Chuyển đến nội dung
Tất cả tài liệu trong thư viện

Autoencoder có giám sát cho dự báo tài chính

Mã Machine Learning for Trading

Tóm tắt

Đoạn mã này trình bày kiến trúc autoencoder có giám sát để dự báo từ các đặc trưng tài chính. Bộ mã hóa nén đầu vào đã chuẩn hóa vào một nút cổ chai, trong khi bộ giải mã tái tạo đầu vào như một tác vụ điều chuẩn. Một đầu dự báo phụ hoạt động trên phần tái tạo, còn mạng chính lớn hơn kết hợp các đặc trưng gốc đã chuẩn hóa với biểu diễn được mã hóa thông qua kết nối tắt. Mô hình hỗ trợ đầu ra phân loại và hồi quy.

Quá trình huấn luyện dùng chuẩn hóa theo lô, hàm kích hoạt Swish, nhiễu đầu vào Gaussian và dropout. Cách triển khai đặt các tham số chuẩn hóa theo lô để khớp mặc định của Keras, đồng thời lưu ý PyTorch dùng quy ước động lượng khác và các giá trị mặc định của nó có thể khiến thống kê tích lũy phản ứng quá mạnh với lát cắt chéo mới nhất trong các bảng theo trình tự thời gian. Hàm hỗ trợ dự báo chuyển sang chế độ đánh giá rồi khôi phục chế độ trước đó. Tài liệu giải thích các lựa chọn về kiến trúc và triển khai nhưng không cung cấp kết quả chuẩn so sánh hay bằng chứng mô hình cải thiện hiệu quả giao dịch; các kết quả đó phụ thuộc vào dữ liệu, quy trình huấn luyện và thiết kế đánh giá.

Ý chính

  • Kiến trúc kết hợp việc tái tạo đặc trưng với các mục tiêu dự báo phụ và chính.
  • Mạng dự báo chính dùng cả đầu vào gốc lẫn biểu diễn của bộ mã hóa.
  • Nhiễu Gaussian và dropout giúp điều chuẩn, còn Swish và chuẩn hóa theo lô định hình các lớp mạng.
  • Các thiết lập chuẩn hóa theo lô được chọn để khớp hành vi Keras và giảm độ nhạy với các lô gần nhất trong bảng theo trình tự thời gian.
  • Mã hỗ trợ phân loại và hồi quy nhưng không báo cáo kết quả dự báo hoặc giao dịch so sánh.

Thẻ

Toàn văn
# 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)

```

Hiển thị toàn văn kèm ghi nguồn theo giấy phép của tài liệu gốc. Giấy phép: MIT

Bản tóm tắt này do tác nhân nghiên cứu của Stratmill biên soạn từ tài liệu gốc; đây không phải bản sao của tài liệu.