyết cực trị tài và ứng dụng của chúng trong tài chính, bảo hiểm dựa theo phương pháp thống kê tiêu biểu hiện nay là Pareto, A. J. McNeil, Rüdiger Frey, P. Embrenchts, C. Klüppelberg và T. Mikosch với nhiều công trình khoa học và cuốn sách nổi tiếng được công bố. Trong đó, cuốn sách nổi 3
4. tiếng là: “Quantitative Risk Management”; “Modelling Extremal events for Insurance and Finance”. Luận văn được nghiên cứu bằng cách trình bày và tập hợp một số kết quả nghiên cứu, công trình khoa học của các tác giả nêu trên. Trong đó, tác giả cố gắng trình bày ngắn gọn lý thuyết EVT theo cả hướng cổ điển và hiện đại, với trọng tâm theo hướng phát triển hiện nay, đó là phương pháp thống kê dựa trên hai cuốn sách nêu trên. Từ đó, tác giả cũng lựa chọn hai ví dụ áp dụng của lý thuyết trong phân tích chỉ số giá cổ phiếu của hai hãng IBM và FORD. Qua đó, các nhà đầu tư có thể lựa chọn thời điểm đầu tư phù hợp với diễn biến của thị trường. Tác giả vô cùng biết ơn sự hướng dẫn của PGS, TS Trần Hùng Thao, các thầy cô giáo Khoa Toán – Cơ – Tin học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội. Tôi cũng bày tỏ sự giúp đỡ của Ths Hoàng Đức Mạnh, Bộ môn Điều khiển học kinh tế, Khoa Toán tài chính, trường đại học Kinh tế Quốc dân đã giúp đỡ tác giả thực hiện luận văn này và các thành viên lớp cao học Toán niên khoá 2011- 2013, trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà nội đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn. Do khả năng và thời gian có hạn, luận văn không tránh được những sai xót, mọi đóng góp xin gửi về hòm thư: [email protected] hoặc qua số điện thoại: 0163.655.3456. Tác giả xin trân trọng cảm ơn. Hà nội, ngày 14 tháng 4 năm 2014 4
5. Các kí hiệu sử dụng EVT: (Extreme Value Theory) Lý thuyết cực trị; GEV: (Genaralised Extreme Value Distribution) Phân phối cực trị tổng quát; GPD: (Genaralised Preto Distribution) Phân phối Pareto tổng quát; MDA: (Maximum Domain of Attraction) Miền hấp dẫn cực đại; MLE: (Maximum Likelihood Estimation) Ước lượng hợp lí cực đại; MSE: (mean squared errors) Sai số bình phương trung bình; POT: (Peaks – Over - Threshold) Điểm vượt ngưỡng; 5
6. MỤC LỤC Lời mở đầu. Các kí hiệu sử dụng. Chương I. Các phân phối cực trị trong toán tài chính 1 1.1. Giới hạn xác suất cho cực đại ... ..1 1.2. Sự hội tụ yếu của cực đại qua phép biến đổi afin . ...7 1.3. Miền cực đại và hằng số chuẩn...................................................................13 1.3.1. Miền hấp dẫn cực đại của phân phối Fréchet 15 1.3.2. Miền hấp dẫn cực đại của phân phối Weibull 18 1.3.3. Miền hấp dẫn cực đại của phân phối Gumbel 20 1.4. Phân phối