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不同凸交易成本函数下的风险偏好投资组合模型

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第27卷 第1期 Vo1.27 No.1 重庆理工大学学报(自然科学) Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science) 20l3年1月 Jan.2013 d0i:10.3969/j.issn.1674-8425(Z).2013.O1.018 不同凸交易成本函数下的风险偏好 投资组合模型 韦增欣,韦 鑫,周智超 (广西大学数学与信息科学学院,南宁530004) 摘 要:在原有的含投资者风险偏好参数的投资组合模型的基础上,加入交易成本函数, 使模型更具现实意义。交易成本函数的类型有两大类:凸交易成本函数和凹交易成本函数。将 各种凸交易成本函数运用于含投资者风险偏好参数的投资组合模型中,运用优化的方法求解新 模型。采用拉格朗日乘子法和增广拉格朗日乘子法进行求解,并对模型进行了实例检验。 关键词:风险偏好;投资组合模型;凸交易成本函数;拉格朗日乘子法;增广拉格朗日乘 子法 中图分类号:023;F224.9 文献标识码:A 文章编号:1674—8425(2013)01-0088—07 The Portfolio Selection Models with Risk Preference Parameter and Different Kinds of Convex Transaction Cost function WEI Zeng—xin,WEI Xin,ZHOU Zhi—chao (College of Mathematics and Information Science,Guangxi University,Nanning 530004,China) Abstract:Different kinds of transaction cost function are added to original portfolio selection model with risk preference parameter.It makes the model more realistic significance.There are two kinds of main transaction cost function.They are convex transaction cost function and concave transaction cost function.In this paper,we only add convex transaction cost function to original portfolio selection model with risk preference parameter.We use Lagrangian multiplier methods and an augmented La- grangian approach to solve those models and give an example. Key words:risk preference;portfolio selection model;convex transaction cost function;Lagrangian muhiplier methods;augmented Lagrangian muhiplier methods 收稿Et期:2012—10—24 基金项目:国家自然科学基金资助项目(11161003) 作者简介:韦增欣(1962一),男,广西武鸣人,教授,主要从事优化与管理及金融市场投资理论与技术分析研究。 韦增欣,等:不同凸交易成本函数下的风险偏好投资组合模型 美国学者哈理·马柯威茨凭借其在金融经济 学方面的卓越贡献,获得了1990年的诺贝尔经济 89 可避免的。文献[3]介绍了几类交易成本函数。 本文将其中的几类交易成本函数与模型(1)结合, 给出了在这几类交易成本函数下的投资组合优化 模型。