Miquel Noguer Alonso, Julian Antolin Camarena, Alberto Bueno Guerrero
Quantitative Portfolio Optimization
Advanced Techniques and Application
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PRAISE FOR QUANTITATIVE PORTFOLIO OPTIMIZATIONOPTIMIZATION "This book provides an excellent exposition on portfolio optimization, serving not only as a self-contained guide to this important topic, but also modernizing the field with the latest advances in battle-tested machine learning approaches. The book is well structured and application centric. This is a must read for every quantitative portfolio manager." - Matthew Dixon, FRM, Ph.D., Associate Professor of Applied Math at the Illinois Institute of Technology and an Affiliate Associate Professor of the Stuart School of Business…mehr
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Hinweis: Dieser Artikel kann nur an eine deutsche Lieferadresse ausgeliefert werden.
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Produktdetails
- Produktdetails
- Verlag: Wiley
- Seitenzahl: 384
- Erscheinungstermin: 29. Januar 2025
- Englisch
- ISBN-13: 9781394281312
- ISBN-10: 1394281315
- Artikelnr.: 70698647
- Herstellerkennzeichnung
- Libri GmbH
- Europaallee 1
- 36244 Bad Hersfeld
- 06621 890
- Verlag: Wiley
- Seitenzahl: 384
- Erscheinungstermin: 29. Januar 2025
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- ISBN-13: 9781394281312
- ISBN-10: 1394281315
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Contents
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 1
1 Introduction
3
1.1 Evolution of Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . . . .
.. . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Role of Quantitative Techniques . . . . . . . . . . .. . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Organization of the Book . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .7
2 History of Portfolio Optimization
9
2.1 Early beginnings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Harry Markowitz's Modern Portfolio Theory (1952) . . . . . . .
. . . . . . . 12
2.3 Black-Litterman Model (1990s) . . . . . . . . . . . . . . .
........................16
2.4 Alternative Methods: Risk Parity, Hierarchical Risk Parity and
Machine Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
... .. . . .. . .. . .. .......... . 21
2.4.1 Risk Parity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .. . .. . . .. . . . . . . ......21
2.4.2 Hierarchical Risk Parity . . . . . . . . . . . . . .
. . . .....................28
2.4.3 Machine Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . ................... ...30
2.5 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . ...................... . . . . . 35
I Foundations of Portfolio
Theory 37
3 Modern Portfolio Theory
38
3.1 Efficient Frontier and Capital Market Line . . . . . . . . . . .
................. 38
3.1.1 Case without riskless asset . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .. . . . . . . 39
3.1.2 Case with a riskless asset . . . . . . . . . . .
. . . . .. . . . . . . . . . . . 44
3.2 Capital Asset Pricing Model . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.1 Case without riskless asset . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.2 Case with a riskless asset . . . . . . . . . . .
. . . . . .. . . . . . . . . . . .54
3.3 Multi-factor Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4 Challenges of Modern Portfolio Theory . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 62
3.4.1 Estimation Techniques in Portfolio Allocation . .
. . . .. . . . . . .62
3.4.2 Non-Elliptical Distributions and Conditional
Value-at-
Risk (CVaR) . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
3.5 Quantum Annealing in Portfolio Management . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 68
3.6 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
CONTENTS
4 Bayesian Methods in Portfolio Optimization
73
4.1 The Prior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2 The Likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
4.3 The Posterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4 Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5 Hierarchical Bayesian Models . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
4.6 Bayesian Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.6.1 Gaussian Processes in a Nutshell . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
4.6.2 Uncertainty Quantification and Bayesian
Decision Theory . . . . . 97
4.7 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.7.1 GP Regression for Asset Returns . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.7.2 Decision Theory in Portfolio Optimization . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.7.3 The Black-Litterman Model . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
4.8 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
II Risk
Management
109
5 Risk Models and Measures
110
5.1 Risk Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . 111
5.2 VaR and CVaR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 113
5.2.1 VaR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . .114
5.2.2 CVaR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 116
5.3 Estimation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
5.3.1 Variance-Covariance Method . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .. . .120
5.3.2 Historical Simulation . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
5.3.3 Monte Carlo Simulation . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
5.4 Advanced Risk Measures: Tail Risk and Spectral Measures . . . .
. . . . . . . . . .121
5.4.1 Tail Risk Measures . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.4.2 Spectral Measures . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.5 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6 Factor Models and Factor Investing
128
6.1 Single and Multi-Factor Models . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.1.1 Statistical Models . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 130
6.1.2 Macroeconomic Models . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
6.1.3 Cross Sectional Models . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
6.2 Factor Risk and Performance Attribution . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.3 Machine Learning in Factor Investing . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .. . 145
6.4 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7 Market Impact, Transaction Costs and
