JP4461245B2 - Stock price fluctuation analysis system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、株価変動数値解析装置に関し、特に、株価変動を移流拡散型の現象として捉え、幾何Brown運動に基づく株価モデルからFokker-Planck方程式を導き、Galerkin有限要素法とBTD法を用いて、対数株価確率分布の時間発展を数値解析する株価変動数値解析装置に関する技術分野に属する。
【0002】
【従来の技術】
経済や金融における現象は、その挙動が非常に複雑であることから、本質的構造を探ることや、予測を行うことは不可能であると考えられてきた。さらに、これらの現象は、限られた人々の経験と勘によって支配され、大多数にとって決して容易に関与できる領域ではないと捉えられてきた。しかしながら、昨今、経済や金融分野で起こる現象に対し、科学的な手法を用いてアプローチする研究が盛んに行われている。金融派生商品の価格評価方程式であるBlack-Scholesモデル以後、金融工学や数理ファイナンスにおける理論は急速に市場に浸透し、現在も進化を続けている。
【0003】
幾何Brown運動で表現した株価モデルでは、株価変動における不確定要素をBrown運動による確率過程で表し、株価が変動傾向に従って動く確定的要素との直和として確率微分方程式で記述する。また、このモデルにより、株価変動は移流拡散型の現象として認識される。不確定要素に対するパラメータはボラティリティーと呼ばれている。ボラティリティーは、株価の一定期間における変動を年率換算したもので計測され、一般的にリスク指標として用いられる。また、確定的要素に対するパラメータは、トレンドと呼ばれており、株価変動の傾向成分を示すパラメータである。このトレンドとボラティリティーが、株価変動を扱う際の重要なパラメータとなる。
【0004】
Brown運動を基礎とする確率過程は、その性質として拡散過程であることが知られている。このような確率過程に対して、確率密度関数に関する時間発展を記述するのがFokker-Planck方程式である。このFokker-Planck方程式は、確率の2重構造という特徴を有している。つまり、遷移過程において確率的であるのは勿論のこと、初期条件においても確率的である。また、Fokker-Planck方程式は、移流拡散型の方程式である。Fokker-Planck方程式は、確率密度関数の時間発展方程式であることから、確率過程を扱いながらも、確率統計的処理を施す必要がない。
【0005】
確率微分方程式とは、ある物理量が確率的に時間変動する確率過程に対し、確率微分等を含んだ等式で表現し、その解として、確率過程を一意に決定付けできるものを呼ぶ。しかしながら、数学的に整備され体系化された議論が可能なのは、伊藤の確率微分方程式が唯一である。それを実現しているのが伊藤の補題であり、本来は微分不可能であるBrown運動に対して微分演算を可能としている。伊藤の確率微分方程式は、Brown運動を基礎とし、任意の確率変数z=z(t)に対し、
dz=g(z,t)dt+h(z,t)dB
で表される。ただし、g(z,t)とh(z,t)は、確率変数zと時間tに従う任意の関数であり、dBは、Brown運動の微小変動である。また、伊藤の確率微分方程式に従う確率過程を伊藤過程と呼ぶ。伊藤の補題の詳細については、非特許文献2などを参照されたい。
【0006】
確率変数zと時間tに関する任意の2変数関数f=f(z,t)をTaylor展開して、2次以上の微小項を無視すると、
df={(∂f/∂t)+(∂f/∂z)g(z,t)+1/2(∂2f/∂z2)h(z,t)2}dt
+(∂f/∂z)h(z,t)dB
=(∂f/∂t)dt+(∂f/∂z)dz+(1/2)(∂2f/∂z2)h(z,t)2dt
となる。これは、伊藤の確率過程に従う確率変数zと時間tに関する任意の2変数関数f=f(z,t)が微分可能であるという伊藤の補題である。
【0007】
株価をS=S(t)としたとき、
dS=μSdt+σSdB
が、幾何Brown運動で表現された株価モデルである。ただし、μはトレンドを表し、σはボラティリティーを表している。幾何Brown運動で表現された株価モデルは、伊藤の確率微分方程式に従う伊藤過程である。全ての株式銘柄に対して一般性を保つために、時刻tにおける株価S(t)を、初期時刻t=0における初期株価S0=S(0)を用いて、
x(t)≡S(t)/S0
と、規格化する。この規格化された株価xを用いて、株価モデルの式を書き直すと、
dx=μxdt+σxdB
となる。
【0008】
伊藤の補題を利用することで、規格化された株価xと時間tに関する任意の2変数関数f=f(x,t)に対して、
df={(∂f/∂t)+μx(∂f/∂x)+1/2(σx)2(∂2f/∂x2)}dt+σx(∂f/∂x)dB
の微分関係式が成り立つ。任意の2変数関数fを、
f(x,t)=ln(x)
とすると、
d(ln(x))=(μ-(1/2)σ2)dt+σdB
となる。さらに、
y(t)≡ln(x(t)) (x(t)≧0)
を、対数株価と呼ぶ。これらの式から、関係式
dy=(μ-(1/2)σ2)dt+σdB
が得られる。この式から、対数株価yが、Brown運動に従うことがわかる。
【0009】
本発明者らは、Black-Scholes方程式による金融派生商品の評価の正確さを高めるために、「金融派生商品評価システム」を提案した。特許文献1に開示されているように、金融派生商品の原資産のトレンドμをパラメータとして含む拡張Black-Scholes方程式を立て、その厳密解を求めて、記憶装置に格納しておく。入力手段から、金融市場における時系列価格データから求めた各統計データを入力し、記憶手段に格納する。価格演算手段で、各統計データに基づいて、厳密解から金融派生商品の価格を求め、出力手段から出力する。トレンド項を表現することによって、金融市場の短期トレンドを評価することが可能となり、従来のBlack-Scholes方程式よりも正確に経済物理の現象を捉えることができる。市場が現時刻において資産価格をどのように評価しているかを定量化できる。
【0010】
【特許文献1】
特開2003-67581号公報
【非特許文献1】
棚橋隆彦著「流れの有限要素法解析I,II」(朝倉書店1997)
【非特許文献2】
保江邦夫著「数値確率解析入門」(朝倉書店2000)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の株価変動数値解析方法では、株価変動が移流拡散型の現象として認識されながら、移流を考慮しない拡散現象として解析されていたので、解析精度が不十分であるという問題があった。
【0012】
本発明は、上記従来の問題を解決して、少量の株価データの入力のみで、株価の変動特性を自動的に推定し、株価変動を的確に解析して、株式投資における指針を示すことを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、株価変動を移流拡散型の現象として捉え、幾何Brown運動に基づく株価モデルからFokker-Planck方程式を導き、Galerkin有限要素法とBTD法を用いて、対数株価確率分布の時間発展を数値解析する株価変動数値解析装置に、トレンドとボラティリティーの初期値を、過去の価格列から設定する手段と、数値計算内部において、株価変動の重要なパラメータであるトレンドとボラティリティーを更新する手段とを具備する構成とした。このように構成したことにより、長期間における株価変動の高精度な解析ができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図1〜図4を参照しながら詳細に説明する。
【0015】
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態は、株価変動を移流拡散型の現象として捉え、幾何Brown運動に基づく株価モデルからFokker-Planck方程式を導き、過去10日間の株価からトレンドとボラティリティーを計算して初期値とし、トレンドとボラティリティーを数値計算の途中で随時更新しながら、Galerkin有限要素法とBTD法を用いて株価確率分布の時間発展に関する数値解析を行う株価変動数値解析装置である。
【0016】
図1(a)は、本発明の第1の実施の形態における株価変動数値解析装置の概念図である。図1(b)は、株価変動数値解析装置で用いる解析格子の概念図である。図1(a)において、データ入力手段1は、直前の過去10日間の株価データを入力する手段である。データ記憶手段2は、直前の過去10日間の株価データを記憶する手段である。パラメータ初期値計算手段3は、直前の過去10日間の株価データから、パラメータμとσを求めて初期値とする手段である。有限要素法数値計算手段4は、Galerkin有限要素法とBTD法を用いて、株価確率分布の時間発展に関する数値解析を行う手段である。パラメータ更新手段5は、数値計算して得られた対数株価yに関する確率分布を基にし、トレンドμとボラティリティーσを再評価する手段である。データ出力手段6は、20日分の予想株価とボラティリティーσを出力する手段である。図2は、株価変動数値解析装置の動作手順を示す流れ図である。
【0017】
