Oczekiwana użyteczność zależy od wyboru funkcji użyteczności.
Zachodzi pytanie, czy można ocenić, która z dwóch inwestycji jest lepsza dla wszystkich
inwestorów niezależnie od ich indywidualnych preferencji.
Postaramy się odpowiedzieć na to pytanie, korzystając z pojęcia dominacji stochastycznej.
Niech
Mówimy, że
czyli
Mówimy, że
gdzie
Piszemy wówczas:
Relacja FSD nie zależy od wyboru definicji dystrybuanty. Jeżeli
Dystrybuanta
Mówimy, że
gdzie
Piszemy wówczas:
Zauważmy, że w przypadku dominacji stochastycznej rzędu pierwszego i drugiego
zmienne losowe
Uwaga.
Mamy następujące zależności:
Pokażemy teraz, jakie związki zachodzą między kryterium maksymalizacji oczekiwanej użyteczności a dominacją stochastyczną pierwszego i drugiego rzędu.
Niech
1.
2. Dla każdej niemalejącej funkcji
3. Istnieją zmienne losowe
Dowód.
1
Skorzystamy ze standardowej konstrukcji (patrz [21] §5.3 zad. 2).
Zmienne losowe
Jak łatwo sprawdzić,
Pozostaje pokazać, że
Zatem
czyli dla dowolnego
3
Wartość oczekiwana zależy tylko od rozkładu,
2
Zauważmy, że funkcje
są niemalejące. Zatem dla dowolnego
co daje
Niech
Wówczas
W szczególności dla
Dowód.
Skorzystamy z pkt. 3 powyższego twierdzenia.
Jeśli
to
Zatem
Przejdziemy teraz do drugiej dominacji stochastycznej. Na początek pokażemy związek między całką z dystrybuanty, a wartością oczekiwaną.
Dla dowolnej zmiennej losowej
Dowód.
Jak wiadomo ([21] Stwierdzenie 11 §5.6) wartość oczekiwana nieujemnej zmiennej losowej
Część ujemna
Ponieważ
Po zamianie zmiennych,
gdyż poza przeliczalną liczbą punktów
Z powyższego wynika następująca charakteryzacja drugiej dominacji stochastycznej:
Pokażemy teraz, że gdy
ma prawostronną asymptotę ukośną
Dla dowolnej zmiennej losowej
Dowód.
Załóżmy, że
Dla
Ponieważ, jak pokazaliśmy w poprzednim lemacie
to
Niech
1.
2. Dla każdej niemalejącej i wklęsłej funkcji
3. Istnieją zmienne losowe
tzn. para
Niech
Wówczas
W szczególności dla
Dowód.
Zauważmy, że wzięta ze znakiem przeciwnym część ujemna z funkcji niemalejącej i wklęsłej też jest niemalejąca i wklęsła.
Zatem z dominacji stochastycznej,
co jest równoważne
dominacji stochastycznej,
Na zakończenie pokażemy, że dominację stochastyczną pierwszego lub drugiego rzędu
można stosować wymiennie do oceny wypłat z inwestycji lub zysku lub stóp zwrotu.
Niech
Przez
Załóżmy, że dystrybuanty
Wówczas:
Jeżeli zachodzi choć jeden z poniższych warunków
to
racjonalny inwestor wybierze inwestycję A.
Załóżmy ponadto, że wartości oczekiwane
Jeżeli zachodzi choć jeden z poniższych warunków
to
racjonalny inwestor wybierze inwestycję A.
Rozważania w tym podrozdziale ograniczymy do zmiennych losowych całkowalnych, tzn. posiadających skończoną wartość oczekiwaną.
Semiwariancją ujemną i dodatnią zmiennej losowej
Pierwiastek z semiwariancji nazywamy semiodchyleniem standardowym
Jeśli zmienna losowa
Gdy w definicji wariancji zastąpimy kwadrat przez moduł, to otrzymamy odchylenie przeciętne. Przypomnijmy:
Odchyleniem przeciętnym,
semiodchyleniem przeciętnym
ujemnym i semiodchyleniem przeciętnym
dodatnim zmiennej losowej
Te trzy wielkości są ściśle ze sobą związane.
Dla dowolnej zmiennej losowej
Dowód. Zauważmy, że
Natomiast
Zatem
Przeanalizujemy teraz zależności między parametrami rozkładów wynikające z dominacji stochastycznej pierwszego lub drugiego rzędu.
Jeśli
1.
Jeśli ponadto
2.
3.
4.
Dowód.
Ad 1.
Rozważamy funkcję
W dalszej części dowodu przyjmiemy, że wartości oczekiwane są równe,
Ad 2.
Rozważamy funkcję
Ad 3.
Rozważamy funkcję
Ad 4.
