עבור לתוכן
כל מסמכי הספרייה

מקודדים אוטומטיים מפוקחים לחיזוי פיננסי

קוד Machine Learning for Trading

סיכום

קוד זה מציג ארכיטקטורת מקודד אוטומטי מפוקח לחיזוי מתוך מאפיינים פיננסיים. מקודד דוחס קלטים מנורמלים לשכבת צוואר בקבוק, ואילו מפענח משחזר את הקלטים כמשימת רגולריזציה. ראש חיזוי עזר פועל על השחזור, ורשת ראשית גדולה יותר משלבת באמצעות חיבור דילוג את המאפיינים המנורמלים המקוריים עם הייצוג המקודד. המודל תומך בפלטים לסיווג ולרגרסיה.

האימון משתמש בנרמול אצווה, באקטיבציות Swish, ברעש קלט גאוסי ובנשירה. המימוש מגדיר פרמטרים לנרמול אצווה כך שיתאימו לברירות המחדל של Keras, ומציין ש-PyTorch משתמש במוסכמת מומנטום שונה ושברירות המחדל שלו עלולות להפוך את הסטטיסטיקות המתעדכנות לרגישות מדי לחתך הרוחבי האחרון בפאנלים כרונולוגיים. פונקציית העזר לחיזוי עוברת למצב הערכה ומשחזרת לאחר מכן את המצב הקודם. המסמך מסביר את בחירות הארכיטקטורה והמימוש, אך אינו מספק תוצאות אמת מידה או ראיות לכך שהמודל משפר ביצועי מסחר; תוצאות אלה תלויות בנתונים, בהליך האימון ובתכנון ההערכה.

רעיונות מרכזיים

  • הארכיטקטורה משלבת שחזור מאפיינים עם יעדי חיזוי עזר ועיקריים.
  • רשת החיזוי הראשית משתמשת הן בקלטים המקוריים והן בייצוג המקודד.
  • רעש גאוסי ונשירה מספקים רגולריזציה, ואילו Swish ונרמול אצווה מעצבים את שכבות הרשת.
  • הגדרות נרמול האצווה נבחרות כדי להתאים להתנהגות Keras ולהפחית רגישות לאצוות האחרונות בפאנלים כרונולוגיים.
  • הקוד תומך בסיווג וברגרסיה, אך אינו מדווח על תוצאות חיזוי או מסחר השוואתיות.

