Стохастическое доминирование — это частичный порядок между случайными величинами . [1] [2] Это форма стохастического упорядочения . Эта концепция возникает в теории принятия решений и анализе решений в ситуациях, когда одна игра ( распределение вероятностей возможных результатов, также известное как перспективы) может быть оценена как превосходящая другую игру для широкого класса лиц, принимающих решения. Она основана на общих предпочтениях относительно наборов возможных результатов и связанных с ними вероятностей. Для определения доминирования требуется лишь ограниченное знание предпочтений. Неприятие риска является фактором только в стохастическом доминировании второго порядка.
Стохастическое доминирование не обеспечивает полного порядка , а лишь частичный : для некоторых пар азартных игр ни одна из них не доминирует стохастически над другой, поскольку разные члены широкого класса лиц, принимающих решения, будут по-разному относиться к тому, какая азартная игра предпочтительнее, при этом они в целом не будут считаться одинаково привлекательными.
Всюду в статье обозначают распределения вероятностей на , а обозначают конкретные случайные величины на . Обозначение означает, что имеет распределение .
Существует последовательность стохастических доминантных порядков, от первого , ко второму , к более высоким порядкам . Последовательность становится все более инклюзивной. То есть, если , то для всех . Кроме того, существует такое, что , но не .
Стохастическое доминирование можно проследить еще до (Блэквелла, 1953) [3] , но оно не было разработано до 1969–1970 гг. [4]
Государственное доминирование (нулевой порядок)
Простейшим случаем стохастического доминирования является доминирование по штатам (также известное как доминирование по штатам ), определяемое следующим образом:
Случайная величина A доминирует по состоянию над случайной величиной B, если A дает по крайней мере такой же хороший результат в каждом состоянии (каждом возможном наборе результатов) и строго лучший результат по крайней мере в одном состоянии.
Например, если доллар добавляется к одному или нескольким призам в лотерее, новая лотерея в масштабе штата доминирует над старой, поскольку она дает лучшую выплату независимо от конкретных чисел, реализованных в лотерее. Аналогично, если полис страхования рисков имеет более низкую премию и лучшее покрытие, чем другой полис, то с ущербом или без него результат лучше. Любой, кто предпочитает больше меньшему (в стандартной терминологии, любой, у кого монотонно растущие предпочтения), всегда предпочтет азартную игру с доминированием в масштабе штата.
Первого порядка
Доминирование по состоянию подразумевает стохастическое доминирование первого порядка (FSD) [5] , которое определяется как:
Случайная величина A имеет стохастическое доминирование первого порядка над случайной величиной B, если для любого результата x , A дает по крайней мере такую же высокую вероятность получения по крайней мере x , как и B, и для некоторого x , A дает более высокую вероятность получения по крайней мере x . В форме записи, для всех x , и для некоторого x , .
С точки зрения кумулятивных функций распределения двух случайных величин, A доминирует над B, что означает, что для всех x , со строгим неравенством при некотором x .
Пусть даны два распределения вероятностей на , причем оба они конечны, тогда следующие условия эквивалентны, поэтому все они могут служить определением стохастического доминирования первого порядка: [7]
Для любого неубывающег
Существуют две случайные величины , такие , что , где .
Третье определение гласит, что мы можем построить пару азартных игр с распределениями , так что азартная игра всегда платит по крайней мере столько же, сколько азартная игра . Более конкретно, сначала построить равномерно распределенный , затем использовать выборку обратного преобразования, чтобы получить , затем для любого .
Наглядно второе и третье определения эквивалентны, поскольку мы можем перейти от графической функции плотности A к функции B, сдвигая ее как вверх, так и влево.
Расширенный пример
Рассмотрим три азартные игры с одним подбрасыванием шестигранной игральной кости:
Игра A по штатам доминирует над игрой B, потому что A дает по крайней мере такой же хороший доход во всех возможных состояниях (результатах броска кубика) и дает строго лучший доход в одном из них (состояние 3). Поскольку A по штатам доминирует над B, она также доминирует над B в первом порядке.
