1、金融时间序列的多重分形分析MULTIFRACTALANALYSISOFFINANCIALTIMESERIES指导教师申请学位级别学士论文提交日期2014年6月12日摘要有效市场假说EMH是现代金融市场的基础理论，该理论认为市场的价格反映了市场的全部信息，市场价格的波动之间相互独立而且不可预测，收益率服从随机游走，收益率分布服从正态分布或对数正态分布但是，现实中的种种限制因素决定着这一传统的金融理论有着很大的局限性，实际的资本市场并不是传统理论所描述的线性系统，而是一个非线性的系统，这也意味着分形理论开始应用在金融市场分形理论则认为金融市场具有明显的分形结构和尖峰厚尾的分布特征，金融时间序列在一
2、定的标度范围内有着持续性与反持续性的特征，而且不同幅度的波动能够表现出多重分形特征分形理论比有效市场理论更能有效揭示金融市场的波动本质，同时也能更有效地揭示出金融市场的基本规律本文选取上证综指（上海证券综合指数）和深证成指（深圳证券成分指数）2005年1月5日至2014年5月22日的每日收盘价的股指收益数据位样本，分别采取R/S、DFA、MFDFA方法对我国股市的分形及多重分形特征进行实证研究与分析主要验证了两时间序列的分形及多重分形特征；分析比较了两时间序列的市场有效性特征，通过计算并比较H的大小，得出了上海证券市场比深证证券市场有效；分析比较了两时间序列的市场风险，通过计算并比较多重分形谱
3、的宽度，得出了上海证券市场存在的风险比深证证券市场的要大关键词分形；多重分形；广义HURST指数；市场有效性；市场风险ABSTRACTEFFICIENTMARKETHYPOTHESISEMHISTHEBASISOFMODERNFINANCETHEORY,THEMAINIDEAOFEMHISTHATTHEFINANCIALMARKETPRICESPRESENTSALLINFORMATIONOFMARKET,FLUCTUATIONOFMARKETPRICEARENOTONLYINDEPENDENTBUTALSOUNPREDICTABLE,THERETURNSFOLLOWARANDOMWALKHYP
4、OTHESIS,ANDTHEDISTRIBUTIONSOFTHERETURNSISNORMALORLOGARITHMNORMALDISTRIBUTIONYETMANYABNORMALFINANCIALVISIONSINREALITYMEANSTHATTHETRADITIONALFINANCIALTHEORIESHAVEGREATLIMITATION,ITSHOWSTHATTHEACTUALCAPITALMARKETISNOTALINEARSYSTEMWHICHASTHETRADITIONALTHEORYDESCRIBED,BUTANONLINEARSYSTEMTHISALSOMEANSTHEA
5、PPEARANCEANDDEVELOPMENTOFFRACTALTHEORYTHEBASICVIEWOFFRACTALTHEORYISTHATTHEFINANCIALMARKETHASOBVIOUSFRACTALSTRUCTUREANDFATTAILCHARACTERISTICSTHEFINANCIALTIMESERIESISPERSISTENTANDANTIPERSISTENCEINACERTAINSCALE,DIFFERENTAMPLITUDEFLUCTUATIONSCANSHOWMULTIFRACTALCHARACTERISTICSSOTHEFRACTALTHEORYCANREVEALT
6、HEVOLATILITYNATUREMOREACCURATELYTHANTHATOFTRADITIONALCAPITALMARKETTHEORY,ANDCANEFFECTIVELYREVEALBASICLAWOFTHEFINANCEMARKETTHISTHESISCHOOSESTHESTOCKRETURNDATAONTHEDAYCLOSINGPRICEBETWEENJANUARY5,2005TOMAY22,2014OFTHESHANGHAISTOCKEXCHANGECOMPOSITEINDEXANDTHEPARTIALINDEXOFSHENZHENSTOCKMARKETASASAMPLEAND