运用拉格朗日乘子法和非光滑增广拉格朗 学奖。在他1952年发表的《证券组合选择》 中, 分别用期望收益和收益率方差表示预期收益水平 和风险,同时给出以下投资组合优化模型: ain r= 日乘子法对模型求解,最后给出实例分析。 maxE(R)=u 1各类交易成本函数下的投资组合优化 f 一或f 模型 【 ≥0i∈N tw ≥0i∈N 其中投资者在 种证券上的投资比例为 =(W , , 交易成本函数的类型有很多种,例如凹交易 成本函数和凸交易成本函数,其中:凹交易成本 )T,且满足∑ =1T1V=1。第i种证券的收 函数包括一次不可微的凹交易成本函数、一次可 l=l 益率为 ,收益率向量r=(r ,r2,r3,…, ) 。期望收 微的凹交易成本函数和分段二次凹交易成本函 益率向量“=E(r)=(“ , , ,,…, )To收益率向 数;凸交易成本函数则包括线性交易成本函数、V 型交易成本函数、分段线性交易成本函数、一次可 量r的方差一协方差阵∑=( ) 。证券组合的 微的凸交易成本函数和一次不可微的凸交易成本 收益率为 =∑Wi ,E( )=E(∑WiFi)= 函数。本文讨论了在凸交易成本函数的情况下, :1 0 1 含风险偏好参数的投资组合的优化方法。 ∑WiE(r )=u 证券组合的风险,即收益率方差 1.1 具有线性交易成本函数的情况 ‘:I 若第 种证券的交易成本是交易金额的qi倍, 为 =D( )=∑∑Wi = ∑IVo 则交易成本可用函数Q (W )=qiw (g >0)表示,如 在哈理·马柯威茨构建的投资组合模型中,并 图1所示。那么总交易成本函数是Q( )= 没有体现出投资者的风险偏好程度。文献[2]在 对哈理·马柯威茨的投资组合模型分析之后,给 ∑Q l l ( )=∑ql iw 。若令q=(g ,q ,…,g ) , 出了一个含风险偏好参数的投资组合模型,具体 则Q(IV)=q 。 形式为 w na (1一A1)T 一Al ∑IV,0≤A1≤1 Q,(w )=q W j【. 一 (1) 伽 ≥0, ∈Ⅳ+ 模型中A 是投资者风险偏好参数。当A =1时, / 与投资收益相比,投资者更注重组合的风险大小; 图1 交易成本函数 当A =0时,意味着投资者勇于追逐收益而不重 具有线性交易成本函数的含风险偏好参数的 1 、 视风险。因此,A= 投资组合模型为 A1 越大,投资者越偏好 风险。 m ax(1一A1)UT 一A1 ∑ 一g ,0≤A1≤1 显然,模型(1)没有考虑交易成本。在现实的 投资过程中,交易成本包括印花税和佣金等,是不 { 1 TIV = 重庆理工大学学报 m ax[(1一A-)M—g] 一A ∑ ,0≤A。≤1 { 1Tw=。Ⅳ+ 在此情况下,可以用拉格朗Ft乘子法求解模 型(2),则它的拉格朗日方程为 L =[(1一A )“一q] W— A ∑ + 。(1—1 T ) 对其一阶求导得 (1 )u-q-2A。∑ 1=0(3) 1—1 :o (4) 由式(3)可得 二 兰二 二 : 2A。∑ 1∑~[(1一A )M—g— 。1】 (5) 将式(5)代人式(4),有 1一l 1∑~[(1一A1) —g一 1]=0j l一1 =————————=_堕 =■j——————一 ㈤ 0 1 1 再将式(6)代入式(5),有 {(1-A1)u-q一型 ) 1.2具有V型交易成本函数的情况 若第i种证券无论买入或是卖出的交易成本 都是交易金额的q 倍,W?表示投资者的初始资产 i的比例,那么每支证券的交易成本函数均可以表 示为Q (W )=q lW 一W?I(q >0),则总交易成本 函数就可以表示成Q( )=∑q l W —W?l。 如果W =0(i=1,…,n),那么总交易成本函 数可以表示成Q( )=∑q l W l,如图2所示。 具有V型交易成本的含风险偏好参数的投资组合 模型为 max (1一A )//TW—A leT∑W一 ∑q I W l,0≤A ≤1 E=l r1 W:1 {L  ≥0(7) i∈N 因为在中国的股票市场中,卖空是受到严格 的,而且允许用于卖空的证券品种很少,因此 本文不允许卖空。那么,在具有V型交易成本函 数的情况下,模型(7)与模型(2)一致,有相同的 最优解。 