A részvényportfóliók dinamikáját az egyik alapvető kihívás a pénzügyi modellezésben, különösen a piaci hatások figyelembevételével. A klasszikus megközelítések, mint a lineáris kvadratikus szabályozó (LQR) modell, jól működnek, amikor a piac hatásai elhanyagolhatók, de a valódi piaci környezetben a tranzakciós költségek és a likviditás hatásai nem hagyhatók figyelmen kívül. Az ilyen helyzetekben a G-tanulás, mint a megerősítéses tanulás egy formája, egy új és hatékony módszert kínál a portfóliók optimalizálására.
A G-tanulás (más néven "soft Q-learning") egy nemlineáris integrálegyenletet ad, amely lehetővé teszi a döntések optimalizálását olyan környezetekben, ahol a piaci hatások és a nemlineáris dinamikák dominálnak. Az alapmodell a következő formában írható fel:
Ez az egyenlet egy nemlineáris probléma, amely két dimenziós integrálokkal dolgozik, ha az állapot- és cselekvési tér egy-egy dimenziós. A számítási komplexitás növekedése miatt a G-tanulás megoldása gyakran numerikus módszereket igényel, de a megoldások alkalmazása jelentős előnyökkel járhat a portfóliók kezelésében, különösen az időállandó problémák esetében.
A dinamikák piaci hatásokkal való összekapcsolása, amikor a tranzakciós költségek nem nullák, a következő nemlineáris állapotequációt adja:
ahol a a piaci hatások mértékét jellemző diagonális mátrixot jelöli, és a zűrzavarokat jelöli. Amikor a , a dinamikák nemlineárisak, mivel a cselekvések kvadratikusan hatnak az állapotra. A piaci hatások elhanyagolása esetén azonban a dinamikák lineárisak, és a problémát egy egyszerűbb lineáris kvadratikus regulátor (LQR) modellben lehet kezelni.
A piaci hatások figyelembevételével a portfólió optimalizálásának problémája egy bonyolultabb kvadratikus függvények optimalizálásává válik. A G-tanulás alkalmazása ilyen környezetekben különösen érdekes, mert lehetővé teszi a tetszőleges állapotok közötti optimális döntések meghozatalát anélkül, hogy explicit formában kellene modellezni a piaci hatásokat. Az optimális politikák egy Gauss-eloszlással modellezhetők, ahol a paraméterek a piac különböző állapotaival és jeleivel változnak az idő előrehaladtával.
A végső cél általában a kockázat és a hozam egyensúlyának maximalizálása egy adott időhorizonton belül. A G-tanulás keretében a politikák szabályozásához és a portfólió dinamikájának kezeléséhez használt kvadratikus formák segítenek abban, hogy a rendszer képes legyen figyelembe venni a piaci frikciókat, tranzakciós költségeket és a portfólió időbeli változásait.
Továbbá fontos megérteni, hogy a G-tanulás nemcsak a statikus portfóliók optimalizálására alkalmas, hanem dinamikus piaci környezetekben is alkalmazható. A piaci hatások és a tranzakciós költségek az idő előrehaladtával változnak, így a megfelelő politikák meghatározásához dinamikus alkalmazkodás szükséges. Az optimális cselekvési politikák nem csupán a jelenlegi piaci környezethez igazodnak, hanem a jövőbeli változásokra is reagálnak. A kvadratikus kifejezések és a Gauss-alapú integrációs technikák segítségével a G-tanulás hatékonyan alkalmazható a valós pénzügyi modellekben is.
Hogyan optimalizálhatjuk a vagyonkezelést kockázatos és kockázatmentes eszközök között?