7、ADOPTR/S,DFA,MFDFAFRACTALMETHODDOINGEMPIRICALRESEARCHANDANALYSISOFOURCOUNTRYSTOCKMARKETANDTHEMULTIFRACTALCHARACTERISTICSTHEMAINWORKINCLUDESTHEVALIDATIONOFTWOTIMESERIESFRACTALANDMULTIFRACTALCHARACTERISTICS,BYANALYSISTHEEFFECTIVENESSOFMARKETOFTWOTIMESERIES,ANDGIVETHERESULTTHATTHESHANGHAISTOCKMARKETISM
8、OREEFFECTIVETHANTHESHENZHENSTOCKMARKET,BYANALYSISANDCOMPARETHETWOTIMESERIESOFMARKETRISK,ANDGIVETHERESULTTHATTHERISKOFSHANGHAISTOCKMARKETISBIGGERTHANTHESHENZHENSTOCKMARKETKEYWORDFRACTALMULTIFRACTALGENERALIZEDHURSTEXPONENTSTOCKMARKETEFFICIENCYFINANCIALMARKETRISK目录1引言111研究背景与意义112国内外研究综述213研究内容32金融时间序列
9、的相关分形理论与方法521分形理论522多重分形理论723分形市场理论83几种分形方法理论研究1031单分形方法1032MFDFA方法124泸深股指分形特征的实例分析1041泸深股指的分形特征分析1442HURST指数分析1443泸深股指的多重分形特征的测度165泸深股市的市场有效性、市场风险关系的分析1751市场有效性分析与比较1752市场风险分析与比较186总结与展望2061研究成果总结2062研究展望20参考文献24致谢25附录26天津科技大学2014届本科生毕业论文11引言11研究背景与意义111研究背景中国的金融市场从20世纪90年代兴起以来，直到现在在中国的经济体系中它已成为了一个
10、重要的成分金融在现代经济中处于核心的地位，它在促进生产要素的重新组成以及建立一个不断完善的社会主义市场经济中，占据着越来越重要的地位，同时金融市场在促进社会主义经济市场的发展与优化资源配置等各个方面也起着很重要的作用现在，股票市场更为投资者提供了投资的主要渠道，而且股票价格的变动也为股票市场的变动提供了重要的信息，与此同时，不断发展起来的股票市场更需要理论作为其坚实的后盾自形成以来，金融经济学一直以一个线性的范式为引导，由此而发展起来的有效市场假说成为了现代金融学的基石，有效市场假说（EFFICIENTMARKETSHYPOTHESIS），简记为EMH，它是在1970年由尤金法玛经过深刻研究并
11、提出来的EMH的意义在于在任何时刻证券的价格都是完全并正确地反映出所有可以获取的信息有效市场假说指的是一种理想状态，实际上它体现的是一种均衡、平等竞争的思想而在这样的假定下，价格能够反映出所有的相关信息，而且价格的波动相互之间是独立的，是无法预测到未来价格变动的，价格的收益率服从随机游走，收益率的分布呈现出正态或对数正态的分布以经济学理论的观点来看，在有效的市场中，要想连续不断地获取到超额的利润是几乎不可能实现的有效市场假说是当代金融经济学的支柱性理论之一，虽然该理论指的是理想状态，没有考虑现实市场的各种因素影响，但金融市场的这种线性范式已经成为了金融学进行研究的主流，之后的理论都是以它为基础
12、发展起来的随着学者们的深入学习，发现了最近不断涌现一些反面的例子，这使人们所熟知的有效市场假说遭遇了很大的冲击，有效市场理论无法对这些异象作出合理的解释比如小公司效应，小市值的公司股票收益率并不小于大市值的公司股票收益率；虽然小公司股票的相对风险比较大，但是，长期投资于小公司的股票却获得了较高的收益；于1987年出现的异常“黑色星期一”现象，美国的股市在这一年10月19日的股灾中的平均指数顿时暴跌；“一月效应”，也就是每年的一月份，股票价格一般会有比较高的涨幅程度，从而可以获得到超额的收益，而且，这几乎可以算得上是一种可以预测的现象“输家赢家效应”，研究结果表明，前一期绝对的输方，也就是亏损者