Liquidity 149
7.1 Market Impact Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . ....150
7.2 Modeling Transaction Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . ...153
7.2.1 Single asset . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 156
CONTENTS
7.2.2 Multiple assets . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .....158
7.3 Optimal Trading Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . ......160
7.3.1 Mei, DeMiguel and Nogales (2016) . . . . . . .
. . . . . . .. . . . . ... .. 161
7.3.2 Skaf and Boyd (2009) . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .....164
7.4 Liquidity Considerations in Portfolio Optimization . . . . . .
. . . . . . . . . ......166
7.4.1 MV and Liquidity . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.4.2 CAPM and Liquidity . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 168
7.4.3 APT and Liquidity . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 170
7.5 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 172
III Dynamic Models and Control
174
8 Optimal Control
175
8.1 Dynamic Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .. . . . . .175
8.2 Approximate Dynamic Programming . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 176
8.3 The Hamilton-Jacobi-Bellman Equation . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 177
8.4 Sufficiently Smooth Problems . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .. . .179
8.5 Viscosity Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
8.6 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.6.1 Classical Merton Problem . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .185
8.6.2 Multi-Asset Portfolio with Transaction Costs .
. . . . . . . . . . . . . . 186
8.6.3 Risk-Sensitive Portfolio Optimization . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 188
8.6.4 Optimal Portfolio Allocation with
Transaction Costs . . . . . . . . . 189
8.6.5 American Option Pricing . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
8.6.6 Portfolio Optimization with Constraints . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 190
8.6.7 Mean-Variance Portfolio Optimization . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .190
8.6.8 Sch¿odinger Control in Wealth Management . . .
. . . . . . . . . . . . 191
8.7 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193
9 Markov Decision Processes
195
9.1 Fully Observed MDPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
9.2 Partially Observed MDPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .. . . . . . 199
9.3 Infinite Horizon Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
9.4 Finite Horizon Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
9.5 The Bellman Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
9.6 Solving the Bellman Equation . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .212
9.7 Examples in Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.7.1 An MDP in Multi-Asset Allocation with
Transaction
Costs . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.7.2 A POMDP for Asset Allocation with Regime
Switching . . . . . 214
9.7.3 An MDP with Continuous State and Action
Spaces for
Option Hedging with Stochastic
Volatility . . . . . . . . . . . . . . . 215
9.8 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
CONTENTS
10 Reinforcement Learning
219
10.1 Connections to Optimal Control . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 221
10.1.1 Policy Iteration . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
10.1.2 Value Iteration . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
10.1.3 Continuous vs. Discrete Formulations . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .226
10.2 The Environment and The Reward Function . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 228
10.2.1 The Environment . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.2.2 The Reward Function . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232
10.3 Agents Acting in an Environment . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 235
10.4 State-Action and Value Functions . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .238
10.4.1 Value Functions . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .238
10.4.2 Gradients and Policy Improvement . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .240
10.5 The Policy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . . 243
10.6 On-Policy Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
10.7 Off-Policy Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.8 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 253
10.8.1 Mean-Variance Optimization . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.8.2 Reinforcement Learning Comparison with
Mean-Variance
Optimization . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .254
10.8.3 G-Learning and GIRL . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10.8.4 Continuous-time Penalization in Portfolio
Optimization . . .259
10.8.5 Reinforcement Learning for Utility
Maximization . . . . . . . .260
10.8.6 Continuous-Time Portfolio Optimization
with Transaction
Costs . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .261
10.9 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 262
IV Machine Learning and Deep Learning
265
11 Deep Learning in Portfolio Management
266
11.1 Neurons and Activation Functions . . . . . . . . . . . .
. . . .. . . . . . . . . . . . 266
11.2 Neural Networks and Function Approximation . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 269
11.3 Review of Some Important Architectures . . . . . . . . .
. . . . . .. . . . . . . . 273
11.4 Physics-Informed Neural Networks . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 284
11.5 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .292
11.5.1 Dynamic Asset Allocation Using the Heston
Model . . . . . . 292
11.5.2 Option-Based Portfolio Insurance Using the
Bates Model . .293
11.5.3 Factor Learning Approach to Generative
Modeling of
Equities . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
11.6 The Case for and Against Deep Learning . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 296
11.7 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 298
12 Graph Based Portfolios
300
12.1 Graph Theory Based Portfolios . . . . . . . . . . . . . .
. . . 300
12.1.1 Literature Review . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .300
12.1.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
CONTENTS
12.2 Equations and Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
12.2.1 Results . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .302
12.3 Hierarchical Risk Parity . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
12.4 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .309
13 Sensitivity-based
Portfolios
310
13.1 Modelling Portfolios Dynamics with PDEs . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 312
13.2 Optimal Drivers Selection: Causality and Persistence . . .
. . . . . . . . . . . 313
13.3 AAD Sensitivities Approximation . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .319
13.3.1 Optimal Network Selection . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 319
13.3.2 Sensitivity Analysis . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .320
13.3.3 Sensitivity Distance Matrix . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .320
13.4 Hierarchical Sensitivity Parity . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .322
13.5 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.5.1 Datasets . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.5.2 Experimental setup . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.5.3 Short-to-medium investments . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 324
13.5.4 Long-term investments . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
13.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
V Backtesting
333
14 Backtesting in Portfolio Management
334
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . ................. .. . . . . ..334