上記のように構成された本発明の実施の形態における株価変動数値解析装置の機能と動作を説明する。最初に、図1を参照しながら、株価変動数値解析装置の動作の概略を説明する。株価変動を移流拡散型の現象として捉え、幾何Brown運動による株価モデルからFokker-Planck方程式を導く。直前の過去10日間の株価データを、データ入力手段1から入力して、データ記憶手段2に格納する。パラメータ初期値計算手段3で、直前の過去10日間の株価データから、トレンドμとボラティリティーσを求めて初期値とする。初期トレンド決定方法に最小二乗法を利用する。有限要素法数値計算手段4で、Fokker-Planck微分方程式を、Galerkin有限要素法とBTD法を用いて解き、対数株価確率分布の時間発展を数値解析する。さらに、確率の規格化条件により補正を行う。その結果に基いて、パラメータ更新手段5で、株価変動の重要なパラメータであるトレンドμとボラティリティーσを求めて更新する。これを20日分だけ繰り返す。データ出力手段6で、20日分の予想株価とボラティリティーσを出力する。
【0018】
このように、株価変動を移流拡散型の現象として捉え、移流を考慮し、移流拡散方程式により数値解析して、数値計算途中でパラメータを再評価し更新することにより、少ない参照期間で長期間の推定が可能となる。過去10日分の株価データだけの少量の入力のみで、20日分の予想株価確率分布が簡便に得られるので、時々刻々と変化する株式市場を、的確かつ長期に亘り捉えることができ、予想株価のリスクも、ボラティリティーσから分かる。
【0019】
次に、対数株価モデルからFokker-Planck方程式を導く方法を説明する。対数株価yが直接Brown運動に従うことに着目し、対数株価yで表した対数株価モデルからFokker-Planck方程式を導く。Fokker-Planck方程式を、Master方程式を利用して導出する。任意の確率過程z=z(t)の時間変化について考える。時刻t0で値z0の状態から、時刻tに値zとなる条件つき確率をP(z,t|z0,t0)で表すと、確率の規格化条件より、
- P(z,t|z0,t0)dz=1
が成立する。この確率過程zが、Markov過程である場合を考える。単位時間あたりに、状態zから状態z0へ遷移する確率として、遷移確率W(z→z0)を導入する。この遷移確率を用いて、Markov過程における条件つき確率の時間発展を記述した方程式が、Master方程式
(∂/∂t)P(z,t)=-∫- W(z→z')P(z,t)dz'+∫- W(z'→z)P(z',t)dz'
である。ただし、今後は簡単のため、初期時刻t0における初期状態z0による条件つき確率P(z,t|z0,t0)は、単にP(z,t)と書くこととする。
【0020】
このMaster方程式は、時刻tにおいて状態zとなる確率分布が、他の状態への遷移によって減少し、他の状態からの遷移によって増加することを意味している。さらに、このMaster方程式は、Kramers-Moyal展開により、偏微分方程式で書き表すことができる。遷移確率のk次モーメントCk(z)を、
Ck(z)≡∫- rkW(z→z+r)dr
で定義する。Master方程式は、
(∂/∂t)P(z,t)=Σk=1 {(1/k!)(-∂/∂z)k×Ck(z)P(z,t)}
で表すことができる。これがKramers-Moyal展開である。このKramers-Moyal展開を2次までで留めた形が、Fokker-Planck方程式
(∂/∂t)P(z,t)=-(∂/∂z)C1(z)P(z,t)+(1/2)(∂2/∂z2)C2(z)P(z,t)
である。
【0021】
株価モデルに、Fokker-Planck方程式を適用する。
dy=(μ-(1/2)σ2)dt+σdB
に対する遷移確率の1次モーメントを計算すると、
C1(y)=limΔ t 0(1/Δt)E[Δy]=μ-(1/2)σ2
が得られる。遷移確率の2次モーメントは、
C2(y)=limΔ t 0(1/Δt)E[(Δy)2]=σ2
となる。3次以上のモーメントは零となるため、対数株価モデル式に対するFokker-Planck方程式は、
(∂/∂t)P(y,t)=-(∂/∂y)(μ-(1/2)σ2)P(y,t)+(1/2)(∂2/∂y22P(y,t)
となる。
【0022】
第3に、株価変動パラメータについて説明する。対数株価モデル
dy=(μ-(1/2)σ2)dt+σdB
におけるボラティリティーσは、金融市場において値動きの標準偏差で計測され、一般的にリスクの概念となっており、非常に重要なパラメータとなっている。簡単のため、トレンドμとボラティリティーσが、空間領域y全体で一定の値とする仮定を導入する。この仮定は、実際の市場における動きを想定することで、十分に妥当な仮定である。
【0023】
トレンドμとボラティリティーσの初期値の算出方法について説明する。ヒストリカル・ボラティリティーによるボラティリティーσの算出方法を採用する。株価の変動傾向を測る方法として最小二乗法を援用し、トレンドμを算出する。過去の価格列から得られる情報は、新しいものほどその重要性は高い。したがって、過去の価格列を一律に扱うべきではない。直近の情報を重視するために、時間間隔が等しい価格列に対して重みを使用し、トレンドμとボラティリティーσの初期値を決定する。
【0024】
トレンドμとボラティリティーσは、時間に関して変化するパラメータである。数値計算して得られた対数株価yに関する確率分布を基にし、トレンドμとボラティリティーσを再評価する。さらに、パラメータ更新時間ステップmとパラメータ更新時間刻み幅Δtmに従い時間進行することで、トレンドμとボラティリティーσを更新する。Fokker-Planck方程式の数値計算結果を受けて、トレンドμを随時更新していく。式
μm+1=(1/2)(σm+1)2+(1/Δtm)(E[y]m+1−E[y]m)
により、トレンドμを更新する。パラメータ更新時間ステップm+1におけるボラティリティーσm+1は、ボラティリティーσ更新式を用いて算出された値である。ボラティリティーσの更新式は
σm+1=√(Πm/(2Δtm))
である。ただし、係数Πは、
Πm≡(E[y]m)2+(E[y]m+1)2−2E[y]mE[y]m+1−2Var[y]m+2Var[y]m+1
である。これらの式における肩付のmなどは、時間ステップを示す添え字であり、べき乗の意味ではない。以下の同様な式においても同じである。
【0025】
第4に、Fokker-Planck方程式を有限要素法で解く方法を説明する。有限要素法の詳細については、非特許文献1などを参照されたい。対数株価yにより表現された対数株価モデル式
dy=(μ−(1/2)σ2)dt+σdB
を基礎方程式とし、Fokker-Planck方程式
(∂/∂t)P(y,t)=−(∂/∂y)(μ−(1/2)σ2)P(y,t)+(1/2)(∂2/∂y22P(y,t)
を数値計算することで、対数株価確率分布の時間発展を追う。ただし、時間tに対数株価yとなる確率密度関数がP(y,t)であり、以後簡単のためPと表示する。この式において、トレンドμとボラティリティーσは全空間領域で一定の仮定を用いることから、
(∂/∂t)P=−u(∂/∂y)P+ν(∂2/∂y2)P
のように書き直せる。また、移流速度uと拡散係数νを、
u≡μ−(1/2)σ2
ν≡(1/2)σ2
のように定義する。このFokker-Planck方程式を、数値解析における支配方程式として数値計算を行う。
【0026】
また、確率過程を扱うことにより、
- P(y,t)dy=1
に示す確率の規格化条件を満たす必要も生ずる。さらに、数値計算することで得られる対数株価確率分布から計算される期待値E[y]や分散Var[y]を用い、パラメータ更新時間ステップmとパラメータ更新時間刻み幅Δtmに従い、トレンドμとボラティリティーσを、それぞれ更新式
μm+1=(1/2)(σm+1)2+(1/Δtm)(E[y]m+1−E[y]m)
σm+1=√(Πm/(2Δtm))
により時間進行し、更新を行う。前進Euler法を用いて、支配方程式の時間進行を行う。対数株価モデルから導出したFokker-Planck方程式を前進Euler法により時間進行することで、
(Pn+1−Pn)/Δt=−un(∂/∂y)Pn+νn(∂2/∂y2)Pn
を得る。これらの式における肩付のnなどは、時間ステップを示す添え字であり、べき乗の意味ではない。以下の同様な式においても同じである。
【0027】
空間の離散化に関しては、Galerkin有限要素法を採用する。解析格子は、例として図1(b)に示すように、指数関数を用いた不等分割格子である。支配方程式を前進Euler法により時間進行した式に対し、重みδωを乗じ、空間領域全体Ωで積分する。さらに全領域Ωを多数の要素に分割し、1つの要素Ωeに着目すると、
Ω eδω((Pn+1−Pn)/Δt)dΩ
=−unΩ eδω(∂/∂y)PndΩ+νnΩ eδω(∂2/∂y2)Pn
となる。この式において、右辺最終項に対して部分積分を行い、Greenの定理を適用すると、
Ω eδω((Pn+1−Pn)/Δt)dΩ
=−unΩ eδω(∂/∂y)(Pn)dΩ
+νnΓ eδω(∂/∂y)(Pn)dΓ
−νnΩ e(∂/∂y)(δω)(∂/∂y)(Pn)dΩ
となる。要素内において確率密度関数Pを双1次関数で補間すると、
P=Nαα
の関係を得る。ここで、αは要素内での局所節点番号、Nαは形状関数であり、αについて総和の規約が適用される。
【0028】
この形状関数を用いて、重み関数δωを、
δω=Nαδωα
のように補間する。δωαの各成分は任意の定数であり、基本境界条件Γ1ではδωαの成分は零である。δωαの各成分の任意性を用いると、
Ω eαβdΩ(Pβ n+1−Pβ n)/(Δt)
=−unΩ eα(∂/∂y)(Nβ)dΩPβ n
+νnΓ eα(∂/∂y)(Pn)dΓ
−νnΩ e(∂/∂y)(Nα)(∂/∂y)(Nβ)dΩPβ n
を導くことができる。さらに、係数行列を用い、質量の集中化を行うと、離散化式
- αβ(Pβ n+1−Pβ n)/(Δt)
=−unαββ n−νnαββ n+Λα
を得る。ただし、各係数行列は、
- αβ=∫Ω eαβdΩ(質量行列)
αβ=∫Ω eα(∂/∂y)(Nβ)dΩ(移流行列)
αβ=∫Ω e(∂/∂y)(Nα)(∂/∂y)(Nβ)dΩ(拡散行列)
