σμimplied vol · KKmax(S−K,0)udβρᵢⱼfat tailsPnL · drawdownyield · TdSₜ = μSₜ dt + σSₜ dWₜC = S·N(d₁) − K·e⁻ʳᵀ·N(d₂)σₚ² = wᵀΣwd₁ = [ln(S/K) + (r + σ²⁄2)T] ⁄ σ√T∂V/∂t + ½σ²S²·∂²V/∂S² + rS·∂V/∂S − rV = 0Sharpe = (Rₚ − R_f) ⁄ σₚVaR₉₉ = μ − 2.33σρ = Cov(X,Y) ⁄ σₓσᵧE[Rₚ] = Σ wᵢ·E[Rᵢ]φ(x) = e^(−x²/2) ⁄ √2πE[Rᵢ] = R_f + βᵢ(E[Rₘ] − R_f)dXₜ = θ(μ − Xₜ)dt + σ dWₜσ²ₜ = ω + α·ε²ₜ₋₁ + β·σ²ₜ₋₁C − P = S − K·e⁻ʳᵀΔ = ∂V/∂S Γ = ∂²V/∂S²p = (e^(rΔt) − d) ⁄ (u − d)rₜ = ln(Pₜ ⁄ Pₜ₋₁)E[Xₜ₊₁ | ℱₜ] = Xₜf* = (bp − q) ⁄ bz = (x − μ) ⁄ σP(N=k) = λᵏe^(−λ) ⁄ k!Θ = −∂V/∂Tν = S·φ(d₁)·√Tmin wᵀΣw s.t. wᵀμ = μ*∫Σ∂∞λ
σμimplied vol · KKmax(S−K,0)udβρᵢⱼfat tailsPnL · drawdownyield · TdSₜ = μSₜ dt + σSₜ dWₜC = S·N(d₁) − K·e⁻ʳᵀ·N(d₂)σₚ² = wᵀΣwd₁ = [ln(S/K) + (r + σ²⁄2)T] ⁄ σ√T∂V/∂t + ½σ²S²·∂²V/∂S² + rS·∂V/∂S − rV = 0Sharpe = (Rₚ − R_f) ⁄ σₚVaR₉₉ = μ − 2.33σρ = Cov(X,Y) ⁄ σₓσᵧE[Rₚ] = Σ wᵢ·E[Rᵢ]φ(x) = e^(−x²/2) ⁄ √2πE[Rᵢ] = R_f + βᵢ(E[Rₘ] − R_f)dXₜ = θ(μ − Xₜ)dt + σ dWₜσ²ₜ = ω + α·ε²ₜ₋₁ + β·σ²ₜ₋₁C − P = S − K·e⁻ʳᵀΔ = ∂V/∂S Γ = ∂²V/∂S²p = (e^(rΔt) − d) ⁄ (u − d)rₜ = ln(Pₜ ⁄ Pₜ₋₁)E[Xₜ₊₁ | ℱₜ] = Xₜf* = (bp − q) ⁄ bz = (x − μ) ⁄ σP(N=k) = λᵏe^(−λ) ⁄ k!Θ = −∂V/∂Tν = S·φ(d₁)·√Tmin wᵀΣw s.t. wᵀμ = μ*∫Σ∂∞λ
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Roteiro de Python›Módulo 3 · Probabilidade e simulação Monte Carlo›Tópico 3.12·~50 minIntermediário

Erro e convergência de Monte Carlo

Posição no roteiroMódulo 3 de 11 · Tópico 12 de 12
3.12 Erro e convergência de Monte Carlo
—Nota do lab— / 100XP total—Sequência—

Quanto a estimativa pode errar?

Uma estimativa Monte Carlo é a média de n sorteios aleatórios, então ela própria é aleatória. Seu erro típico é o erro padrão: o desvio padrão dos sorteios dividido por sqrt(n), a mesma fórmula do teste t. Duas consequências importam. Primeira: o erro não depende da dificuldade aparente do problema, só da dispersão da quantidade que você tira a média. Segunda: ele diminui devagar: para ganhar mais um dígito de precisão são necessários 100 vezes mais sorteios.