תגיות

הטקסט המלא
# sae.py


```py
"""Supervised Autoencoder (Jane Street architecture).

Three-headed network:
1. Decoder: reconstructs input features (regularization)
2. Aux Head: predicts from bottleneck (forces predictive embedding)
3. Main Head: full MLP with skip connection (best predictions)

Features: BatchNorm, Swish activation, GaussianNoise, skip connections.
Supports both classification (sigmoid) and regression (linear) output.
"""

from __future__ import annotations

import torch
import torch.nn as nn


class Swish(nn.Module):
    """Swish activation: x * sigmoid(x).

    Also known as SiLU. Implemented explicitly for pedagogical clarity.
    Better than ReLU: smooth, non-monotonic, self-gated, no dead neurons.
    """

    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        return x * torch.sigmoid(x)


class GaussianNoise(nn.Module):
    """Additive Gaussian noise during training (dropout alternative).

    Unlike dropout (multiplicative), this adds continuous noise.
    Better for continuous features where we want uncertainty, not zeroing.

    Args:
        std: Standard deviation of noise to add
    """

    def __init__(self, std: float = 0.1):
        super().__init__()
        self.std = std

    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        if self.training:
            noise = torch.randn_like(x) * self.std
            return x + noise
        return x


class SupervisedAutoencoder(nn.Module):
    """Jane Street Supervised Autoencoder MLP.

    Three-headed architecture:
    1. Decoder: reconstructs input features (regularization)
    2. Aux Head: predicts from bottleneck (forces predictive embedding)
    3. Main Head: full MLP with skip connection (best predictions)

    Args:
        n_features: Number of input features
        n_labels: Number of output labels
        hidden_units: Hidden layer sizes [encoder, decoder_mlp, mlp1, mlp2, ...]
        dropout_rates: Dropout rates for each position
        noise_std: Standard deviation for input noise
        output_activation: "sigmoid" for classification, "linear" for regression
    """

    # Keras `BatchNormalization()` defaults are eps=1e-3, momentum=0.99 for the
    # running-stat update. PyTorch flips the convention: `momentum` is the weight
    # given to the new batch, so the Keras-equivalent is 1 - 0.99 = 0.01. Using
    # PyTorch's defaults (eps=1e-5, momentum=0.1) makes eval-time stats
    # heavily skew toward the last training cross-section seen in each epoch,
    # producing chronological drift on financial panels.
    BN_EPS = 1e-3
    BN_MOMENTUM = 0.01

    def __init__(
        self,
        n_features: int,
        n_labels: int = 1,
        hidden_units: list[int] | None = None,
        dropout_rates: list[float] | None = None,
        noise_std: float = 0.035,
        output_activation: str = "sigmoid",
    ):
        super().__init__()

        if hidden_units is None:
            hidden_units = [96, 96, 896, 448, 448, 256]
        if dropout_rates is None:
            dropout_rates = [0.035, 0.038, 0.424, 0.104, 0.492, 0.320, 0.272, 0.438]

        if len(hidden_units) != 6:
            raise ValueError(
                f"hidden_units must contain exactly 6 entries (encoder, aux_hidden, "
                f"main_mlp_1..4); got {len(hidden_units)}"
            )
        if len(dropout_rates) != 8:
            raise ValueError(
                f"dropout_rates must contain exactly 8 entries (noise, decoder, aux, "
                f"main_input, main_1..4); got {len(dropout_rates)}"
            )
        if output_activation not in {"sigmoid", "linear", "identity"}:
            raise ValueError(
                f"output_activation must be 'sigmoid' / 'linear' / 'identity'; "
                f"got {output_activation!r}"
            )

        self.n_features = n_features
        self.n_labels = n_labels
        self.output_activation = output_activation

        bn_eps = self.BN_EPS
        bn_mom = self.BN_MOMENTUM

        # Encoder: input -> bottleneck
        self.input_bn = nn.BatchNorm1d(n_features, eps=bn_eps, momentum=bn_mom)
        self.input_noise = GaussianNoise(noise_std)
        self.encoder = nn.Sequential(
            nn.Linear(n_features, hidden_units[0]),
            nn.BatchNorm1d(hidden_units[0], eps=bn_eps, momentum=bn_mom),
            Swish(),
        )

        # Decoder: reconstruct input from bottleneck
        self.decoder_dropout = nn.Dropout(dropout_rates[1])
        self.decoder = nn.Linear(hidden_units[0], n_features)

        # Auxiliary head: predict from decoder output
        def _make_output_act() -> nn.Module:
            return nn.Sigmoid() if output_activation == "sigmoid" else nn.Identity()

        self.aux_head = nn.Sequential(
            nn.Linear(n_features, hidden_units[1]),
            nn.BatchNorm1d(hidden_units[1], eps=bn_eps, momentum=bn_mom),
            Swish(),
            nn.Dropout(dropout_rates[2]),
            nn.Linear(hidden_units[1], n_labels),
            _make_output_act(),
        )

        # Main MLP head with skip connection
        concat_dim = n_features + hidden_units[0]
        self.main_bn = nn.BatchNorm1d(concat_dim, eps=bn_eps, momentum=bn_mom)
        self.main_dropout_input = nn.Dropout(dropout_rates[3])

        mlp_layers: list[nn.Module] = []
        in_dim = concat_dim
        for i, out_dim in enumerate(hidden_units[2:]):
            mlp_layers.extend(
                [
                    nn.Linear(in_dim, out_dim),
                    nn.BatchNorm1d(out_dim, eps=bn_eps, momentum=bn_mom),
                    Swish(),
                    nn.Dropout(dropout_rates[min(i + 4, len(dropout_rates) - 1)]),
                ]
            )
            in_dim = out_dim

        self.main_mlp = nn.Sequential(*mlp_layers)
        self.main_output = nn.Sequential(
            nn.Linear(in_dim, n_labels),
            _make_output_act(),
        )

    def forward(self, x: torch.Tensor) -> tuple[torch.Tensor, torch.Tensor, torch.Tensor]:
        """Forward pass returning all three outputs.

        Returns:
            decoded: reconstructed features (for MSE loss)
            aux_pred: auxiliary predictions
            main_pred: main predictions (best quality)
        """
        x_norm = self.input_bn(x)
        x_noisy = self.input_noise(x_norm)

        encoded = self.encoder(x_noisy)

        decoded = self.decoder(self.decoder_dropout(encoded))
        aux_pred = self.aux_head(decoded)

        concat = torch.cat([x_norm, encoded], dim=1)
        concat = self.main_bn(concat)
        concat = self.main_dropout_input(concat)
        mlp_out = self.main_mlp(concat)
        main_pred = self.main_output(mlp_out)

        return decoded, aux_pred, main_pred

    def predict(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        """Main predictions only (for inference).

        Forces ``eval`` mode so dropout, Gaussian noise, and BatchNorm batch
        statistics never leak into predictions even if the caller forgot to
        switch the model out of training mode. Restores the prior mode on exit.
        """
        was_training = self.training
        self.eval()
        try:
            with torch.no_grad():
                _, _, main_pred = self.forward(x)
            return main_pred
        finally:
            self.train(was_training)

```

מוצג במלואו בציון המקור ובהתאם לרישיון שלו. רישיון: MIT

הסיכום נכתב בידי סוכן המחקר של Stratmill על סמך המקור; הוא אינו העתק של המקור.