で定義される。M- αβは集中対角化された質量行列を、Λαは境界積分項を表す。
【0029】
2次の時間精度とするために、2階の時間微分項を、移流方程式で評価する。これは、CFDにおけるBTD法に対応する。まず、支配方程式において、移流項のみを考慮した移流方程式が、
(∂/∂t)(P)=−u(∂/∂y)(P)
で表される。確率密度関数Pに対して、着目時間ステップまわりにTaylor展開を行うことで、
(∂/∂t)(P)|n=(Pn+1−Pn)/Δt
−(Δt/2)(∂2/∂t2)(P)|n+O(Δt2)
を得ることができる。この式を用いて、前進Euler法による時間進行に加えて、2階の時間微分項を考慮することで、時間精度を2次とすることができる。ここで、2階の時間微分項を、移流方程式で評価することで、
(∂2/∂t2)(P)=−(du/dt)(∂/∂y)(P)+u2(∂2/∂y2)(P)
を得る。ただし、トレンドμとボラティリティーσを時間変数としているため、移流速度uも、定義式より時間変数と見なせる。
【0030】
よって、移流速度uの時間微分を、
(du/dt)≒Δu/Δt=(un−un-1)/Δt
により近似する。したがって、時間ステップnでのBTD項は、
BTDn=(Δt/2){−(Δu/Δt)(∂/∂y)(Pn)+(un)2(∂2/∂y2)(Pn)}
のように求めることができる。BTD項に対して、Galerkin有限要素法を適用し、係数行列を用いて表現すると、
BTDn=(Δt/2){−(Δu/Δt)Aαββ n−(un)2αββ n}
+(Δt/2)νnΓ eα(∂/∂y)(Pn)dΓ
となる。離散化式にBTD項を加えると、離散化式
- αβ(Pβ n+1−Pβ n)/(Δt)
=−(un+(1/2)Δu)Aαββ n
−{νn+(1/2)Δt(un)2}Dαββ n+Λα
となる。このBTD項も含めた離散化式に従い、数値計算を行う。ただし、境界積分項はまとめてΛαとして表示している。
【0031】
確率過程を扱う上で、確率の規格化条件を満たすことは非常に重要である。そのため、数値計算を行う際にも、計算領域内で総確率量を保存させ、確率の規格化条件を満足させなければならない。境界条件は、計算領域の両端で初期状態のまま固定させる。つまり、基本境界条件Γ1を採用していることから、Galerkin有限要素法の性質から境界積分項を計算する必要は生じない。また、計算領域をある程度広く取ることで、境界を固定する方法が、数値計算に与える影響を最小限度に抑えることができる。確率変数を数値解析する際には、確率の規格化条件を満足させながら数値計算を進める必要がある。以下の方法により総確率量を保存させている。
【0032】
任意の時間ステップ後における状態を考える。各要素での確率量をPeとすると、計算領域全体での総確率量PΩは、
Ω=∫Ωe
により求まる。したがって、確率の規格化条件より、確率の誤差量Pεは、
ε=1−PΩ
と求まる。この確率の誤差量Pεを、各要素における確率量に応じて、計算領域全体で補正する。したがって、確率の規格化条件を適用した後の各要素における確率量Pe *は、
e *=Pe+Pε(Pe/PΩ)
として計算できる。以上の一連の計算を毎ステップ計算後に行い、確率の規格化条件を満足させている。
【0033】
陽解法で離散化された非定常移流拡散方程式に対して、安定的に数値計算を進めるためには、Courant数と拡散数の制約を受ける。移流速度u、拡散係数νに対して、Courant数をc、拡散数をdと書くと、各条件はそれぞれ、
c=|uΔt/Δy|≦1
d=νΔt/(Δy)2≦1/2
で与えられる。したがって、離散化式を数値計算する際には、この条件を満たす必要がある。
【0034】
第5に、図2を参照しながら、数値解析の手順を説明する。解析対象は、日次変動である。初期パラメータを決定する際に利用する価格列{Si}等は、日次データとなっている。したがって、数値計算内におけるパラメータ更新は、1日毎としている。まず、ステップ1において、計算開始時刻以前の過去の価格列を入力する。ステップ2において、計算開始時刻以前の過去の価格列から、数値解析に用いる初期パラメータを計算する。その後、初期条件を設定して、時間ステップnの繰り返し計算を開始する。繰り返し計算による時間進行の過程は、はじめに、ステップ3において、Galerkin有限要素法とBTD法により、離散化した支配方程式を計算する。得られた確率密度関数を、ステップ4において、確率の規格化条件により補正を行う。ステップ5において、設定したパラメータ更新時間刻み幅Δtm毎の計算が終了したか検査する。終了していれば、ステップ6において、ボラティリティーσを、更新式に基づき再計算する。ステップ7において、トレンドμを、更新式に基づき再計算する。この一連の計算を繰り返すことで時間進行し、指定の時刻まで計算を行う。
【0035】
上記のように、本発明の第1の実施の形態では、株価変動数値解析装置を、株価変動を移流拡散型の現象として捉え、幾何Brown運動に基づく株価モデルからFokker-Planck方程式を導き、過去10日間の株価からトレンドとボラティリティーを計算して初期値とし、トレンドとボラティリティーを数値計算の途中で随時更新しながら、Galerkin有限要素法とBTD法を用いて株価確率分布の時間発展に関する数値解析を行う構成としたので、少量の株価データの入力のみで、株価の変動特性を自動的に推定し、株価変動を的確に解析して、株式投資における指針を示すことができる。
【0036】
この株価変動数値解析装置により、株価の変動特性を推定し、株式投資における指針を示すことができる。確率分布の時間発展とトレンドμとボラティリティーσの推移を得ることで、具体的な投資活動に対して各種の情報を示すことができる。株価変動を推定することにより、将来における株価の確率分布を得ることができ、ある一定の範囲内にどの程度の確率で株価が収まるかを示すことができる。株価変動におけるリスクの推定や管理に役立つ。
【0037】
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態は、株価変動を移流拡散型の現象として捉え、幾何Brown運動に基づく株価モデルからFokker-Planck方程式を導き、過去10日間の株価からトレンドとボラティリティーを計算して初期値とし、トレンドとボラティリティーを数値計算の途中で随時更新しながら、Galerkin有限要素法とBTD法を用いて、形状関数を利用してLevy分布を数値計算内で再現し、株価確率分布の時間発展に関する数値解析を行う株価変動数値解析装置である。
【0038】
図3(a)は、本発明の第2の実施の形態における株価変動数値解析装置の概念図である。図3(b)は、株価変動数値解析装置で用いる形状関数の概念図である。図3(a)において、Levy分布有限要素法数値計算手段7は、Galerkin有限要素法とBTD法を用いて、形状関数を利用してLevy分布を数値計算内で再現し、株価確率分布の時間発展に関する数値解析を行う手段である。その他は、第1の実施の形態と同じである。図4は、株価変動数値解析装置の動作手順を示す流れ図である。
【0039】
上記のように構成された本発明の第2の実施の形態における株価変動数値解析装置の機能と動作を説明する。最初に、図3を参照しながら、株価変動数値解析装置の動作の概略を説明する。株価変動を移流拡散型の現象として捉え、幾何Brown運動による株価モデルからFokker-Planck方程式を導く。直前の過去10日間の株価データを、データ入力手段1から入力して、データ記憶手段2に格納する。パラメータ初期値計算手段3で、直前の過去10日間の株価データから、トレンドμとボラティリティーσを求めて初期値とする。初期トレンド決定方法に最小二乗法を利用する。ここまでは、第1の実施の形態と同じである。Levy分布有限要素法数値計算手段7で、Fokker-Planck微分方程式を、形状関数を利用してLevy分布を数値計算内で再現し、Galerkin有限要素法とBTD法を用いて解き、対数株価確率分布の時間発展を数値解析する。さらに、確率の規格化条件により補正を行う。その結果に基いて、パラメータ更新手段5で、株価変動の重要なパラメータであるトレンドμとボラティリティーσを求めて更新する。これを20日分だけ繰り返す。データ出力手段6で、20日分の予想株価とボラティリティーσを出力する。
【0040】
図3(b)に示す形状関数を利用することで、Levy分布を数値計算内で再現する。幾何Brown運動によるモデルでは、株価リターンの分布が正規分布により与えられることを前提としている。しかしながら、実際の市場においては、正規分布が確認されることは稀であり、その分布は、正規分布と比較して「ハイピーク・ファットテール」形状に分布することが知られている。またその分布は、Levy分布に従う。Levy分布では、分布の中央部分で正規分布よりも尖度が高く、分布の裾野部分が厚くなるといった特徴を持っている。これはつまり、変動幅が小さい株式においては、正規分布と比較して変動が抑制され、逆に変動幅が大きい株式については、正規分布と比較して変動が促進される現象と捉えることができる。
【0041】
この抑制と促進の相反する力が働く境界にあたる点が、期待値を中心とした±1σの値である。なぜなら,ボラティリティーσは、株価変動の標準偏差で与えられ、正規分布において期待値を中心とした±1標準偏差の値は、分布関数の変曲点となっており、その内側(外側)では、分布を上(下)に凸とする方向に力が働いている。すなわち、Levy分布では、これらの力が各点でより一層強まることで、「ハイピーク・ファットテール」形状の分布が形成される。これらのLevy分布を形成する要因を株価モデルへ導入することで、より高精度に株価変動を捉えることができる。
【0042】