14.2 Data Preparation and Handling . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 334
14.3 Implementation of Trading Strategies . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 335
14.4 Types of Backtests . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
14.4.1 Walk-Forward Backtest . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
14.4.2 Resampling Method . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
14.4.3 Monte Carlo Simulations and
Generative Models . . . . 337
14.5 Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .337
14.6 Avoiding Common Pitfalls . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 338
14.7 Advanced Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
14.8 Case Study: Applying Backtesting to a Real-World Strategy
. . . . . . . 339
14.9 Impact of Market Conditions on Backtest Results . . . . .
. . . . . . . . . . .340
14.10 Integration with Portfolio Management . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .. . 340
14.11 Tools and Software for Backtesting . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .. . . 341
14.12 Regulatory Considerations . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
14.13Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
15 Scenario Generation
344
15.1 Historical Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
15.2 Bootstrapping Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
15.3 Copula Based Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
CONTENTS
15.4 Risk Factor Model Based Scenarios . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .345
15.5 Time Series Model Scenarios . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .346
15.6 Variational Autoencoders . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
15.7 Generative Adversarial Networks (GANs) . . . . . . . .
. . . . . . . . . .. . . .347
Appendices
348
15.8 Software and Tools for Portfolio
Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 1
1 Introduction
3
1.1 Evolution of Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . . . .
.. . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Role of Quantitative Techniques . . . . . . . . . . .. . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Organization of the Book . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .7
2 History of Portfolio Optimization
9
2.1 Early beginnings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Harry Markowitz's Modern Portfolio Theory (1952) . . . . . . .
. . . . . . . 12
2.3 Black-Litterman Model (1990s) . . . . . . . . . . . . . . .
........................16
2.4 Alternative Methods: Risk Parity, Hierarchical Risk Parity and
Machine Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
... .. . . .. . .. . .. .......... . 21
2.4.1 Risk Parity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .. . .. . . .. . . . . . . ......21
2.4.2 Hierarchical Risk Parity . . . . . . . . . . . . . .
. . . .....................28
2.4.3 Machine Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . ................... ...30
2.5 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . ...................... . . . . . 35
I Foundations of Portfolio
Theory 37
3 Modern Portfolio Theory
38
3.1 Efficient Frontier and Capital Market Line . . . . . . . . . . .
................. 38
3.1.1 Case without riskless asset . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .. . . . . . . 39
3.1.2 Case with a riskless asset . . . . . . . . . . .
. . . . .. . . . . . . . . . . . 44
3.2 Capital Asset Pricing Model . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.1 Case without riskless asset . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.2 Case with a riskless asset . . . . . . . . . . .
. . . . . .. . . . . . . . . . . .54
3.3 Multi-factor Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4 Challenges of Modern Portfolio Theory . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 62
3.4.1 Estimation Techniques in Portfolio Allocation . .
. . . .. . . . . . .62
3.4.2 Non-Elliptical Distributions and Conditional
Value-at-
Risk (CVaR) . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
3.5 Quantum Annealing in Portfolio Management . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 68
3.6 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
CONTENTS
4 Bayesian Methods in Portfolio Optimization
73
4.1 The Prior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2 The Likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
4.3 The Posterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4 Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5 Hierarchical Bayesian Models . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
4.6 Bayesian Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.6.1 Gaussian Processes in a Nutshell . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
4.6.2 Uncertainty Quantification and Bayesian
Decision Theory . . . . . 97
4.7 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.7.1 GP Regression for Asset Returns . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.7.2 Decision Theory in Portfolio Optimization . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.7.3 The Black-Litterman Model . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
4.8 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
II Risk
Management
109
5 Risk Models and Measures
110
5.1 Risk Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . 111
5.2 VaR and CVaR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 113
5.2.1 VaR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . .114
5.2.2 CVaR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 116
5.3 Estimation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
5.3.1 Variance-Covariance Method . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .. . .120
5.3.2 Historical Simulation . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
5.3.3 Monte Carlo Simulation . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
5.4 Advanced Risk Measures: Tail Risk and Spectral Measures . . . .
. . . . . . . . . .121
5.4.1 Tail Risk Measures . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.4.2 Spectral Measures . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.5 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6 Factor Models and Factor Investing
128
6.1 Single and Multi-Factor Models . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.1.1 Statistical Models . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 130
6.1.2 Macroeconomic Models . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
6.1.3 Cross Sectional Models . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
6.2 Factor Risk and Performance Attribution . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.3 Machine Learning in Factor Investing . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .. . 145
6.4 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7 Market Impact, Transaction Costs and
