Transcript garch
Temat piąty Jednorównaniowe modele zmienności Analiza szeregów czasowych o wysokiej częstotliwości • cechy analizy krótkookresowej • podstawowy i uogólniony model ARCH • testowanie efektu ARCH/GARCH • niestandardowe modele ARCH (in mean, z asymetrią, EGARCH) • estymacja modeli GARCH, ocena jakości Cechy analizy krótkookresowej Do cech procesów losowych (najczęściej procesów finansowych) charakteryzujących się wysoką częstotliwością zaliczą się: • naprzemienne występowanie okresów o zwiększonej fluktuacji i okresów niskiej zmienności zmiennej będącej przedmiotem zainteresowania • skupiania wariancji w kolejnych jednostkach czasu, tj. dodatniej korelacji w dziedzinie zmienności zmiennej będącej przedmiotem zainteresowania, co przejawia się w wysokiej wariancji zmiennej powodowanej wzrostem tej wariancji w okresie poprzedzającym i analogicznie spadkiem wariancji na skutek niskiej wariancji w okresie poprzedzającym Podstawowy i uogólniony model ARCH Rodzaje nieliniowych procesów stochastycznych W nieliniowej analizie jednowymiarowych szeregów czasowych poszukuje się funkcji f wiążącej dany proces z ciągiem niezależnych zmiennych losowych o jednakowym rozkładzie: Yt f ( t , t 1 , t 2 ,...) (5.1) gdzie t jest zmienna losową o średniej zero i jednostkowej wariancji Powyższa reprezentacja jest nieoperacynja, jest na tyle ogólna, że nie wiadomo jak dobierać postać funkcji f Najczęściej przyjmuje się, że nieliniowy proces ekonomiczny ma postać: Yt g ( t 1 , t 2 ,...) t h ( t 1 , t 2 ,...) (5.2) Procesy Yt wyrażone (5.1) z nieliniową funkcją g() nazywamy procesami nieliniowymi w warunkowej wartości średniej Procesy Yt wyrażone (5.2) z nieliniową funkcją h2() nazywamy procesami nieliniowymi w warunkowej wariancji Powyższa klasyfikacja ma sens gdyż: Podstawowy i uogólniony model ARCH Warunkowa wartość oczekiwana Yt może być zapisana: E (Yt / t 1 ) g ( t 1 , t 2 ,...) (5.3) funkcja g opisuje zmiany wartości średniej procesu Yt warunkowo względem informacji z przeszłości (zbiór Ωt-1 oznacza zbiór wszystkich informacji dostępnych do momentu t-1) Kwadrat funkcji h przedstawia zmiany warunkowej wariancji procesu Yt: D (Y t / t 1 ) E [( Yt E (Yt / t 1 )) / t 1 ] 2 2 E [ t h ( t 1 , t 2 ,...) / t 1 ] 2 2 h ( t 1 , t 2 ,...) E ( t ) 2 2 h ( t 1 , t 2 ,...) 2 (5.4) Do najbardziej znanych modeli nieliniowych w warunkowej wartości średniej należą: procesu dwuliniowe, nieliniowe procesy autoregresji i średniej ruchomej, autoregresyjne modele progowe, przełącznikowe i wygładonego przejścia, procesy autoregresyjne o losowych współczynnikach Znanymi procesami o zmiennej wariancji warunkowej są: procesy ARCH/GARCH oraz procesy zmienności stochastycznej Podstawowy i uogólniony model ARCH Podstawowym modelem ARCH jest: y t xt t (5.5) T q ht 0 i t i (5.6) 2 i 1 gdzie xt jest wektorem zmiennych objaśniających (najczęściej opóźnionych zmiennych endogenicznych – postać modelu AR) β jest wektorem parametrów strukturalnych t jest składnikiem zakłócającym spełniającym warunek t / t 1~ N ( 0 , ht ) w celu zapewnienia dodatniości warunkowej wariancji zakłada się ponadto: 0>0 i i≥0 Warto zauważyć, że równanie (5.6) jest nieliniowe ze względu na zmienne, równanie to (tj. granica sumy q) wyznacza tzw. stopień modelu ARCH, mówimy o modelu ARCH(q) Model ARCH(q) opisuje poprawnie proces stacjonarny, lub inaczej model q ARCH(q) generuje proces stacjonarny, jeśli spełniony jest warunek i 1 i 1 Podstawowy i uogólniony model ARCH Uogólnionym modelem ARCH, czyli modelem GARCH, jest: y t xt t (5.7) T q ht 0 i t i 2 i 1 p i (5.8) ht i i 1 gdzie oznaczenia zmiennych i parametrów jak w równaniach (5.5) i (5.6) w celu zapewnienia dodatniości warunkowej wariancji zakłada się ponadto: 0>0 i i≥0 i i≥0 granice sumowania q i p wyznaczają stopień modelu GARCH, mówimy o modelu GARCH(q, p) stacjonarność procesu (tj. skończoność bezwarunkowej wariancji) opisanego modelem GARCH(q,p) jest zapewniona jeśli spełniony jest warunek q i 1 p i i 1 i 1 Podstawowy i uogólniony model ARCH W zastosowaniach finansowych wygodnie jest korzystać z tzw. reprezentacji równoważnej modelu GARCH v t t ht Niech dany będzie proces vt taki że: 2 ( t 1) ht 2 ht t v t (5.9) 2 t ~ N ( 0 , 1) z formuły (5.8) wyrażającej warunkową wariancję w modelu GARCH wiemy, że ht