A vagyoni elosztás alapvető problémáját figyelembe véve, vegyük azt az esetet, amikor a befektetőknek egy kockázatos eszköz és egy kockázatmentes eszköz között kell elosztaniuk a vagyonukat, miközben figyelembe kell venniük a fogyasztást is. A fogyasztás optimális problémáját diszkrét időben és véges horizontú beállításban formulázzuk meg, szemben Merton (1971) klasszikus folytonos időben történő megközelítésével. A későbbiekben Cheung és Yang (2007) munkáját követve, a befektetési horizont T ∈ N rögzítettnek tekintjük.
A modellezés szerint minden egyes időszak kezdetén a befektető eldöntheti a vagyonának elosztását a kockázatos eszköz és a fogyasztás között, melyeknek nem lehet negatívnak lenniük, és kisebbnek kell lenniük az adott pillanatnyi teljes vagyonuknál. Legyen Wt a befektető vagyonának nagysága az adott t időpontban, Rt pedig a kockázatos eszköz hozama az időszakban [t, t+1]. Az idő t fogyasztása ct ∈ [0, Wt], és miután a fogyasztás megtörtént, a maradék vagyon egy αt ∈ [0, 1] részét a kockázatos eszközbe fekteti, míg a többit a kockázatmentes eszközbe helyezi. Ezeket a megkötéseket “költségvetési korlátozásoknak” nevezzük.
A vagyon diszkrét időben történő fejlődése az alábbi képlettel adható meg:
ahol W0 pozitív kezdővagyonnal rendelkezik. A költségvetési korlátozásoknak megfelelően, az (C, α) sorozat a következőképpen alakul: {(c_0, α_0), \dots, (c_{T-1}, α_{T-1})}, és ezt nevezzük az “befektetési-fogyasztási stratégiának”.
A fogyasztás (azaz a fogyasztás hasznosságával) kapcsolatos jutalmak várható összege, valamint a végső jutalom használatos a befektetési-stratégia teljesítményének mérésére. A megerősítéses tanulás (RL) esetében szabadon választható bármilyen jutalomfüggvény, amely konvex a cselekvések tekintetében.
Az optimalizálási probléma így írható fel:
A feladatot a Bellman-egyenlet segítségével oldjuk meg, a következőképpen:
A leggyakoribb hasznossági függvény, amely zárt formájú megoldásokhoz vezet, a konstans relatív kockázatkerülésű (CRRA) hasznossági függvény, amely az alábbiak szerint néz ki:
Ez esetben az állapotfüggvény egyszerűsödik:
A legoptimálisabb fogyasztás, amely lineárisan függ a vagyontól, a következő formában kapható:
Ez lehetővé teszi számunkra, hogy meghatározzuk az optimális kockázatos eszközhöz való hozzárendelést a következő képlettel:
A G-tanulás egy rugalmasabb megoldást kínál, amely képes kezelni a magas dimenziójú portfóliókat, miközben biztosítja a hasznossági függvények választásának szabadságát. Így a portfóliók optimális elosztása nemcsak a kockázatos eszközökre, hanem az egész portfólióra vonatkozik.
A korábban bemutatott példában a legjobb stratégia azt eredményezte, hogy ha a kockázatos eszköz várható hozama meghaladja a kockázatmentes eszköz hozamát, akkor a befektető teljes mértékben a kockázatos eszközbe helyezi el a vagyonát, míg ellenkező esetben a kockázatmentes eszközt választja. Ez az egyszerűsített megközelítés segíthet a befektetőknek meghatározni, mikor érdemes a kockázatos eszközökre összpontosítani, és mikor célszerű a kockázatmentes eszközöket preferálni.
Az optimalizálás során figyelembe kell venni a tranzakciós költségeket, mivel azok jelentős hatással lehetnek az optimális stratégiákra. Emellett a piaci visszajelzések és a várható hozamok folyamatos figyelemmel kísérése elengedhetetlen annak érdekében, hogy a portfóliókezelés rugalmas és fenntartható legyen. Az optimális fogyasztási és befektetési stratégiák figyelembevételével a befektetők képesek a hosszú távú vagyonkezelés során meghozni a legjobb döntéseket.
