مواد پر جائیں
لائبریری کی تمام دستاویزات

اثاثوں کی قیمت بندی کے لیے مخالفانہ اسٹاکاسٹک ڈسکاؤنٹ فیکٹر نیٹ ورک

کوڈ Machine Learning for Trading

خلاصہ

یہ نفاذ اثاثوں کی قیمت بندی کے تعلقات جانچنے کے لیے نیورل اسٹاکاسٹک ڈسکاؤنٹ فیکٹر ماڈل اور مخالفانہ مومنٹ نیٹ ورک بیان کرتا ہے۔ SDF نیٹ ورک اثاثوں کی خصوصیات، اور اختیاری طور پر LSTM سے معاشی دورانیے کی نمائندگی، کو اثاثہ وزن میں بدلتا ہے۔ یہ وزن اور منافع مل کر وقتی سطح کا ڈسکاؤنٹ فیکٹر بناتے ہیں۔ میکرو ان پٹس فعال ہوں تو ہر زمانی قدم پر LSTM کی حالت تمام اثاثوں میں مشترک ہوتی ہے؛ ورنہ ماڈل صرف اثاثہ خصوصیات استعمال کرتا ہے۔

مخالف نیٹ ورک ایسے انسٹرومنٹس سیکھتا ہے جن کا مقصد مشروط قیمت بندی کے مومنٹس کی ناکامی ظاہر کرنا ہے۔ کوڈ غیر مشروط اور مشروط مربعی مومنٹ خسارے متعین کرتا، ماسک سے گم شدہ اثاثہ مشاہدات سنبھالتا اور مضمر SDF پورٹ فولیو منافع کے طریقے کے لیے شارپ کا حساب دیتا ہے۔ اقتباس ماڈل کی ساخت اور خسارہ بنانے کی وضاحت کرتا ہے، فٹ شدہ مطالعہ، ڈیٹا یا تجرباتی نتائج پیش نہیں کرتا۔ لہٰذا یہ ثابت نہیں کرتا کہ سیکھا ہوا SDF اثاثوں کی کامیاب قیمت بندی کرتا ہے، اور نہ ہی ماڈل کے مخالفانہ خاکے سے ظاہر مکمل تربیتی طریقۂ کار بیان کرتا ہے۔

اہم خیالات

  • SDF نیٹ ورک اثاثوں کی خصوصیات اور اختیاری میکرو حالتوں کو اثاثہ جاتی وزن میں تبدیل کرتا ہے۔
  • ہر زمانی قدم پر وزن شدہ اثاثہ منافع کو ایک میں جمع کرکے ڈسکاؤنٹ فیکٹر بنایا جاتا ہے۔
  • اختیاری LSTM میکرو معاشی ان پٹس انکوڈ کرتا اور تمام اثاثوں کو مشترک حالت دیتا ہے۔
  • مومنٹ نیٹ ورک ایسے انسٹرومنٹس سیکھتا ہے جو مشروط قیمت بندی کے مومنٹس میں خلاف ورزیاں تلاش کرتے ہیں۔
  • درج شدہ خسارے اور شارپ کا طریقہ تربیتی مقاصد اور پیمائش بیان کرتے ہیں، تجرباتی توثیق نہیں۔