13、趋向于被低估，而前一期绝对的赢方则会相反趋向于被高估另外，金融市场的数据统计则开始出现了长记忆性、尖峰厚尾等特征由于诸多异常现象的存在，越来越多的学者开始从不同的角度做出了深入天津科技大学2014届本科生毕业论文2探索，研究成果也各不相同他们开始将目光转移到非线性系统，并从非线性系统的角度来分析和研究金融市场，分形理论作为非线性科学理论中的一个非常重要的部分，也开始应运而生，它在金融市场的分析研究中占据着极其重要的成分最初分形理论的研究比较集中在金融市场的单分形特征上，但是单分形仅仅能够描述出股价波动的长期性的统计行为，适用于对全局的统计，对局部过程的详细描述却不够全面，不能满足人们的研究需要
14、为了使价格的波动情况能够更加的全面描述，学者们开始了对多重分形理论的相关分析与研究随着研究的不断深入，多重分形理论逐渐被接受，而且受到了各国学者广泛的关注，它在复杂的金融系统中有着潜在的应用前景为了更深入认识和理解中国的股票市场，众多学者运用了各种方法，不断对金融市场多重分形的结构进行更加深入的研究112研究意义本论文针对分形及多重分形理论，通过认真学习相关理论知识并将其运用于金融领域，利用金融时间序列的具体实例进行分析研究，主要目的是判断并研究金融时间序列中的分形及多重分形行为，通过数据的拟合，研究市场的长程相关性和波动行为，并计算广义HURST指数，度量并比较不同的市场有效性市场的风险大小
15、12国内外研究综述121单分形相关的国外文献综述1977年，MANDELBROT分析研究了在不同的时间标度上时间序列的动力学特点1，之后经过多年的研究，提出了“分形”这一概念PRZEKOTAG用HURST指数这一指标来识别资本市场的时间序列特征，考察并研究了金融市场时间序列的长期相关性的统计方法2CKPENG等人3于20世纪初，在分析研究DNA分子链的单分形结构的时候，提出了用于解决非平稳的时间序列分形分析的方法，称之为消除趋势波动方法DETRENDEDFLUCTUATIONANALYSIS，简记为DFA方法122单分形相关的国内文献综述国内的一些学者对单分形理论也有了一定程度的分析研究，牛淑
16、珍运用了R/S（重标极差）分析方法，来研究深圳和上海两地的股票市场的每周的收盘指数的时间序列4，其结果显示，我国的股票市场的波动性呈现出非线性的特征庄新田用上海证券综合指数（上证综指）和深圳证券成分指数（深圳成指）每日的收盘价格为样本，来研究上海和深圳两地的股票交易市场的分形特征5，并认为两地的金融市场并不具有有效市场的特征，它们的股价指数显示出有偏随机游走而非正态的特征，同时时间序列具有长记忆的特征123多重分形相关的国外文献综述在金融股票市场上通过对分形理论的深入研究，分形理论不断取得新的成果，并且学者们已经开始了从研究单分形理论过渡到多重分形理论的分析研究阶段MUNIANDY通过研究马来
17、西亚外汇的分形行为，用R/S分析方法、DFA方天津科技大学2014届本科生毕业论文3法和相关系数的二阶矩等方法计算了全局的HURST指数，并用多重分形的布朗运动来分析金融时间序列的多重分形特征性6NOROUZZDEH用MFDFA分析方法研究了伊朗的银币对美元的汇率波动的多重分形特征，他通过对广义HURST指数、标度指数、广义分形维以及奇异谱的研究，发现了产生多重分形的原因，这一原因是与尖峰厚尾的分布特征和长程相关性相关的7SADEGHMOVAHED运用了分形分析的MFDFA方法来研究河流流量的波动，结果表示，存在着两个相互交叉的时间标度，河流流量的HURST指数显示出了长程相关性的特征，并逐渐
18、发现了多重分形的特性是因为概率密度函数的厚尾这一分布所造成的8124多重分形相关的国内文献综述张永东和毕秋香在中国股票市场多标度行为的实证分析一文9中，通过研究中国股指的时间序列，并分析研究不同时间跨度的指数增量序列和收益率序列、广义的累积绝对收益序列的标准差，发现了标准差S与时间跨度T之间满足一种幂律关系，而且幂指数并不是唯一的，它具有明显的多标度的特征常松和何建敏，他们运用多重分形特征理论来分析中国的股票市场10，验证了中国股票市场的多重分形游走特征，而且通过进一步研究多重分形过程局部的尺度特性，将这种局部尺度和多尺度之间的相关性联合建立了小波和神经网络相互结合的对于股票价格的一种预测模型
