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2022-06-06
英文标题:
《Multilevel nested simulation for efficient risk estimation》
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作者:
Michael B. Giles, Abdul-Lateef Haji-Ali
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最新提交年份:
2019
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英文摘要:
  We investigate the problem of computing a nested expectation of the form $\\mathbb{P}[\\mathbb{E}[X|Y] \\!\\geq\\!0]\\!=\\!\\mathbb{E}[\\textrm{H}(\\mathbb{E}[X|Y])]$ where $\\textrm{H}$ is the Heaviside function. This nested expectation appears, for example, when estimating the probability of a large loss from a financial portfolio. We present a method that combines the idea of using Multilevel Monte Carlo (MLMC) for nested expectations with the idea of adaptively selecting the number of samples in the approximation of the inner expectation, as proposed by (Broadie et al., 2011). We propose and analyse an algorithm that adaptively selects the number of inner samples on each MLMC level and prove that the resulting MLMC method with adaptive sampling has an $\\mathcal{O}\\left( \\varepsilon^{-2}|\\log\\varepsilon|^2 \\right)$ complexity to achieve a root mean-squared error $\\varepsilon$. The theoretical analysis is verified by numerical experiments on a simple model problem. We also present a stochastic root-finding algorithm that, combined with our adaptive methods, can be used to compute other risk measures such as Value-at-Risk (VaR) and Conditional Value-at-Risk (CVaR), with the latter being achieved with $\\mathcal{O}\\left(\\varepsilon^{-2}\\right)$ complexity.
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中文摘要:
我们研究了$\\mathbb{P}[\\mathbb{E}[X | Y]\\形式的嵌套期望的计算问题!\\geq \\!0]\\!=\\!\\mathbb{E}[\\textrm{H}(\\mathbb{E}[X | Y])]$,其中$\\textrm{H}$是Heaviside函数。例如,在估计金融投资组合出现巨额亏损的可能性时,就会出现这种嵌套预期。我们提出了一种方法,将多层蒙特卡罗(MLMC)用于嵌套期望的思想与(Broadie et al.,2011)提出的在近似内部期望的情况下自适应选择样本数的思想相结合。我们提出并分析了一种在每个MLMC层次上自适应选择内部样本数的算法,并证明了所得到的自适应采样MLMC方法具有$\\数学{O}\\ left(\\ varepsilon^{-2}| \\ log \\ varepsilon | ^ 2 \\ right)$复杂性,以实现均方根误差$\\ varepsilon$。通过一个简单模型问题的数值实验验证了理论分析的正确性。我们还提出了一种随机寻根算法,该算法与我们的自适应方法相结合,可用于计算其他风险度量,如风险值(VaR)和条件风险值(CVaR),后者是通过$\\数学{O}\\左(\\ varepsilon ^{-2}\\右)$复杂性实现的。