Liquidity 149
7.1 Market Impact Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . ....150
7.2 Modeling Transaction Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . ...153
7.2.1 Single asset . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 156
CONTENTS
7.2.2 Multiple assets . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .....158
7.3 Optimal Trading Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . ......160
7.3.1 Mei, DeMiguel and Nogales (2016) . . . . . . .
. . . . . . .. . . . . ... .. 161
7.3.2 Skaf and Boyd (2009) . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .....164
7.4 Liquidity Considerations in Portfolio Optimization . . . . . .
. . . . . . . . . ......166
7.4.1 MV and Liquidity . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.4.2 CAPM and Liquidity . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 168
7.4.3 APT and Liquidity . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 170
7.5 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 172
III Dynamic Models and Control
174
8 Optimal Control
175
8.1 Dynamic Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .. . . . . .175
8.2 Approximate Dynamic Programming . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 176
8.3 The Hamilton-Jacobi-Bellman Equation . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 177
8.4 Sufficiently Smooth Problems . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .. . .179
8.5 Viscosity Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
8.6 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.6.1 Classical Merton Problem . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .185
8.6.2 Multi-Asset Portfolio with Transaction Costs .
. . . . . . . . . . . . . . 186
8.6.3 Risk-Sensitive Portfolio Optimization . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 188
8.6.4 Optimal Portfolio Allocation with
Transaction Costs . . . . . . . . . 189
8.6.5 American Option Pricing . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
8.6.6 Portfolio Optimization with Constraints . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 190
8.6.7 Mean-Variance Portfolio Optimization . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .190
8.6.8 Sch¿odinger Control in Wealth Management . . .
. . . . . . . . . . . . 191
8.7 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193
9 Markov Decision Processes
195
9.1 Fully Observed MDPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
9.2 Partially Observed MDPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .. . . . . . 199
9.3 Infinite Horizon Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
9.4 Finite Horizon Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
9.5 The Bellman Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
9.6 Solving the Bellman Equation . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .212
9.7 Examples in Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.7.1 An MDP in Multi-Asset Allocation with
Transaction
Costs . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.7.2 A POMDP for Asset Allocation with Regime
Switching . . . . . 214
9.7.3 An MDP with Continuous State and Action
Spaces for
Option Hedging with Stochastic
Volatility . . . . . . . . . . . . . . . 215
9.8 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
CONTENTS
10 Reinforcement Learning
219
10.1 Connections to Optimal Control . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 221
10.1.1 Policy Iteration . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
10.1.2 Value Iteration . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
10.1.3 Continuous vs. Discrete Formulations . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .226
10.2 The Environment and The Reward Function . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 228
10.2.1 The Environment . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.2.2 The Reward Function . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232
10.3 Agents Acting in an Environment . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 235
10.4 State-Action and Value Functions . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .238
10.4.1 Value Functions . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .238
10.4.2 Gradients and Policy Improvement . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .240
10.5 The Policy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . . 243
10.6 On-Policy Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
10.7 Off-Policy Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.8 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 253
10.8.1 Mean-Variance Optimization . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.8.2 Reinforcement Learning Comparison with
Mean-Variance
Optimization . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .254
10.8.3 G-Learning and GIRL . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10.8.4 Continuous-time Penalization in Portfolio
Optimization . . .259
10.8.5 Reinforcement Learning for Utility
Maximization . . . . . . . .260
10.8.6 Continuous-Time Portfolio Optimization
with Transaction
Costs . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .261
10.9 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 262
IV Machine Learning and Deep Learning
265
11 Deep Learning in Portfolio Management
266
11.1 Neurons and Activation Functions . . . . . . . . . . . .
. . . .. . . . . . . . . . . . 266
11.2 Neural Networks and Function Approximation . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 269
11.3 Review of Some Important Architectures . . . . . . . . .
. . . . . .. . . . . . . . 273
11.4 Physics-Informed Neural Networks . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 284
11.5 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .292
11.5.1 Dynamic Asset Allocation Using the Heston
Model . . . . . . 292
11.5.2 Option-Based Portfolio Insurance Using the
Bates Model . .293
11.5.3 Factor Learning Approach to Generative
Modeling of
Equities . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
11.6 The Case for and Against Deep Learning . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 296
11.7 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 298
12 Graph Based Portfolios
300
12.1 Graph Theory Based Portfolios . . . . . . . . . . . . . .
. . . 300
12.1.1 Literature Review . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .300
12.1.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
CONTENTS
12.2 Equations and Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
12.2.1 Results . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .302
12.3 Hierarchical Risk Parity . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
12.4 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .309
13 Sensitivity-based
Portfolios
310
13.1 Modelling Portfolios Dynamics with PDEs . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 312
13.2 Optimal Drivers Selection: Causality and Persistence . . .
. . . . . . . . . . . 313
13.3 AAD Sensitivities Approximation . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .319
13.3.1 Optimal Network Selection . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 319
13.3.2 Sensitivity Analysis . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .320
13.3.3 Sensitivity Distance Matrix . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .320
13.4 Hierarchical Sensitivity Parity . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .322
13.5 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.5.1 Datasets . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.5.2 Experimental setup . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.5.3 Short-to-medium investments . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 324
13.5.4 Long-term investments . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
13.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
V Backtesting
333
14 Backtesting in Portfolio Management
334
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . ................. .. . . . . ..334