19、庄新田和苑莹通过运用MFDFA方法（消除波动趋势的分析方法）对上证综指的日收益率进行多重分形特征的分析，发现了出现多重分形的原因，这是由于非线性的长程相关性和概率分布函数的尖峰厚尾分布所导致的，随后继续研究了股票价格的指数波动特征，发现了当股票价格的指数波动相对较大时，广义HURST指数具有非常显著的波动特征，由此他提出了基于广义HURST指数的两种不同的风险指标11125文献综述总结从以上研究来看，现阶段，将分形理论应用到金融领域仍是一个热门的课题，但却还不够完善，仍存在着大量的缺陷目前来说，国内外对待金融市场中多重分形理论的分析研究以及应用都还处于初级阶段，都还不成熟，很大部分的相关研究成
20、果都只是停留在对金融时间序列的多重分形特性的检验阶段，而没有继续深入尽管部分学者已经证明了多重分形谱的形态特征对金融时间序列的波动、金融风险的预测及考察都具有一定的指示效果，但研究结果终究比较零碎，不完善，现在还没有形成一个比较完整的体系比如说实证方法和技术多样缺乏标准的判别指标，对于分形结构存在的原因的分析各有不同，至于分形及多重分形理论在金融市场上的预测等应用还在探索中，具体的应用还有待于进一步研究，需要不断改进13研究内容131研究思路及框架天津科技大学2014届本科生毕业论文4基本思路本文将先介绍分形理论的一些基本知识点，简单介绍分形市场理论，然后将分形理论应用到中国上证综指和深证综指
21、的金融时间序列中，通过计算广义HURST指数，研究市场的长程相关性和波动行为，判断金融时间序列是否符合分形及多重分形行为，并度量市场的风险和市场效率基本框架1引言，包括研究背景及意义、国内外文献综述、研究内容简述；2介绍金融时间序列的相关分形理论与方法，包括3介绍各种研究方法，包括R/S分析，MFDFA方法、MFDMA方法等；4用数据进行实证分析，做个各种方法的对比；5得出结论，并作出评价132研究方式与方法研究方式本论文通过查阅相关文献充分理解基本理论知识及方法，如R/S分析，MFDFA方法、MFDMA方法等，主动请教指导老师，之后根据自己的想法及思路，在MATLAB上实现相关程序，根据图形
22、得出结论，最后总结、评价，找到不足，并指出自己的一些展望具体研究方法有1在图书馆查阅相关书籍，进行相关方面知识的研究和探讨2借助网络媒介进行相关资料的搜索3查阅国内外期刊中与课题相关的文章，加以分析研究4就本课题向老师和同学们讨教，听取他们的意见和观点天津科技大学2014届本科生毕业论文52金融时间序列的相关分形理论与方法21分形理论211分形理论的形成分形理论是由MANDELBROT首先提出来的，并在此基础上发展为一种系统的理论，它起源于对海岸线长度测量的研究问题MANDELBROT在研究英国的海岸线的复杂边界时，发现了不同比例的地图上测量出来的海岸线长度是不同的，这也正是欧几里德几何所无法
23、解释的一点大家都知道，海岸线是弯弯曲曲的，不规则且极不光滑的一条曲线如果要对它的长度进行测量，就必须要选取一定的测量单位才可以如果选作“公里”作为测量单位来测量海岸线，很显然从几米直到几十米的弯曲程度就都被随之忽略掉了，此时测量的结果我们记为M1；如果选取“米”作为测量单位，测量的结果很明显要比上一次的准确一些，几米直到几十米的弯曲程度都可以被包括在测量的范围内，然而厘米量级的这样小的弯曲，却仍然被排除在计量长度范围之外，这时的测量结果我们记为M2，则一定有关系式M2M1；如果继续用更小的“毫米”为单位来测量，其结果显然要比前两次精确的多了，但是仍存在微米量级的小的弯曲被忽略掉了，此时的测量结
24、果记为M3，且存在关系式M3M2M1继续设想，如果继续把海岸线分解到“分子”、“原子”这样的尺度标准，很显然测量得到的长度L4会大到天文数字的级别追究其原因则是因为海岸线是一种具有各种层次且无穷多的细节的非常复杂的几何对象自然界中存在很多类似于海岸线这样的几何对象，它们都是一些极其不规则而且支离破碎的片段的集合，如河流、山脉、血管、云团、树枝等等MANDELBROT用“分形”这一概念，来描述这些十分复杂的几何对象在研究过程中，他将测量长度和放大尺度（比例）分别取其对数，发现所对应坐标点之间存在着一种线性的关系，这表示，这类十分复杂的集合体都具有一种共同的特征，即自相似性的特征，也就是说局部的形
