Zagadnienia

15. Nieliniowe szeregi czasowe

Modele uwzględniające heteroskedastyczność - GARCH. (1 wykład)

15.1. Wstęp.

Zmienność odchyleń standardowych (heteroscedasticity) zwrotów finansowych powoduje, że do ich opisu należy stosować bardziej skomplikowane modele stochastyczne niż model błądzenia przypadkowego, na przykład modele z rodziny GARCH. Są to modele nieliniowe. Ponadto, oprócz badanej wielkości, np. przyrostów logarytmicznych kursów walutowych, wprowadza się zmienne pomocnicze, których nie można bezpośrednio mierzyć.

Najprostszy model z tej rodziny, GARCH(1,1), jest opisany następująco:
Rozważamy dwa ciągi zmiennych losowych rt i ht. Wartość rt poznajemy w momencie t, a ht jest zmienną pomocniczą. Są one związane wzorami

rt=htεt,
ht=a+bht-1+crt-12,tZ,

gdzie a,b,c są parametrami modelu a εt są niezależnymi zmiennymi losowymi o tym samym rozkładzie o wartości oczekiwanej 0 i wariancji 1.
ht można interpretować jako zmienne odchylenie standardowe zmiennych losowych rt.

Indeksy 1,1 w nazwie modelu oznaczają, że ht zależy liniowo od ht-1 i rt-12. W literaturze są badane również modele GARCH(p,q)

rt=htεt,tZ,
ht=a+b1ht-1++bpht-p+c1rt-12++cqrt-q2.

15.2. Ogólne własności modelu GARCH(1,1).

Model GARCH pozwala w prosty sposób wyliczać warunkową wartość oczekiwaną i warunkowe momenty zmiennej rt. Dla uproszczenia przyjmiemy, że inowacje εt mają rozkład normalny

tεtN0,1.

Oznaczmy przez Et() wartość oczekiwaną wyznaczoną gdy znane są już wartości ri dla it. Zauważmy, że dla każdego t ht i εt są niezależne zatem

Etrt+k2m-1=Etht+km-1/2Etεt+k2m-1=0,
Etrt+k2m=Etht+kmEtεt+k2m=132m-1Etht+km.

Wynika, to z założenia, εt nie zależą od historii i mają rozkład normalny N0,1

Etεt+km=Eεt+km=0m=1,3,5,7,135m-1m=2,4,6,

(patrz [12] str.60 lub [11] §18.8-3.)

Zauważmy, że ht+1 jest wyznaczone przez h1 i wartości historyczne ri, it. Zatem przy prognozowaniu o jeden krok naprzód, mamy

Etrt+12m=ht+1m132m-1

gdzie ht+1=a+bht+crt2.

Dla k>1 korzystamy ze wzoru

ht+1=a+bht+chtεt2.

Co daje nam

Etht+k=a+b+cEtht+k-1.

Oznaczmy przez Ak warunkową wartość oczekiwaną Etht+k. Zależność rekurencyjna

Ak=a+b+cAk-1,k=2,3,,A1=ht+1>0

wyznacza jednoznacznie Ak.
Jeśli b+c=1 to

Ak=k-1a+A1;

gdy b+c1 to

Ak=a1-b-c+b+ck-1A1-a1-b-c.

Zauważmy, że w przypadku gdy b+c=1 i a=0 ciąg Ak jest stały, a gdy b+c=1 i a>0 rozbieżny liniowo do nieskończoności.
Gdy b+c<1 to ciąg Ak jest zbieżny do

A=a1-b-c,

a gdy b+c>1 to ciąg Ak jest rozbieżny wykładniczo.

Aby wyznaczyć czwarty moment rt, czyli drugi ht, korzystamy ze wzoru

ht+12=a2+2ab+cεt2ht+b+cεt22ht2.

Otrzymujemy

Et(ht+k2)=a2+2a(b+cEt(εt+k-12))Et(ht+k-1)+(b2+2bcEt(εt+k-12)+c2Et(εt+k-14)Et(ht+k-12).

Oznaczmy przez Bk warunkowy moment Etht+k2. Wówczas mamy zależność

Bk=a2+2ab+cAk-1+b+c2+2c2Bk-1,B1=ht+120.

Gdy b+c=1 to

Bk=a2+2ak-1a+A1+1+2c2Bk-1.

Zatem gdy c0 to ciąg Bk jest rozbieżny. W szczególności model wzorowany na Risk Metrics (a=0, b=0,94 i c=0,06) jest rozbieżny.

Zauważmy, że ograniczność czwartego momentu jest zagwarantowana gdy
b+c2+2c2<1. Wówczas Bk zbiega do

B=a21+b+c1-b-c1-b+c2-2c2.

Otrzymujemy w ten sposób następujący wzór na asymptotyczną kurtozę:

3BA2=31-b+c21-b+c2-2c2=3+6c21-b+c2-2c2.

15.3. Ograniczenia na parametry modelu GARCH(1,1).

Ograniczenia na parametry modelu wynikają z naturalnych założeń dotyczących ograniczoności procesu. Zakładamy, że istnieją granice warunkowych wartości oczekiwanych

limkEtht+k, i limkEtht+k2.

Pierwsza granica istnieje gdy b+c<1 i zachodzi wówczas

limkEtht+k=a1-b-c.

Druga gdy b+c2+2c2<1, wówczas

limkEtht+k2=a21+b+c1-b-c1-b+c2-2c2.

Natomiast założenie o rozkładzie εt możemy osłabić. Istotne są tylko następujące warunki

Eεt=0,Eεt2=1,Eεt3=0,Eεt4=3.

15.4. Stacjonarność modeli GARCH.

Nie dla wszystkich modeli GARCH istnieją rozwiązania stacjonarne. Potrzebne są dodatkowe warunki na parametry (patrz [14] §3.3.1). Przykładowo dla modelu GARCH(1,1) zachodzi:

Twierdzenie 15.1

Następujące warunki są równoważne:
1. Model GARCH(1,1) z parametrami a,b,c ma dokładnie jedno nieujemne rozwiązanie stacjonarne rt,ht.
2. Parametry a,b,c są nieujemne i spełnione jest oszacowanie

Elnbεt2+c<0.

Momenty rozwiązania stacjonarnego można stosunkowo łatwo wyznaczyć.

Twierdzenie 15.2

Niech rt,ht będzie stacjonarnym procesem GARCH(1,1) z parametrami a,b,c. Przy założeniu

Eεt=0,Eεt2=1,Eεt3=0,Eεt4=3,

otrzymujemy:
A. Gdy b+c<1 to

1.Eht=a1-b-c;
2.Ert=0;
3.D2rt=Ert2=a1-b-c;
4.covrt,rt+k=0k=1,2,.

B. Gdy ponadto b+c2+2c2<1 to

5.Eht2=a21+b+c1-b-c1-b+c2-2c2;
6.D2ht=2a2c21-b-c21-b+c2-2c2;
7.covht,ht+k=b+ckD2htk=1,2,;
8.Ert4=3Eht2;
9.D2rt2=2a21-b2-bc1-b-c21-b+c2-2c2;
10.covrt2,rt+12=c1-b2-bc1-b2-2bcD2rt2;
11.covrt2,rt+k2=b+ck-1covrt2,rt+12k=2,3,.

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.