stochastic processes - nkd groupstochastic processes edited: february 2011 page 1 professor: nina...

19
Stochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Nonformal: A stochastic process (random process) is the opposite of a deterministic process such as one defined by a differential equation. A stochastic process deals with more than one possible reality of how a process might evolve. This means that even if the starting point (initial condition) is known there are many paths that a process may follow – some are more probable than others. For processes in time, a stochastic process is simply a process that develops in time according to probabilistic rules. Stochastic Process – Formal Definition Stochastic Process (X) is a family of random variables, dependent upon a parameter which usually denotes time (T) and defined on some sample space (Ω). Mathematically, {X t ,t є T} = { X t (ω), t є T, ωєΩ} Of course the parameter does not have to always denote time. It could be a vector representing location in space. In such a case the process will represent a random variable that varies across twodimensional space. In our case we will not delve into this level of details.

Upload: others

Post on 13-Jul-2020

7 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 1 Professor: Nina Kajiji 

 

Stochastic Processes 

Stochastic Process – Non Formal Definition: 

Non‐formal:  A stochastic process (random process) is the opposite of a deterministic 

process such as one defined by a differential equation.   A stochastic process deals with 

more than one possible reality of how a process might evolve.   This means that even if 

the starting point (initial condition) is known there are many paths that a process may 

follow – some are more probable than others.  

For processes in time, a stochastic process is simply a process that develops in time 

according to probabilistic rules. 

Stochastic Process – Formal Definition 

Stochastic Process (X) is a family of random variables, dependent upon a parameter 

which usually denotes time (T) and defined on some sample space (Ω).  

Mathematically, 

{Xt, t є T} = { Xt(ω), t є T, ω є Ω} 

Of course the parameter does not have to always denote time.  It could be a vector 

representing location in space.  In such a case the process will represent a random 

variable that varies across two‐dimensional space.  In our case we will not delve into 

this level of details. 

 

 

Page 2: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 2 Professor: Nina Kajiji 

 

Stochastic Process – Discrete Time 

When T is a set of integers, representing specific time points we have a stochastic 

process in discrete time.  In this case we generally define the random variable as Xn.  

The random variable Xn will depend on earlier values of the process,  

That is:  Xn‐1, Xn‐2, … 

 

 

Page 3: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 3 Professor: Nina Kajiji 

 

Stochastic Process – Continuous Time 

When T is the real line (or some interval of the real line) we have a stochastic process in 

continuous time.   We will focus on this definition for our study.  The random variable 

X(t) will depend on values of X(u) for u < t.   

 

 

 

 

 

Page 4: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 4 Professor: Nina Kajiji 

 

Examples of Stochastic Processes 

Random Walk Models – such as exchange rate data.  In a random walk model 

changes in the “rate” are independent normal random variables with zero mean 

and standard deviation of the actual data.  In essence, the upward and 

downward movement in the “rate” is equally likely and there is no scope for 

profiteering by speculation except by luck.   

Aside: 

J.P. Morgan’s famous stock market prediction was that, “Prices will fluctuate.” 

Bachelier’s Theory of Speculation in 1900 postulated that prices fluctuate 

randomly. 

 

 

These models make sense in a world where: 

1.  Most price changes result from temporary imbalances between buyers and 

sellers. 

2. Stronger price shocks are unpredictable. 

3. Under efficient capital market hypothesis the current price of a stock reflects 

all information about it. 

 

Page 5: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 5 Professor: Nina Kajiji 

 

These models do not make sense if: 

1. One believes in technical analysis 

2. Random walk models assume that returns are normally or log‐normally 

distributed.  Thus, frequency of extreme events is underestimated. 

NOTE:  These models will be the focus of our study. 

Poisson Processes – such as photon emissions.  A photon is a minute particle of 

light measured by a special machine.  The problem – the machine has a dead 

time period.  That is, after it counts the photon it has to recharge before it can 

count the next photon.  Therefore, the counts are underestimated.  A stochastic 

model would need to be formulated that not only deals with the emissions but 

also the dead time based on some probability of occurrence.   A homogenous 

poisson process satisfies: 

o Starts at zero 

o It is stationary, and has independent increments 

o For every t > 0, X(t) has a poisson distribution 

NOTE: Because poisson processes are counting processes they inherently have a 

jump. 

Epidemics  – such as SARS.  The disease is detected, spread, and eventually 

controlled to eradicate it.  The question arises, how soon will it spread.  How 

widespread will it be.  How many should you vaccinate – because some will die 

anyway so the ultimate goal of eradication is reached.  The graphs generally have 

a peak when the epidemic is at its peak. 

Page 6: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 6 Professor: Nina Kajiji 

 

Point Processes – such as Earthquakes.   Empirically we say that on average 

there is one earthquake per year.  However, in actuality there are years when 

there have been no recorded earthquakes.  Thus, there is a clustering effect in 

the processes.  The question would be, “is it related to magnitude?”  “is it strictly 

by chance?”, etc. 

