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每次观测都更新含噪状态估计阅读约 18 分钟
Kalman Filter:预测、创新与更新
理解 Kalman Filter 的预测更新循环、gain 如何平衡不确定性、何时具有最优性,以及金融应用在哪里失效。
由 Mark 编写 · 官方资料列于文末
直接答案
Kalman Filter 在一个线性 Gaussian 状态空间模型中,递归估计潜在状态的条件均值与不确定性。它先通过转移方程预测状态和协方差,再把新观测与预测比较。该预测误差就是 innovation。Kalman gain 比较预测状态不确定性与测量不确定性,决定用多少误差修订状态。递归在模型内是精确的,但错误动力、噪声协方差、非线性、异常值或未来数据调参会制造精确的误导。
滤波从概率陈述开始
每个日期携带的是状态估计和误差协方差,而不只是平滑线上的一个点。
线性使状态与观测成为过去状态和扰动的仿射函数,Gaussian 假设保持条件分布为 Gaussian。
在该模型下,条件均值最小化均方误差。模型之外递归仍可能有用,但失去同样的最优性声明。
预测同时移动均值与不确定性
转移矩阵把先前状态向前投射,控制变量或已知输入可以改变预测均值。
协方差也被传播,并因过程噪声而扩大。允许快速变化的状态在两次观测间更不确定。
这个先验预测不用当前观测。把它与更新分开,可以审计实时信息纪律。
Innovation 衡量新信息
Innovation 是观测值减去观测方程的预测值,即先验状态未预料的部分。
它的方差结合投射状态不确定性与测量噪声。若方差很大,较大原始意外也可能普通。
规格正确时,标准化 innovation 应近似不可预测噪声。序列模式暴露模型遗漏的信息。
Kalman gain 分配意外
Gain 把 innovation 映射为状态修正。当状态预测相对测量更不确定时,它会增大。
观测噪声大时 gain 较小,滤波器移动更少;测量精确时,更多意外成为状态修订。
它通常不是固定平滑参数,而会随协方差、缺失数据和时变系统矩阵演化。
协方差更新也是答案
观察数据后,已解决部分不确定性,状态协方差收缩;下一次预测又因过程噪声扩张。
舍入误差可产生不对称或非半正定矩阵,因此数值稳定的协方差公式很重要。
只用滤波协方差的置信带可能遗漏参数不确定性。估计转移与噪声参数还增加一层误差。
初始化与似然影响整条路径
初始状态可设为已知、平稳、待估或 diffuse。早期滤波值可能强烈依赖选择。
预测误差和方差构成 Gaussian 似然以估计未知参数。不能只为视觉平滑而调噪声水平。
比较初始化、留出预测和边界估计。接近零的方差或接近一的持续性可能表示弱识别。
扩展方法解决不同问题
Extended Filter 局部线性化非线性函数,Unscented Filter 传播选定点,Particle Filter 模拟状态分布。
它们不会自动更准确。强非线性、厚尾或多峰状态需要方法特定诊断。
比起用一个线性 Gaussian 递归贯穿所有市场,稳健观测模型或区制切换可能更合适。
金融滤波不是预言机
它可从含噪报价估计有效价格、时变 beta、收益率曲线因子或变化的对冲比率。
估计以模型和参数为条件。使用“预测”一词并不意味着能知道明日收益。
用每个日期真正可用的信息评估一步 innovation、滚动预测、状态修订、换手与交易成本。
常见问题
Kalman Filter 只是移动平均吗?
不是。权重来自状态转移模型和演化的不确定性,而非固定历史窗口。
高 Kalman gain 表示什么?
表示相对于预测状态的不确定性,新测量包含较多信息。
滤波器会使用未来观测吗?
滤波不会,平滑会。历史实现必须区分两种输出。
Kalman Filter 总是最优吗?
精确的条件均值最优性要求指定的线性 Gaussian 状态空间模型正确。
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