数値解析手法として、Galerkin有限要素法を採用している。このGalerkin有限要素法における特徴のひとつが、要素内補間と重み関数に使用する形状関数である。この形状関数を利用し、Levy分布を数値計算内で再現する。Levy分布では、期待値を中心とした±1σ内外において、それぞれ別方向の力が働き、その分布を形作っている。期待値を中心として±1σの内側においては、中心方向へ重みを強くする形状関数を選択し、±1σの外側では、逆に外部方向への重みを強くする形状関数を用いて、重み関数を構成することで、Levy分布を再現する。
【0043】
α=(1/2)(1+ξαξ)+γξα
で表される形状関数を用いる。Levy分布を再現するための形状関数の形状を、図3(b)に示す。この形状関数は、有限要素法における上流化で用いられる重み関数のひとつと同一の形状である。γが正(負)であれば、図3(b)において、左側(右側)の重みが大きくなる性質を持つ。この形状関数を用いて、期待値を中心とした±1σとの位置関係により、適宜γの値を調節し、有限要素法における重み関数を構成することで、数値計算内におけるLevy分布の再現ができる。
【0044】
この形状関数を重み関数として使用し、数値解析の支配方程式を、有限要素法とBTD法により離散化した場合、離散化式はすでに示した形と同等であるが、係数行列は、
αβ=∫Ω eαβdΩ=Je((1/6)ξαξβ+(1/2)+γξα)(質量行列)
αβ=∫Ω eα(∂/∂y)NβdΩ=((1/2)+γξαβ(移流行列)
αβ=∫Ω e(∂/∂y)(Nα)(∂/∂y)(Nβ)dΩ
=(1/Je)((1/2)ξαξβ)(拡散行列)
となる。Jeは、要素平均で求めるJacobianである。
【0045】
図4を参照しながら、数値解析の手順を説明する。解析対象は、日次変動である。初期パラメータを決定する際に利用する価格列{Si}等は、日次データとなっている。したがって、数値計算内におけるパラメータ更新は、1日毎としている。まず、ステップ11において、計算開始時刻以前の過去の価格列を入力する。ステップ12において、計算開始時刻以前の過去の価格列から、数値解析に用いる初期パラメータを計算する。その後、初期条件を設定して、時間ステップnの繰り返し計算を開始する。繰り返し計算による時間進行の過程は、はじめに、ステップ13において、形状関数を利用してLevy分布を数値計算内で再現し、Galerkin有限要素法とBTD法により、離散化した支配方程式を計算する。得られた確率密度関数を、ステップ14において、確率の規格化条件により補正を行う。ステップ15において、設定したパラメータ更新時間刻み幅Δtm毎の計算が終了したか検査する。終了していれば、ステップ16において、ボラティリティーσを、更新式に基づき再計算する。ステップ17において、トレンドμを、更新式に基づき再計算する。この一連の計算を繰り返すことで時間進行し、指定の時刻まで計算を行う。
【0046】
上記のように、本発明の第2の実施の形態では、株価変動数値解析装置を、株価変動を移流拡散型の現象として捉え、幾何Brown運動に基づく株価モデルからFokker-Planck方程式を導き、過去10日間の株価からトレンドとボラティリティーを計算して初期値とし、トレンドとボラティリティーを数値計算の途中で随時更新しながら、Galerkin有限要素法とBTD法を用いて、形状関数を利用してLevy分布を数値計算内で再現し、株価確率分布の時間発展に関する数値解析を行う構成としたので、より高精度に株価変動を捉えることができ、少量の株価データの入力のみで、株価の変動特性を自動的に推定し、株価変動を的確に解析して、株式投資における指針を示すことができる。
【0047】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、株価変動を移流拡散型の現象として捉え、幾何Brown運動に基づく株価モデルからFokker-Planck方程式を導き、Galerkin有限要素法とBTD法を用いて、対数株価確率分布の時間発展を数値解析する株価変動数値解析装置に、トレンドとボラティリティーの初期値を、過去の価格列から設定する手段と、数値計算内部において、株価変動の重要なパラメータであるトレンドとボラティリティーを更新する手段とを具備する構成としたので、長期間における株価変動の高精度な解析ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における株価変動数値解析装置の概念図、
【図2】本発明の第1の実施の形態における株価変動数値解析装置の動作手順を示す流れ図、
【図3】本発明の第2の実施の形態における株価変動数値解析装置の概念図、
【図4】本発明の第2の実施の形態における株価変動数値解析装置の動作手順を示す流れ図である。
【符号の説明】
1 データ入力手段
2 データ記憶手段
3 パラメータ初期値計算手段
4 有限要素法数値計算手段
5 パラメータ更新手段
6 データ出力手段
7 Levy分布有限要素法数値計算手段
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a stock price fluctuation numerical analysis device, in particular, sees stock price fluctuation as an advection diffusion type phenomenon, derives a Fokker-Planck equation from a stock price model based on geometric Brownian motion, and uses Galerkin finite element method and BTD method, It belongs to the technical field related to a stock price fluctuation numerical analysis device that numerically analyzes the time evolution of the log stock probability distribution.
[0002]
[Prior art]
Economic and financial phenomena have been considered to be impossible to explore and predict their essential structure because their behavior is so complex. In addition, these phenomena are dominated by limited experience and intuition and have been perceived as being an area where the majority can never be easily involved. Recently, however, researches are actively conducted to approach phenomena that occur in the economic and financial fields using scientific methods. After the Black-Scholes model, which is the price valuation equation for financial derivatives, theories in financial engineering and mathematical finance have rapidly penetrated the market and are still evolving.
[0003]
In the stock price model expressed by the geometric Brownian motion, an uncertain element in stock price fluctuation is expressed by a stochastic process by the Brownian motion, and is described by a stochastic differential equation as a direct sum with a deterministic element in which the stock price moves according to the fluctuation trend. In addition, this model recognizes stock price fluctuations as an advection-diffusion type phenomenon. The parameter for the uncertainties is called volatility. Volatility is measured by annualized conversion of stock price fluctuations over a certain period, and is generally used as a risk index. A parameter for a deterministic element is called a trend and is a parameter indicating a trend component of stock price fluctuation. This trend and volatility are important parameters when dealing with stock price fluctuations.