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分类信息:

一级分类:Quantitative Finance        数量金融学
二级分类:Computational Finance        计算金融学
分类描述:Computational methods, including Monte Carlo, PDE, lattice and other numerical methods with applications to financial modeling
计算方法,包括蒙特卡罗,偏微分方程,格子和其他数值方法,并应用于金融建模
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一级分类:Mathematics        数学
二级分类:Probability        概率
分类描述:Theory and applications of probability and stochastic processes: e.g. central limit theorems, large deviations, stochastic differential equations, models from statistical mechanics, queuing theory
概率论与随机过程的理论与应用:例如中心极限定理,大偏差,随机微分方程,统计力学模型,排队论
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2022-6-6 21:07:20
有效风险估计的多级嵌套模拟*MICHAEL B.GILES+和ABDUL-LATEEF HAJI-ALI+摘要。我们研究了计算formP[E[X | Y]的嵌套期望的问题≥ 0]=E[H(E[X | Y])],其中H是Heaviside函数。例如,在估计金融投资组合出现巨额亏损的可能性时,就会出现这种嵌套预期。我们提出了一种将多层蒙特卡罗(MLMC)用于嵌套期望的思想与(Broadie et al.,2011)提出的在近似内部期望的情况下自适应选择样本数的思想相结合的方法。我们提出并分析了一种自适应选择每个MLMC层次上的内部样本数的算法,并证明了所得到的自适应采样MLMC方法具有O(ε-2 | logε|)实现均方根误差ε的复杂性。理论分析通过一个简单模型问题的数值实验进行验证。我们还提出了一种随机寻根算法,该算法与我们的自适应方法相结合,可用于计算其他风险度量,如风险价值(VaR)和条件风险价值(CVaR),后者通过O(ε-2) 复杂性。关键词。多水平蒙特卡罗、嵌套模拟、风险估计以及受试者分类。65C05、62P051。介绍我们当前工作的重点是计算以下感兴趣的量(1.1)η=E[H(E[X | Y])],其中H是Heaviside阶跃函数(即,H(X)=1表示X≥而一维随机变量X的内部期望值取决于外部多维随机变量Y的值。此问题出现在许多设置中。然而,我们研究这一问题的主要动机是计算金融投资组合出现巨额亏损的可能性,参见示例【2,11】。
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2022-6-6 21:07:23
在这种情况下,X将是一个一维随机变量,等于投资组合中期权超过某个阈值的到期损失之和,而Y将是一个多维随机变量,包括某个短期风险期内标的股票和其他风险因素的价值。我们在(1.1)中近似η的方法借鉴了Gordy和Juneja的工作【11】。在那里,作者将重大损失的概率表示为嵌套预期,然后提出使用嵌套蒙特卡罗采样器来估计外部和内部预期。他们证明了使用O(ε-1) 内部蒙特卡罗采样器中的样本和O(ε-2) 在某些条件下,外部蒙特卡罗采样器中的样本足以在估计η时实现均方根误差O(ε)。因此,他们方法的总成本为O(ε-3). 参见【10】中的Harper和扩展分析结果。在[2]中,Broadie等人通过将内部蒙特卡罗采样器中的样本数量调整为外部随机变量Y的特定样本,从而改进了嵌套蒙特卡罗方法的复杂性。基本思想依赖于这样一个事实,即(1.1)中的阶跃函数在估计内部条件期望E[X | Y]时发生较大误差时,不会改变值,前提是它离0足够远。因此,取决于| E[X | Y]|和近似E[X | Y]时产生的统计误差的大小*2018年2月28日提交+牛津大学(mike。giles@maths.ox.ac.uk, hajiali@maths.ox.ac.uk).2 M.B.GILES,A.HAJI Ali使用蒙特卡罗采样器,使用acap确定所需的样本数量,该acap再次为O(ε-1).