import math
import numpy as np

# Estimate E[exp(Z)] for a standard normal Z; the exact value is exp(0.5) = 1.6487
for n in (100, 10000, 1000000):
    values = np.exp(np.random.default_rng(5).standard_normal(n))
    print(n, round(values.mean(), 4), round(values.std(ddof=1) / math.sqrt(n), 5))
# 100 1.2167 0.14583
# 10000 1.6887 0.0217        the error falls roughly like 1 / sqrt(n)
# 1000000 1.6508 0.00216

Barras de erro e custo da precisão

Informe um número simulado com seu intervalo de confiança, média -/+ 1,96 * erro padrão: a faixa que contém o valor verdadeiro cerca de 95% das vezes. Se precisar da resposta dentro de uma tolerância, inverta a fórmula do erro padrão: n = (std / erro_alvo)², arredondado para cima. Com dispersão de cerca de 2,2 e alvo de 0,001 são necessários quase cinco milhões de sorteios; para 0,01, só 47 000. Rode primeiro uma pequena simulação piloto para conhecer std e depois decida quantos sorteios a execução real precisa.

values = np.exp(np.random.default_rng(5).standard_normal(10000))
mean, std = values.mean(), values.std(ddof=1)
std_error = std / math.sqrt(len(values))

print(round(mean - 1.96 * std_error, 4), round(mean + 1.96 * std_error, 4))   # 1.6462 1.7312   contains the exact 1.6487

print(math.ceil((std / 0.01) ** 2))      # 47111      draws for a standard error of 0.01
print(math.ceil((std / 0.001) ** 2))     # 4710946    10 times the precision, 100 times the draws

Precisão mais barata: variáveis antitéticas

Além de sortear mais, é possível sortear com mais inteligência. Para uma normal padrão Z, a imagem espelhada -Z é um sorteio igualmente válido. Se f é monótona, f(Z) e f(-Z) se movem em sentidos opostos, então a média deles é muito menos ruidosa que cada uma. O estimador antitético tira a média de (f(z) + f(-z)) / 2 sobre os sorteios. No exemplo o erro padrão cai de 0,0217 para 0,0119 com o mesmo número de números aleatórios, e para uma função ímpar como 3z + 1 o ruído some por completo. É um de vários truques de redução de variância.

z = np.random.default_rng(5).standard_normal(10000)
plain = np.exp(z)
antithetic = (np.exp(z) + np.exp(-z)) / 2           # each draw is paired with its mirror image

print(round(plain.mean(), 4), round(plain.std(ddof=1) / 100, 5))            # 1.6887 0.0217
print(round(antithetic.mean(), 4), round(antithetic.std(ddof=1) / 100, 5))  # 1.6565 0.01192   half the noise, same 10,000 numbers
print(round(math.exp(0.5), 4))                                              # 1.6487           the exact value
# The running mean of one long simulation settles down as n grows
values = np.exp(np.random.default_rng(5).standard_normal(100000))
running = np.cumsum(values) / np.arange(1, len(values) + 1)
print([round(float(running[k - 1]), 4) for k in (10, 100, 1000, 100000)])   # [1.5522, 1.2167, 1.634, 1.6502]
Verifique o erro, não os dígitosMostrar seis casas decimais de uma simulação sugere uma precisão que ela não tem: com erro padrão de 0,02, só o primeiro ou os dois primeiros dígitos significam algo. Use o intervalo de confiança para decidir quantos dígitos citar e teste a convergência repetindo com outra semente: se as respostas diferem mais que o erro padrão, a simulação está errada ou pequena demais.
  • Erro padrão = std / sqrt(n): 100 vezes mais sorteios dão 10 vezes menos erro; informe mean -/+ 1,96 * se.
  • Sorteios necessários para um erro-alvo: ceil((std / alvo) ** 2); rode antes um piloto pequeno para conhecer std.
  • Variáveis antitéticas: tire a média de (f(z) + f(-z)) / 2 para reduzir o ruído sem números aleatórios extras; sempre verifique a convergência com outra semente.

A seguir: valor presente e desconto, o primeiro passo na renda fixa: um euro amanhã vale menos que um euro hoje.

Lab: o que é avaliado

  • Medir o ruído de uma estimativa com standard_error25 pts
  • Pôr barras de erro na resposta com mc_confidence_interval25 pts
  • Orçar a simulação com samples_needed25 pts
  • Obter a mesma precisão por menos com antithetic_mean25 pts
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