25、态与整体的形态是相似的后来，通过研究，MANDELBROT更进一步发展了分形几何理论，这一理论不仅可以产生许多分形集曲线和图形，如MANDELBROT集、KOCH曲线、CANTOR集、SIERPINSKI垫片等等，而且还可以用来描述复杂对象的几何特性MANDELBROT用“分形理论”这一定义，来反映这种表示这些复杂的图形特征和复杂过程规律的性质212分形理论的定义及特征尽管至今为止，分形理论还是没有形成一个比较严格的定义，但是很多研究者都根据自己的理解做出了自己的定义最开始的时候，分形定义是由MANDELBROT提出来的，他指出分形是这样的一种集合它的维数严格意义上天津科技大学2014届本科生
26、毕业论文6是大于其拓扑维数的但是这个定义还是不够严谨的，而且比较抽象，不能够被人们所理解接着他指出另一个定义，部分以某种形式与整体相似的这样的一种形状叫“分形”，但是这个定义是仍然不够全面的，仍然不能够被大家所认可直到1990年，EDGER指出，分形集合是这样的一种集合，它比传统的几何学所研究的所有的集合还要更加不规则，不管是将它放大多少倍还是缩小多少倍，甚至是更进一步地进行缩小，这种集合的不规则程度性仍然是十分明显的紧接着，英国数学家KENNETHJFALCONER出版了FRACTALGEOMETRY一本书，对分形定义做了如下比较详尽的描述集合F如果满足以下条件，则认为它是是分形的（1）集合
27、F具有很精细的结构即它在任意小的尺度之下，它总是具有复杂的细节的；（2）集合F通常具有某种自相似性特征，这种自相似性可以有时是严格相似的，但也可能是统计意义上的相似；（3）传统意义上的的几何语言是无法对不规则的集合F进行局部与全局特征的描述的；（4）集合F的分形维数大多部分都是大于它的拓扑维数的；分形集合总的来说是有以下的特征的（1）自相似性也就是说，局部和整体之间是相似的，这既包括严格意义上的自相似，还包括在一定的尺度范围内的近似意义上的自相似以及存在于统计意义上的自相似性（2）标度不变性也就是说无论放大多少倍或者是缩小多少倍，集合的不规则特征、形态结构及其复杂程度等是都不会发生变化的而且存
28、在这种关系具有标度不变性特征的集合体一定具有自相似性的特征（3）分数维即分形维数不是以整数表示的，而是以分数的形式表示的，而且一般来说分形维数是大于它的拓扑维数的维数是空间理论和几何学里的一个基本概念我们现在已经习惯于欧几里德几何的整数维数了，比如点是零维的，线是一维的，面是二维的，而体积是三维的在欧氏空间之中，物体被认为是连续且光滑的，对称的而且同质的，因此我们通常可以用整数维对其进行系统的描述但是对于描述分形体，这种既不规则也不光滑的对象，传统的欧氏维数是几乎无法做出回答的分形维数是对几何体的不规则性程度，复杂的程度，粗糙程度等性质的一个有效地测度（4）自放射性自放射变换指的是整体的各个方
29、向的变换比率是基本不一样的，但是局部的随机性与整体的确定性是同时存在的最后，分形集其实可以说是这样的一类集合体，他的局部和整体之间存在着结构、形态等方面的自相似性，而且这种相似性是不会随着测量尺度的变化而改变的，同时观测尺度和相似比例之间满足着一定的指数关系形式天津科技大学2014届本科生毕业论文7所以说，分形能够从不同的标度指数来描述出集合的特征，能用分形维数的概念来刻画分形结构的特征22多重分形理论221多重分形定义多重分形MULTIFRACTAL，这一概念是定义在分形结构上的，它是由多个不同的标度Q和标度指数QH的分形测度来组成的这样的一个无限的集合多重分形理论是从集合的局部出发来进行研
30、究整体特征的一种方法，它在直观上可将多重分形很形象地看作是由众多的维数不同的单一分形进行交错叠加而形成的从几何的角度来看，组成分形集合的许多若干个子集的标度Q及分形维数都是互相不相同的，多重分形也被称为是称多标度分形可以表征多重分形的主要方法有广义HURST指数，或者可以使用奇异谱函数AF奇异谱AF可以定量地刻画出来分形体在各个不同的局部条件下对应的概率分布特征，其中奇异标度指数A规定了奇异性的强度，而AF则描述了分布的稠密程度222多重分形过程MANDELBROT通过运用增量矩的尺度特性，来定义了多重分形过程如果一个连续的时间过程TTTX,具有一个平稳的增量，并且满足1QQTQCTXTTXE