Игра C не доминирует над B по состоянию, поскольку B дает лучшую доходность в состояниях с 4 по 6, но C стохастически доминирует над B в первом порядке, поскольку Pr(B ≥ 1) = Pr(C ≥ 1) = 1, Pr(B ≥ 2) = Pr(C ≥ 2) = 3/6 и Pr(B ≥ 3) = 0, в то время как Pr(C ≥ 3) = 3/6 > Pr(B ≥ 3).
Игры A и C не могут быть упорядочены относительно друг друга на основе стохастического доминирования первого порядка, поскольку Pr(A ≥ 2) = 4/6 > Pr(C ≥ 2) = 3/6, в то время как, с другой стороны, Pr(C ≥ 3) = 3/6 > Pr(A ≥ 3) = 0.
В общем, хотя когда одна игра первого порядка стохастически доминирует над второй игрой, ожидаемое значение выигрыша в первой игре будет больше ожидаемого значения выигрыша во второй игре, обратное неверно: нельзя упорядочить лотереи с учетом стохастического доминирования, просто сравнивая средние значения их распределений вероятностей. Например, в приведенном выше примере у C среднее значение (2) выше, чем у A (5/3), но C не доминирует в первом порядке над A.
Второго порядка
Другой часто используемый тип стохастического доминирования — стохастическое доминирование второго порядка . [1] [8] [9] Грубо говоря, для двух азартных игр и азартная игра имеет стохастическое доминирование второго порядка над азартной игрой, если первая более предсказуема (т. е. связана с меньшим риском) и имеет по крайней мере такое же высокое среднее значение. Все максимизаторы ожидаемой полезности, не склонные к риску (то есть те, у кого возрастающие и вогнутые функции полезности), предпочитают стохастически доминирующую азартную игру второго порядка доминируемой. Доминирование второго порядка описывает общие предпочтения меньшего класса лиц, принимающих решения (тех, для кого больше — лучше, и кто не склонен рисковать, а не всех тех, для кого больше — лучше), чем доминирование первого порядка.
В терминах кумулятивных функций распределения и , является стохастически доминирующим второго порядка над тогда и только тогда, когда для всех , со строгим неравенством при некоторых . Эквивалентно, доминирует во втором порядке тогда и только тогда, когда для всех неубывающих и вогнутых функций полезности .
Стохастическое доминирование второго порядка можно также выразить следующим образом: Игра второго порядка стохастически доминирует тогда и только тогда, когда существуют некоторые игры и такие, что , при этом всегда меньше или равно нулю, и при этом для всех значений . Здесь введение случайной величины делает первый порядок стохастически доминируемым (делая нелюбимым теми, у кого функция полезности возрастает), а введение случайной величины вводит сохраняющий среднее спред, в котором нелюбимым теми, у кого вогнутая полезность. Обратите внимание, что если и имеют одинаковое среднее (так что случайная величина вырождается в фиксированное число 0), то есть сохраняющий среднее спред .
Эквивалентные определения
Пусть даны два распределения вероятностей на , причем оба они конечны, тогда следующие условия эквивалентны, поэтому все они могут служить определением стохастического доминирования второго порядка: [7]
Для любого неубывающего и (не обязательно строго) вогнутого,
Существуют две случайные величины , такие , что , где и .
Они аналогичны эквивалентным определениям стохастического доминирования первого порядка, данным выше.
Достаточные условия
Стохастическое доминирование первого порядка A над B является достаточным условием для доминирования второго порядка A над B.
Если B — это сохраняющий среднее значение спред A , то A второго порядка стохастически доминирует над B.
Необходимые условия
является необходимым условием для того, чтобы A стохастически доминировало над B второго порядка .