14.2 Data Preparation and Handling . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 334
14.3 Implementation of Trading Strategies . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 335
14.4 Types of Backtests . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
14.4.1 Walk-Forward Backtest . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
14.4.2 Resampling Method . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
14.4.3 Monte Carlo Simulations and
Generative Models . . . . 337
14.5 Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .337
14.6 Avoiding Common Pitfalls . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 338
14.7 Advanced Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
14.8 Case Study: Applying Backtesting to a Real-World Strategy
. . . . . . . 339
14.9 Impact of Market Conditions on Backtest Results . . . . .
. . . . . . . . . . .340
14.10 Integration with Portfolio Management . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .. . 340
14.11 Tools and Software for Backtesting . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .. . . 341
14.12 Regulatory Considerations . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
14.13Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
15 Scenario Generation
344
15.1 Historical Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
15.2 Bootstrapping Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
15.3 Copula Based Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
CONTENTS
15.4 Risk Factor Model Based Scenarios . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .345
15.5 Time Series Model Scenarios . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .346
15.6 Variational Autoencoders . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
15.7 Generative Adversarial Networks (GANs) . . . . . . . .
. . . . . . . . . .. . . .347
Appendices
348
15.8 Software and Tools for Portfolio
Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
Contents
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 1
1 Introduction
3
1.1 Evolution of Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . . . .
.. . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Role of Quantitative Techniques . . . . . . . . . . .. . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Organization of the Book . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .7
2 History of Portfolio Optimization
9
2.1 Early beginnings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Harry Markowitz's Modern Portfolio Theory (1952) . . . . . . .
. . . . . . . 12
2.3 Black-Litterman Model (1990s) . . . . . . . . . . . . . . .
........................16
2.4 Alternative Methods: Risk Parity, Hierarchical Risk Parity and
Machine Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
... .. . . .. . .. . .. .......... . 21
2.4.1 Risk Parity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .. . .. . . .. . . . . . . ......21
2.4.2 Hierarchical Risk Parity . . . . . . . . . . . . . .
. . . .....................28
2.4.3 Machine Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . ................... ...30
2.5 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . ...................... . . . . . 35
I Foundations of Portfolio
Theory 37
3 Modern Portfolio Theory
38
3.1 Efficient Frontier and Capital Market Line . . . . . . . . . . .
................. 38
3.1.1 Case without riskless asset . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .. . . . . . . 39
3.1.2 Case with a riskless asset . . . . . . . . . . .
. . . . .. . . . . . . . . . . . 44
3.2 Capital Asset Pricing Model . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.1 Case without riskless asset . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.2 Case with a riskless asset . . . . . . . . . . .
. . . . . .. . . . . . . . . . . .54
3.3 Multi-factor Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4 Challenges of Modern Portfolio Theory . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 62
3.4.1 Estimation Techniques in Portfolio Allocation . .
. . . .. . . . . . .62
3.4.2 Non-Elliptical Distributions and Conditional
Value-at-
Risk (CVaR) . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
3.5 Quantum Annealing in Portfolio Management . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 68
3.6 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
CONTENTS
4 Bayesian Methods in Portfolio Optimization
73
4.1 The Prior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2 The Likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
4.3 The Posterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4 Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5 Hierarchical Bayesian Models . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
4.6 Bayesian Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.6.1 Gaussian Processes in a Nutshell . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
4.6.2 Uncertainty Quantification and Bayesian
Decision Theory . . . . . 97
4.7 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.7.1 GP Regression for Asset Returns . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.7.2 Decision Theory in Portfolio Optimization . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.7.3 The Black-Litterman Model . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
4.8 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
II Risk
Management
109
5 Risk Models and Measures
110
5.1 Risk Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . 111
5.2 VaR and CVaR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 113
5.2.1 VaR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . .114
5.2.2 CVaR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 116
5.3 Estimation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
5.3.1 Variance-Covariance Method . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .. . .120
5.3.2 Historical Simulation . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
5.3.3 Monte Carlo Simulation . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
5.4 Advanced Risk Measures: Tail Risk and Spectral Measures . . . .
. . . . . . . . . .121
5.4.1 Tail Risk Measures . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.4.2 Spectral Measures . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.5 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6 Factor Models and Factor Investing
128
6.1 Single and Multi-Factor Models . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.1.1 Statistical Models . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 130
6.1.2 Macroeconomic Models . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
6.1.3 Cross Sectional Models . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
6.2 Factor Risk and Performance Attribution . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.3 Machine Learning in Factor Investing . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .. . 145
6.4 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7 Market Impact, Transaction Costs and
Liquidity 149
7.1 Market Impact Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . ....150
7.2 Modeling Transaction Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . ...153
7.2.1 Single asset . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 156
CONTENTS
7.2.2 Multiple assets . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .....158
7.3 Optimal Trading Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . ......160
7.3.1 Mei, DeMiguel and Nogales (2016) . . . . . . .
. . . . . . .. . . . . ... .. 161
7.3.2 Skaf and Boyd (2009) . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .....164
7.4 Liquidity Considerations in Portfolio Optimization . . . . . .
. . . . . . . . . ......166
7.4.1 MV and Liquidity . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.4.2 CAPM and Liquidity . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 168
7.4.3 APT and Liquidity . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 170
7.5 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 172
III Dynamic Models and Control
174
8 Optimal Control
175
8.1 Dynamic Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .. . . . . .175
8.2 Approximate Dynamic Programming . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 176
8.3 The Hamilton-Jacobi-Bellman Equation . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 177
8.4 Sufficiently Smooth Problems . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .. . .179
8.5 Viscosity Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
8.6 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.6.1 Classical Merton Problem . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .185