należy zapisać: q ht 0 i t i 2 i 1 p i ht i vt 0 i 2 i t i 2 i 1 0 2 t ht t v t 0 2 i t i 2 i 1 p i ht i i 1 p 2 t i i 1 q t vt 0 i 1 q 2 t q i ( t i v t i ) 2 i 1 p p i t i i vt i 2 i 1 q i 1 p p ivt i vt i 1 i 1 1 i i 2 t i AR (max( p , q )) i 2 t i MA ( q ) (5.10) Testowanie efektu ARCH/GARCH Testowanie efektu ARCH/GARCH jest ekwiwalentne, tj. istniejące testy nie pozwalają odróżnić obu procesów Wynik testu wskazujący na obecność omawianego efektu pozwala jedynie z określonym prawdopodobieństwem wnioskować o obecności ARCH lub GARCH, bez możliwości rozróżnienia Wnioskowanie o rzędach p i q procesów ARCH/GARCH odbywa się na podstawie miar pojemności informacyjnej Test Engle’a Jest to test „typu” mnożnika Lagrange’a, tzn. do testowania hipotezy zerowej niezbędna jest znajomość jedynie modelu z restrykcjami nałożonymi poprzez testowaną hipotezę Przypomnijmy, równaniem pomocniczym wariancji warunkowej w modelu ARCH (5.6) jest: q ht 0 i t i 2 i 1 Engle zaproponował postać modelu AR dla kwadratów reszt uzyskanych z relacji (5.5) jako dobre przybliżenie relacji (5.6), zatem szacowany (MNK, ML) model przyjmuje postać: q ˆ t 0 2 i ˆt i t 2 i 1 (5.11) Testowanie efektu ARCH/GARCH q ˆ 0 2 t i ˆt i t 2 (5.11) i 1 Jeśli efekt ARCH/GARCH nie występuje, tzn. nie występuje heteroskedastyczność wariancji warunkowej, wówczas w (5.11) wszystkie parametry i powinny zanikać, tak więc hipotezami są: H 0 : 1 2 ... q 0 H A : i 0 Statystyką testową jest: LM T R 2 gdzie R2 jest współczynnikiem determinacji wyznaczonym dla modelu (5.11) Statystyka testowa LM ma rozkład graniczny o q stopniach swobody, wnioskowanie o odrzuceniu H0 lub braku podstaw do odrzucenia jest typowe 2 Testowanie efektu ARCH/GARCH Test McLeoda i Li W omawianym teście wykorzystuje się statystykę Boxa-Ljunga do weryfikacji hipotezy o braku autokorelacji kwadratów reszt relacji (5.5), zatem test przebiega następująco: • oszacować relację (5.5) 2 • wyznaczyć kwadraty reszt, ˆ t , relacji (5.5) • obliczyć współczynniki autokorelacji (rzędu od 1 do q) kwadratów reszt uzyskanych w punkcie poprzednim (Uwaga! Nie zapomnieć o standaryzacji) T 1 ˆ i 2 2 cov( ˆ t , ˆ t i ) D ( ˆ t ) 2 2 ˆt ˆt i 2 T j 1 T 2 j i 1 T ˆt 2 t 1 q • obliczyć statystykę Boxa-Ljunga Q ' T (T 2 ) ˆ i T i 1 2 (5.12) i • statystyka (5.12) Boxa-Ljunga ma rozkład graniczny o q stopniach swobody • wobec zastosowanej statystyki testowej, zestawem hipotez jest: H 0 : 1 2 ... q 0 H A : i 0 2 Niestandardowe modele GARCH Model GARCH in MEAN (GARCH-M) przyjmuje postać: t / t 1~ N ( 0 , h t ) y t x t ht t T q ht 0 i i 1 (5.13) p 2 t i i ht i (5.14) i 1 GARCH-M stosowany jest do modelowania ryzyka (premii za ryzyko) Jeżeli ocena parametru λ jest dodatnia i parametr może zostać uznany za statystycznie istotny, wówczas wzrost wariancji warunkowej ht (czyli miary ryzyka) powoduje wzrost premii za ryzyko w postaci oczekiwanej stopy zwrotu z papieru (yt) Niestandardowe modele GARCH Model GARCH z asymetrią reakcji Asymetria reakcji na pakietowe zmiany zmienności zmiennej będącej przedmiotem zainteresowania (rt) może być przybliżona prostym modelem GARCH-M t / t 1~ N ( 0 , h t ) t v t h t rt a ht t q ht 0 i t i 2 i 1 v t ~ N ( 0 , 1) p i (5.16) ht i i 1 Wówczas możliwe jest wyznaczenie vt jako: v t rt ( a ht ) ht Warto zauważyć, że proces opisany przez (5.17) charakteryzuje się rozkładem normalnym standaryzowanym Można zaobserwować, że prawdziwa jest następująca nierówność: r t (5.15) ( a h t ) /( rt 0 ) rt ( a h t ) /( rt 0 ) Czego konsekwencją jest: E t /( rt 0 ) E t /( rt 0 ) (5.17) Niestandardowe modele GARCH Model E-GARCH W modelu EGARCH czyni się typowe założenia odnoszące się do równania opisującego zmienną będącą przedmiotem zainteresowania, czyli: y t xt t t / t 1~ N ( 0 , h t ) t v t h t T v t ~ N ( 0 , 1) (5.18) Funkcją warunkowej wariancji jest: q ln ht 0 i 1 p i ( 1 v t 1 2 ( v t 1 2 / )) i ln ht i (5.19) i 1 Powyższy model jest modelem typu wykładniczego Z definicji funkcji wykładniczej wynika, że zapewniona jest nieujemność wariancji warunkowej Asymetria reakcji powodowana jest iloczynem iδ1 przykładowo, jeżeli iδ1<0 wówczas wariancja warunkowa ht maleje w miarę wzrostu t-i i rośnie w przypadku spadku składnika zakłócającego, jednakże nieliniowy charakter reakcji wymusza różne stopnie reakcji