CFA考试:投资分析的数量方法(投资工具)qpv.docx
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1、 学时 投资分析的数量方法(Quantitative Methods for Investment Analysis) 投资工具第五章:正态概率分布Chapter Common Probability Distributions本章简介(Introduction)P226本章的内容,是四种概率分布及它们的应用,即: the uniform; the binomial; the normal; the lognormal。本章的其他数量工具: Hypothesis testing; regression analysis;time-series analysis。不连续的随机变量(Discret
2、e Random Variables)P227 定义和解释概率分布(Probability Distributions)概率分布(Probability Distributions),即将随机变量可能结果的概率予以特定。每个随机变量都有描述它的概率分布,概率分布的方式有两种: 概率函数(probability functions)。 累积分布函数(cumulative distribution functionsdistribution functionscdf 区别:连续的随机变量和不连续(discrete)的随机变量随机变量,是一个未来结果不确定的数。随即变量有两种类型:不连续的随机变量(
3、discrete random variable)、连续的随机变量(continuous random variable)。变量的结果能予以历数(个数有限)的随机变量,为不连续的随机变量。 描述某特定变量可能结果的集合 定义一个概率函数(Probability function)并说明它的关键特征概率函数的表示方法是:P(X x),它表示随机变量的值为x的概率。不连续随机变量的概率函数,可以缩写为p(x);连续随机变量的概率函数用f(x)表示,称之为概率密度函数(Probability density functionsdensitypdf)。概率函数有两个关键特征: 0p(x)1; 随机变量
4、X所有值的概率的总和等于1。 定义概率密度函数(Probability density function) 定义累积分布函数(cumulative distribution function)并根据累积分布函数计算随机变量的概率累积分布函数(cumulative distribution functionsdistribution functionscdf),表示随机变量的结果位于某一范围的概率。cdf函数的功能相当于累积相对频率。连续的或不连续的随机变量的结果的累积概率分布,可以记作F(X) P(Xx),或F(X) P(x1Xx 2),或F(X)P(Xx)。累积概率函数(cdf函数)的特征:
5、 0F(x)1; 随着x的增加,cdf函数或增加或保持不变。不连续的单项分布(The Discrete Uniform Distribution)P228 给定不连续的单项分布(a discrete uniform distribution),定义不连续的单一随机变量并计算概率单项分布(Uniform Distribution),即随机变量所有可能结果的概率都相等。单项分布的应用: 它是为其它概率分布产生随机数以作为随机观察对象(random observation)的基础; 它可以用来描述结果概率相等的随机变量。贝诺里分布(The binomial Distribution)P230 给定贝
6、诺里概率分布(binomial Probability Distributions),定义贝氏随机变量(Bernoulli Random variable)并计算概率 贝诺里(Binomial)分布的功能贝诺里(Binomial)分布的功能:描述有两项可能结果的随机变量的每一项结果的概率分布。其模型是:两项选择的价格模型(the binomial Option Pricing Model,BOPM),即价格的上升或价格的下降。 贝氏随机变量(Bernoulli Random variable)贝诺里分布的建构元素是贝氏随机变量(Bernoulli Random variable)。假定某个能重
7、复进行的试验有两个可能的结果,每次试验产生的结果必为其一,这样的试验称为贝诺里试验(Bernoulli trial)。在结果为成功时,则Y1;在结果为失败时,则Y0,则贝氏随机变量Y的概率函数为:p(1) p(Y1) pp(0) p(Y0) 1 p 贝诺里随机变量(binomial Random variable)对n个贝诺里试验,有0n个“成功”。如果单个贝诺里试验的结果是随机的,则n个贝诺里试验的结果为“成功”的总数也是随机的。定义贝诺里随机变量X为n个贝诺里试验中结果为成功的总数。用“Yi”表示第i个贝诺里试验的结果为“1”或“0”(i 1,2,n),则:X Y 1Y 2 Y n 。贝诺