8.6.2 Multi-Asset Portfolio with Transaction Costs .
. . . . . . . . . . . . . . 186
8.6.3 Risk-Sensitive Portfolio Optimization . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 188
8.6.4 Optimal Portfolio Allocation with
Transaction Costs . . . . . . . . . 189
8.6.5 American Option Pricing . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
8.6.6 Portfolio Optimization with Constraints . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 190
8.6.7 Mean-Variance Portfolio Optimization . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .190
8.6.8 Sch¿odinger Control in Wealth Management . . .
. . . . . . . . . . . . 191
8.7 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193
9 Markov Decision Processes
195
9.1 Fully Observed MDPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
9.2 Partially Observed MDPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .. . . . . . 199
9.3 Infinite Horizon Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
9.4 Finite Horizon Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
9.5 The Bellman Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
9.6 Solving the Bellman Equation . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .212
9.7 Examples in Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.7.1 An MDP in Multi-Asset Allocation with
Transaction
Costs . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.7.2 A POMDP for Asset Allocation with Regime
Switching . . . . . 214
9.7.3 An MDP with Continuous State and Action
Spaces for
Option Hedging with Stochastic
Volatility . . . . . . . . . . . . . . . 215
9.8 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
CONTENTS
10 Reinforcement Learning
219
10.1 Connections to Optimal Control . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 221
10.1.1 Policy Iteration . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
10.1.2 Value Iteration . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
10.1.3 Continuous vs. Discrete Formulations . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .226
10.2 The Environment and The Reward Function . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 228
10.2.1 The Environment . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.2.2 The Reward Function . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232
10.3 Agents Acting in an Environment . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 235
10.4 State-Action and Value Functions . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .238
10.4.1 Value Functions . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .238
10.4.2 Gradients and Policy Improvement . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .240
10.5 The Policy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . . 243
10.6 On-Policy Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
10.7 Off-Policy Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.8 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 253
10.8.1 Mean-Variance Optimization . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.8.2 Reinforcement Learning Comparison with
Mean-Variance
Optimization . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .254
10.8.3 G-Learning and GIRL . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10.8.4 Continuous-time Penalization in Portfolio
Optimization . . .259
10.8.5 Reinforcement Learning for Utility
Maximization . . . . . . . .260
10.8.6 Continuous-Time Portfolio Optimization
with Transaction
Costs . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .261
10.9 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 262
IV Machine Learning and Deep Learning
265
11 Deep Learning in Portfolio Management
266
11.1 Neurons and Activation Functions . . . . . . . . . . . .
. . . .. . . . . . . . . . . . 266
11.2 Neural Networks and Function Approximation . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 269
11.3 Review of Some Important Architectures . . . . . . . . .
. . . . . .. . . . . . . . 273
11.4 Physics-Informed Neural Networks . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 284
11.5 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .292
11.5.1 Dynamic Asset Allocation Using the Heston
Model . . . . . . 292
11.5.2 Option-Based Portfolio Insurance Using the
Bates Model . .293
11.5.3 Factor Learning Approach to Generative
Modeling of
Equities . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
11.6 The Case for and Against Deep Learning . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 296
11.7 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 298
12 Graph Based Portfolios
300
12.1 Graph Theory Based Portfolios . . . . . . . . . . . . . .
. . . 300
12.1.1 Literature Review . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .300
12.1.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
CONTENTS
12.2 Equations and Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
12.2.1 Results . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .302
12.3 Hierarchical Risk Parity . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
12.4 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .309
13 Sensitivity-based
Portfolios
310
13.1 Modelling Portfolios Dynamics with PDEs . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 312
13.2 Optimal Drivers Selection: Causality and Persistence . . .
. . . . . . . . . . . 313
13.3 AAD Sensitivities Approximation . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .319
13.3.1 Optimal Network Selection . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 319
13.3.2 Sensitivity Analysis . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .320
13.3.3 Sensitivity Distance Matrix . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .320
13.4 Hierarchical Sensitivity Parity . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .322
13.5 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.5.1 Datasets . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.5.2 Experimental setup . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.5.3 Short-to-medium investments . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 324
13.5.4 Long-term investments . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
13.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
V Backtesting
333
14 Backtesting in Portfolio Management
334
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . ................. .. . . . . ..334
14.2 Data Preparation and Handling . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 334
14.3 Implementation of Trading Strategies . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 335
14.4 Types of Backtests . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
14.4.1 Walk-Forward Backtest . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
14.4.2 Resampling Method . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
14.4.3 Monte Carlo Simulations and
Generative Models . . . . 337
14.5 Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .337
14.6 Avoiding Common Pitfalls . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 338
14.7 Advanced Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
14.8 Case Study: Applying Backtesting to a Real-World Strategy
. . . . . . . 339
14.9 Impact of Market Conditions on Backtest Results . . . . .
. . . . . . . . . . .340
14.10 Integration with Portfolio Management . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .. . 340
14.11 Tools and Software for Backtesting . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .. . . 341
14.12 Regulatory Considerations . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
14.13Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
15 Scenario Generation
344
15.1 Historical Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
15.2 Bootstrapping Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
15.3 Copula Based Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
CONTENTS
15.4 Risk Factor Model Based Scenarios . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .345
15.5 Time Series Model Scenarios . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .346
15.6 Variational Autoencoders . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
15.7 Generative Adversarial Networks (GANs) . . . . . . . .
. . . . . . . . . .. . . .347
Appendices
348
15.8 Software and Tools for Portfolio
Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 1
1 Introduction
3
1.1 Evolution of Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . . . .
.. . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Role of Quantitative Techniques . . . . . . . . . . .. . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Organization of the Book . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .7
2 History of Portfolio Optimization
9
2.1 Early beginnings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Harry Markowitz's Modern Portfolio Theory (1952) . . . . . . .