31、（21）则称TX为多重分形过程其中T为时间增量，T和Q是实轴上的区间，它们长度非零，并且QT1,0,0，QC和Q均是Q域上的函数上式表示了多重分形过程的矩的一个幂律关系的性质函数Q是多重分形过程中的尺度函数，通过运用序列增量的矩特性，从而刻画出来不同幅度的增量的尺度特征，进而可以刻画出各个不同时点上的分形特征其中，当Q为Q的线性函数时，这一过程是单分形过程，比如当1HQQ时，Q是由H唯一决定的一个线性函数；而当Q为Q的非线性函数时，这时就称这一过程是多重分形的过程通过对不同幅度的波动进行幂次方处理，这就相当于对波动的波幅放大几天津科技大学2014届本科生毕业论文8倍或缩小几倍所以，不同的Q值对
32、应的尺度函数Q对应着不同的波动，从而反映出了不同程度大小的价格波动信息，而且随着时间标度的取值变化，还可以观察在不同时间标度上的价格波动信息总之，多重分形分析能够更加清晰地分析研究金融市场上的不同时间的标度，不同幅度变化的价格或者收益波动的相关特征多重分形能够定量地刻画出十分复杂的几何对象在不同的层次的一个分形特征，并且可以用多重分形谱的形式表达出来因此，我们可以知道，通过运用多重分形的相关理论去分析研究金融市场，能够更准确地对金融市场的波动性进行更加细致的剖析和描述，进而可以得到有关于金融时间序列在不同的时间标度以及不同幅度程度的波动信息223广义HURST指数对于时间序列TX，根据公式21
33、，来定义广义HURST指数QHHQ，QHQQTQCTXTTXE1（22）函数QH描述了时间增量在T下的广义平均波动的相关信息特别地，当1Q时，1H即为前面单分形中的指数，也称为全局H指数，当501H时，序列表现持续性，501H时，表现反持续性，50H时，即为随机的布朗运动广义HURST指数QH与尺度函数Q之间的关系为QQQH11（23）23分形市场理论231分形时间序列对于一个时间序列来说，只有在它受到许多等可能性事件的共同影响时才是随机的而且对于一个非随机的时间序列，构成序列的数据之间是具有内在相关性的，也就是说时间序列是分形的分形吋间序列也通常被称为是有偏随机的游动，曼德勃罗特（MANDE
34、LBROT）把这种随机游动称为是分数布朗运动它表示了时间序列的非随机特征，序列具有趋势叠加上噪声的这样的一种特性趋势的存在也导致了测出的观测值之间不是相互独立的，这个时候，序列的观测值就具有长记忆性的特征通常来讲，分形时间序列具有下列的一些特点（1）分形时间序列具有着无限的精细结构当观测的对象，即股票收益率序天津科技大学2014届本科生毕业论文9列的尺度从年收益率改变到周收益率，继续改变到日收益率，再到分时这样的逐渐变化时，大量结果表明，股票收益率序列的复杂细节是不会随尺度改变而发生变化的（2）分形时间序列具有分形维数分形维数是描述时间序列如何填充空间的这样的一个参数它表征了分形几何体的复杂程
35、度以及粗糙程度（3）分形时间序列具有自相似性特征复杂分形系统的整体与部分以及部分与部分内部之间的精细的结构和性质是具有相似牲的或者是具有统计意义上的相似性的232分形市场理论PETERS在1994年开始将分形理论引入到了复杂的经济系统，提出了分形市场理论，分形市场理论是分形理论在金融市场分析研究中的一个具体运用传统的有效市场理论认为市场的收益序列具有线性、独立以及有限方差的这些特征，并且其分布是服从正态分布的，有效市场理论展现了一种理想的市场结构PETERS则根据非线性的观点，在实际的金融市场中，提出了更符合资本市场实际的基本理论，这一理论揭示出了不同的证券市场信息接受程度和不同的投资时间尺度
36、对不同投资者的投资决策所产生的不同影响，认为资本市场都具有分形结构的特征，其收益率的分布也并不是服从正态分布的，而是具有明显的尖峰厚尾特征，没有方差或方差无限大由于在资本市场中，存在许多偏好不同的投资者，加上投资者的理性有限，投资者对信息的理解能力互不相同，导致投资者做出不同的投资决策由于上述实际资本市场的种种因素，决定了资产价格的变化不是随机游动的，而是具有持续相关性的分形市场的特征有（1）标度不变性，也就是指不同的时间标度下具有相似的统计规律（2）长程相关性，即过去的相关信息对现在以及未来的事件不是相互独立的，而且是能够产生着长期性影响的（3）如果预测的时间越长，那么预测的结果是越不可信的