[0004]
It is known that the stochastic process based on Brownian motion is a diffusion process as a property. The Fokker-Planck equation describes the time evolution of the probability density function for such a stochastic process. This Fokker-Planck equation is characterized by a double structure of probability. That is, it is not only probabilistic in the transition process but also probabilistic in the initial condition. The Fokker-Planck equation is an advection diffusion type equation. Since the Fokker-Planck equation is a time evolution equation of a probability density function, it is not necessary to perform probability statistical processing while dealing with a stochastic process.
[0005]
A stochastic differential equation refers to a stochastic process in which a physical quantity is stochastically fluctuating with time, expressed by an equation including a stochastic derivative, etc., and a solution that can uniquely determine the stochastic process. However, Ito's stochastic differential equation is the only one that can be discussed mathematically and systematically. This is realized by Ito's lemma, which enables differential operations on Brownian motion, which is originally not differentiable. Ito's stochastic differential equation is based on Brownian motion, and for any random variable z = z (t),
dz = g (z, t) dt + h (z, t) dB
It is represented by However, g (z, t) and h (z, t) are arbitrary functions according to the random variable z and time t, and dB is a minute fluctuation of Brownian motion. A stochastic process according to Ito's stochastic differential equation is called an Ito process. For details of Ito's lemma, see Non-Patent Document 2.
[0006]
If the Taylor expansion of an arbitrary two-variable function f = f (z, t) with respect to the random variable z and time t is ignored,
df = {(∂f / ∂t) + (∂f / ∂z) g (z, t) +1/2 (∂2f / ∂z2) h (z, t)2} dt
+ (∂f / ∂z) h (z, t) dB
= (∂f / ∂t) dt + (∂f / ∂z) dz + (1/2) (∂2f / ∂z2) h (z, t)2dt
It becomes. This is Ito's lemma that a random variable z that follows Ito's stochastic process and an arbitrary two-variable function f = f (z, t) with respect to time t are differentiable.
[0007]
When the stock price is S = S (t),
dS = μSdt + σSdB
Is a stock price model expressed by geometric Brownian motion. However, μ represents a trend and σ represents volatility. The stock price model expressed by the geometric Brownian motion is an Ito process that follows Ito's stochastic differential equation. In order to maintain generality for all stocks, the stock price S (t) at time t is changed to the initial stock price S at initial time t = 0.0= S (0)
x (t) ≡S (t) / S0
And standardize. Using this standardized stock price x, rewriting the stock price model,
dx = μxdt + σxdB
It becomes.
[0008]
By using Ito's lemma, for any two-variable function f = f (x, t) with respect to the standardized stock price x and time t,
df = {(∂f / ∂t) + μx (∂f / ∂x) +1/2 (σx)2(∂2f / ∂x2)} dt + σx (∂f / ∂x) dB
The following differential relational expression holds. Arbitrary two-variable function f
f (x, t) = ln (x)
Then,
d (ln (x)) = (μ- (1/2) σ2) dt + σdB
It becomes. further,
y (t) ≡ln (x (t)) (x (t) ≧ 0)
Is called log stock price. From these equations, the relational expression
dy = (μ- (1/2) σ2) dt + σdB
Is obtained. From this equation, it can be seen that the log stock price y follows the Brownian motion.
[0009]
The inventors of the present invention have proposed a “financial derivative evaluation system” in order to improve the accuracy of the evaluation of financial derivatives using the Black-Scholes equation. As disclosed in Patent Document 1, an extended Black-Scholes equation including a trend μ of an underlying asset of a financial derivative product as a parameter is established, and its exact solution is obtained and stored in a storage device. Each statistical data obtained from time series price data in the financial market is input from the input means and stored in the storage means. The price calculation means obtains the price of the financial derivative product from the exact solution based on each statistical data, and outputs it from the output means. By expressing the trend term, it is possible to evaluate the short-term trend of the financial market and to capture the phenomenon of economic physics more accurately than the conventional Black-Scholes equation. It is possible to quantify how the market evaluates asset prices at the current time.
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2003-67581 A
[Non-Patent Document 1]
Takahiko Tanahashi “Fine Element Analysis I, II of Flow” (Asakura Shoten 1997)
[Non-Patent Document 2]
“Introduction to numerical probability analysis” by Kunio Yasue (Asakura Shoten 2000)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional stock price fluctuation numerical analysis method, the stock price fluctuation is recognized as a convection-diffusion type phenomenon, but is analyzed as a diffusion phenomenon that does not consider advection, so there is a problem that the analysis accuracy is insufficient.
[0012]
The present invention solves the above-described conventional problems, automatically estimates stock price fluctuation characteristics with only a small amount of stock price data input, accurately analyzes stock price fluctuations, and provides guidelines for stock investment. Objective.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, in the present invention, the stock price fluctuation is regarded as an advection diffusion type phenomenon, the Fokker-Planck equation is derived from the stock price model based on the geometric Brownian motion, and using the Galerkin finite element method and the BTD method, A stock price fluctuation numerical analysis device that numerically analyzes the time evolution of the log stock price probability distribution, a means of setting initial values of trend and volatility from past price strings, and a trend that is an important parameter of stock price fluctuations within numerical calculations And means for updating the volatility. With this configuration, it is possible to analyze stock price fluctuations over a long period of time with high accuracy.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0015]
(First embodiment)
The first embodiment of the present invention regards stock price fluctuations as an advection-diffusion type phenomenon, derives a Fokker-Planck equation from a stock price model based on geometric Brownian motion, and calculates trends and volatility from stock prices over the past 10 days. It is a stock price fluctuation numerical analysis device that uses the Galerkin finite element method and the BTD method to perform numerical analysis on the time evolution of the stock price probability distribution while updating the trend and volatility at any time during the numerical calculation as the initial value.
[0016]
FIG. 1A is a conceptual diagram of a stock price fluctuation numerical value analysis apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1B is a conceptual diagram of an analysis grid used in the stock price fluctuation numerical analysis device. In FIG. 1A, data input means 1 is means for inputting stock price data for the last 10 days immediately before. The data storage means 2 is means for storing stock price data for the last 10 days immediately before. The parameter initial value calculation means 3 is a means for obtaining the parameters μ and σ from the stock price data of the last 10 days immediately before and using them as initial values. The finite element method numerical calculation means 4 is a means for performing numerical analysis on the time evolution of the stock price probability distribution using the Galerkin finite element method and the BTD method. The parameter update means 5 is means for re-evaluating the trend μ and the volatility σ based on the probability distribution regarding the log stock price y obtained by numerical calculation. The data output means 6 is a means for outputting the expected stock price and volatility σ for 20 days. FIG. 2 is a flowchart showing an operation procedure of the stock price fluctuation numerical analysis apparatus.
[0017]
The function and operation of the stock price fluctuation numerical value analysis apparatus in the embodiment of the present invention configured as described above will be described. First, an outline of the operation of the stock price fluctuation numerical analysis device will be described with reference to FIG. Taking the stock price fluctuation as an advection-diffusion type phenomenon, the Fokker-Planck equation is derived from the stock price model based on the geometric Brownian motion. Stock price data for the last 10 days is input from the data input means 1 and stored in the data storage means 2. The parameter initial value calculation means 3 obtains the trend μ and the volatility σ from the stock price data of the last 10 days immediately before and sets them as initial values. Least square method is used for initial trend determination method. The finite element method numerical calculation means 4 solves the Fokker-Planck differential equation using the Galerkin finite element method and the BTD method, and numerically analyzes the time evolution of the log stock probability distribution. Further, correction is performed according to the probability normalization condition. Based on the result, the parameter updating means 5 obtains and updates the trend μ and the volatility σ which are important parameters of the stock price fluctuation. Repeat this for 20 days. The data output means 6 outputs the expected stock price and volatility σ for 20 days.
[0018]
In this way, stock price fluctuations are regarded as advection-diffusion-type phenomena, considering advection, numerical analysis using the advection-diffusion equation, reevaluating and updating parameters in the middle of numerical calculation, Estimation is possible. By simply inputting a small amount of stock price data for the past 10 days, the expected stock price probability distribution for 20 days can be easily obtained, so the stock market that changes from moment to moment can be grasped accurately and over the long term. The risk of stock prices can also be seen from the volatility σ.