Rozważamy funkcje
Zatem
Druga dominacja stochastyczna implikuje trochę słabsze warunki.
Jeśli
1.
Jeśli ponadto
2.
3.
Dowód.
Nierówność dla wartości oczekiwanych była pokazana już w poprzednim podrozdziale (wniosek 14.3).
Nierówności 2 i 3 wynikają z faktu, że
funkcje
Gdy rozkłady są symetryczne, to semiodchylenia standardowe można zastąpić odchyleniem standardowym.
Jeśli rozkłady
Jeśli rozkłady
W przypadku rozkładów normalnych dominację stochastyczną można całkowicie opisać w terminach wartości oczekiwanej i odchylenia standardowego.
Niech zmienne losowe
Wówczas
Dowód.
Niech
Dystrybuanta
Druga dominacja jest bardziej skomplikowana. Zauważmy, że
Najpierw pokażemy, że z nierówności
wynika druga dominacja stochastyczna.
Pokażemy, że pochodna po
Zatem przy ustalonych
Dowód implikacji w drugą stronę. Jak pokazaliśmy powyżej, druga dominacja stochastyczna implikuje nierówność wartości oczekiwanych.
Rozważmy następującą granicę, gdy
Stosując dwukrotnie regułę de l'Hospitala, otrzymujemy
Z drugiej dominacji stochastycznej wynika, że
Na zakończenie zajmiemy się zmiennymi losowymi o rozkładzie lognormalnym.
Niech
Wówczas
Dowód.
Równoważność dla dominacji stochastycznej pierwszego rzędu wynika z faktu, że funkcja wykładnicza jest
rosnąca i odwracalna. Zatem z wniosku 14.1 i charakteryzacji dominacji stochastycznej
dla rozkładów normalnych (twierdzenie 14.3) otrzymujemy:
W przypadku dominacji stochastycznej drugiego rzędu
dominacja
Ponadto z dominacji stochastycznej wynika nierowność dla wartości oczekiwanych
Przypomnimy, że
Zatem
Co kończy dowód implikacji w prawą stronę.
Pokażemy teraz, że warunki na parametry
Niech
Okazuje się, że para
Ponieważ założyliśmy, że
czyli
Aby zakończyć dowód, wystarczy zauważyć, że
Strategie oparte na dominacji stochastycznej wymagają dokładnej znajomości całego rozkładu, co jest:
a) pracochłonne;
b) kosztowne;
c) czasami niewykonalne.
Ponadto prowadzą one do optymalizacji ,,
Niech zmienne losowe
Jako prognozę dochodu najczęściej przyjmuje się wartość oczekiwaną
1. Możliwość wystąpienia efektu niezgodnego z przewidywaniami. Nieważne, czy jest to
przykra niespodzianka, czy przyjemne zaskoczenie; ważne, że prognoza była niedokładna.
2. Możliwość poniesienia straty. Uwzględniamy tylko przykre niespodzianki.
Najbardziej popularne miary ryzyka to:
Odchylenie standardowe i wariancja.
wyznaczamy prognozę błędu prognozy.
Ujemne semiodchylenie standardowe
i ujemna semiwariancja.
Odchylenie przeciętne i ujemne semiodchylenie przeciętne.
Ponieważ
Zauważmy, że w przypadku rozkładu normalnego powyższe miary są równoważne, w szczególności
odchylenie standardowe, semiodchylenie standardowe, odchylenie przeciętne i semiodchylenie przeciętne
są proporcjonalne. Rzeczywiście, jeśli
Przyjęcie wartości oczekiwanej jako miary dochodowości, a odchylenia standardowego jako miary ryzyka jest równoważne stwierdzeniu, że inwestor dokonuje wyboru inwestycji zgodnie z relacją (kryterium) Markowitza ([28, 29]).
Relacja Markowitza jest określona tylko dla zmiennych losowych o skończonych zarówno wartości oczekiwanej,
jak i wariancji (
Przykład
Rozważmy dwie inwestycje, które wymagają takich samych nakładów i rozliczenie, których nastąpi w tym samym czasie.
Wiadomo, że wypłata z pierwszej wyniesie 3 tys. zł, a z drugiej z tym samym prawdopodobieństwem (50%)
3 lub 4 tys. zł. Oczywiste jest, że każdy racjonalny inwestor wybierze drugą inwestycję. Niemniej
zauważmy, że
Zatem
co oznacza, że z punktu widzenia kryterium Markowitza inwestycje
Zauważmy, że relacja Markowitza zachowuje się przy przeskalowaniu.
Niech
Dowód.
Wartość oczekiwana jest liniowa, a odchylenie standardowe dodatnio jednorodne, zatem
Wobec tego
Zatem obie nierówności zostają zachowane przy przeskalowaniu.
Niech
i.
ii.
iii.
