[摘要] 本文介紹了RBF網(wǎng)絡(luò)的原理、數(shù)理表達(dá)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并且以康美CWB1(580023)權(quán)證為樣本,使用RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),將標(biāo)的股票價(jià)格和權(quán)證規(guī)定的行權(quán)價(jià)格之比、無風(fēng)險(xiǎn)利率和權(quán)證到期期限作為輸入,權(quán)證價(jià)格作為輸出進(jìn)行了仿真分析和預(yù)測,同時(shí)將預(yù)測結(jié)果與BS模型預(yù)測結(jié)果做了對比。根據(jù)實(shí)證結(jié)果,發(fā)現(xiàn)RBF網(wǎng)絡(luò)對權(quán)證價(jià)格的仿真結(jié)果精度較高,與實(shí)際價(jià)格偏差較小;RBF網(wǎng)絡(luò)模型在價(jià)格預(yù)測的精度上優(yōu)于BS模型,對我國權(quán)證價(jià)格分析方法的發(fā)展和完善具有極大意義。
[關(guān)鍵詞] 權(quán)證RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
一、引言
權(quán)證在許多國家和地區(qū)已經(jīng)作為一種較為完善的金融工具而存在,但在中國大陸依然處在初步發(fā)展階段。權(quán)證作為一種低成本的金融衍生工具,能夠利用其杠桿特性激發(fā)金融市場活力,豐富金融產(chǎn)品品種,完善資本市場產(chǎn)品結(jié)構(gòu),在具備市場條件時(shí)也能夠有利于保持市場的穩(wěn)定性。而現(xiàn)行權(quán)證價(jià)格方法以布萊克-斯科爾斯(Black-Scholes)期權(quán)定價(jià)模型為主,模型的一系列假定比較嚴(yán)格。權(quán)證價(jià)格的變動過程,很可能是模糊的,而變化規(guī)律是也不一定能夠清晰的觀測,變化結(jié)果是高度容錯性的,顯示出復(fù)雜的動態(tài)非線性特征,但是B-S模型在反映這種復(fù)雜性方面顯然功效不足,故此有必要對權(quán)證價(jià)格分析和預(yù)測的各種方法和手段進(jìn)行不斷的深化和拓展。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network,ANN)方法可以作為非線性逼近工具,不需要建立復(fù)雜的顯示關(guān)系式且容錯性強(qiáng),具有一致逼近能力,可以處理信息不完全的預(yù)測問題。金融領(lǐng)域涉及密集型數(shù)據(jù),而數(shù)據(jù)本身又依賴于多個相互關(guān)聯(lián)的參數(shù),同時(shí)積累的大量的歷史性數(shù)據(jù)和樣本,這就決定了可以充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行分析和預(yù)測。因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于權(quán)證價(jià)格分析預(yù)測可以獲得較高的預(yù)測精度,從而為投資者提供可靠的估價(jià)工具,給權(quán)證價(jià)格分析預(yù)測提供了技術(shù)支持,為管理層增加了監(jiān)督控制手段,同時(shí)也為其他金融衍生產(chǎn)品的價(jià)格預(yù)測提供了參考。目前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)應(yīng)用于股票、保險(xiǎn)、外匯等多個領(lǐng)域。
本文使用徑向基函數(shù)(Radial Basis Function,RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),以康美權(quán)證為例,對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在權(quán)證價(jià)格分析中的應(yīng)用做了實(shí)證研究,并將仿真預(yù)測結(jié)果與傳統(tǒng)BS模型進(jìn)行了對比,得到了較好的預(yù)測結(jié)果。
二、文獻(xiàn)回顧