[0019]
Next, a method for deriving the Fokker-Planck equation from the logarithmic stock model will be described. Focusing on the fact that the log stock price y directly follows the Brownian motion, the Fokker-Planck equation is derived from the log stock model represented by the log stock price y. The Fokker-Planck equation is derived using the Master equation. Consider a time change of an arbitrary stochastic process z = z (t). Time t0Value z0From this state, let P (z, t | z0, t0), From the probability normalization condition,
- P (z, t | z0, t0) dz = 1
Is established. Consider the case where this stochastic process z is a Markov process. From unit z to state z per unit time0Transition probability W (z → z0). Using this transition probability, the equation describing the time evolution of the conditional probability in the Markov process is the Master equation
(∂ / ∂t) P (z, t) =-∫- W (z → z ') P (z, t) dz' + ∫- W (z '→ z) P (z', t) dz '
It is. However, for the sake of simplicity, the initial time t0Initial state z in0Conditional probability P (z, t | z0, t0) Is simply written as P (z, t).
[0020]
This Master equation means that the probability distribution of state z at time t decreases with a transition to another state and increases with a transition from another state. Furthermore, this Master equation can be written as a partial differential equation by Kramers-Moyal expansion. K-th moment Ck (z) of transition probability
Ck (z) ≡∫- rkW (z → z + r) dr
Define in. The Master equation is
(∂ / ∂t) P (z, t) = Σk = 1 {(1 / k!) (-∂ / ∂z)k× Ck (z) P (z, t)}
Can be expressed as This is the Kramers-Moyal expansion. The form of this Kramers-Moyal expansion up to the second order is the Fokker-Planck equation
(∂ / ∂t) P (z, t) =-(∂ / ∂z) C1(z) P (z, t) + (1/2) (∂2/ ∂z2) C2(z) P (z, t)
It is.
[0021]
Apply the Fokker-Planck equation to the stock price model.
dy = (μ- (1/2) σ2) dt + σdB
When calculating the first moment of the transition probability for
C1(y) = limΔ t 0(1 / Δt) E [Δy] = μ- (1/2) σ2
Is obtained. The second moment of transition probability is
C2(y) = limΔ t 0(1 / Δt) E [(Δy)2] = Σ2
It becomes. Since the third and higher moments are zero, the Fokker-Planck equation for the log stock model is
(∂ / ∂t) P (y, t) =-(∂ / ∂y) (μ- (1/2) σ2) P (y, t) + (1/2) (∂2/ ∂y2) σ2P (y, t)
It becomes.
[0022]
Third, the stock price fluctuation parameter will be described. Logarithmic stock model
dy = (μ- (1/2) σ2) dt + σdB
The volatility σ is measured by the standard deviation of price movements in the financial market, and is generally a concept of risk and is a very important parameter. For simplicity, an assumption is made that the trend μ and the volatility σ are constant values over the entire space region y. This assumption is reasonable enough to assume actual market movements.
[0023]
A method for calculating the initial values of the trend μ and the volatility σ will be described. A method of calculating volatility σ using historical volatility is adopted. The trend μ is calculated by using the least square method as a method of measuring the stock price fluctuation trend. The newer the information obtained from past price sequences, the higher the importance. Therefore, past price strings should not be treated uniformly. In order to place importance on the latest information, weights are used for price sequences with equal time intervals, and initial values of trend μ and volatility σ are determined.
[0024]
Trend μ and volatility σ are parameters that change with time. Trend μ and volatility σ are re-evaluated based on the probability distribution regarding logarithmic stock price y obtained by numerical calculation. Further, the trend μ and the volatility σ are updated by progressing time according to the parameter update time step m and the parameter update time step Δtm. In response to the numerical calculation results of the Fokker-Planck equation, the trend μ is updated as needed. formula
μm + 1= (1/2) (σm + 1)2+ (1 / Δtm) (E [y]m + 1-E [y]m)
To update the trend μ. Volatility σ at parameter update time step m + 1m + 1Is a value calculated using the volatility σ update formula. The update formula for volatility σ is
σm + 1= √ (Πm/ (2Δtm))
It is. However, the coefficient Π is
Πm≡ (E [y]m)2+ (E [y]m + 1)2-2E [y]mE [y]m + 1−2Var [y]m+ 2Var [y]m + 1
It is. The shouldered m in these equations is a subscript indicating a time step and does not mean a power. The same applies to the following similar expressions.
[0025]
Fourth, a method for solving the Fokker-Planck equation by the finite element method will be described. For details of the finite element method, refer to Non-Patent Document 1. Logarithmic stock price model expression expressed by logarithmic stock price y
dy = (μ− (1/2) σ2) dt + σdB
Fokker-Planck equation
(∂ / ∂t) P (y, t) = − (∂ / ∂y) (μ− (1/2) σ2) P (y, t) + (1/2) (∂2/ ∂y2) σ2P (y, t)
The time evolution of the logarithmic stock price probability distribution is followed. However, the probability density function that becomes the logarithmic stock price y at time t is P (y, t), and will be displayed as P for simplicity. In this equation, trend μ and volatility σ use constant assumptions in the entire spatial domain, so
(∂ / ∂t) P = −u (∂ / ∂y) P + ν (∂2/ ∂y2) P
Can be rewritten as Also, the advection velocity u and the diffusion coefficient ν
u≡μ− (1/2) σ2
ν≡ (1/2) σ2
Define as follows. The Fokker-Planck equation is numerically calculated as a governing equation in numerical analysis.
[0026]
By dealing with stochastic processes,
- P (y, t) dy = 1
It is also necessary to satisfy the probability normalization conditions shown in (1). Furthermore, using expected value E [y] and variance Var [y] calculated from logarithmic stock probability distribution obtained by numerical calculation, trend μ and volatility according to parameter update time step m and parameter update time step size Δtm σ is an update formula for each
μm + 1= (1/2) (σm + 1)2+ (1 / Δtm) (E [y]m + 1-E [y]m)
σm + 1= √ (Πm/ (2Δtm))
To advance and update. Perform the time progression of the governing equation using the forward Euler method. By using the forward Euler method to advance the Fokker-Planck equation derived from the log stock model,
(Pn + 1-Pn) / Δt = −un(∂ / ∂y) Pn+ Νn(∂2/ ∂y2) Pn
Get. The shouldered n in these equations is a subscript indicating a time step and does not mean a power. The same applies to the following similar expressions.
[0027]
The Galerkin finite element method is adopted for the discretization of space. As shown in FIG. 1B as an example, the analysis grid is an unequal division grid using an exponential function. The governing equation is multiplied by the weight δω and integrated over the entire space region Ω with respect to the equation that progresses in time by the forward Euler method. Furthermore, when the entire region Ω is divided into a number of elements and attention is paid to one element Ωe,
Ω eδω ((Pn + 1-Pn) / Δt) dΩ
= -UnΩ eδω (∂ / ∂y) PndΩ + νnΩ eδω (∂2/ ∂y2) Pn
It becomes. In this equation, partial integration is performed on the last term on the right side, and Green's theorem is applied.
Ω eδω ((Pn + 1-Pn) / Δt) dΩ
= -UnΩ eδω (∂ / ∂y) (Pn
+ ΝnΓ eδω (∂ / ∂y) (Pn
−νnΩ e(∂ / ∂y) (δω) (∂ / ∂y) (Pn
It becomes. When the probability density function P is interpolated within the element by a bilinear function,
P = NαPα
Get a relationship. Where α is the local node number within the element, NαIs a shape function, and the sum rule applies to α.
[0028]
Using this shape function, the weight function δω
δω = Nαδωα
Interpolate as follows. δωαEach component of is an arbitrary constant, and δω under the basic boundary condition Γ1αThe component of is zero. δωαUsing the arbitraryness of each component of
Ω eNαNβdΩ (Pβ n + 1-Pβ n) / (Δt)
= -UnΩ eNα(∂ / ∂y) (NβdΩPβ n
+ ΝnΓ eNα(∂ / ∂y) (Pn
−νnΩ e(∂ / ∂y) (Nα) (∂ / ∂y) (NβdΩPβ n
Can guide you. In addition, when mass concentration is performed using a coefficient matrix, the discretization formula
M- αβ(Pβ n + 1-Pβ n) / (Δt)
= -UnAαβPβ n−νnDαβPβ n+ Λα
Get. However, each coefficient matrix is
M- αβ= ∫Ω eNαNβdΩ (mass matrix)
Aαβ= ∫Ω eNα(∂ / ∂y) (Nβ) dΩ (Advection matrix)
Dαβ= ∫Ω e(∂ / ∂y) (Nα) (∂ / ∂y) (Nβ) dΩ (diffusion matrix)
Defined by M- αβIs the concentrated diagonal matrix, ΛαRepresents the boundary integral term.