Kryterium Markowitza jest powszechnie używane przy planowaniu składu portfela inwestycyjnego.
Założenia modelowe.
Inwestor inwestuje kwotę
Oznaczmy przez
Wówczas wzór na stopę zwrotu przyjmuje postać
Wartość oczekiwana stopy zwrotu z portfela jest kombinacją liniową stóp zwrotu z poszczególnych papierów
a wariancja kombinacją liniową ich wariancji i kowariancji ([21] §5.6 Twierdzenie 16)
Biorąc pod uwagę, że
lub w postaci macierzowej
Zbiór inwestycji dopuszczalnych
Odwzorowanie, które przyporządkowuje portfelowi o składzie
Obraz
Obraz zbioru portfeli efektywnych jest zawarty w brzegu zbioru możliwości i nazywa się
granicą efektywną (rys. 5.2). Zauważmy, że ma ona prostą interpretację geometryczną.
Punkt
Oszacowano następujące prawdopodobieństwa wypłat dla inwestycji A, B i C:
Inwestycja A:
wypłata [tys. zł] | 6 | 8 | 10 | 13 | 15 |
prawdopodobieństwo [%] | 20 | 10 | 15 | 25 | 30 |
Inwestycja B:
wypłata [tys. zł] | 6 | 7 | 9 | 10 | 11 | 14 | 15 | 16 |
prawdopodobieństwo [%] | 15 | 5 | 5 | 15 | 5 | 25 | 20 | 10 |
Inwestycja C:
wypłata [tys. zł] | 6 | 7 | 8 | 9 | 11 | 13 | 14 | 15 |
prawdopodobieństwo [%] | 10 | 5 | 10 | 5 | 15 | 10 | 25 | 20 |
Sprawdzić, czy na podstawie kryterium dominacji stochastycznej można wybrać
najlepszą spośród nich (każda wymaga zainwestowania 10 000 zł).
Rozwiązanie.Wypłaty są skokowymi zmiennymi losowymi, zatem ich dystrybuanty (
K | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 13 | 14 | 15 | 16 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
A | 20 | 0 | 10 | 0 | 15 | 0 | 25 | 0 | 30 | 0 | |
P(K) | B | 15 | 5 | 0 | 5 | 15 | 5 | 0 | 25 | 20 | 10 |
C | 10 | 5 | 10 | 5 | 0 | 15 | 10 | 25 | 20 | 0 | |
A | 20 | 20 | 30 | 30 | 45 | 45 | 70 | 70 | 100 | 100 | |
F | B | 15 | 20 | 20 | 25 | 40 | 45 | 45 | 70 | 90 | 100 |
C | 10 | 15 | 25 | 30 | 30 | 45 | 55 | 80 | 100 | 100 | |
A | 0 | 20 | 40 | 70 | 100 | 145 | 235 | 305 | 375 | 475 | |
G | B | 0 | 15 | 35 | 55 | 80 | 120 | 210 | 255 | 325 | 415 |
C | 0 | 10 | 25 | 50 | 80 | 110 | 200 | 255 | 335 | 435 |
Wiersz
Na podstawie tabelki stwierdzamy, że w każdym punkcie dystrybuanta
Całki
Odpowiedź.
Inwestor dokonujący wyboru inwestycji na podstawie dominacji stochastycznej pierwszego lub drugiego rzędu
powinien odrzucić inwestycję
Wyznaczyć ujemne semiodchylenie przeciętne dla zmiennej losowej
Rozwiązanie.
Odpowiedź.
Ujemne semiodchylenie przeciętne dla zmiennej losowej
W oparciu o relację Markowitza
określić, która z poniższych inwestycji jest bardziej, a która mniej korzystna:
inwestycja A – stopa zwrotu ma rozkład
inwestycja B – stopa zwrotu ma rozkład
inwestycja C – stopa zwrotu ma rozkład
Rozwiązanie.Porównujemy wartości oczekiwane i odchylenia standardowe
Zatem inwestycja B ma największą wartość oczekiwaną stopy zwrotu i najmniejsze odchylenie standardowe, czyli
Natomiast stopy zwrotu z inwestycji A i C są nieporównywalne względem relacji Markowitza,
A ma lepsze odchylenie standardowe, a C wartość oczekiwaną.
Odpowiedź.
Zgodnie z relacją Markowitza najkorzystniejsza jest inwestycja B. Pozostałe dwie inwestycje
są nieporównywalne względem relacji Markowitza, a tym samym nie daje ona wskazówek, która z nich jest bardziej,
a która mniej korzystna.
Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.
strona główna | webmaster | o portalu | pomoc
© Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW, 2009-2010. Niniejsze materiały są udostępnione bezpłatnie na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Użycie niekomercyjne-Bez utworów zależnych 3.0 Polska.
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.