ٹیگز

مکمل متن
# sdf.py


```py
"""Stochastic Discount Factor Network (Chen, Pelger, Zhu 2024).

Adversarial architecture:


- 3-phase training: unconditional warmup -> adversarial rounds

When n_macro_features=0, the LSTM branch is omitted (case study usage).
When n_macro_features>0, full LSTM processes macro indicators (teaching notebook).

Reference: Chen, Pelger, Zhu (2024) "Deep Learning in Asset Pricing"
"""

from __future__ import annotations

import torch
import torch.nn as nn


class SDFNetwork(nn.Module):
    """SDF Network: learns portfolio weights from asset characteristics + optional macro state.

    Architecture:
    - Optional MacroLSTM processes macro features to extract economic regime state
    - FFN combines asset features (+ macro state) to produce per-stock weights
    - SDF = 1 + sum(weights * returns)

    Args:
        n_asset_features: Number of asset characteristics
        n_macro_features: Number of macro features (0 to disable LSTM)
        state_dim: LSTM hidden state dimension
        hidden_dim: FFN hidden layer size
        dropout: Dropout rate
    """

    def __init__(
        self,
        n_asset_features: int,
        n_macro_features: int = 0,
        state_dim: int = 4,
        hidden_dim: int = 64,
        dropout: float = 0.05,
    ):
        super().__init__()
        self.state_dim = state_dim
        self.use_macro = n_macro_features > 0

        if self.use_macro:
            # Paper-faithful CPZ uses dropout only inside the SDF FFN — the
            # macro LSTM input is fed raw. The previous implementation added
            # `nn.Dropout` on the macro path which is not in the published
            # spec; removed to match the reference.
            self.lstm = nn.LSTM(
                input_size=n_macro_features,
                hidden_size=state_dim,
                batch_first=True,
            )

        ffn_input_dim = n_asset_features + (state_dim if self.use_macro else 0)
        self.ffn = nn.Sequential(
            nn.Linear(ffn_input_dim, hidden_dim),
            nn.ReLU(),
            nn.Dropout(dropout),
            nn.Linear(hidden_dim, hidden_dim),
            nn.ReLU(),
            nn.Dropout(dropout),
            nn.Linear(hidden_dim, 1),
        )

    def forward(
        self,
        asset_features: torch.Tensor,  # (T, N, F_asset)
        macro_features: torch.Tensor | None = None,  # (T, F_macro)
        mask: torch.Tensor | None = None,  # (T, N)
        h0: torch.Tensor | None = None,
        c0: torch.Tensor | None = None,
    ) -> tuple[torch.Tensor, tuple[torch.Tensor | None, torch.Tensor | None]]:
        """Forward pass producing SDF weights.

        Returns:
            weights: (n_valid,) weight per valid observation
            (h_n, c_n): LSTM states (None if no macro)
        """
        if self.use_macro and macro_features is None:
            raise ValueError(
                "macro_features must be provided when n_macro_features > 0; "
                "the SDF LSTM branch has no fallback."
            )
        if (h0 is None) != (c0 is None):
            raise ValueError("h0 and c0 must be provided together (or both None).")

        T, N, F = asset_features.shape

        if mask is None:
            mask = torch.ones(T, N, dtype=torch.bool, device=asset_features.device)

        if self.use_macro and macro_features is not None:
            if h0 is None:
                h0 = torch.zeros(1, 1, self.state_dim, device=asset_features.device)
                c0 = torch.zeros(1, 1, self.state_dim, device=asset_features.device)

            macro_seq = macro_features.unsqueeze(0)  # (1, T, F_macro)
            macro_states, (h_n, c_n) = self.lstm(macro_seq, (h0, c0))
            macro_states = macro_states.squeeze(0)  # (T, state_dim)
            macro_tiled = macro_states.unsqueeze(1).expand(-1, N, -1)

            asset_flat = asset_features[mask]
            macro_flat = macro_tiled[mask]
            ffn_input = torch.cat([asset_flat, macro_flat], dim=1)
        else:
            asset_flat = asset_features[mask]
            ffn_input = asset_flat
            h_n = c_n = None

        weights = self.ffn(ffn_input).squeeze(-1)
        return weights, (h_n, c_n)


class MomentNetwork(nn.Module):
    """Moment Network (adversary): learns instruments for adversarial moment conditions.

    Finds test asset portfolios where E[M * R * Z] != 0, exposing SDF pricing failures.

    Args:
        n_asset_features: Number of asset characteristics
        n_macro_features: Number of macro features (0 to disable LSTM)
        n_instruments: Number of learned instruments
        state_dim: LSTM hidden state dimension
        dropout: Dropout rate
    """

    def __init__(
        self,
        n_asset_features: int,
        n_macro_features: int = 0,
        n_instruments: int = 8,
        state_dim: int = 32,
        dropout: float = 0.05,
    ):
        super().__init__()
        self.state_dim = state_dim
        self.n_instruments = n_instruments
        self.use_macro = n_macro_features > 0

        if self.use_macro:
            # Paper-faithful CPZ moment net has no FFN hidden layers and no
            # macro-input dropout; LSTM input is fed raw.
            self.lstm = nn.LSTM(
                input_size=n_macro_features,
                hidden_size=state_dim,
                batch_first=True,
            )

        ffn_input_dim = n_asset_features + (state_dim if self.use_macro else 0)
        self.ffn = nn.Sequential(
            nn.Linear(ffn_input_dim, n_instruments),
            nn.Tanh(),
        )

    def forward(
        self,
        asset_features: torch.Tensor,  # (T, N, F_asset)