Reproduction Processes – Yeast cells.  Mother yeast cells produces daughter 

yeast cells after a random time.  Each daughter cell has to evolve to a mother 

stage before it can reproduce.  But that evolution also takes a random time.  

Each cell can only reproduce a fixed number of times before it dies.  Question, 

how many cells will there be give some fixed time. 

Evolutionary Processes – Interest to evolutionary biologists.  When they study 

gene behavior of plants.  These processes all exhibit the Markov property. 

   

Page 7: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 7 Professor: Nina Kajiji 

 

Definition of Terms Used in Stochastic Processes 

Recall:  

Financial Time Series for this course is a collection of financial measurements over 

time.  Example the log returns over time can be stated as: 

{ rt} = {r1, r2, … , rT} for T observations 

Time­Invariant 

A system in which all quantities that make up the systems behavior remain constant 

with time.  That is, the system’s response to a given input does not depend on the time 

it is applied.  For example: 

System A:    ·  – not time in‐variant 

System B:  10  ·  – time‐invariant 

White Noise   

White Noise is a simple type of stochastic process (random signal) whose terms are iid 

with zero mean.  However, the iid requirement is too restrictive in practice.  A Gaussian 

white noise is a stochastic process having the following characteristics: 

Mean = zero. 

Variance is finite. 

Zero autocorrelations.  

Finite­Dimensional Disturbances (fidis) 

A fidis of the stochastic process X are the distributions of the finite‐dimensional vectors  

, … , ,   t1, … , tn є T for all possible choices of times ti and every n ≥ 1.  A 

collection of fidis is the distribution of the stochastic process. 

Page 8: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 8 Professor: Nina Kajiji 

 

Stationarity 

A strict‐stationary process is a stochastic process whose joint probability distribution 

does not change when shifted in time or space.  Thus, Stationarity explores the time‐

invariant behavior of a time series.  Determining the stationarity condition of the time 

series allows for proper identification and development of forecasting models.  Two 

types of Stationarities: 

Strict Stationarity – distributions are time‐invariant 

Weak Stationarity – only the first 2 moments are time‐invariant.  That is, the 

data values fluctuate with constant variation around a constant level. 

How used in Time Series Analysis 

Raw data are often transformed to remove the trend effect (de‐trended). 

If the time‐plot of { rt} varies around a fixed‐level with a finite range the series is 

said to be weakly stationary. 

The first 2 moments of future rt are the same as those of the data we infer the 

series is weakly stationary. 

Most financial time series exhibit weak form stationarity. 

Markov Property 

Given the present (Xk‐1) the future (Xk) is independent of the past (Xk‐1, Xk‐3, … , X1).  

In other words, the “lack of memory” property of a time series. 

Counting Process 

It is a process X(t) in discrete or continuous time for which the possible values of X(t) 

are the natural numbers (0, 1, 2, …) with the property that X(t) is a non‐decreasing 

function of t. 

Page 9: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 9 Professor: Nina Kajiji 

 

A Sample Path 

A sample path of a stochastic process is a particular realization of the process.  That 

is, a particular set of values X(t) for all t, which is generated according to the 

(stochastic) rules of the process. 

 

Increments 

An increments of a stochastic process are the changes X(t)‐X(s) between time points s 

and t (s < t).  Processes in which the increments for non‐overlapping time intervals are 

independent and stationary are of important.  Examples: Random Walks. Levy 

processes such as Poisson processes; and Brownian Motion. 

 

Page 10: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 10 Professor: Nina Kajiji 

 

Statistical Measures for Linear Time Series 

Gaussian Processes 

A stochastic process is called Gaussian if all its fidis are multivariate Gaussian.  The 

distribution of a Gaussian stochastic process is determined only by the collection of the 

expectations and covariance matrices of the fidis. 

Mean or Expectation 

 

Variance 

   

Mean and Variance of Returns 

 1

        11

   

To Test H0 : µ = 0 v/s H0 : µ   0 compute, 

      /  ~   0,1  

Reject H0 of zero mean if |t| > Zα/2 

Covariance and Correlation 

The covariance of random variables X and Y is defined:  Cov(X,Y) = E[(X ‐ µx)(Y‐µy)].  If X 

and Y are “in sync” the covariances will be high; If they are independent, the positive 

and negative terms should cancel out to give a score around zero. 

Page 11: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 11 Professor: Nina Kajiji 

 

The lag‐l auto‐covariance Cov(rt, rt‐1) = γl has two interesting properties: 

γ0  = Var(rt); 

γl  = γl‐1  

The correlation coefficient of random variables X and Y, is defined: 

,  ,

It measures the strength of linear dependence between X and Y, and lies between ± 1. 

 

Correlation and Causation  

NOTE: Correlation does not imply causation. 