. . . . . . . 12
2.3 Black-Litterman Model (1990s) . . . . . . . . . . . . . . .
........................16
2.4 Alternative Methods: Risk Parity, Hierarchical Risk Parity and
Machine Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
... .. . . .. . .. . .. .......... . 21
2.4.1 Risk Parity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .. . .. . . .. . . . . . . ......21
2.4.2 Hierarchical Risk Parity . . . . . . . . . . . . . .
. . . .....................28
2.4.3 Machine Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . ................... ...30
2.5 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . ...................... . . . . . 35
I Foundations of Portfolio
Theory 37
3 Modern Portfolio Theory
38
3.1 Efficient Frontier and Capital Market Line . . . . . . . . . . .
................. 38
3.1.1 Case without riskless asset . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .. . . . . . . 39
3.1.2 Case with a riskless asset . . . . . . . . . . .
. . . . .. . . . . . . . . . . . 44
3.2 Capital Asset Pricing Model . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.1 Case without riskless asset . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.2 Case with a riskless asset . . . . . . . . . . .
. . . . . .. . . . . . . . . . . .54
3.3 Multi-factor Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4 Challenges of Modern Portfolio Theory . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 62
3.4.1 Estimation Techniques in Portfolio Allocation . .
. . . .. . . . . . .62
3.4.2 Non-Elliptical Distributions and Conditional
Value-at-
Risk (CVaR) . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
3.5 Quantum Annealing in Portfolio Management . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 68
3.6 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
CONTENTS
4 Bayesian Methods in Portfolio Optimization
73
4.1 The Prior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2 The Likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
4.3 The Posterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4 Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5 Hierarchical Bayesian Models . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
4.6 Bayesian Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.6.1 Gaussian Processes in a Nutshell . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
4.6.2 Uncertainty Quantification and Bayesian
Decision Theory . . . . . 97
4.7 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.7.1 GP Regression for Asset Returns . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.7.2 Decision Theory in Portfolio Optimization . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.7.3 The Black-Litterman Model . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
4.8 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
II Risk
Management
109
5 Risk Models and Measures
110
5.1 Risk Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . 111
5.2 VaR and CVaR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 113
5.2.1 VaR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . .114
5.2.2 CVaR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 116
5.3 Estimation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
5.3.1 Variance-Covariance Method . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .. . .120
5.3.2 Historical Simulation . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
5.3.3 Monte Carlo Simulation . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
5.4 Advanced Risk Measures: Tail Risk and Spectral Measures . . . .
. . . . . . . . . .121
5.4.1 Tail Risk Measures . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.4.2 Spectral Measures . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.5 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6 Factor Models and Factor Investing
128
6.1 Single and Multi-Factor Models . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.1.1 Statistical Models . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 130
6.1.2 Macroeconomic Models . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
6.1.3 Cross Sectional Models . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
6.2 Factor Risk and Performance Attribution . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.3 Machine Learning in Factor Investing . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .. . 145
6.4 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7 Market Impact, Transaction Costs and
Liquidity 149
7.1 Market Impact Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . ....150
7.2 Modeling Transaction Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . ...153
7.2.1 Single asset . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 156
CONTENTS
7.2.2 Multiple assets . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .....158
7.3 Optimal Trading Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . ......160
7.3.1 Mei, DeMiguel and Nogales (2016) . . . . . . .
. . . . . . .. . . . . ... .. 161
7.3.2 Skaf and Boyd (2009) . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .....164
7.4 Liquidity Considerations in Portfolio Optimization . . . . . .
. . . . . . . . . ......166
7.4.1 MV and Liquidity . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.4.2 CAPM and Liquidity . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 168
7.4.3 APT and Liquidity . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 170
7.5 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 172
III Dynamic Models and Control
174
8 Optimal Control
175
8.1 Dynamic Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .. . . . . .175
8.2 Approximate Dynamic Programming . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 176
8.3 The Hamilton-Jacobi-Bellman Equation . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 177
8.4 Sufficiently Smooth Problems . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .. . .179
8.5 Viscosity Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
8.6 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.6.1 Classical Merton Problem . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .185