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2022-6-6 21:07:26
利用这一思想,文献[2]表明,在一定条件下,内部蒙特卡罗估计量中的预期所需样本数为O(ε-1/2),使嵌套蒙特卡罗方法的总成本降到O(ε-5/2). 我们将在第2.1节中详细回顾嵌套蒙特卡罗方法和自适应方法,以选择内部样本数。同时,在[7]中引入了多级蒙特卡罗(MLMC)方法,以降低蒙特卡罗方法的复杂性,因为此时只能生成arandom变量的近似样本,因此蒙特卡罗近似必然有偏差。假设我们希望估计某个随机变量的E[g],用E[g`]表示E[g]的第三级近似,这样| E[g`]-E[g]|=O(2-α`)`→∞---→0对于某些α>0的情况,在RMS误差ε以下近似E[g]的第一步是选择近似水平L,以便| E[g]-E【gL】|=O(ε)。然后,标准蒙特卡罗方法用足够数量的样本近似E【gL】,这样近似的标准偏差也为O(ε)。如果我们假设计算g′的单个样本的成本是O(2γ),那么这种蒙特卡罗方法的复杂性是O(ε-2.-γ/α). 另一方面,MLMC基于伸缩sumE[gL]=E[g]+LX`=1E[g`- g级`-1].然后,我们估计E[g]和E[g`-g级`-1] ,用于`≤ 五十、 使用独立的蒙特卡洛采样仪,采样数减少为`→ 0.前提是g`和g`-1充分相关,使Var[g`-g级`-1] =O(2-β`)当β>0时,MLMC的复杂度为O(ε-2.-最大值(0,(γ-β) /α),对于γ6=β和O(ε-2 | logε|),γ=β[8]。Bujok等人[3]将MLMC应用于分段线性函数的形式E[φ(E[X | Y])]的嵌套期望,φ和X是伯努利随机变量。Giles[8]考虑了X是更一般的随机变量,φ是二次可微函数的情况。
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2022-6-6 21:07:29
在任何情况下,随机变量E[X | Y]的近似样本都是使用N`=2`样本的蒙特卡罗采样器生成的,然后在MLMC设置中使用基于内部样本数的近似层次结构。两篇论文的作者都证明了这种情况下的MLMC具有O(ε-2 | logε|)复杂性。此外,他们还表明,使用对偶估计器将MLMC的复杂性提高到O(ε-2). 另一方面,如果φ是astep函数,就像计算大损失概率时的情况一样,那么我们将在第2.2节中证明,并在第3节中用数值显示,具有确定性采样的MLMC具有O(ε-5/2)复杂性。此外,在这种情况下,使用对偶抽样并不能提高复杂性。这项工作的主要贡献是将阶跃函数的TheMMC方法的复杂性进一步降低到O(ε-2 | logε|),根据外部蒙特卡罗采样器的随机变量Y的具体实现,利用[2]中的思想,在MLMC方法的每个级别上调整内部样本的数量。我们从第2节开始,更详细地回顾了[2,11]关于嵌套蒙特卡罗估计量的工作和结果(参见[14]以获得更全面的审查)和[8]关于使用MLMC估计嵌套期望的工作和结果。然后,在第2.3节中,我们从激发一种算法开始,该算法受[2]的启发,在实现外部随机变量Y的情况下,选择内部样本的数量。
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2022-6-6 21:07:33
第2.3节还包括对自适应算法的分析,以表明使用该自适应策略的MLMC估计器具有差异方差收敛于速率O(2)的水平-`)风险估计的多层嵌套模拟3当工作量随着速率O(2`)的增加而增加时,因此MLMCis的复杂性为O(ε-在这种情况下为2 | logε|)。在第3节中,提出了一个简单的模型问题,该问题模拟了计算金融投资组合重大损失概率的问题。我们将MLMC方法应用于自适应和确定性采样,结果表明我们的分析与数值实验吻合良好。在第4节中,我们将讨论如何将我们的方法与简单的寻根算法相结合,以计算其他风险度量,即风险价值(VaR)和条件风险价值(CVaR)。稍微令人惊讶的是,我们在CVaR的情况下证明了具有确定性采样的LMC的复杂性是最优的O(ε-2). 最后,第5.2节讨论了结论和未来的工作方向。嵌套期望的嵌套估计。2.1. 嵌套MC估计量。在本节中,我们回顾了Gordy&Juneja【11】和Broadie et.al【2】的工作,这些工作基于使用蒙特卡罗近似(1.1)中的内外期望。在[11]中,对于给定的Y,使用无偏蒙特卡罗估计量对给定Y的条件内期望E[X | Y=Y]进行估计,N个样本如下:(2.1)bEN(Y)=NNXn=1x(N)(Y),其中X(N)(Y)是给定Y=Y的随机变量X的第N个样本,并且{X(N)}是相互独立的,条件是Y=Y。然后,再次使用蒙特卡罗来近似外期望,如下:(2.2)η≈MMXm=1HbEN(y(m)),其中,y(m)是随机变量y的第m个样本,且{y(m)}相互依赖。用pN(Y,z)表示两个随机变量E[X | Y]和ben(Y)的联合密度。
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