8、里随机变量由参数p和n定义。p即每次试验结果为“成功”的概率;n贝诺里试验的次数。对贝诺里分布,可作有如下假设: 对所有贝诺里试验,结果为“成功”的概率是一个常数; 贝诺里试验相互独立。因此,贝诺里随机变量X可以完全用两个参数描述,即X B(n,p)。贝氏随机变量Y是n 1的贝诺里随机变量的值,即:Y B(1,p)。 贝诺里随机变量X B(n,p)的概率函数P(X = x)的表示公式:p(x) P(Xx)nC xp x(1 p)n x nC x n!x!(nx)! X是贝诺里随机变量,表示n个贝诺里试验中的“成功”的总数;Xx,是这n个贝诺里试验中成功的总数等于x。 p(x)和P(X x),表
9、示n个贝诺里试验中,成功的总数等于x的概率。 nC x是在n个贝诺里试验中有x个成功的排列方式的数目。 p,是单个贝诺里试验的结果为成功的概率;(1p),是单个贝诺里试验的结果为不成功的概率。 p x(1 p)n x,是每一个排列都具有的概率。 贝诺里随机变量概率函数的形状当单个贝诺里试验的结果为成功的概率p50%时,贝诺里分布式对称的。若p50%,则贝诺里随机变量概率函数的图像就具有偏向性。 当p 50% 时,概率函数的会向右偏(right-skewed),即图像的右部有较长的尾巴; 当p 50% 时,概率函数的会向左偏(left-skewed)。对同一贝诺里随机变量有p1、p2,如果p1p
10、2 1,则它们的图像呈镜像对称。 贝诺里随机变量(bernoulli Random variable)的预期值和方差贝诺里随机变量(bernoulli Random variable)的预期值和方差Mean(weighted average)VarianceBinomial,B(1,p)pp(1p)Binomial,B(n,p)npnp(1p)Binomial,B(5,0.5)2.5(即5p)1.25即5p(1p)Binomial,B(5,0.1)0.5(即5p)0.45即5p(1p)连续的随机变量分布(Continuous Random Variables)P240 给定连续的单项分布(a
11、continuous uniform distribution),定义连续的单项随机变量并计算概率连续的单一分布(Continuous Uniform Distribution) 连续的单项随机变量的概率密度函数(pdf): 1(ba) (axb)f(x) 0 其他值 连续的单项随机变量的累积概率函数(cdf): 0 (xa)F(x)= (xa)(ba) (a x b) 1 (xb) 计算概率密度函数f(x)在定义域(axb)上的面积(即累积概率值)的数学方法是,对函数f(x)从a到b积分(integral),即:P(axb)ab f(x)dx可以用上述等式对(,)范围内的任意两个实数求积分。
12、因为连续随机变量的值是无限的,所以,连续随机变量的值等于任一定点的概率为0。这对计算连续随机变量的累积概率函数(cdf)有重要意义:对任何连续的随机变量X,有P(axb) P(a xb) P(ax b) P(a xb)。当axb 时,f(x)1/(ba)表示的是连续随机变量在区间axb的平均概率。正态分布(The Normal Distribution)P243 解释正态分布的关键特征 描述正态分布的两个参数:平均值(Mean)和方差( 2)或标准差。正态分布可以表示为:X N( , 2)。 正态分布的下述参数值:偏向性(skewness)0;峰度(kurtosis)3,剩余峰度(excess
13、 kurtosis) 0。正态随机变量的平均值(mean)、中值(median)、众数(mode)都相等。 两个正态随机变量的线性叠加(linear combination),还是正态分布。 区别:单变量(univariance)分布和多变量分布(multivariance)单变量分布(univariate distribution),描述单个的随机变量;多变量分布(multivariate distribution),描述的是一组随机变量的概率。当我们有一组资产时,我们可以将每一项资产的收益分布分别模型化,也可以将这些资产作为一组(as a group)来将它们的收益分布模型化。作为一组,即
14、考虑收益系列之间的统计关系,其中经常使用的模型就是多变量的正态分布(multivariate normal distribution)。n种证券的收益的多变量正态分布,可以用三个参数予以定义: 单个证券收益的平均值(mean)的清单; 证券收益方差的清单; 收益的所有互不相同的相关系数(correlations)的清单,共n(n-1)/2个。与单变量正态分布相比较,相关系数(correlations)是多变量的正态分布的区别特征之一。 解释相关系数在多变量正态分布中的作用 定义标准正态分布(standards normal distribution)并解释如何使随机变量标准化 正态分布的概率密
15、度函数(pdf)的表达式( x ):f(x) exp (x )22 2 ( 2 )当 0,1 时,该正态分布称之为标准(standard)正态分布或单位(unit)正态分布。对于正态分布,标准差()越大,其相对于平均值的分布就越分散。利用标准差,我们能够对任何正态分布的结果的分散性作出概率报告: 大约有50%的观察对象,在区间 (23)的范围内; 大约有68%的观察对象,在区间 的范围内; 大约有95%的观察对象,在区间 2的范围内; 大约有99%的观察对象,在区间 3的范围内。 随机变量的标准化标准正态随机变量用Z N(0 ,1)表示。将随机变量 X N( , 2)标准化的公式:Z (X )