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)金融方面多個領(lǐng)域。Hutchinson,Lo和Poggio(1994)應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來處理金融衍生品定價(jià)模型,發(fā)現(xiàn)這種定價(jià)方法的優(yōu)勢在于不必依賴于限制性參數(shù)的假設(shè),該方法可以自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化,適用于各種衍生工具。Gorriz,Puntonet,Salmeron,和Ortega(2003)針對強(qiáng)波動性時(shí)間序列數(shù)據(jù),在RBF網(wǎng)絡(luò)中引入了利用ICA(Independent Component Analysis)方法和SG濾波器,并將分析結(jié)果與主成分分析法下的RBF網(wǎng)絡(luò)做了比較。Kiani(2005)將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間序列模型結(jié)合,通過測試加拿大、法國、日本、英國和美國的實(shí)際國內(nèi)生產(chǎn)總值增長率的非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),研究了這些國家經(jīng)濟(jì)周期的不對稱性。
朱杰(2000)利用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),對期貨價(jià)格進(jìn)行了分析和預(yù)測。江戈(2007)通過對歷史股價(jià)數(shù)據(jù)的分析,采用K均值聚類算法動態(tài)確定RBF網(wǎng)絡(luò)中心,根據(jù)梯度下降法進(jìn)行自適應(yīng)權(quán)值調(diào)整,對RBF網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法進(jìn)行了改進(jìn),進(jìn)一步提高了RBF網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能力和自適應(yīng)能力。朱家榮等(2008)以研究美元對人民幣匯率作為基礎(chǔ),首先驗(yàn)證了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對人民幣匯率進(jìn)行短期預(yù)測的可能性,并利用其對人民幣匯率趨勢進(jìn)行分析。王新軍等(2009)利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析了保險(xiǎn)業(yè)財(cái)產(chǎn)損失問題,對財(cái)產(chǎn)損失進(jìn)行了預(yù)測。
雖然許多學(xué)者將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用與金融分析中,取得了不少成果,但是在權(quán)證價(jià)格分析和預(yù)測方面仍然很少。同時(shí)實(shí)際應(yīng)用中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型也有待拓寬。
三、徑向基網(wǎng)絡(luò)原理
研究過程中可以獲得的歷史數(shù)據(jù)只有輸入向量和輸出向量,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整個中間過程需要通過數(shù)理方法進(jìn)行表達(dá),而神經(jīng)元則是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本邏輯單元。一個神經(jīng)元模型分為這樣幾個基本部分:
1.突觸:與突觸權(quán)值聯(lián)系,對于突觸的輸入為x=[x1,x2,L,xn]φ,每一個元素xj通過權(quán)值wdj與神經(jīng)元q相連接。
2.線性組合器:輸入通過權(quán)值所傳入的信號在加法器中進(jìn)行疊加并生成一個輸出uq。
3.閾值(偏置):閾值qq用于降低對激活函數(shù)的累積輸入。在激活之前要先從線性組合器輸出uq中減去,從而生成有效激活電位(activation potential)uq=uq-qq。
4.激活函數(shù)(轉(zhuǎn)移函數(shù)):激活函數(shù)f(.)提供神經(jīng)元輸出算法,通常有域值(硬極限)函數(shù)、分段線性函數(shù)、非線性轉(zhuǎn)移函數(shù)等形式,它限制了神經(jīng)元輸出yq的幅度。一般來講,一個神經(jīng)元輸出的正常范圍通常為[0,1]或[-1,1]。
一個人工神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)表示為(圖1):
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即是通過大量人工神經(jīng)元以一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織起來的并行處理計(jì)算結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中每個神經(jīng)元在結(jié)構(gòu)上相同,通過連接一個神經(jīng)元的輸出可以傳遞至另一個神經(jīng)元,而每一個連接都對應(yīng)一個連接系數(shù)。按照神經(jīng)元的連接形式可以將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)劃分為層次型網(wǎng)絡(luò)和互連型網(wǎng)絡(luò);按照網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的信息流向則可以分為前饋型網(wǎng)絡(luò)和回饋型網(wǎng)絡(luò)。單純前饋型網(wǎng)絡(luò)在給定輸入模式下能夠迅速產(chǎn)生一個相應(yīng)的穩(wěn)定輸出模式,本文選取徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即RBF網(wǎng)絡(luò)作就屬于此種類型,其結(jié)構(gòu)如圖2:
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在受到外部環(huán)境刺激時(shí),調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù),實(shí)現(xiàn)對外部輸入變化作出反應(yīng)的行為被稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)(訓(xùn)練),網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)實(shí)際上是一個曲線擬合過程,在固定的學(xué)習(xí)方法下,網(wǎng)絡(luò)根據(jù)某種最小化規(guī)則通過評判實(shí)際輸出和期望響應(yīng)的誤差來調(diào)整權(quán)值。通過反復(fù)的學(xué)習(xí)可以實(shí)現(xiàn)對外部環(huán)境的了解。一般來講,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)可以分為無監(jiān)督(無導(dǎo)師)學(xué)習(xí)、監(jiān)督(有導(dǎo)師)學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等。
RBF網(wǎng)絡(luò)作為一種分層的前饋型網(wǎng)絡(luò),特性在于隱層徑向基函數(shù)可以在輸入局部小幅度變化時(shí)產(chǎn)生一個較強(qiáng)響應(yīng),這一點(diǎn)在小范圍預(yù)測中可以用于提高精度;同時(shí)在計(jì)算方面具有優(yōu)勢,網(wǎng)絡(luò)建立和訓(xùn)練可以在同一過程下完成,節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。RBFANN由輸入層、隱含層(非線性處理神經(jīng)元層)和輸出層構(gòu)成。輸出層由信號源給出,隱含層單元數(shù)根據(jù)需要決定,輸出層為輸入模式的響應(yīng)。其思想在于利用RBF函數(shù)在構(gòu)成隱含層空間,使輸入不必通過權(quán)連接而直接映射到隱層空間。只要能夠確定函數(shù)的中心點(diǎn),則輸入到輸出的映射關(guān)系就能夠得以確定。隱含層的學(xué)習(xí)采取非線性優(yōu)化策略,輸出層則采取線性優(yōu)化策略。網(wǎng)絡(luò)輸出可以依照以下公式進(jìn)行計(jì)算:
(1)
其中x是一個輸入向量,wik為輸出層全權(quán)值,N為隱含層神經(jīng)元數(shù)目,ck為輸入向量徑向基函數(shù)的中心,一般選擇輸入數(shù)據(jù)的一個子集,P.P表示歐式空間范數(shù)。RBF網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元計(jì)算函數(shù)中心和網(wǎng)絡(luò)輸入之間的歐幾里得距離,從而使隱含層輸出一個該距離的非線性函數(shù),然后通過神經(jīng)元輸出的加權(quán)求和計(jì)算網(wǎng)絡(luò)輸出。徑向基函數(shù)fk是一個對中心點(diǎn)徑向?qū)ΨQ的非負(fù)非線性函數(shù),本文采取高斯函數(shù)形式,其中s為擴(kuò)展參數(shù),控制基函數(shù)的寬度。則RBF網(wǎng)絡(luò)輸出可表示為:
(2)
其中p=1,2,…,p為樣本總數(shù),k=1,2,…,n為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)。同時(shí)對于樣本的期望輸出di,有基函數(shù)方差。
故此RBF需要求解的參數(shù)有中心ck,高斯函數(shù)方差s和輸出連接權(quán)值wik。其中徑向基函數(shù)中心的選取方法有不同方式,如固定中心、隨機(jī)方法、自組織選取等。本文中選取自組織方法,該方法將學(xué)習(xí)過程分為兩個階段:第一階段為無監(jiān)督學(xué)習(xí)過程,通過K均值聚類方法求解隱含層徑向基函數(shù)的中心。首先將網(wǎng)絡(luò)初始化,隨機(jī)選取k個訓(xùn)練樣本為聚類中心si,然后將輸入的訓(xùn)練樣本依據(jù)最近鄰近規(guī)則分配給各個中心,繼而通過計(jì)算聚類集合中訓(xùn)練樣本的平均值作為新的聚類中心進(jìn)行調(diào)整,直到聚類中心不再發(fā)生變化。然后根據(jù)來計(jì)算方差;第二階段為有監(jiān)督學(xué)習(xí),可以利用最小二乘法來求解隱含層到輸出層之間的連接權(quán)值為。
