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Applications of state space models in finance

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viii Contents<br />

3.3.7 The Kalman filter with non-Gaussian errors . . . . . . . . . . . . 27<br />

3.4 Maximum likelihood estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27<br />

3.4.1 The loglikelihood function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27<br />

3.4.1.1 Prediction error decomposition . . . . . . . . . . . . . . 28<br />

3.4.1.2 Concentrated loglikelihood . . . . . . . . . . . . . . . . 29<br />

3.4.2 Numerical maximization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />

3.4.3 The EM algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31<br />

3.4.4 Parameter restrictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31<br />

3.5 Introduction <strong>of</strong> explanatory variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32<br />

3.5.1 Incorporation <strong>of</strong> regression effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32<br />

3.5.2 Time-vary<strong>in</strong>g parameter <strong>models</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33<br />

3.5.2.1 The random coefficient model . . . . . . . . . . . . . . 34<br />

3.5.2.2 The random walk model . . . . . . . . . . . . . . . . . 34<br />

3.5.2.3 The mean revert<strong>in</strong>g model . . . . . . . . . . . . . . . . 35<br />

3.5.2.4 The mov<strong>in</strong>g mean revert<strong>in</strong>g model . . . . . . . . . . . . 36<br />

3.5.3 Initial values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36<br />

3.6 Model diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36<br />

3.6.1 Residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37<br />

3.6.1.1 Generalized recursive residuals . . . . . . . . . . . . . . 37<br />

3.6.1.2 Generalized least squares residuals . . . . . . . . . . . . 37<br />

3.6.2 Goodness <strong>of</strong> fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38<br />

3.6.2.1 Prediction error variance . . . . . . . . . . . . . . . . . 38<br />

3.6.2.2 Coefficient <strong>of</strong> determ<strong>in</strong>ation . . . . . . . . . . . . . . . . 39<br />

3.6.2.3 Information criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39<br />

3.6.3 Diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39<br />

3.7 Illustration: How to specify the MMR model for estimation us<strong>in</strong>g SsfPack 40<br />

4 Markov regime switch<strong>in</strong>g 43<br />

4.1 Basic concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44<br />

4.1.1 Independent mixture distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . 44<br />

4.1.2 Markov cha<strong>in</strong>s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46<br />

4.2 The basic hidden Markov model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48<br />

4.3 Parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49<br />

4.3.1 The likelihood function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50<br />

4.3.2 Direct numerical maximization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50<br />

4.3.2.1 Forward-backward probabilities . . . . . . . . . . . . . 51<br />

4.3.2.2 Recursive evaluation <strong>of</strong> the loglikelihood . . . . . . . . 51<br />

4.3.3 Standard errors <strong>of</strong> ML estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52<br />

4.4 Forecast<strong>in</strong>g and decod<strong>in</strong>g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52<br />

4.4.1 Forecast distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53<br />

4.4.2 Decod<strong>in</strong>g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53<br />

4.4.2.1 Local decod<strong>in</strong>g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53<br />

4.4.2.2 State predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54<br />

4.4.2.3 Global decod<strong>in</strong>g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

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