The meaningfulness of the correlation can be evaluated by considering: 

the number of pairs tested  

the number of points in each time series 

the “sniff” test 

statistical tests 

Lag­k auto covariance 

,    

Serial (or auto­) correlations 

 ,

 

Existence of serial correlation implies that the return is predictable indicating market 

inefficiency. 

Aside: Market inefficiency is a condition that occurs when the current prices don’t 

reflect the available information regarding securities.  

Page 12: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 12 Professor: Nina Kajiji 

 

Sample Autocorrelation Function (ACF) 

 ∑    

∑   

Where:   is the sample mean and T is the sample size 

Test zero serial correlations (market efficiency) 

Single Test 

:  0     :  0  

 1⁄

√  ~  0,1  

Reject H0 if |t| > Zα/2 

Joint  Test – Ljung Box statistics 

:    0     :  0  

  2   ~    

Reject H0 if Q(m) >   

Page 13: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 13 Professor: Nina Kajiji 

 

 

What are we looking for when studying autocorrelations? 

If stock returns are truly random, we expect all lags to show a correlation of 

around zero. 

Today’s volatility is a good predictor for tomorrow, so we expect high 

autocorrelations for short lags. 

Macro variables such as today’s sales are a good predictor for yesterday’s sales, 

so we expect high autocorrelations for short lags. 

If the analysis period is changed you may be able to study day‐of‐week effects, 

or day‐of‐year effects.  These will show up as lags of 7, and 365 respectively. 

   

Page 14: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 14 Professor: Nina Kajiji 

 

Univariate Time Series 

Purpose 

1.  A model for   

2. Understanding models for  : properties, forecasting, etc. 

Linear Time Series 

  is linear if 

the predictable part is a linear function of Ft‐1, and 

 are independent and have the same distribution (iid). 

That is, 

    

Where:  

: is a constant 

1 – associated with impulse responses 

 is an iid sequence with mean zero and a well‐defined distribution.  Generally these are shock (or innovations) 

 

Univariate Linear Time Series Models 

1. Autoregressive (AR) Models 

2. Moving‐Average (MA) Models 

3. Mixed ARMA Models 

4. Seasonal Models 

5. Regression Models with Time Series Errors 

6. Fractionally differenced Models (long memory models) 

Page 15: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 15 Professor: Nina Kajiji 

 

Important Properties of a Model 

1. Stationarity Conditions 

2. Basic properties: mean, variance, and serial dependence 

3. Empirical model building: specification, estimation, and checking 

4. Forecasting 

Consideration for Empirical Model Building 

1. Ethical and Financial considerations 

2. Art as much as a Science 

3. How much detail – over / under specification 

4. NOTE:  “All models are wrong”  ‐‐‐ that is they only approximate reality they are 

not the reality 

5. Constant “tweaking” is essential before one that stands the test of time is found 

 

   

Page 16: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 16 Professor: Nina Kajiji 

 

AR Models 

Simple AR Models:  

Similar to a Simple Linear Regression model with lagged variables.   

AR(1) Model 

An AR(1) model can be stated as follows: 

       

Where:   , : are real numbers, which are referred to as “parameters”.    : is assumed to be a white noise series with mean = 0 and a finite variance. 

AR(p) Model 

An AR(p) model (similar to a multiple regression model with lagged variables) can be 

stated as follows: 

     …     

Both models suggest that the past period values jointly determine the conditional 

expectation of today’s value. 

   

Page 17: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 17 Professor: Nina Kajiji 

 

Properties of AR(1) Model 

Stationarity 

Assume: weak stationarity – a necessary and sufficient condition is | 1| < 1 

Recall: Under stationarity E(rt) = E(rt‐1) = µ.  Therefore, taking the expectation of  

       

We have, 

     

And the Mean =     μ    

Recall: Under stationarity Var(rt) = Var(rt‐1).  Therefore, taking the square and 

expectation of: 

 μ    μ    

We have, 

     

Or, the Variance =     

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 18: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 18 Professor: Nina Kajiji 

 

Autocorrelations: ρ0   1,  ρ1    1, ρ2    , etc.  In general, ρk    , and ACF ρk  

decays exponentially as k increases.  Note: if  1   0, the decay rate    1.  If if  1   0 

the decay rate     

 

   

Page 19: Stochastic Processes - NKD GroupStochastic Processes Edited: February 2011 Page 1 Professor: Nina Kajiji Stochastic Processes Stochastic Process – Non Formal Definition: Non‐formal:

Stochastic Processes  Edited: February 2011  Page 19 Professor: Nina Kajiji 

 

AR(2) Model 

An AR(2) model can be stated as follows: 

         

Where:   , , : are real numbers, which are referred to as “parameters”.    : is assumed to be a white noise series with mean = 0 and a finite variance.  

Stationarity of AR(2)