四、仿真實(shí)驗(yàn)和預(yù)測
本文選取的樣本為2008年5月26日在上交所上市的康美CWB1(580023)權(quán)證,類型為歐式認(rèn)購權(quán)證,存續(xù)期365天,自2008年5月26日到2009年5月25日,該權(quán)證初始行權(quán)價(jià)格為10.77元,2009年4月22日由于股票除息,行權(quán)價(jià)格調(diào)整為5.36元并保持此行權(quán)價(jià)格直到行權(quán)過程結(jié)束。此處選取其每個交易日最高價(jià)和最低價(jià)的平均值為研究數(shù)據(jù)。
從樣本數(shù)據(jù)中截取中間段的3個月作為輸入數(shù)據(jù),采集范圍為2008年9月17日到2008年12月16日,通過所建立的網(wǎng)絡(luò)對其后的7個交易日,即08年12月17日到12月26日進(jìn)行預(yù)測并與實(shí)際值進(jìn)行對比。為了提高網(wǎng)絡(luò)泛化能力,在輸入之前首先對樣本進(jìn)行歸一化處理,令數(shù)據(jù)的區(qū)間變?yōu)閇0,1]。
金融理論中影響權(quán)證價(jià)格的因素主要有六個,分別為標(biāo)的股票的現(xiàn)行價(jià)格、權(quán)證的執(zhí)行價(jià)格、權(quán)證到期期限、股票價(jià)格的波動率、無風(fēng)險(xiǎn)利率、權(quán)證有效期內(nèi)預(yù)計(jì)發(fā)放的紅利。但由于發(fā)放紅利距離當(dāng)前交易日較遠(yuǎn),因此本文中不進(jìn)入模型。另外模型使用隱含波動率,由于當(dāng)期隱含波動率無法直接觀測,但上一時(shí)期隱含波動率是可以計(jì)算的,故此模型輸入中引入的是上一期的隱含波動率。則本文設(shè)定模型選取的輸入為:股價(jià)和行權(quán)價(jià)之比S(t)/X、無風(fēng)險(xiǎn)利率r、波動率V(t-1)和權(quán)證到期期限T-t,并有一個輸出即權(quán)證價(jià)格C(t)。在仿真試樣中采取一年期存款利率為無風(fēng)險(xiǎn)利率。
本文中利用Matlab(R2008b)軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn),錄入數(shù)據(jù)并利用最大最小值法歸一化處理之后,首先確定徑向基函數(shù)節(jié)點(diǎn)密度(散布常數(shù))spread。理論上來說利用RBF網(wǎng)絡(luò),任意的輸入輸出樣本都能夠達(dá)到函數(shù)逼近的目的,但是如果節(jié)點(diǎn)密度選擇不佳會對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)使用造成影響,spread值反映基函數(shù)的擴(kuò)展速度,該值越大則函數(shù)擬合就越平滑,但是如果過大則徑向基神經(jīng)元輸入會出現(xiàn)很大的重疊性,過小則為了適應(yīng)函數(shù)的緩慢變化就需要更多的神經(jīng)元數(shù)目,影響網(wǎng)絡(luò)性能。設(shè)定性能函數(shù)指標(biāo)誤差平方和(SSE)為0.01,最大神經(jīng)元數(shù)量50個,每次運(yùn)算添加一個神經(jīng)元,利用試錯法,取得spread=1即可滿足要求。
經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在響應(yīng)神經(jīng)元數(shù)量為5個的時(shí)候就可以達(dá)到性能指標(biāo)的要求,遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到飽和值,說明擬合還是很有效的,此時(shí)擬合SSE為0.0651。從擬合情況(圖3)上可以看到,擬合曲線還是比較好的反映了權(quán)證價(jià)格序列的變動趨勢和幅度。
通過訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò),對08年12月17日到12月26日的7個交易日進(jìn)行預(yù)測。通過表1可以看到預(yù)測情況,其中絕對誤差值為實(shí)際價(jià)格和預(yù)測價(jià)格之差的絕對值,誤差百分比表示誤差值對實(shí)際價(jià)格的百分比,為了更進(jìn)一步比較,同時(shí)列出BS公式得出的權(quán)證價(jià)格:
從預(yù)測效果來看,RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對后續(xù)7個交易日預(yù)測的誤差上限在2.30%以下,對第1個預(yù)測樣本點(diǎn)預(yù)測的效果最好,誤差小于1.00%,而第2個預(yù)測點(diǎn)誤差則上升了1.063%達(dá)到1.76左右,第3個交易日誤差又上升了0.450%,然后開始穩(wěn)定在2.20%左右,這首先反映了RBF網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測與訓(xùn)練樣本時(shí)間距離最近的測試點(diǎn)時(shí)效果最好,而后則誤差趨于穩(wěn)定的一個范圍;第七個預(yù)測點(diǎn)的預(yù)測誤差突然下降則可能預(yù)示了后續(xù)預(yù)測誤差會有一定的波動。這種特性在一定程度上顯示了金融數(shù)據(jù)所具有的馬爾科夫性質(zhì),也說明了RBF網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行短期預(yù)測上優(yōu)勢更為明顯。
與BS公式預(yù)測值進(jìn)行對比,BS公式預(yù)測值的誤差全部在3.00%以上,而其誤差上限則達(dá)到了24%以上,這說BS模型在我國資本市場的應(yīng)用還有待于改進(jìn),同時(shí)也更進(jìn)一步直觀地顯示了RBF網(wǎng)絡(luò)所具有的精度優(yōu)勢。
五、基本結(jié)論
本文以康美權(quán)證為樣本建立RBF網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真和預(yù)測,根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果,總體上得到這樣的結(jié)論:
1.從仿真效果來看,RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在整體上較好的擬合了權(quán)證的實(shí)際價(jià)格,擬合結(jié)果與實(shí)際值具有一致性。而預(yù)測的結(jié)果也表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性,所以利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對權(quán)證價(jià)格變化進(jìn)行預(yù)測是可行的。
2.對于本文所選擇的樣本數(shù)據(jù),RBF網(wǎng)絡(luò)在價(jià)格預(yù)測上的精度較BS模型更優(yōu)。這說明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用條件更加寬松,適應(yīng)性也比BS模型更好。從RBF網(wǎng)絡(luò)和BS模型的預(yù)測對比可以看到,通過RBF網(wǎng)絡(luò)所得到的預(yù)測值則和權(quán)證實(shí)際價(jià)格保持了一致的變化狀態(tài),其誤差也能夠控制在比較小的范圍內(nèi),誤差上限不超過2.3%;而BS公式計(jì)算出來的預(yù)測值波動幅度比較大,同時(shí)預(yù)測效果的準(zhǔn)確性也不好,其中個別樣本點(diǎn)大幅度偏離其實(shí)際價(jià)格。RBF網(wǎng)絡(luò)在價(jià)格預(yù)測上顯示了比較強(qiáng)的優(yōu)勢,在精確性上與傳統(tǒng)的BS公式方法相比有了很大改善,可以在我國資本市場權(quán)證價(jià)格的分析預(yù)測中起到重要作用,能夠?qū)ξ覈鄬μ厥獾慕鹑诃h(huán)境下應(yīng)用傳統(tǒng)方法所帶來的不足起到彌補(bǔ)作用。
3.RBF網(wǎng)絡(luò)對權(quán)證價(jià)格的擬合和預(yù)測結(jié)果都是比較良好的,一方面體現(xiàn)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)良好一致逼近效果和結(jié)構(gòu)上容錯性,另一方面與基本金融理論一致,也證實(shí)我國資本市場歐式認(rèn)購權(quán)證價(jià)格確實(shí)以其標(biāo)的股價(jià)、距到期日的時(shí)間、無風(fēng)險(xiǎn)利率、波動率和行權(quán)價(jià)格為影響因素,但這些因素的影響方式則可能更加復(fù)雜,需要進(jìn)一步探討。
4.RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型仍有進(jìn)一步提升精度的空間。一方面由于我國權(quán)證市場發(fā)育尚不成熟,隨著金融環(huán)境的改善預(yù)測表現(xiàn)會更加良好;另一方面,在技術(shù)上也可以探求輸入變量范圍、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)化,比如引入如GA算法、PSO算法等各種參數(shù)優(yōu)化方法,或其他信息處理技術(shù),如信息?;椒ǖ?,進(jìn)一步探求提高擬合和預(yù)測的精度。同時(shí)也有必要不斷拓展用于權(quán)證價(jià)格分析預(yù)測的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型。
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