8.6.2 Multi-Asset Portfolio with Transaction Costs .
. . . . . . . . . . . . . . 186
8.6.3 Risk-Sensitive Portfolio Optimization . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 188
8.6.4 Optimal Portfolio Allocation with
Transaction Costs . . . . . . . . . 189
8.6.5 American Option Pricing . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
8.6.6 Portfolio Optimization with Constraints . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 190
8.6.7 Mean-Variance Portfolio Optimization . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .190
8.6.8 Sch¿odinger Control in Wealth Management . . .
. . . . . . . . . . . . 191
8.7 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193
9 Markov Decision Processes
195
9.1 Fully Observed MDPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
9.2 Partially Observed MDPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .. . . . . . 199
9.3 Infinite Horizon Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
9.4 Finite Horizon Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
9.5 The Bellman Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
9.6 Solving the Bellman Equation . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .212
9.7 Examples in Portfolio Optimization . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.7.1 An MDP in Multi-Asset Allocation with
Transaction
Costs . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.7.2 A POMDP for Asset Allocation with Regime
Switching . . . . . 214
9.7.3 An MDP with Continuous State and Action
Spaces for
Option Hedging with Stochastic
Volatility . . . . . . . . . . . . . . . 215
9.8 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
CONTENTS
10 Reinforcement Learning
219
10.1 Connections to Optimal Control . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 221
10.1.1 Policy Iteration . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
10.1.2 Value Iteration . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
10.1.3 Continuous vs. Discrete Formulations . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .226
10.2 The Environment and The Reward Function . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 228
10.2.1 The Environment . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.2.2 The Reward Function . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232
10.3 Agents Acting in an Environment . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 235
10.4 State-Action and Value Functions . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .238
10.4.1 Value Functions . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .238
10.4.2 Gradients and Policy Improvement . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .240
10.5 The Policy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . . 243
10.6 On-Policy Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
10.7 Off-Policy Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.8 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 253
10.8.1 Mean-Variance Optimization . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.8.2 Reinforcement Learning Comparison with
Mean-Variance
Optimization . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .254
10.8.3 G-Learning and GIRL . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10.8.4 Continuous-time Penalization in Portfolio
Optimization . . .259
10.8.5 Reinforcement Learning for Utility
Maximization . . . . . . . .260
10.8.6 Continuous-Time Portfolio Optimization
with Transaction
Costs . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .261
10.9 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 262
IV Machine Learning and Deep Learning
265
11 Deep Learning in Portfolio Management
266
11.1 Neurons and Activation Functions . . . . . . . . . . . .
. . . .. . . . . . . . . . . . 266
11.2 Neural Networks and Function Approximation . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 269
11.3 Review of Some Important Architectures . . . . . . . . .
. . . . . .. . . . . . . . 273
11.4 Physics-Informed Neural Networks . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 284
11.5 Applications to Portfolio Optimization . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .292
11.5.1 Dynamic Asset Allocation Using the Heston
Model . . . . . . 292
11.5.2 Option-Based Portfolio Insurance Using the
Bates Model . .293
11.5.3 Factor Learning Approach to Generative
Modeling of
Equities . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
11.6 The Case for and Against Deep Learning . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 296
11.7 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 298
12 Graph Based Portfolios
300
12.1 Graph Theory Based Portfolios . . . . . . . . . . . . . .
. . . 300
12.1.1 Literature Review . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .300
12.1.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
CONTENTS
12.2 Equations and Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
12.2.1 Results . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .302
12.3 Hierarchical Risk Parity . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
12.4 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .309
13 Sensitivity-based
Portfolios
310
13.1 Modelling Portfolios Dynamics with PDEs . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 312
13.2 Optimal Drivers Selection: Causality and Persistence . . .
. . . . . . . . . . . 313
13.3 AAD Sensitivities Approximation . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .319
13.3.1 Optimal Network Selection . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 319
13.3.2 Sensitivity Analysis . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .320
13.3.3 Sensitivity Distance Matrix . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .320
13.4 Hierarchical Sensitivity Parity . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .322
13.5 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.5.1 Datasets . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.5.2 Experimental setup . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.5.3 Short-to-medium investments . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 324
13.5.4 Long-term investments . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
13.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
V Backtesting
333
14 Backtesting in Portfolio Management
334
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . ................. .. . . . . ..334
14.2 Data Preparation and Handling . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 334
14.3 Implementation of Trading Strategies . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 335
14.4 Types of Backtests . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
14.4.1 Walk-Forward Backtest . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
14.4.2 Resampling Method . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
14.4.3 Monte Carlo Simulations and
Generative Models . . . . 337
14.5 Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .337
14.6 Avoiding Common Pitfalls . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 338
14.7 Advanced Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
14.8 Case Study: Applying Backtesting to a Real-World Strategy
. . . . . . . 339
14.9 Impact of Market Conditions on Backtest Results . . . . .
. . . . . . . . . . .340
14.10 Integration with Portfolio Management . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .. . 340
14.11 Tools and Software for Backtesting . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .. . . 341
14.12 Regulatory Considerations . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
14.13Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
15 Scenario Generation
344
15.1 Historical Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
15.2 Bootstrapping Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
15.3 Copula Based Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
CONTENTS
15.4 Risk Factor Model Based Scenarios . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .345
15.5 Time Series Model Scenarios . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .346
15.6 Variational Autoencoders . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
15.7 Generative Adversarial Networks (GANs) . . . . . . . .
. . . . . . . . . .. . . .347
Appendices
348
15.8 Software and Tools for Portfolio
Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . 348