w Q (w )=q, , \ / 图2总交易成本函数 1.3具有分段线性凸交易成本的情况 第i种证券的交易成本函数是与该种资产投 资比例有关的线性凸函数,且为分段函数,即 Q ( ):ILqq2liiWw 一(q2i,  —q1 ) , ≤ ≤<W ≤1  该函数如图3所示。 Q.(w,) 0 图3 为线性凸函数的第i种证券的交易成本函数 由图3可知,当0≤ ≤ 时,每单位的交易成 本为q 当 <11) ≤1时,每单位交易成本变为 q: ,则具有分段线性凸交易成本函数含风险偏好 参数的投资组合模型为 ( 一A )“ 一a,wT∑ 一∑Q ( t) i=1 韦增欣,等:不同凸交易成本函数下的风险偏好投资组合模型 91 l一1 :0 (11) 2 (8) 由式(1O)得: 0 注意到Q 可以先取Q (W ) ≤ (W )为分段函数,≥ A 二 兰二 二 : = 0 的第1段函数即qliw 代入计算,此时模型(8)与模 型(2)一致,用拉格朗日乘子法可以得到相同的 2A。∑ ≤ ∈ 解。若得到的所有决策变量W 都在区间[0,w]内, Ⅳ 1∑ [(1一A1) 一Hn z1 1(12) 则停止计算,此时得到的就是模型(8)的最优解。 若出现某个或某些决策变量W 不在区间[0, ]内 时,则取出不符合条件并且取值最大的变量,改变 其交易成本函数,即用第2段函数q2iW 一(q: — q ) 替换,其余的决策变量的交易成本函数不变。 然后可以继续用拉格朗日乘子法得出一组解。若 不是所有变量都满足各自的区间要求,则重复之 前的过程。具体算法如下: 1)令Q (W )=q W ,得到解 = {(I- ̄I)U-q- 2)若W ( 1,…,n)在区间[0,W 内,则停止 计算。 3)否则提出所有不在各自交易成本函数的 区间内的决策变量构成集合,,假设第 支证券满 足 =max{w 1 w ∈,}。 4)令 ( )=q2jwj一(g 一qlj) ,模型变为 max(1一A )UTW—A ∑W一∑Qi w )一 [g 一(q 一qlj)w],0≤A1≤1 1 Tw巩5)构建拉格朗日方程: £:=(1一A。) 一A ∑ 一∑Qi w )一 [9 一(g 一qlj)wl+ 2(1—1 T ) 对其求一阶导数: 将式(12)代入式(11),有 l ∑~[(1 )“一 1]=0 一2=—————————=_堕 =■j———————一 j (13) 1 1 再将式(13)代入式f12).有 1∑ 1)Ⅱ -一 l ∑ [(1一 一以 卜2A l ∑ 1 6)若此时的每个决策变量W 都在各自的交 易成本函数的区间内,则停止计算;否则转步骤 3)。 1.4具有一次可微的交易成本函数的情况 若第i种证券的交易成本函数是与投资比例 W 有关的一次可微凸函数Q (Wi),如图4所示, 那么总交易成本函数Q(W)=ZQ (W )。 Q.(w ) 0 图4为一次可微凸函数的第i种证券的交易成本函数 具有一次可微凸交易成本函数的含风险偏好 参数的投资组合模型为 m ax( 一A ) 一A ∑ 一 Q ( ), 0≤Al≤1 JL- = (1~l4)斗J w ≥0, ∈Ⅳ 注意到模型(14)中的目标函数中的Q (W ) 92 重庆理工大学学报 是隐函数,但是由于兵一次司微,根据泰勒公式, 它的一阶近似可以表示为Q ( )≈Q。(音)+ Q ( )( 一 )=Ci( ),接下来用Ci( )代 替模型IV中的Q (W ),则模型(14)转变为 击∑ [(1- ̄1)U-0一 1.5具有一次不可微的交易成本的情况 】 若第i种证券的交易成本函数是与投资比例 W 有关的一次不可微凸函数Q (W。),如图5所示, max(1一A )UT 一A ∑ 一 那么总交易成本函数Q( )=∑Q ( )。 耋[Q ( )+Q ( )( 一 )], 0≤A ≤1 { 1 Tg/ = 于是模型简化为 max(1一A )//T1V—A ∑ 一 一O/, 0≤Al≤1 II ̄V/一 (15) L ≥0,i∈N 其中: =Q ( ); =(Q ( ),Q: ( ),…, Q ( )) ; = 毫Q ( )一 Q ( ))。 