cực trị tổng quát (GEV) 25 1.5. Phân phối Pareto tổng quát (GPD) 28 Chương II. Lý thuyết cực trị tài chính ...31 2.1. Cực đại (maxima). .31 2.1.1. Phân phối cực đại khối ..31 2.1.2. Mức hoa lợi và chu kỳ lợi suất ..32 2.2. Sự vượt ngưỡng. .34 2.2.1. Mô hình tổn thất vượt ngưỡng. .34 2.2.2. Dữ liệu không độc lập và không cùng phân phối (non_iid) ..35 2.2.3. Vẽ các đồ thị của hàm vượt trội trung bình của mẫu 37 2.3. Mô hình đuôi và độ đo rủi ro đuôi 38 6
7. 2.3.1. Xác suất đuôi và độ rủi ro .38 2.3.2. Ước lượng trong thực hành ...39 2.4. Phân phối Hill .39 2.4.1. Ước lượng chỉ số đuôi ...39 2.4.2. Ước lượng đuôi của Hill 41 2.5. Nghiên cứu mô phỏng ước lượng phân vị EVT 42 2.6. Mô hình quá trình điểm 43 2.6.1. Sự vượt ngưỡng cho dãy “ồn trắng” hoàn toàn (ngặt) 43 2.6.2. Các quá trình điểm ...44 2.6.3. Dáng điệu tiệm cận của quá trình điểm của sự vượt trội .. 45 2.6.4. Áp dụng kết quả trong thực hành ..46 2.7. Mô hình POT ..46 2.7.1. Công thức Poison hai chiều của mô hình POT 47 2.7.2. Ước lượng thống kê cho mô hình POT ..48 2.7.3. Sự thuận lợi của việc lập mô hình POT .49 2.7.4. Áp dụng mô hình POT vào chuỗi dữ liệu hoa lợi ..49 2.8. Quá trình tự kích thích ..50 2.9. Quá trình tự kích thích POT .51 2.9.1. Mô hình đánh dấu không dự đoán được .52 2.9.2. Mô hình đánh dấu dự đoán được 53 Chương 3. Áp dụng của lý thuyết EVT trong tài chính 54 3.1. Phân tích giá hoa lợi của chỉ số chứng khoán IBM 54 3.2. Phân tích giá hoa lợi của chỉ số chứng khoán FORD .60 Kết luận. Tài liệu tham khảo. 7
8. Chương I. Các phân phối cực trị trong toán tài chính Công cụ cơ bản để nghiên cứu của chương một, là luật biến cố hiếm trong xác suất, các vấn đề về cực trị, ví dụ: xấp xỉ Poison và sự hội tụ yếu. Kết quả trung tâm là định lý Fisher – Tippett cùng các dạng phân phối cực trị trong toán tài chính, tiêu biểu là 3 dạng phân phối: Fréchet, Weibull, Gumbel. Khi tổng quát hóa, ta thu được phân phối Pareto tổng quát. 1.1. Giới hạn xác suất cho cực đại. Cho dãy biến ngẫu nhiên: X1, X2, .., Xn độc lập cùng phân phối không suy biến có cùng hàm phân phối F. Chúng ta sẽ nghiên cứu sự biến thiên của mẫu cực đại sau: M1=X1, Mn=max (X1, , Xn), n ≥ 2. Ta biết: min (X1, , Xn) = - max (-X1, , -Xn). Phương pháp xác suất của biến ngẫu nhiên Mn : ℙ(Mn ≤ x) = ℙ(X1 ≤ x1, , Xn ≤ xn), x ∈ ℝ, n ∈ ℕ, =ℙ (X1 ≤ x1). ℙ(X2 ≤ x2) ... ℙ(Xn ≤ xn), n = F (x). Từ đó, ta thấy hình dạng đồ thị của Mn liên quan mật thiết đến đồ thị hàm phân phối F, trong đó đuôi phải của đồ thị gắn với điểm cuối phải. Kí hiệu: xF = sup {x ∈ ℝ : F(x) < 1}: điểm cuối phải của hàm phân phối F. n Suy ra: ℙ(Mn ≤ x) = F (x) → 0, (khi n → ∞), ∀x < xF. n Nếu xF < +∞, ∀x ≥ xF thì ℙ(Mn ≤ x) = F (x) =1. P Do vậy: Mn  xF (n →∞), với: xF ≤ ∞ 8