является необходимым условием для доминирования второго порядка A над B. Условие подразумевает, что левый хвост должен быть толще левого хвоста .
Третьего порядка
Пусть и будут кумулятивными функциями распределения двух различных инвестиций и . доминирует в третьем порядке тогда и только тогда, когда оба
.
Эквивалентно, доминирует в третьем порядке тогда и только тогда, когда для всех .
Множество имеет два эквивалентных определения:
набор неубывающих, вогнутых функций полезности, которые имеют положительную асимметрию (то есть имеют неотрицательную третью производную на всем протяжении). [10]
набор неубывающих, вогнутых функций полезности, таких, что для любой случайной величины функция премии за риск является монотонно невозрастающей функцией . [11]
Здесь определяется как решение проблемы . Более подробную информацию см. на странице премии за риск .
Достаточное условие
Достаточным условием является доминирование второго порядка.
Необходимые условия[ необходима ссылка ]
является необходимым условием. Условие подразумевает, что геометрическое среднее должно быть больше или равно геометрическому среднему .
является необходимым условием. Условие подразумевает, что левый хвост должен быть толще левого хвоста .
Высшего порядка
Также были проанализированы более высокие порядки стохастического доминирования, а также обобщения двойственной связи между порядками стохастического доминирования и классами функций предпочтения. [12]
Вероятно, наиболее мощный критерий доминирования основан на принятом экономическом предположении об уменьшении абсолютного неприятия риска . [13] [14]
Это влечет за собой несколько аналитических проблем, и исследовательские усилия направлены на их решение. [15]
Формально стохастическое доминирование n-го порядка определяется как [16]
Для любого распределения вероятностей на определим функции индуктивно:
Для любых двух распределений вероятностей на нестрогое и строгое стохастическое доминирование n-го порядка определяется как
Эти отношения транзитивны и все более инклюзивны. То есть, если , то для всех . Далее, существует такое, что , но не .
Определим n-й момент как , тогда
Теорема — Если имеют место конечные моменты для всех , то .
Здесь частичный порядок определяется с помощью , если и только если , и, полагая наименьшим, таким, что , имеем
Ограничения
Стохастические отношения доминирования могут использоваться в качестве ограничений в задачах математической оптимизации , в частности, стохастического программирования . [17] [18] [19] В задаче максимизации действительного функционала по случайным величинам в наборе мы можем дополнительно потребовать, чтобы стохастически доминировал фиксированный случайный эталон . В этих задачах функции полезности играют роль множителей Лагранжа , связанных с ограничениями стохастического доминирования. При соответствующих условиях решение задачи также является (возможно, локальным) решением задачи максимизации по в , где — определенная функция полезности. Если используется ограничение стохастического доминирования первого порядка, функция полезности не убывает ; если используется ограничение стохастического доминирования второго порядка, является не убывающей и вогнутой . Система линейных уравнений может проверить, является ли данное решение эффективным для любой такой функции полезности. [20]
Ограничения стохастического доминирования третьего порядка можно решать с помощью выпуклого квадратично ограниченного программирования (QCP). [21]
^ ab Хадар, Дж.; Рассел, У. (1969). «Правила упорядочения неопределенных перспектив». American Economic Review . 59 (1): 25–34. JSTOR 1811090.
^ Бава, Виджай С. (1975). «Оптимальные правила упорядочения неопределенных перспектив». Журнал финансовой экономики . 2 (1): 95–121. doi :10.1016/0304-405X(75)90025-2.
^ Блэквелл, Дэвид (июнь 1953 г.). «Эквивалентные сравнения экспериментов». Анналы математической статистики . 24 (2): 265–272. doi : 10.1214/aoms/1177729032 . ISSN 0003-4851.