该模型与之前的模型一样可以用拉格朗日乘 子法进行求解,它的拉格朗日乘子方程为 L =(1一A )M 一A ∑ 一 OL+ 3(1—1 ) 对其求一阶导数得 OL3(1一A。)“一2A ∑ 一 一 31(16) OL31—1 :0 (17) 由式(16)可得: 1∑一[(卜人 )M一日一 31](18) 将式(18)代入式(17),有 1一l 1∑~[(1一A1)M一 一 31】=0j /x3= —1 =_=■ —————一。 1  1, 最后将式(19)代人式(18)可得 图5 一次不可微凸函数的第i种证券的交易成本函数 具有一次可微凸交易成本的含风险偏好参数 的投资组合模型为 max(1一A。) 一A。 ∑ 一Q( ) 0≤A1≤1 f【  一 (2o) ≥0.i∈N 目标函数中的Q( )是一次不可微凸函数, 即该函数被认为是非光滑的。文献[4]介绍了有 关非光滑目标函数的优化方法,称为非光滑的增 广拉格朗日乘子法。该算法求解的约束问题为 arin l厂( )+P( ) S.t. g ( )≤0,i=1,…,m, h ( )=0,i=1,…,p, ∈X 其中:函数l厂( )、g ( )(i=1,…,m)、h ( )(i= 1,…,P)都是连续可微的;P( )是非光滑的凸函 数; ∈R 是闭凸集。本文将运用该种算法求解 模型(20)。首先将模型(20)化为标准形式: Ⅱ n[A ∑ 一(1一A )u ]+Q( ) 0≤A ≤1 f ( )= 一 (21) 【g ( )=一W ≤0,i=1,2,…,n 其中令g=(一 ,一W:,…,一 ),厂( )= 韦增欣,等:不同凸交易成本函数下的风险偏好投资组合模型 93 A ∑ 一(1一A ) L1=O.045wl一0.087w2—50w 一75w;+ 算法: 100w1 2+ I(1一zc,1一加2) 1)取正的递增序列{ }。给定A。∈ , 1 ∈R,P。>0Ow1 0.045—100w1+100w2一 1=0 7->0, >1。选择任意的初始可行解 和常量 ≥max{/(v/), 。(v/ ̄,A。,/x。)}。置 1 =O.087—150w2+100w1一 1=0 Ow2 0。其中: (IF,A,/x)=P( )+Q( ), l一 一 :0 P( )=f(v/)+ (Il[A+Pg(iv)] 【I 一 c 1  ’将以上方程联立,可得: =0.555 6, : I l)+ ( )+ l l( )ll 。 0.444 4。 2)取近似解 ,求解子问题: 2)具有分段线性凸交易成本的情况: minLp ̄( ,入 , ) Q ( ):50·03 -, 0≤ l≤0·5 rdisk(一 P( ),aQ( )+N( ))≤占 tO.O5wl一0.0l,0.5≤Wl≤1 【 ( ,A , )≤ Q (w2):』0·0 3 z, 0≤ z≤0·5 其中Ⅳ( )是 处的标准正切圆锥。 tO.03w2—0.013 5,0.5≤ 2≤1 3)通过以下等式更新拉格朗日乘子:A¨ = 由步骤1)可知: =0.555 6>0.5, 2= [A +p g( )] ; = +p ( )。 0.444 4,因此,证券1的交易成本函数应该为 4)令P“ =max{crp ,l lA l l, Q ( )=0.05w 一0.01,0.5≤ ≤1,那么拉格朗 l l¨I』 }。 日方程为: 5)置.j}= +1,转步骤2)。 L2=0.025w1—0.087w2—50w 一75w;+ 通过该算法可以解出模型(20)的最优解,得 100w1 2+0.01+ 2(1一 1一W2) 到具有一次不可微交易成本情况下的最优投资 OL2_0.O25—100 1+l00 2一 2:0 策略。 Ow OL2_:0.087—150 2+100 l一 2:0 2案例分析 Ow, OLz:1一W1 一 W2 :0 假设投资者选择2种证券进行组合投资,计 2 算时所需要的数据如表1所示。 将以上方程联立,可得: =0.555 4, = 0.444 6。 表1案例计算所需数据 3)具有一次可微的交易成本的情况: Q1( 1)=0.03w +0.03w1,Q2(加2)=0.013w;+ 0.013w 。Q (叫 )和Q:( :)的一阶近似为:. CI( )=Q ( )+Q。 ( )( 一 )= 0.06w1—0.007 5 下面计算各种交易成本函数下的最优投资策 略,其中投资者风险偏好参数A 为0.5。 C2( :)=Q:(丢)+Q。 (丢)( 一 1)= 1)具有线性交易成本的情况:Q ( 。)= 0.026w2—0.003 25 0.03w ,Q (W:)=0.013w 。其拉格朗日方程为: 则目标函数为 94 重庆理工大学学报 模型中不仅体现了投资者的风险偏好,也体现了 各种类型的凸交易成本函数。主要运用拉格朗日 乘子法和增广的非光滑拉格朗日乘子法求解。今 后将进一步研究在允许卖空和不同类型的凹交易 f=0.075w】+0.1w2—50w 一75w + 100w1W2一(0.06w1—0.0075)一 (0.02 6w2—0.0032 5)=0.015wl+ 0.074w2—50w 一75w;+100wl 2—0.107 5 其拉格朗日方程为: 成本情况下的证券组合模型。 L3:0.015wl+0.074w2—50w 一75w + 100w1W2—0.107 5+ 3(1一W1一W2) 参考文献: 生:00l5一l00 +l00 一 ,:0 Ow [1]Markoiwtz H_Portfolio selection[J].Journal of Finance. 生:0074一l50 1952(4):77—91. +100彬 一 3:0 Ow, [2] Yusen Xia,Baoding Liu.A model for porftolio selection d 机2 =1一Wl—W2=0 with 0rder of expected retum[J].Computers&Opera— tions Research,200o(27):409—422. 将以上方程联立,可得:W :0.555 4,W : [3] 张鹏.可计算的投资组合模型与优化方法研究[D]. 0.444 6。 武汉:华中科技大学,2006. 该案例中只选择了2种证券构建投资组合, [4]Zhaosong Lu,Yong zhang.An augmented L, ̄grangian ap— 若选择2种以上的证券构建投资组合,过程与之 proach ofr sparse principal component analysis[J].Math— 类似。 ematics programming:Set A,2008(5):259~274. [5] 刘红忠.投资学[M].北京:高等教育出版社,2003. 3结束语 [6] 薛毅.最优化原理与方法[M].北京:北京工业大学出 版社.2008. 本文在含风险参数的投资组合模型的基础 (责任编辑刘舸) 上,考虑了投资过程中不可避免的交易成本。在 (上接第75页) nology of Ime ̄ated Systems.Nanoscale Era:[S.n.], [6] 高士咏,段书凯,王丽丹.忆阻细胞神经网络及图像去 2010:1—6. 噪和边缘提取中的应用[J].西南大学学报,201l,33 Strukov D B,Snider G S,Stewart D R,et a1.The missing (11):63—70. memristor found[J].Nature,2008,453(7191):80—83. [7 1 Afiif A,Ayatollahi A,Raissi F.Implementation of biologi— Snider G S.Spike-timing—dependent learning in memris— cally plausible spiking neural network models ON the tive nanodevices[C]//IEEE/ACM International Sympo— memristor crossbar.based CMOS/nano circuits『J 1.IEEE slum on Nanoscale Architectures.USA:[S.I1.],2008:85 Trans,2009,34:563—566. 92. 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