A portfóliók optimalizálása nem csupán a kockázatos eszközök és a kockázatmentes eszközök közötti egyensúly megtalálásáról szól. Fontos, hogy a befektetők figyelembe vegyék a saját kockázattűrő képességüket, hosszú távú pénzügyi céljaikat, és a piaci környezet folyamatos változásait is. A sikeres vagyonkezelés kulcsa a jól meghatározott, dinamikus stratégiák alkalmazása, amelyeket folyamatosan finomítani és alkalmazkodni kell a piaci környezethez.
Hogyan kapcsolódik a fizika a gépi tanuláshoz, és miért fontos ez?
A gépi tanulásban gyakran alkalmazott regulációs módszerek közé tartozik például az L2 és L1 reguláció. Azonban a kvantum-elektrodinamika (QED) modellje kiemeli, hogy a prior választása kulcsfontosságú lehet a modell helyes viselkedésének biztosításában. A Halperin és Dixon (2020) által alkalmazott „Kramer reguláció” egy olyan módszer, amely biztosítja a potenciálbarriert, amely elválasztja a metastabilis és instabilis állapotokat. Ez lehetővé teszi a Kramer szökési sebesség formulájának alkalmazását a hoppoló valószínűség kiszámítására. Ez arra utal, hogy más, specializáltabb regulációs módszerek, különösen azok, amelyek fenntartják vagy megőrzik a statikus vagy dinamikus szimmetriákat, hasznosak lehetnek más gépi tanulási alkalmazásokban is.
A gépi tanulás történeti hátterében a fizika alapvető fogalmai ismertek. Ilyen például a Monte Carlo módszer, a Boltzmann gépek (amelyek az Ising-modellből és más rácsmodellekből származnak), a maximális entrópia következtetés és az energia-alapú modellek. Mindezek a módszerek a XIX. és XX. század első felében alakultak ki, a fizika tudományában. Azonban a fizika az utóbbi 50 évben saját fejlődését folytatta, és ezek a fejlesztések a gépi tanulás területén csak nemrégiben jelentek meg.
A gépi tanulásban a hierarchikus, többrétegű nemlineáris függvények alkalmazása központi szerepet játszik. Az adatok feldolgozása több rétegen keresztül történik, így fokozatosan egyre elvontabb jellemzők jelennek meg. A mély konvolúciós hálózatokban az adatok hierarchikusan vannak összesítve, egy-egy neuron receptív mezőjében lévő bemenetek kombinálásával, és ez a folyamat folytatódik a következő réteg felé. Ez a folyamat egy hierarchikus, többrétegű, finomítási eljárásnak tekinthető, amely az eredeti bemenetekből fokozatosan egyre elvontabb jellemzőket hoz létre.
Ez a finomítási folyamat a fizikában ismert fogalom, a renormalizációs csoport (RG) eljárás analógiája. A renormalizációs csoport módszerei a mikroszkopikus elméletből indulnak ki, és céljuk egy nagy léptékű elmélet felépítése. Az RG célja, hogy egy adott szabadságfokot, például egy rendszert, koarcs-grain módszerrel csökkentsen, miközben megtartja a hosszú távú korrelációkat. Ez a redukció új „effektív” elméletet eredményez, amelynek Hamilton-függvénye a koarcs-grainelt változók terében van meghatározva. Az RG alkalmazása iteratív módon új kapcsolatokat eredményez a Hamilton állandóinak különböző léptékeken történő áramlásával. Ez az áramlás, az RG-folyamat, egyfajta iteratív eljárás, amely a rendszert a legnagyobb léptéken való megértéshez vezet.
Az RG és a mélytanulás között hasonlóságok is felfedezhetők, mivel mindkét megközelítés hierarchikus eljárásokra épít. Azonban fontos megérteni a különbségeket is: míg az RG során a cél a rendszer eredeti állapotának fenntartása és az elmélet léptékenkénti átalakítása, addig a mélytanulás célja a tanulási dinamikák és az absztrakciók megfelelő megértése.
