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Benchmark-Abgleich und relative Strategieperformance diagnostizieren

Code Machine Learning for Trading

Zusammenfassung

Das Dokument beschreibt Möglichkeiten, Strategierenditen mit zwei externen Benchmarks zu vergleichen: täglichen SPY-Gesamtrenditen und Fama-French-Marktrenditen, die sich aus der Addition von Marktrisikoprämie und risikofreiem Zinssatz ergeben. Es bietet Hilfsfunktionen zur Datumsfilterung und zum Abgleich, darunter einen Join nach Monat für Datensätze mit unterschiedlichen Konventionen bei monatlichen Zeitstempeln. Vor der Berechnung der Diagnosen muss der Aufrufer kompatible Renditefrequenzen sicherstellen und die Beobachtungen abgleichen.

Zu den Diagnoseberechnungen gehören Informationsverhältnis, Beta, Korrelation und annualisierter Tracking Error sowie optionale Zusammenfassungen der Strategierenditen, annualisierten Rendite, Sharpe Ratio und des maximalen Drawdowns für Teilzeiträume. Gepaarte fehlende Werte werden verworfen; bei zu wenigen Beobachtungen oder Varianz von null geben die Berechnungen undefinierte Kennzahlen zurück. Diese Maße beschreiben das relative Verhalten, nicht die Investierbarkeit oder wahrscheinliche Beständigkeit einer Strategie. Das Dokument liefert Hinweise zur Implementierung statt empirischer Ergebnisse; die Annualisierung hängt von der vom Nutzer angegebenen Periodenfrequenz ab.

Kernaussagen

  • SPY-Renditen von Schlusskurs zu Schlusskurs und Fama-French-Marktrenditen bieten alternative Vergleichsreihen.
  • Tägliche Zeitstempel lassen sich direkt verbinden; bei monatlichen Reihen kann ein Abgleich nach Kalendermonat erforderlich sein.
  • Benchmark-Diagnosen fassen relative Rendite, Beta, Korrelation und Tracking Error zusammen.
  • Berechnungen für Teilzeiträume können zeigen, wie sich die Strategieleistung über festgelegte Zeitabschnitte verändert.
  • Frequenz, fehlende Beobachtungen und Varianz von null beeinflussen die Gültigkeit der berichteten Kennzahlen.