[0029]
In order to obtain second-order time accuracy, the second-order time differential term is evaluated by an advection equation. This corresponds to the BTD method in CFD. First, in the governing equation, the advection equation considering only the advection term is
(∂ / ∂t) (P) =-u (∂ / ∂y) (P)
It is represented by By performing Taylor expansion around the time step of interest for the probability density function P,
(∂ / ∂t) (P) |n= (Pn + 1-Pn) / Δt
− (Δt / 2) (∂2/ ∂t2) (P) |n+ O (Δt2)
Can be obtained. Using this equation, in addition to the time progression by the forward Euler method, the time accuracy can be made second order by considering the second-order time differential term. Here, by evaluating the second-order time differential term with the advection equation,
(∂2/ ∂t2) (P) =-(du / dt) (∂ / ∂y) (P) + u2(∂2/ ∂y2) (P)
Get. However, since the trend μ and the volatility σ are time variables, the advection velocity u can also be regarded as a time variable from the definition formula.
[0030]
Therefore, the time derivative of the advection velocity u is
(du / dt) ≒ Δu / Δt = (un−un-1) / Δt
To approximate. Therefore, the BTD term at time step n is
BTDn= (Δt / 2) {-(Δu / Δt) (∂ / ∂y) (Pn) + (Un)2(∂2/ ∂y2) (Pn)}
Can be obtained as follows. Applying the Galerkin finite element method to the BTD term and expressing it using a coefficient matrix,
BTDn= (Δt / 2) {-(Δu / Δt) AαβPβ n− (Un)2DαβPβ n}
+ (Δt / 2) νnΓ eNα(∂ / ∂y) (Pn
It becomes. Adding the BTD term to the discretization formula gives the discretization formula
M- αβ(Pβ n + 1-Pβ n) / (Δt)
=-(Un+ (1/2) Δu) AαβPβ n
− {Νn+ (1/2) Δt (un)2} DαβPβ n+ Λα
It becomes. Numerical calculation is performed according to the discretization formula including this BTD term. However, the boundary integral terms are collectivelyαIt is displayed as.
[0031]
In dealing with stochastic processes, it is very important to meet the probability normalization condition. Therefore, when performing numerical calculations, it is necessary to store the total probability amount in the calculation region and satisfy the probability normalization condition. The boundary condition is fixed in the initial state at both ends of the calculation area. That is, since the basic boundary condition Γ1 is adopted, it is not necessary to calculate the boundary integral term from the nature of the Galerkin finite element method. In addition, by taking a calculation area to some extent, the influence of the method of fixing the boundary on the numerical calculation can be minimized. When numerically analyzing a random variable, it is necessary to proceed with a numerical calculation while satisfying a probability normalization condition. The total probability is stored by the following method.
[0032]
Consider the state after an arbitrary time step. The probability amount at each element is PeThen, the total probability amount P in the entire calculation domainΩIs
PΩ= ∫ΩPe
It is obtained by. Therefore, from the probability normalization condition, the error amount Pε of the probability is
Pε= 1-PΩ
It is obtained. Error amount P of this probabilityεIs corrected in the entire calculation region according to the probability amount in each element. Therefore, the probability amount P in each element after applying the probability normalization conditione *Is
Pe *= Pe+ Pε(Pe/ PΩ)
Can be calculated as The series of calculations described above are performed after each step calculation to satisfy the probability normalization condition.
[0033]
In order to carry out numerical calculations stably for the unsteady advection-diffusion equation discretized by the explicit method, there are restrictions on the Courant number and the diffusion number. When the Courant number is written as c and the diffusion number as d with respect to the advection velocity u and the diffusion coefficient ν, each condition is
c = | uΔt / Δy | ≦ 1
d = νΔt / (Δy)2≦ 1/2
Given in. Therefore, this condition must be satisfied when numerically calculating the discretization formula.
[0034]
Fifth, a numerical analysis procedure will be described with reference to FIG. The analysis target is daily fluctuation. Price sequence used to determine initial parameters {Si} Etc. are daily data. Therefore, the parameter update in the numerical calculation is performed every day. First, in step 1, a past price string before the calculation start time is input. In step 2, initial parameters used for numerical analysis are calculated from a past price string before the calculation start time. Thereafter, initial conditions are set, and repeated calculation of time step n is started. In the process of time progression by iterative calculation, first, in step 3, a discretized governing equation is calculated by the Galerkin finite element method and the BTD method. In step 4, the obtained probability density function is corrected according to the probability normalization condition. In step 5, it is checked whether the calculation for each set parameter update time step Δtm is completed. If completed, in step 6, the volatility σ is recalculated based on the update formula. In step 7, the trend μ is recalculated based on the update formula. The time progresses by repeating this series of calculations, and the calculation is performed until a specified time.
[0035]
As described above, in the first embodiment of the present invention, the stock price fluctuation numerical analysis apparatus regards stock price fluctuation as an advection diffusion type phenomenon, derives the Fokker-Planck equation from the stock price model based on the geometric Brownian motion, Calculate the trend and volatility from the 10-day stock price as initial values, and update the trend and volatility as needed during the numerical calculation, and perform numerical analysis on the time evolution of the stock price probability distribution using the Galerkin finite element method and the BTD method Since it is configured to perform this, it is possible to automatically estimate the fluctuation characteristics of the stock price only by inputting a small amount of stock price data, accurately analyze the stock price fluctuation, and provide a guideline for stock investment.
[0036]
This stock price fluctuation numerical analysis device can estimate stock price fluctuation characteristics and provide guidelines for stock investment. By obtaining the temporal development of the probability distribution and the transition of the trend μ and the volatility σ, various information can be shown for specific investment activities. By estimating the stock price fluctuation, it is possible to obtain a probability distribution of the future stock price, and to show how much the stock price falls within a certain range. Useful for risk estimation and management in stock price fluctuations.
[0037]
(Second Embodiment)
In the second embodiment of the present invention, the stock price fluctuation is regarded as an advection diffusion type phenomenon, the Fokker-Planck equation is derived from the stock price model based on the geometric Brownian motion, and the trend and volatility are calculated from the stock price of the past 10 days. Using the Galerkin finite element method and the BTD method, the Levy distribution is reproduced in the numerical calculation using the Galerkin finite element method and the BTD method, while the trend and volatility are updated during the numerical calculation. It is a stock price fluctuation numerical analysis device that performs numerical analysis on development.
[0038]
FIG. 3A is a conceptual diagram of a stock price fluctuation numerical value analyzing apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 3B is a conceptual diagram of a shape function used in the stock price fluctuation numerical analysis device. In FIG. 3 (a), the Levy distribution finite element method numerical calculation means 7 reproduces the Levy distribution in the numerical calculation using the Galerkin finite element method and the BTD method, using the shape function. It is a means for numerical analysis of development. Others are the same as those in the first embodiment. FIG. 4 is a flowchart showing an operation procedure of the stock price fluctuation numerical analysis apparatus.
[0039]
The function and operation of the stock price fluctuation numerical value analysis apparatus according to the second embodiment of the present invention configured as described above will be described. First, an outline of the operation of the stock price fluctuation numerical analysis apparatus will be described with reference to FIG. Taking the stock price fluctuation as an advection-diffusion type phenomenon, the Fokker-Planck equation is derived from the stock price model based on the geometric Brownian motion. Stock price data for the last 10 days is input from the data input means 1 and stored in the data storage means 2. The parameter initial value calculation means 3 obtains the trend μ and the volatility σ from the stock price data of the last 10 days immediately before and sets them as initial values. Least square method is used for initial trend determination method. Up to this point, the process is the same as in the first embodiment. The Levy distribution finite element method numerical calculation means 7 reproduces the Fokker-Planck differential equation in the numerical calculation using the shape function, solves it using the Galerkin finite element method and the BTD method, and the log stock probability distribution Numerical analysis of the time evolution of Further, correction is performed according to the probability normalization condition. Based on the result, the parameter updating means 5 obtains and updates the trend μ and the volatility σ which are important parameters of the stock price fluctuation. Repeat this for 20 days. The data output means 6 outputs the expected stock price and volatility σ for 20 days.
[0040]
By using the shape function shown in FIG. 3B, the Levy distribution is reproduced in the numerical calculation. In the model based on the geometric Brownian motion, it is assumed that the distribution of stock price returns is given by a normal distribution. However, in the actual market, a normal distribution is rarely confirmed, and it is known that the distribution is distributed in a “high peak fat tail” shape as compared with the normal distribution. The distribution follows the Levy distribution. The Levy distribution is characterized by a higher kurtosis at the center of the distribution than at the normal distribution and a thicker tail at the distribution. In other words, for stocks with a small fluctuation range, fluctuations are suppressed compared to the normal distribution, and conversely for stocks with a large fluctuation range, it can be regarded as a phenomenon in which fluctuations are promoted compared to the normal distribution. .