37、，不能够进行长期准确地预测天津科技大学2014届本科生毕业论文103几种分形方法理论研究31单分形方法311R/S方法分析R/S分析法，即重标极差分析法，它广泛用于研究时间序列的分形特征和分析长期记忆过程，该方法最初是英国水文学家赫斯特HURST在1951年研究尼罗河水坝工程时经过研究提出来的，他发现了一个更一般的幂率形式（式31）并同时提出来一个新的非参数统量，被称为HURST指数，简称为H指数此后，R/S分析法被用在各种时间序列的分析当中HNCNSR31其中，对于一个时间序列TX，R/S是重标极差，S指序列TX每段的方差，N表示每段区间的长度，C为常数R/S分析方法的基本步骤如下（1）对一
38、个时间序列TX，把它分为K个长度为N的等长子区间，对于每一个子区间，依次计算下面第2至第5步（2）计算各段数据的均值和标准差，以第J段的均值JE和标准差JS为例NIJINJXNE111，NIJJEINJXNS1211（32）（3）计算各段数据的累计离差和极差，以第J段的累积离差序列NRRDJ,2,1,和极差JR为例RIJJEINJXRD11，JJJDDRMINMAX（33）（4）计算各段的重标极差，以第J段为例JJJSRSR（34）（5）计算整个K段序列的平均重标极差NSR/KJJNSRKSR11（35）（6）改变每段长度N，使N取值为从2到2N之间改变，对不同的N，重复上述（2）（5）步，得
39、到散点对NSRN,天津科技大学2014届本科生毕业论文11（7）绘制NSRNLOGLOG图形，并用最小二乘法进行线性拟合，如满足下式，则说明序列TX是单分形，且所得到的直线的斜率就是HURST指数NHNSRNLOGLOGLOG（36）通过分析HURST指数结果，可得出当50H时，说明序列具有持续性；50H时，序列具有反持续性；50H时，序列符合随机游走R/S分析法对短期记忆性比较敏感，因而由其不足，而消除趋势波动分析方法（DFA）可以消去短期相关性并反映长记忆性及分形特征312DFA方法分析CKPENG等物理学家和生物学家在1994年研究DNA分子的时候，发现NDA分子顺序在其分子个数大于41
40、0时，会呈现出一种长记忆性的、幂指数分布，之后他们提出了DFADETRENDEDFLUCTUATIONANALYSIS方法DFA方法可以消除短期的波动趋势，用来检测非平稳时间序列的长记忆性，并且得到HURST指数DFA方法的步骤如下（1）根据时间序列NIXT,2,1,，得出累积离差序列KYNKXXKYKII,2,1,1（37）其中，X是序列IX的平均值，NXXNII11（2）将（1）中得到的序列KY分成SNNSINT个连续的不重复的区间段，其中S为每个区间段的长度因为N不一定被S整除，为了防止末尾数据丢失，可以从序列KY末端开始反方向再重复分割一次，这样子就会得到一共SN2个长度为S的区间段（
41、3）在每个区间段内，如第J段，用最小二乘法回归拟合趋势多项式KPMJ,2,1,1110MKBKBKBBKPMJMMMJJJMJ（38）其中，M称为回归趋势阶数不同的阶DFA的比较结果能够估计时间序列里的趋势的强度于是计算出各个区间段消除趋势后的序列KPKYKYMJJ，并分别对这SN2个区间段计算出方差天津科技大学2014届本科生毕业论文12SSIMJNJIPISJYSSJF,2,1,11,212（39）SSSIMJNNJIPISNJNYSSJF2,1,1,122（310）（4）对所有区间段的方差求平均值，再计算方根得到DFA波动函数SF2122,21SNIJSSJFNSF（311）（5）对不同
42、S，重复上述（2）（4）步，并计算出相对应的SF如果SF与S的对数函数之间存在存在线性关系SHCSFLOGLOGLOG（312）则存在幂率形式的波动HCSSF（313）其中，H即为HURST指数32MFDFA方法KANTELHARDT等人2002年在原来DFA方法的基础上，提出了MFDFA方法，也就是多重分形消除趋势分析方法，它是在验证单分形的方法DFA的基础上提出来的，用来验证一个非平稳时间序列是否具有多重分形特征的有效方法基本步骤如下MFDFA方法的前三步与DFA分析方法步骤的（1）（3）步是基本一样的第四步对所有区间段的方差求平均值，给定Q（任意实数），计算得到Q阶消除趋势波动函数SFQ
