CO 372: Portfolio Optimization Models Fall 2024 Problem Set 1Matlab

Java Python CO 372: Portfolio Optimization Models

Fall 2024

Problem Set 1

Due: Friday 2024-09-20 at 4 pm EDT. Papers must be handed in on-line using the labeled dropbox on Crowdmark. Each question is handed in as a separate upload. You can either prepare your solutions electronically using, e.g., LaTeX, or else you can hand-write them and submit a scan. In the latter case, please take care that the scan is of good quality with a white background.

Your papers may be handed in up to 24 hours late, in which case there is a 10% late penalty. Please use the late-paper dropbox on Crowdmark if you are handing in a late paper. You may hand in some questions on time and others late. In this case, use the on-time dropbox for the on-time questions and the late dropbox for the late questions. However, you may not split the parts of a question (i.e., (a), (b), etc.) between the two dropboxes.  .

Collaboration policy.

1.  Students are allowed to discuss question with each other in general terms including helping each other on Piazza. Do not post solutions or partial solutions on Piazza.

2.  No student should hand in work that entirely represents someone else’s effort.

3.  Students who work together privately on homework should list their teammates in their submission. Teams of size up to 5 are allowed.

1.  (a) Show that for any A ∈ Rm ×n , rank(A) = rank(AT A). Suggested approach:  Show that A and AT A have the same null space, in which case the result follows from the rank-nullity theorem. It is straightforward to show that Null(A) ⊆ Null(AT A) by considering a test vector x ∈ Rn. To show then that Null(AT A) ⊆ Null(A), again consider a test vector x ∈ Rn  and use the fact that Ax = 0 if and only if ⅡAxⅡ2  = 0.

(b) Construct three 30 × 60 random matrices in Matlab using the randn function like this: A=randn(30,60); For each such matrix, say A, ask Matlab for rank(A) and rank(A’*A). Do the answers come out equal?

Note:  For part  (b) and part  (c), please hand in a copy of your interaction with the Matlab command window. In Windows, if you right-click on the command window and select “Print”, and then “Microsoft Print to PDF” as the printer, you can make a PDF copy of the command window. Alternatively, you can use screenshots to capture the command window.

(c) In principle, one could iterate the process in (b) indefinitely, and the rank should come out the same. In other words, starting from a random 30 × 60 matrix A, if B := AT A (Matlab: B=A’*A;), C := BT B , D := CT C, and so on, all these matrices A,B,C, . . . should have the same rank. Try this for 12 iterations in Matlab, and report on the results.  Note: It is not required to provide an explanation of this behavior from Matlab.

2.  Let U be an n × n upper triangular matrix with nonzeros on the diagonal.  Consider solving the system of linear equations Ux = b, where b ∈ Rn  is given and x < CO 372: Portfolio Optimization Models Fall 2024 Problem Set 1Matlab /b>∈ Rn  is the unknown.

(a) Write down the last (nth) equation of the system Ux = b explicitly, and argue that this equation uniquely determines x(n) (last entry of n).

(b) Assuming x(n) has been computed as in part (a), argue that x(n − 1) is uniquely determined by the second-to-last ((n − 1)st) equation of the system.

(c) Proceeding by reverse induction, argue that for k = n,n − 1, . . . , 1, all entries of x are uniquely determined.

(d) Does the argument in (a)–(c) still work in the case that U has one or more zeros on the diagonal?

3.  Suppose by accident that a firm lists the same security twice in its catalog: say in the universe of n securities that securities 1 and 2 are actually the same.  In this case,  a portfolio with x(1) = 20, x(2) = 80 is equivalent to one with x(1) = 90, x(2) = 10, assuming that the remaining x(i)’s (i = 3, 4,..., n) are equal.

(a) In this situation, one might regard portfolios as consisting of only n−1 securities, say in amounts y(1), y(3), y(4),..., y(n) where y(1) := x(1) + x(2) and y(i) = x(i) for i = 3, . . . ,n. Write down an (n−1)×n matrix M that maps the vector [x(1);x(2); ··· ;x(n)] to [y(1);y(3); ··· ;y(n)].

(b) Argue that rank(M) = n − 1, where M is as in (a).

(c) Suppose x1 , x2  are portfolios that equivalent in the sense of this question.  Char- acterize the difference d := x1  − x2 .  Show  that  the set of such differences d is a 1-dimensional subspace of Rn , and find a basis for this subspace.

4. The following is awell known theorem that will be used in this course.  Let C ⊆ Rn  be

closed, bounded, and nonempty. Let f, g be two continuous functions C → R. Then

min{f(x) + g(x) : x ∈ C} ≥ min{f(x) : x ∈ C} + min{g(x) : x ∈ C}.

(a) Prove this theorem.

(b) Take n = 1 and C = [0, 1] (the unit interval).  Come up with an example f,g where the inequality in the theorem is strict.

(c) Again with n = 1, C = [0, 1], come up with an example f,g where the inequality in the theorem is satisfied as an equation.

5.  Suppose in a universe of n securities that x1 , x2  ∈ Rn  are two portfolios.  Let r(¯) ∈ Rn denote the expected return vector, so that the expected return of x1  is r(¯)Tx1  while the expected return of x2  is r(¯)Tx2 .

(a) Show the following fact:  if x′ is a convex combination of x1, x2 , i.e., x′ = (1 − λ)x1 + λx2  for some λ ∈ [0, 1], then r(¯)Tx′ ≤ max(r(¯)Tx1 , r(¯)Tx2 ).

(b) Focus on the case n = 2, and suppose

is the covariance matrix. Find two portfolios x1 , x2 ∈ R2 such that if x′ = 0.5x1 +0.5x2 , then (x′ )TH(x′ ) < min(x1(T)Hx1 , x2(T)Hx2 ).

This question illustrates a basic principle of investing: diversifying a portfolio cannot increase the maximum return, but it can decrease the risk         

深度学习作为人工智能的关键分支,依托多层神经网络架构对高维数据进行模式识别与函数逼近,广泛应用于连续变量预测任务。在Python编程环境中,得益于TensorFlow、PyTorch等框架的成熟生态,研究者能够高效构建面向回归分析的神经网络模型。本资源库聚焦于通过循环神经网络及其优化变体解决时序预测问题,特别针对传统RNN在长程依赖建模中的梯度异常现象,引入具有门控机制的长短期记忆网络(LSTM)以增强序列建模能力。 实践案例涵盖从数据预处理到模型评估的全流程:首先对原始时序数据进行标准化处理与滑动窗口分割,随后构建包含嵌入层、双向LSTM层及全连接层的网络结构。在模型训练阶段,采用自适应矩估计优化器配合早停策略,通过损失函数曲线监测过拟合现象。性能评估不仅关注均方根误差等量化指标,还通过预测值与真实值的轨迹可视化进行定性分析。 资源包内部分为三个核心模块:其一是经过清洗的金融时序数据集,包含标准化后的股价波动记录;其二是模块化编程实现的模型构建、训练与验证流程;其三是基于Matplotlib实现的动态结果展示系统。所有代码均遵循面向对象设计原则,提供完整的类型注解与异常处理机制。 该实践项目揭示了深度神经网络在非线性回归任务中的优势:通过多层非线性变换,模型能够捕获数据中的高阶相互作用,而Dropout层与正则化技术的运用则保障了泛化能力。值得注意的是,当处理高频时序数据时,需特别注意序列平稳性检验与季节性分解等预处理步骤,这对预测精度具有决定性影响。 资源来源于网络分享,仅用于学习交流使用,请勿用于商业,如有侵权请联系我删除!
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