Egy másik érdekes terület, ahol a fizikai elméletek és a gépi tanulás találkoznak, a tenzornet hálózatok. A tenzorok alapvetően többdimenziós tömbök, amelyek a mátrix fogalmát kiterjesztik több dimenzióra. Az egyik legnagyobb siker, amit a statisztikus fizika az elmúlt 30 évben elért, a tenzor-dekompozíciók alkalmazása volt a kvantum spin rendszerek analízisében, amelyek rácsmodellek által leírhatók. A gépi tanulásban a tensorok alkalmazása kulcsfontosságú, mivel az adatokat gyakran tenzorként kell kezelni. A TensorFlow például egy olyan gépi tanulási könyvtár, amely a tenzorokat a legáltalánosabb bemeneteként kezeli.
A pénzügyek világában is hasonló alkalmazások léteznek: például egy részvények történeti adatai könnyen reprezentálhatók egy 3D-s tenzorban, ahol az első index az időpontot, a második a részvényt, a harmadik pedig a részvények jellemzőit tartalmazza. Ez lehetőséget biztosít a különböző részvények jellemzőinek szisztematikus vizsgálatára és a minták keresésére.
Fontos megérteni, hogy a fizika és a gépi tanulás közötti kapcsolat nem csupán elméleti érdekesség. A fizikai alapú elméletek és modellek új perspektívákat adhatnak a gépi tanulás alapjainak megértésében, különösen a bonyolult rendszerek modellezése és a tanulási folyamatok szakszerűségének javítása szempontjából. A fizikai elméletek és módszerek, mint az RG és a tenzorhálózatok, erőteljes eszközöket adnak a gépi tanulás kutatóinak kezébe, hogy jobban megértsék az adatok hierarchikus feldolgozását, és új lehetőségeket nyissanak a mesterséges intelligencia fejlődésében.
Hogyan számítható ki egy állapotérték és akció-érték függvény a megerősítéses tanulásban?
A megerősítéses tanulás (Reinforcement Learning) egyik alapvető feladata, hogy meghatározza, hogyan kell egy ügynöknek (agent) cselekednie a különböző állapotokban a maximális összjutalom elérése érdekében. Az egyik központi eszköz a „Jutalom” (reward) fogalma, amely segít mérni, hogy egy adott cselekvés milyen sikeresen éri el a kívánt célt. A cél tehát nem csupán egy-egy pillanatnyi nyereség, hanem az egész folyamatra vonatkozó összjutalom, amelyet az ügynök egy adott politikával (policy) próbál maximalizálni. Ezt a fogalmat az állapot-érték (state-value) és akció-érték (action-value) függvények segítségével modellezhetjük.
Az állapot-érték függvény azt mutatja meg, hogy egy adott állapot mennyire „értékes” egy politikával folytatott döntéshozatal során. Az értékelés az összjutalomra vonatkozóan történik, amit az ügynök a választott politikával érhet el. Az állapot-érték függvény tehát nem csupán egy egyszerű numerikus értéket ad meg, hanem egy komplex interakciós láncot modellez, amely figyelembe veszi a döntések sorozatát, és azok hatását az ügynök későbbi állapotaira.
A megfelelő akció-érték függvény, , az állapotban történő cselekvés hatását és a következő lépéseket is figyelembe veszi. Ez az érték azt mutatja meg, hogy egy adott akció végrehajtása az adott állapotban mennyire növeli az összjutalmat a kiválasztott politika szerint. A különbség az, hogy az akció-érték függvény egy további paramétert, az akciót is tartalmazza, míg az állapot-érték függvény csak az állapotot veszi alapul.