        macro_features: torch.Tensor | None = None,  # (T, F_macro)
        h0: torch.Tensor | None = None,
        c0: torch.Tensor | None = None,
    ) -> tuple[torch.Tensor, tuple[torch.Tensor | None, torch.Tensor | None]]:
        """Forward pass producing instruments.

        Returns:
            instruments: (n_instruments, T, N)
            (h_n, c_n): LSTM states (None if no macro)
        """
        if self.use_macro and macro_features is None:
            raise ValueError(
                "macro_features must be provided when n_macro_features > 0; "
                "the moment-network LSTM branch has no fallback."
            )
        if (h0 is None) != (c0 is None):
            raise ValueError("h0 and c0 must be provided together (or both None).")

        T, N, F = asset_features.shape

        if self.use_macro and macro_features is not None:
            if h0 is None:
                h0 = torch.zeros(1, 1, self.state_dim, device=asset_features.device)
                c0 = torch.zeros(1, 1, self.state_dim, device=asset_features.device)

            macro_seq = macro_features.unsqueeze(0)
            macro_states, (h_n, c_n) = self.lstm(macro_seq, (h0, c0))
            macro_states = macro_states.squeeze(0)
            macro_tiled = macro_states.unsqueeze(1).expand(-1, N, -1)

            ffn_input = torch.cat([asset_features, macro_tiled], dim=2)
        else:
            ffn_input = asset_features
            h_n = c_n = None

        instruments = self.ffn(ffn_input)  # (T, N, n_instruments)
        instruments = instruments.permute(2, 0, 1)  # (n_instruments, T, N)
        return instruments, (h_n, c_n)


# ---------------------------------------------------------------------------
# SDF construction and loss functions
# ---------------------------------------------------------------------------


def get_segment_ids(mask: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
    """Create segment IDs mapping valid observations to time steps.

    Args:
        mask: (T, N) boolean mask

    Returns:
        segment_ids: (n_valid,) time step index per valid observation
    """
    T, N = mask.shape
    time_ids = torch.arange(T, device=mask.device).unsqueeze(1).expand(-1, N)
    return time_ids[mask]


def construct_sdf(weights: torch.Tensor, returns: torch.Tensor, mask: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
    """Construct SDF from weights and returns.

    SDF_t = 1 + sum_i(w_i * r_i) for each time step.

    Args:
        weights: (n_valid,) SDF weights
        returns: (T, N) asset returns
        mask: (T, N) valid observations

    Returns:
        sdf: (T,) SDF value per time step
    """
    T, N = returns.shape
    returns_flat = returns[mask]
    segment_ids = get_segment_ids(mask)

    weighted_returns = weights * returns_flat
    sdf_values = torch.zeros(T, device=weights.device)
    sdf_values.scatter_add_(0, segment_ids, weighted_returns)

    return 1 + sdf_values


def unconditional_loss(
    weights: torch.Tensor,
    returns: torch.Tensor,
    mask: torch.Tensor,
    n_obs_per_asset: torch.Tensor,
) -> tuple[torch.Tensor, torch.Tensor]:
    """Unconditional pricing loss: E[M * R * 1]^2 with constant instrument Z=1.

    Returns:
        loss: scalar MSE
        sdf: (T,)
    """
    T, N = returns.shape
    mask_float = mask.float()

    sdf = construct_sdf(weights, returns, mask)
    sdf_expanded = sdf.unsqueeze(1)

    instruments = torch.ones(1, T, N, device=weights.device)
    sample_moments = returns * mask_float * sdf_expanded * instruments

    weighted_moments = sample_moments.sum(dim=1) / n_obs_per_asset.clamp(min=1)
    n_obs_norm = n_obs_per_asset / n_obs_per_asset.max()

    loss = (weighted_moments.pow(2) * n_obs_norm).mean()
    return loss, sdf


def conditional_loss(
    weights: torch.Tensor,
    instruments: torch.Tensor,
    returns: torch.Tensor,
    mask: torch.Tensor,
    n_obs_per_asset: torch.Tensor,
) -> tuple[torch.Tensor, torch.Tensor]:
    """Conditional pricing loss: E[M * R * Z]^2 with learned instruments.

    Args:
        weights: (n_valid,)
        instruments: (n_instruments, T, N)
        returns: (T, N)
        mask: (T, N)
        n_obs_per_asset: (N,)

    Returns:
        loss: scalar MSE
        sdf: (T,)
    """
    T, N = returns.shape
    n_instruments = instruments.shape[0]
    mask_float = mask.float()

    sdf = construct_sdf(weights, returns, mask)
    sdf_expanded = sdf.unsqueeze(1)

    sample_moments = returns * mask_float * sdf_expanded * instruments

    weighted_moments = sample_moments.sum(dim=1) / n_obs_per_asset.clamp(min=1)
    n_obs_norm = n_obs_per_asset / n_obs_per_asset.max()
    n_obs_tiled = n_obs_norm.unsqueeze(0).expand(n_instruments, -1)

    loss = (weighted_moments.pow(2) * n_obs_tiled).mean()
    return loss, sdf


def compute_sharpe(sdf: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
    """Sharpe ratio of SDF portfolio (1 - M).

    Uses population standard deviation (``unbiased=False``) for a fixed-
    convention validation metric across folds. Empty / constant SDF series
    return 0 rather than NaN so the trainer's checkpoint comparison stays
    deterministic.
    """
    portfolio_return = 1 - sdf
    if portfolio_return.numel() == 0:
        return torch.zeros((), device=sdf.device, dtype=sdf.dtype)
    mean = portfolio_return.mean()
    std = portfolio_return.std(unbiased=False).clamp(min=1e-8)
    out = mean / std
    return torch.where(torch.isfinite(out), out, torch.zeros_like(out))

```

ماخذ کا حوالہ دیتے ہوئے مکمل متن دکھایا گیا ہے، ماخذ کے لائسنس کے تحت۔ لائسنس: MIT

یہ خلاصہ اصل ماخذ سے Stratmill کے تحقیقی ایجنٹ نے لکھا ہے؛ یہ ماخذ کی نقل نہیں۔