^ Леви, Хаим (1990), Итвелл, Джон; Милгейт, Мюррей; Ньюман, Питер (ред.), «Стохастическое доминирование», Полезность и вероятность , Лондон: Palgrave Macmillan UK, стр. 251–254, doi :10.1007/978-1-349-20568-4_34, ISBN978-1-349-20568-4, получено 2022-12-23
^ Куирк, Дж. П.; Сапосник, Р. (1962). «Допустимость и измеримые функции полезности». Обзор экономических исследований . 29 (2): 140–146. doi :10.2307/2295819. JSTOR 2295819.
^ Seifert, S. (2006). Опубликованные ценовые предложения на интернет-аукционных рынках. Германия: Physica-Verlag. Страница 85, ISBN 9783540352686, https://books.google.com/books?id=a-ngTxeSLakC&pg=PA85
^ аб Мас-Колелл, Андреу; Уинстон, Майкл Деннис; Грин, Джерри Р. (1995). Микроэкономическая теория. Нью-Йорк. Предложение 6.D.1. ISBN0-19-507340-1. OCLC 32430901.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
^ Ханох, Г.; Леви, Х. (1969). «Анализ эффективности выборов, предполагающих риск». Обзор экономических исследований . 36 (3): 335–346. doi :10.2307/2296431. JSTOR 2296431.
^ Чан, Рэймонд Х.; Кларк, Эфраим; Вонг, Винг-Кеунг (16.11.2012). «О стохастическом доминировании третьего порядка для инвесторов, не склонных к риску и ищущих риск». mpra.ub.uni-muenchen.de . Получено 25.12.2022 .
^ Уитмор, GA (1970). «Стохастическое доминирование третьей степени». The American Economic Review . 60 (3): 457–459. ISSN 0002-8282. JSTOR 1817999.
^ Экерн, Стейнар (1980). «Повышение риска N- й степени». Письма по экономике . 6 (4): 329–333. дои : 10.1016/0165-1765(80)90005-1.
^ Виксон, РГ (1975). «Тесты стохастического доминирования для снижения абсолютного неприятия риска. I. Дискретные случайные величины». Management Science . 21 (12): 1438–1446. doi :10.1287/mnsc.21.12.1438.
^ Виксон, РГ (1977). «Тесты стохастического доминирования для снижения абсолютного неприятия риска. II. Общие случайные величины». Наука управления . 23 (5): 478–489. doi :10.1287/mnsc.23.5.478.
^ См., например, Post, Th.; Fang, Y.; Kopa, M. (2015). «Линейные тесты для стохастического доминирования DARA». Management Science . 61 (7): 1615–1629. doi :10.1287/mnsc.2014.1960.
^ Фишберн, Питер К. (1980-02-01). «Стохастическое доминирование и моменты распределений». Математика исследования операций . 5 (1): 94–100. doi :10.1287/moor.5.1.94. ISSN 0364-765X.
^ Денчева, Д.; Рущинский , А. (2003). «Оптимизация с ограничениями стохастического доминирования». Журнал SIAM по оптимизации . 14 (2): 548–566. CiteSeerX 10.1.1.201.7815 . doi :10.1137/S1052623402420528. S2CID 12502544.
^ Куосманен, Т. (2004). «Эффективная диверсификация в соответствии с критериями стохастического доминирования». Management Science . 50 (10): 1390–1406. doi :10.1287/mnsc.1040.0284.
^ Денчева, Д.; Рущинский , А. (2004). «Полубесконечная вероятностная оптимизация: ограничения стохастического доминирования первого порядка». Оптимизация . 53 (5–6): 583–601. doi :10.1080/02331930412331327148. S2CID 122168294.
^ Пост, Т (2003). «Эмпирические тесты на эффективность стохастического доминирования». Журнал финансов . 58 (5): 1905–1932. doi :10.1111/1540-6261.00592.
^ Пост, Тьерри; Копа, Милош (2016). «Выбор портфеля на основе стохастического доминирования третьей степени». Management Science . 63 (10): 3381–3392. doi :10.1287/mnsc.2016.2506. SSRN 2687104.