[0041]
The point corresponding to the boundary where the opposing forces of suppression and promotion work is the value of ± 1σ centered on the expected value. This is because volatility σ is given by the standard deviation of stock price fluctuations, and the value of ± 1 standard deviation centered on the expected value in the normal distribution is the inflection point of the distribution function. The force is acting in the direction that makes the distribution convex upward (downward). That is, in the Levy distribution, these forces become even stronger at each point, thereby forming a “high peak / fat tail” shaped distribution. By introducing the factors that form these Levy distributions into the stock price model, it is possible to capture stock price fluctuations with higher accuracy.
[0042]
The Galerkin finite element method is adopted as a numerical analysis method. One of the features of this Galerkin finite element method is the shape function used for intra-element interpolation and weighting functions. Using this shape function, the Levy distribution is reproduced in the numerical calculation. In the Levy distribution, forces in different directions act inside and outside ± 1σ centered on the expected value, forming the distribution. A shape function that increases the weight in the center direction is selected inside ± 1σ around the expected value, and a shape function that increases the weight in the outer direction is selected outside ± 1σ. By constructing, the Levy distribution is reproduced.
[0043]
Nα= (1/2) (1 + ξαξ) + γξα
Is used. The shape of the shape function for reproducing the Levy distribution is shown in FIG. This shape function has the same shape as one of the weight functions used in upstream in the finite element method. If γ is positive (negative), the weight on the left side (right side) becomes large in FIG. 3B. Using this shape function, the value of γ is adjusted as appropriate according to the positional relationship with ± 1σ centered on the expected value, and the weight function in the finite element method is configured to reproduce the Levy distribution in the numerical calculation. it can.
[0044]
When this shape function is used as a weight function and the governing equation of numerical analysis is discretized by the finite element method and the BTD method, the discretization formula is equivalent to the form already shown, but the coefficient matrix is
Mαβ= ∫Ω eNαNβdΩ = Je((1/6) ξαξβ+ (1/2) + γξα) (Mass matrix)
Aαβ= ∫Ω eNα(∂ / ∂y) NβdΩ = ((1/2) + γξα) ξβ(Advection matrix)
Dαβ= ∫Ω e(∂ / ∂y) (Nα) (∂ / ∂y) (Nβ
= (1 / Je) ((1/2) ξαξβ) (Diffusion matrix)
It becomes. Je is Jacobian which is calculated by element average.
[0045]
The procedure of numerical analysis will be described with reference to FIG. The analysis target is daily fluctuation. Price sequence used to determine initial parameters {Si} Etc. are daily data. Therefore, the parameter update in the numerical calculation is performed every day. First, in step 11, a past price string before the calculation start time is input. In step 12, initial parameters used for numerical analysis are calculated from a past price string before the calculation start time. Thereafter, initial conditions are set, and repeated calculation of time step n is started. In the process of time progression by iterative calculation, first, in Step 13, the Levy distribution is reproduced in the numerical calculation using the shape function, and the discretized governing equation is calculated by the Galerkin finite element method and the BTD method. In step 14, the obtained probability density function is corrected according to the probability normalization condition. In step 15, it is checked whether the calculation for each set parameter update time step Δtm is completed. If completed, in step 16, the volatility σ is recalculated based on the update formula. In step 17, the trend μ is recalculated based on the update formula. The time progresses by repeating this series of calculations, and the calculation is performed until a specified time.
[0046]
As described above, in the second embodiment of the present invention, the stock price fluctuation numerical analysis apparatus regards stock price fluctuation as an advection-diffusion type phenomenon, derives the Fokker-Planck equation from the stock price model based on the geometric Brownian motion, The trend and volatility is calculated from the stock price for 10 days as the initial value, and the trend and volatility are updated as needed during the numerical calculation, and the Levy distribution is calculated using the shape function using the Galerkin finite element method and the BTD method. Since it is configured to perform numerical analysis on the time evolution of the stock price probability distribution that is reproduced within the numerical calculation, it is possible to capture stock price fluctuations with higher accuracy, and the stock price fluctuation characteristics can be automatically detected only by inputting a small amount of stock price data. Can be estimated, and stock price fluctuations can be analyzed accurately to provide guidelines for stock investment.
[0047]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, in the present invention, the stock price fluctuation is regarded as an advection diffusion type phenomenon, the Fokker-Planck equation is derived from the stock price model based on the geometric Brownian motion, and using the Galerkin finite element method and the BTD method, A stock price fluctuation numerical analysis device that numerically analyzes the time evolution of the log stock price probability distribution, a means of setting initial values of trend and volatility from past price strings, and a trend that is an important parameter of stock price fluctuations within numerical calculations And means for updating the volatility, it is possible to analyze stock price fluctuations over a long period of time with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a stock price fluctuation numerical analysis device according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a flowchart showing an operation procedure of the stock price fluctuation numerical analysis device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a conceptual diagram of a stock price fluctuation numerical analysis device according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a flowchart showing an operation procedure of the stock price fluctuation numerical value analysis apparatus according to the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Data input means
2 Data storage means
3 Parameter initial value calculation means
4 Finite element numerical calculation means
5 Parameter update means
6 Data output means
7 Levy distribution finite element method numerical calculation means

Claims (3)

株価変動を移流拡散型の現象として捉え、幾何Brown運動に基づく株価モデルからFokker-Planck方程式を導き、Galerkin有限要素法とBTD法を用いて、対数株価確率分布の時間発展を数値解析する株価変動数値解析装置において、直前の過去の一定期間の株価データを入力するデータ入力手段と、前記データ入力手段から入力された直前の過去の一定期間の株価データを記憶するデータ記憶手段と、前記データ入力手段から入力された直前の過去の一定期間の株価データからトレンドμとボラティリティーσを求めて初期値とするパラメータ初期値計算手段と、前記パラメータ初期値計算手段で求めたトレンドμとボラティリティーσを初期値としてGalerkin有限要素法とBTD法を用いて株価確率分布の時間発展に関する数値解析を行い、さらに、確率の規格化条件により株価確率分布の補正を行う有限要素法数値計算手段と、前記有限要素法数値計算手段により数値計算して得られた対数株価に関する確率分布を基にして数値計算途中においてトレンドμとボラティリティーσを再評価し更新するパラメータ更新手段と、前記有限要素法数値計算手段により数値計算して得られた所定日数分の予想株価とボラティリティーσを出力するデータ出力手段とを具備することを特徴とする株価変動数値解析装置。Fluctuating stock price fluctuations as an advection-diffusion phenomenon In the numerical analysis apparatus, data input means for inputting stock price data of a previous past fixed period, data storage means for storing stock price data of a previous past fixed period input from the data input means, and the data input Parameter initial value calculation means for obtaining the initial value by determining the trend μ and volatility σ from the stock price data of the past fixed period immediately before being input from the means, and initializing the trend μ and volatility σ obtained by the parameter initial value calculation means There line a numerical analysis of the time evolution of the stock price probability distribution by using the Galerkin finite element method and the BTD method as a value, further, standardization of probability And line Cormorant FEM numerical calculation means corrects the stock probability distribution by matter, the trend μ in the middle numerical calculations based on the probability distribution log stock obtained by numerical calculation by the finite element method numerical calculation means Parameter updating means for re-evaluating and updating volatility σ, and data output means for outputting expected stock price and volatility σ for a predetermined number of days obtained by numerical calculation by the finite element method numerical calculation means Stock price fluctuation numerical analysis device. 前記パラメータ初期値計算手段は、トレンドμの初期値を過去の一定期間の株価から最小二乗法で計算する手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の株価変動数値解析装置。  2. The stock price fluctuation numerical analysis apparatus according to claim 1, wherein the parameter initial value calculating means comprises means for calculating an initial value of the trend μ from a stock price in a past fixed period by a least square method. 形状関数を利用してLevy分布を数値計算内で再現し、対数株価確率分布の時間発展に関する数値解析を行うLevy分布有限要素法数値計算手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の株価変動数値解析装置。  2. The stock price according to claim 1, further comprising Levy distribution finite element method numerical calculation means for reproducing a Levy distribution in a numerical calculation using a shape function and performing a numerical analysis on a time evolution of a log stock probability distribution. Fluctuation numerical analysis device.
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