A Bellman-egyenlet a megerősítéses tanulás egyik központi matematikai eszköze, amely lehetővé teszi a jövőbeli értékek számítását a jelenlegi értékek figyelembevételével. Az állapot-érték függvény esetében a Bellman-egyenlet így néz ki:
Ez az egyenlet kifejezi, hogy egy állapot értéke az adott állapotban elérhető közvetlen jutalomból, és a következő állapot értékéből származik. Az egyenlet visszafelé működik az időben, és segít kiszámítani egy adott állapot értékét a jövőbeli állapotok figyelembevételével.
Hasonlóképpen, az akció-érték függvényre is létezik egy Bellman-egyenlet:
Ezek az egyenletek nemcsak a megerősítéses tanulás elméleti alapjait alkotják, hanem gyakorlati alkalmazásuk is széleskörű a különböző problémák megoldásában.
A Monte Carlo-módszerek segítségével az állapot- és akció-érték függvények gyakran közvetlenül adatgyűjtés útján is megbecsülhetők. Az ilyen típusú megoldások gyakran alkalmazhatók, amikor a rendszer teljesítményét szimulációk során mérhetjük, és az eredményeket felhasználva képesek vagyunk iteratív módon optimalizálni az ügynök döntéseit. Az adatgyűjtés és a szimulációs eredmények különösen hasznosak akkor, amikor nem áll rendelkezésre teljes körű ismeret az átmeneti valószínűségekről vagy a jutalomfüggvények pontos paraméterei.
A probléma összetettségét tovább növeli, ha végtelen időhorizonton dolgozunk, ahol az idő múlásával változó döntések és kimenetek hatását kell figyelembe venni. Az időfüggő problémák, különösen a pénzügyi alkalmazásokban, tipikusak, ahol a jövőbeli eredmények ugyanúgy fontosak, mint a jelenlegi döntések. A végtelen időhorizontú problémák gyakran időtlen döntési politikát igényelnek, ahol a döntések folytatásához nem szükséges explicit módon figyelembe venni az időt.
Az optimális politikát akkor határozhatjuk meg, amikor a legnagyobb összjutalmat eredményező döntési sorozatot találjuk meg minden egyes lehetséges állapotra. A politikát optimalizálva, biztosíthatjuk, hogy az állapotok értéke mindenhol maximalizált legyen, azaz minden állapotban az optimális akcióval érhetjük el a legjobb eredményt.
A pénzügyi alkalmazásokban, például a befektetések optimalizálásában, a véges időhorizontú problémák alkalmazása gyakori, hiszen gyakran előre meghatározott időintervallumokban kell értékelni a teljesítményt (például napi, havi vagy éves szinten). A véges időhorizontú MDP modellek különösen hasznosak a pénzügyi döntéshozatal során, amikor a befektetések teljesítményét adott időszakokban szeretnénk maximalizálni. Azonban fontos figyelembe venni, hogy egy hosszú távú pénzügyi stratégia, amely 30 évet ölel fel, több kisebb időszakra is felbontható, és így egy végtelen időhorizontú modell közelítését is alkalmazhatjuk.
A megerősítéses tanulás tehát nemcsak elméleti szempontból fontos eszköz, hanem a gyakorlatban is hasznos, különösen akkor, amikor komplex döntési folyamatokat kell modellezni és optimalizálni a jövőbeli eredmények alapján.
A megerősítő tanulás alkalmazása a piacok optimalizálására: SARSA és Q-learning módszerek
A magas frekvenciájú piaci készítés problémáját, amely a bid-ask spread kihasználására összpontosít, a SARSA és Q-learning algoritmusok segítségével közelíthetjük meg. A problémát úgy definiáljuk, hogy egy piaci készítő egy-egy legjobb vételi és eladási limit megbízást adjon, miközben szigorúan tartja a pozícióját −1 és 1 között. A cél az, hogy meghatározzuk, mikor érdemes optimálisan ajánlatot tenni vételre (b), eladásra (s) vagy tartásra (h), amikor a limit megbízások frissülnek. A különböző piaci helyzetekben eltérő stratégiák válhatnak előnyössé: bizonyos esetekben a legjobb vétel akkor ajánlott, ha az azonnali nyereséget biztosít, más esetekben pedig célszerűbb várni, hogy nagyobb spreadet rögzítsünk.