16、随机变量Xx 0 对应的标准正态随机变量Z z0 (x 0 )/ 。其意义是:对X N( , 2),随机变量的值小于或等于x 0的概率,正好等于标准正态分布Z N(0 ,1)中随机变量的值小于或等于z0的概率z0(x 0 )。即:对X N( , 2)有P(Xx 0);对Z N(0 ,1)有N(Zz0)。当z0(x 0 )时,则P(Xx 0)N(Zz0)。 呈正态分布的随机变量的信置区间(confidence intervals) 正态随机变量X的确切信置区间(confidence intervals): P( x1.645s X x1.645s) 90%;x(也记作)为样本平均值;s(也记作)
17、为样本的标准差。 x和s是店测算(point estimates)。 P( x1.96s X x1.96s) 95%; P( x2.58 s X x2.58s) 99%; 使用标准正态分布(standards normal distribution)计算概率 标准正态随机变量累积分布函数表N(x)的使用。比如查找P(Z0.24)的值(即变量Z的值小于或等于0.24的概率),其步骤:在表的第一纵栏找到0.20,在表的第一横栏找到0.04,两者对应的值即为要找的概率。【例】 P(Z 1.282) 90% ,它表示有10%的值在图像的右边尾部,并且,P( x1.282s X x1. 282s) 80
18、%。 P(Z1.645) 95%,它表示有5 %的值在图像的右尾部,或有10 %的值在90%的信心区间之外(即左右两边尾部各有5 %的值在90%的信心区间之外)。 了解下列关系,有助于我们使用累积分布函数N(x)表: 当x0时,x右边的分布概率P(Zx)1.0 N(x); 对负数x,有:N(x)= 1.0 N(x)。因为:x右边的分布概率和面积,等于x左边的分布概率和面积,即:P(Zx) N(x)或P(Zx)。正态分布的应用(Application of the Normal Distribution) 平均值方差分析法 平均值方差分析法(mean-variance analysis)平均值方
19、差分析法,将整体的收益分布概括为平均值和方均差,进而对投资决策进行评价。 将新资产加入到投资组合中,为了实现获利须满足: E(R new)R f new Corr(R new,R p) E(R p)R f p即:新资产的“夏普比”,要大于投资组合p的“夏普比”与新资产和投资组合P的相关系数的乘积。 马克维茨决策规则(Markowitz decision rule)。对于资产A和B,投资者选择A而不选择B,其决策依据是: A的平均收益等于或大于B的平均收益,而A的收益的标准差更小; A的平均收益大于B的平均收益,而A与B收益的标准差相等。 定义亏空风险(shortfall risk)亏空风险(s
20、hortfall risk),即在某段时间投资组合的价值会下降到能够接受的最低水平以下。如:某个已经界定收益计划的资产的价值下降到计划的债务之下,即为亏空风险(shortfall risk)。 计算安全首位比率(safety-first ratio)并利用罗伊的安全首位标准选择最佳投资组合安全首位规则(Safety-first Rules),作为评估价值下滑风险(downside risk)的方法,关注的是亏空风险(shortfall risk)。假定R L 是投资者能接受的最低收益水平。按照Roy的安全首位标准:最优化的投资组合,就是能够使该组合的收益R p下降到临界水平R L以下的概率最小
21、化的投资组合,即:PR p R L为最小值。当投资组合收益是正态分布的,我们使用标准方差能计算出PR p R L。投资组合的期望收益为E(R p),则单位标准差的E(R p)R L最大时,投资组合的PR p R L最小。E(R p)R L是平均收益(mean return)到亏空标准的距离。用SFRatio表示安全首位比率(safety-first ratio),则:SFRatio = E(R p)-R L/ p应用Roy标准,对投资组合进行选择的步骤: 计算投资组合的SFRatio。 根据计算所得的SFRatio值评估标准正态累积分布函数(cdf)。收益值小于R L的概率就是N(SFRati
22、o),即:P(R p R L)N(SFRatio)=1N(SFRatio)。 选择上一步中概率最小的投资组合。SFRatio与“夏普比率”的差别在于R L和R f(无风险收益)。安全首位规则为“夏普比率”提供了一个新的角度:在使用夏普比例评价投资组合时,假定投资组合收益是正态分布的,则夏普比率高的投资组合,是使投资组合收益小于无风险收益的概率最小的投资组合。 对数正态分布(lognormal distribution)和正态分布的关系 对数正态分布的概述对随机变量Y,如果它的自然对数Y为正态分布,则Y为对数正态分布;反之亦然。对对数正态分布,有两点值得注意: 它的下界由0界定; 它偏向右边(即
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