43、QKJQQSJFKSF12122,21，0Q（314）当0Q时，SNJSQSJFNSF212,LN41EXP；特别的，2Q时，即为标准的DFA方法第五步当分割的长度S取遍22N，中的各个整数后，根据幂律关系天津科技大学2014届本科生毕业论文13QHQSSF（315）对SFSQLOG,LOG的散点图做线性回归拟合，斜率即为对应于Q的QH第六步改变Q的值，重复上述前五步，得到关于Q的函数QH，我们称为广义HURST指数第七步分析QQH的关系及图形，并判断出序列是否符合多重分形特征当HQ数值大小与阶数Q无关时，即为一常数，则时间序列是单分形的；当HQ与Q有关时，此时时间序列是多重分形的当0Q时，S
44、FQ的大小主要取决于小波动偏差SJF,2的大小，QH描述了小幅度波动的标度行为，当0Q时，SFQ大小主要取决于大波动偏差SJF,2的大小，此时QH描述了大幅度波动的标度行为于是，不同的Q值也就描述了不同程度的波动对波动函数SFQ的影响天津科技大学2014届本科生毕业论文144沪深股指分形特征的实例分析41沪深股指的分形特征分析本文以中国上海证券市场综合指数上证综指和深圳证券市场成分指数（深证成指）为代表研究中国金融时间序列的分形特征选取了上证综指和深圳成指2001年5月10日至2014年5月22日每日的收盘价格作为样本，样本数都是3160个，通过对数差分计算，得到相应的收益率序列而作为研究对象
45、也就是说，为了消除原始数据自相关的影响，我们需要对原始数据事先做处理，用于消除或者有效降低线性依赖性程度由于我们选取的原始数据所构成的时间序列以TP表示，则得到的对数收益序列为1LNTTTPPS，（41）其中，TS表示T时的对数收益，TP表示T时刻的股价指数以1TS作为自变量，TS作为因变量，进行回归分析，得到TS的残差序列1TTTBSASX（42）这时TX的长度为N1，那么问题就转化为对序列TX进行分析42HURST指数分析HURST指数主要应用于单分形时间序列，它的的大小可以度量金融时间序列的持续性和反持续性特征当150H时，这就表明了时间序列具有持续性，而且H的值越接近1，则此时表示序列
46、持续性程度越强；当500H时，这时就表示时间序列具有反持续的特征，而且H越接近0的时候反持续性程度就会越强；当50H时，此时时间序列既不表现持续性也不表现反持续性，处于一种随机状态，而且H越接近05时，随机游走特征就会越明显下面两图是分别运用R/S分析方法和DFA分析方法，以上证指数和深证成指2001年5月10日至2014年5月22日每日的收盘价格（分别为3160个数据）作为样本，在MATLAB软件上进行拟合而成的，主要用来计算HURST指数天津科技大学2014届本科生毕业论文15AB图41上证综指A和深证成指B的R/S分析图CD图42上证综指C和深证成指D的DFA分析图各方法的结果显示表41
47、HURST指数数值比较方法上证综指深证成指R/S0617606219DFA0679006850该结果表明了，虽然两种方法计算后所得到H指数互不不同，但都是明显大于05的，由此可以知道，我们所研究得到的沪深指数收益序列的波动特征是明显不同于布朗运动的，而且两种波动均呈现出持续性的特征，并且深证证天津科技大学2014届本科生毕业论文16券市场的持续性强度较大这就表示，这两个序列是具有分形特征的43沪深股指的多重分形特征的测度下面是运用MFDFA分析方法得到的拟合图形EF图43上证综指的MFDFA分析图,E图表示Q值分别取5,0,5时，波动函数SSFQ的图形，（F）图表示QQH的图形GH图44上证综
48、指的MFDFA分析图，G图表示Q值分别取5,0,5时，波动函数SSFQ的图形，（H）图表示QQH的图形以上结果表示，对于（E）、（G）图，不同的Q值，波动函数SFQ的波动程度也是在改变的，而且，对于每一个给定的Q值，所对应的HURST指数（即直线的斜率）是各不相同的（F）、（H）图则给出了HURST指数随着Q的变化而变化的关系图这就表明，泸深股市都符合多重分形特征天津科技大学2014届本科生毕业论文175沪深股市的市场有效性、市场风险关系的分析51市场有效性分析与比较511相关理论对于金融市场的分形特征，我们大多时候都采用广义HURST指数来测量金融市场的有效性由于广义HURST指数QH与Q的取值有关，于是我们采用H来定量比较市场效率问题5010501021HHH（51）当50H时，表明市场是最有效的；H越接近05，则表示市场是越有效的，相反H越远离05时，表明市场是越无效的由于现实金融市场的种种因素的限制，导致H不可能取05，也就是现实金融市场中，是不可能会有