Schlagwörter

Volltext
# external_benchmarks.py


```py
"""External benchmark loaders for strategy-analysis notebooks.

Provides SPY (broad-equity ETF) and FF-market (Ken French Mkt-RF + RF)
return series on the canonical schema (`timestamp`, `benchmark_return`).
Both flavors return polars DataFrames; alignment with strategy returns
is the caller's responsibility.

The diagnostic helper `compute_benchmark_diagnostics` returns the
information ratio, beta, correlation, and tracking error of a strategy
return series against a benchmark return series.
"""

from __future__ import annotations

import datetime as _dt

import numpy as np
import polars as pl

from data import load_etfs, load_ff_factors


def _date_or_none(value: str | _dt.date | _dt.datetime | None) -> _dt.date | None:
    if value is None:
        return None
    if isinstance(value, _dt.date) and not isinstance(value, _dt.datetime):
        return value
    if isinstance(value, _dt.datetime):
        return value.date()
    return _dt.date.fromisoformat(str(value)[:10])


def load_spy_returns(
    start: str | _dt.date | None = None,
    end: str | _dt.date | None = None,
) -> pl.DataFrame:
    """SPY daily total returns (close-to-close pct change).

    Returns columns: `timestamp` (Date), `benchmark_return` (Float64).
    """
    df = load_etfs(symbols=["SPY"]).sort("timestamp").select("timestamp", "close")
    df = (
        df.with_columns(
            benchmark_return=pl.col("close").pct_change(),
        )
        .drop("close")
        .drop_nulls("benchmark_return")
    )
    s, e = _date_or_none(start), _date_or_none(end)
    if s is not None:
        df = df.filter(pl.col("timestamp") >= s)
    if e is not None:
        df = df.filter(pl.col("timestamp") <= e)
    return df


def load_ff_market_returns(
    start: str | _dt.date | None = None,
    end: str | _dt.date | None = None,
    frequency: str = "daily",
) -> pl.DataFrame:
    """Fama-French market return (Mkt-RF + RF, i.e. nominal market).

    `frequency` is `"daily"` or `"monthly"`. Returns columns:
    `timestamp` (Date), `benchmark_return` (Float64).
    """
    df = load_ff_factors(dataset="ff5", frequency=frequency).sort("timestamp")
    df = df.with_columns(
        benchmark_return=pl.col("Mkt-RF") + pl.col("RF"),
    ).select("timestamp", "benchmark_return")
    s, e = _date_or_none(start), _date_or_none(end)
    if s is not None:
        df = df.filter(pl.col("timestamp") >= s)
    if e is not None:
        df = df.filter(pl.col("timestamp") <= e)
    return df


def align_to_strategy(
    strategy_df: pl.DataFrame,
    benchmark_df: pl.DataFrame,
    timestamp_col: str = "ts",
    strategy_col: str = "strategy",
    benchmark_col: str = "benchmark_return",
) -> pl.DataFrame:
    """Inner-join a benchmark series onto strategy returns.

    Both inputs must carry the canonical timestamp column (Date). The
    result has columns `[timestamp_col, strategy_col, benchmark_col]`.
    Caller-side alignment for monthly cadences should resample first.
    """
    bench = benchmark_df.with_columns(
        pl.col("timestamp").cast(pl.Date).alias(timestamp_col)
    ).select(timestamp_col, benchmark_col)
    return strategy_df.join(bench, on=timestamp_col, how="inner").sort(timestamp_col)


def align_to_strategy_monthly(
    strategy_df: pl.DataFrame,
    benchmark_df: pl.DataFrame,
    timestamp_col: str = "ts",
    strategy_col: str = "strategy",
    benchmark_col: str = "benchmark_return",
) -> pl.DataFrame:
    """Month-anchored inner join (FF monthly is first-of-month; benchmark
    series often end-of-month). Joins on (year, month) key.
    """
    s = strategy_df.with_columns(
        _y=pl.col(timestamp_col).dt.year(),
        _m=pl.col(timestamp_col).dt.month(),
    )
    b = benchmark_df.with_columns(
        _y=pl.col("timestamp").dt.year(),
        _m=pl.col("timestamp").dt.month(),
    ).select("_y", "_m", benchmark_col)
    return s.join(b, on=["_y", "_m"], how="inner").drop("_y", "_m").sort(timestamp_col)


def compute_subperiod_diagnostics(
    df: pl.DataFrame,
    buckets: list[tuple[str, _dt.date | str, _dt.date | str]],
    *,
    timestamp_col: str = "ts",
    strategy_col: str = "strategy",
    benchmark_col: str | None = "benchmark",
    periods_per_year: int = 252,
) -> pl.DataFrame:
    """Per-bucket diagnostics for sub-period decomposition tables.

    `df` must carry an aligned `(timestamp, strategy[, benchmark])` triple.
    `buckets` is a list of `(label, start_date, end_date)` triples; date
    bounds are inclusive at both ends. Per-bucket metrics: `n`,
    `cum_return`, `ann_return`, `sharpe`, `max_drawdown`. When
    `benchmark_col` is provided, the table also includes `beta_vs_bm` and
    `info_ratio_vs_bm`.
    """
    rows: list[dict[str, object]] = []
    for label, start, end in buckets:
        s = _date_or_none(start)
        e = _date_or_none(end)
        sub = df.filter((pl.col(timestamp_col) >= s) & (pl.col(timestamp_col) <= e))
        n = sub.height
        if n == 0:
            rows.append({"bucket": label, "n": 0})
            continue
        s_arr = sub[strategy_col].to_numpy()
        cum = float(np.prod(1 + s_arr) - 1)
        if periods_per_year > 0:
            ann = (1 + cum) ** (periods_per_year / max(n, 1)) - 1
        else:
            ann = float("nan")
        std = float(np.std(s_arr, ddof=1)) if n > 1 else 0.0
        sharpe = (
            float(np.mean(s_arr) / std * np.sqrt(periods_per_year)) if std > 0 else float("nan")
        )
        equity = np.cumprod(1 + s_arr)
        peak = np.maximum.accumulate(equity)
        max_dd = float(np.min(equity / peak - 1))
        row: dict[str, object] = {
            "bucket": label,
            "n": n,
            "cum_return": cum,
            "ann_return": ann,
            "sharpe": sharpe,
            "max_drawdown": max_dd,
        }
        if benchmark_col is not None and benchmark_col in sub.columns:
            b_arr = sub[benchmark_col].to_numpy()
            diag = compute_benchmark_diagnostics(s_arr, b_arr, periods_per_year)
            row["beta_vs_bm"] = diag["beta"]
            row["info_ratio_vs_bm"] = diag["info_ratio"]
        rows.append(row)
    return pl.DataFrame(rows)


def compute_benchmark_diagnostics(
    strategy: np.ndarray,
    benchmark: np.ndarray,
    periods_per_year: int = 252,
) -> dict[str, float | int]:
    """Information ratio, beta, correlation, tracking error vs benchmark.

    Inputs are aligned period returns; lengths must match. NaNs are
    dropped pairwise. Returns NaN for any metric whose inputs are
    degenerate (all-NaN or zero variance).
    """
    s = np.asarray(strategy, dtype=float)
    b = np.asarray(benchmark, dtype=float)
    if s.shape != b.shape:
        raise ValueError(f"shape mismatch: strategy {s.shape} vs benchmark {b.shape}")
    mask = np.isfinite(s) & np.isfinite(b)
    s, b = s[mask], b[mask]
    n = int(s.size)
    out: dict[str, float | int] = {"n": n}
    if n < 2:
        return {
            **out,
            "info_ratio": float("nan"),
            "beta": float("nan"),
            "correlation": float("nan"),
            "tracking_error": float("nan"),
        }
    excess = s - b
    te_period = float(np.std(excess, ddof=1))
    te_ann = te_period * np.sqrt(periods_per_year)
    if te_period > 0:
        ir = float(np.mean(excess) * periods_per_year / te_ann)
    else:
        ir = float("nan")
    var_b = float(np.var(b, ddof=1))
    beta = float(np.cov(s, b, ddof=1)[0, 1] / var_b) if var_b > 0 else float("nan")
    if np.std(s, ddof=1) > 0 and np.std(b, ddof=1) > 0:
        corr = float(np.corrcoef(s, b)[0, 1])
    else:
        corr = float("nan")
    return {
        "n": n,
        "info_ratio": ir,
        "beta": beta,
        "correlation": corr,
        "tracking_error": te_ann,
    }

```

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Diese Zusammenfassung wurde vom Research-Agenten von Stratmill anhand des Originals verfasst; sie ist keine Kopie der Quelle.