9. Suy ra, dãy (Mn) là dãy biến ngẫu nhiên không giảm theo n => (Mn) hội tụ h.c.c. Khi đó, h.. c c Mn  xF, n→∞. (1.1) Kết quả trên không mang lại nhiều ý nghĩa. Để có nhiều thông tin hơn, ta cần tìm độ lớn của cực đại nhận được từ kết quả của hội tụ yếu (theo hàm phân phối) và chuẩn hóa cực đại. Vấn đề này là chủ đề chính trong lý thuyết cực trị cổ điển. Trong đó, định lý Fisher- Tippett như sau: Định lý Fisher – Tippett: Nếu tồn tại hằng số cn > 0, dn∈ ℝ sao cho: Md nn d H, n→∞. (1.2) cn Với H là một hàm phân phối không suy biến thì H phải là một trong ba hàm phân phối cực trị. Điều này tương tự như định lý giới hạn trung tâm. Từ đó, ta cần phải xem xét xác suất: ℙ( ≤ x) = ℙ ( Mn ≤ cn.x + dn) = ℙ(Mn ≤ un), (1.3) với: un = un(x) = cnx + dn. Trước tiên, ta nghiên cứu (1.3) cho dãy (un), sau đó ta sẽ nghiên cứu (1.2). Câu hỏi đặt ra là: với điều kiện gì của hàm F để chắc chắn rằng giới hạn: ℙ(Mn ≤ un), n → ∞ tồn tại, với hằng số un ? Một điều kiện chắc chắn cần đến là tính liên tục phải tại điểm cuối xF của nó. Đây là quy tắc đối với nhiều hàm phân phối quan trọng. Trường hợp, F có phân phối Poison thì: ℙ(Mn ≤ un) không có giới hạn trong (0; 1) với mọi dãy (un). Điều này suy ra rằng, cực đại chuẩn hóa của dãy biến ngẫu nhiên độc lập, cùng phân phối Poison không có giới hạn theo hàm phân phối. Chú ý này chỉ ra sự khác nhau giữa giới hạn theo tổng và theo cực đại của các biến ngẫu nhiên. 9
10. Nếu EX2 < +∞, định lý giới hạn trung tâm cho ta giới hạn đến phân phối chuẩn. Nếu EX2 = ∞ liên quan đến lớp nhỏ phân phối α _ổn định. Chỉ trong trường hợp đuôi to, các điều kiện đối với đuôi: F = 1 – F bảo đảm sự tồn tại giới hạn các hàm phân phối. Đối với tổng, chúng ta luôn cần các rất ít điều kiện đối với đuôi F để chắc chắn ℙ(Mn ≤ un) hội tụ tới một số trong khoảng (0; 1) (không suy biến). Ta sẽ tìm câu trả lời cho các vấn đề nêu trên. Trước hết, ta bắt đầu kết quả cơ bản, nó đóng một vai trò chủ yếu đối với sự hội tụ yếu của mẫu cực đại, đồng thời cũng là công cụ chính trong luận văn này. Mệnh đề 1.1: (xấp xỉ Poison) Cho trước ∈ [0, +∞) và dãy (un) các số thực. Các giới hạn sau là tương đương: n F (un) → . (1.4) - ℙ(Mn ≤ un) → e . (1.5) Chứng minh:  Xét: 0 ≤ F (un) → n n n Ta có: ℙ(Mn ≤ un) = F (un) = (1 - F (un))  1 n - = (1 - + O( )) → e , (n → ∞). n n Giả sử (1.5) đúng => (u ) → 0. Vì nếu (u ) ↛ 0, ∃ dãy con {n } sao cho (u ) n n k nk bị chặn và ℙ( Mu ) = (1 - (u ))nk → 0 (n → ∞) (vô lý). nnkk nk k Lấy loga 2 vế: -n.ln(1 - (un)) →  . Vì: - ln(1 – x) ~ x, khi: x → 0. 10