Ebben az egyszerű modellben az ügynök a rendelési könyvben található likviditás-eltérést használja az ármozgás előrejelzésére, és ezen keresztül becsüli meg a valószínűségeket. Az egyszerűsítés kedvéért a modell nem veszi figyelembe a piaci megbízásokat, a sorban állás helyzetét, a törléseket vagy a különböző szinteken elhelyezett limit megbízásokat. Ezeket a további anyagok és gyakorlatok fogják részletesebben ismertetni.
A problémát az ügynök által megfigyelt árak és rendelési könyvek frissítése alapján alakítjuk ki. Az állapot-tér a készlet és a likviditási arány szorzataként jellemezhető, ahol az állapotok száma és a tranzakciók valószínűsége meghatározza a legoptimálisabb ajánlatok elhelyezését. Az ügynök célja, hogy a rendelkezésre álló információk alapján maximalizálja a profitot és minimalizálja a kockázatot.
A modellben alkalmazott SARSA és Q-learning algoritmusok iteratív módon próbálják meg maximalizálni a várt összesített profitot. Mindkét algoritmus különböző módokon közelíti meg a probléma megoldását, de megfelelő számú iteráció után a két módszer ugyanarra az optimális stratégiára konvergál, amely maximálja a profitot a különböző piaci feltételek mellett. A SARSA és Q-learning közötti különbség a tanulás módszertanában rejlik: míg a SARSA az aktuális cselekvést és a jövőbeli állapotot is figyelembe veszi, a Q-learning a legjobb cselekvést választja az egyes állapotok alapján. A tanulás folyamán mindkét módszer folyamatosan próbálja ki a legjobb stratégiákat, és alkalmazkodik a piaci változásokhoz.
A legnagyobb kihívás azonban a piaci készítésben rejlő folyamatosan változó környezethez való alkalmazkodás. Az algoritmusok működését és hatékonyságát egyre inkább a folyamatos állapotok és akciók kezelése teszi próbára, mivel a piaci környezet nem mindig diszkrét módon oszlik meg, és az állapotok száma gyorsan exponenciálisan nőhet.
A megerősítő tanulás alkalmazása során számos finomítási lehetőség kínálkozik, például a funkció-approximáció alkalmazása, amely lehetővé teszi a folyamatos vagy nagy dimenziójú állapot- és akciótér kezelését. Ez a megközelítés jelentősen csökkentheti az adattáblák tárolásával és számítási költségeivel kapcsolatos problémákat, és lehetővé teszi a módszerek alkalmazását a valós világban is. A lineáris funkció-approximációk, például, a hagyományos Q-táblázatok és SARSA módszerek helyett a jövőben egy egyszerűbb, paraméterekre épülő modellt javasolhatnak.
Fontos, hogy a megerősítő tanulás módszereit megfelelően alkalmazzuk a piaci adatok és a különböző paraméterek, mint például az árfolyamok és a likviditási arányok függvényében. Az algoritmusok alkalmazása során mindig figyelembe kell venni a tranzakciós költségeket és a piaci környezet dinamikáját. A megfelelő kutatás és modellezés biztosítja a tanulási folyamatok konvergenciáját és a valós idejű alkalmazások sikerét.
Hogyan vált a vallási jogbeszéd eszközzé a politikai polarizáció fokozásában?
Hogyan optimalizáljuk az indexeket az adatbázis lekérdezéseihez?
Hogyan végezzünk elsősegélyt: alapvető lépések és életmentő technikák
Hogyan javíthatjuk az adatminőséget üzleti intelligencia eszközökkel?

Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский