چشم انداز مدیریت مالی

چشم انداز مدیریت مالی

تخمین ریسک سیستماتیک (بتا): رویکردی مبتنی بر یادگیری ماشین در بورس اوراق بهادار تهران

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 موسسه پژوهش‌های پیشرفته تهران(تیاس)، دانشگاه خاتم
2 گروه مالی، دانشگاه خاتم
چکیده
چکیده

هدف: ریسک سیستماتیک (بتا) سهام، یکی از ارکان اصلی در قیمت‌گذاری دارایی‌ها، مدیریت ریسک و ارزیابی عملکرد پرتفوی سرمایه‌گذاری به شمار می‌رود. با این وجود، شواهد تجربی نشان داده‌اند که مدل‌های سنتی و خطی مبتنی بر اقتصاد سنجی، به دلیل ناتوانی در ثبت پویایی‌های پیچیده و غیرخطی بازار، غالباً در پیش‌بینی دقیق بتای آینده با محدودیت‌های جدی مواجه هستند . هدف اصلی این پژوهش، غلبه بر این محدودیت‌ها از طریق بهبود دقت تخمین و پیش‌بینی بتای سهام در بورس اوراق بهادار تهران با بهره‌گیری از تکنیک‌های نوین علم داده و الگوریتم‌های یادگیری ماشین است. این مطالعه با الهام از پژوهش‌های پیشگامانه اخیر به بررسی و مقایسه تطبیقی عملکرد مجموعه‌ای از الگوریتم‌های پیشرفته و غیرخطی در برابر طیف وسیعی از مدل‌های پایه و سنتی می‌پردازد. نوآوری پژوهش حاضر، عدم اکتفا به معیارهای صرفاً آماری و ارزیابی همزمان ارزش افزوده اقتصادی این پیش‌بینی‌ها در قالب عملکرد واقعی پرتفوی‌های سرمایه‌گذاری (پرتفوهای حداقل واریانس و بازار خنثی) در یک بازار نوظهور با نوسانات بالا است.

روش: پژوهش حاضر از نظر هدف، کاربردی و از حیث روش‌شناسی، توصیفی-همبستگی با رویکرد کمی و مبتنی بر داده‌های تاریخی بازار و صورت‌های مالی است. جامعه آماری پژوهش شامل کلیه شرکت‌های پذیرفته‌ شده در بورس اوراق بهادار تهران است که پس از اعمال محدودیت‌های غربالگری (از جمله حذف نهادهای مالی، سرمایه‌گذاری‌ها و نمادهای دارای توقف معاملاتی طولانی‌مدت)، داده‌های اولیه پژوهش ۵۰ فصل معاملاتی را از ابتدای فصل چهارم سال ۱۳۹۱ تا پایان فصل اول سال ۱۴۰۴ در بر می‌گیرد. پس از اعمال معیارهای غربالگری و تشکیل پنل نهایی، نمونه پژوهش شامل ۴۱٬۳۱۳ مشاهده شرکت-ماه متعلق به ۴۵۰ شرکت پذیرفته‌شده در بورس اوراق بهادار تهران در قالب یک پنل نامتوازن (با نوسان ۱۸۸ تا ۴۲۷ شرکت فعال در هر ماه) است. تخمین بتا با استفاده از رویکرد اعتبارسنجی متقاطع و پنجره غلتان (Rolling Window) جهت حفظ شرایط خارج از نمونه (Out-of-Sample) صورت گرفت. در این مطالعه، عملکرد ۶ مدل پایه و سنتی (شامل حداقل مربعات معمولی OLS، میانگین متحرک نمایی EWMA در افق‌های کوتاه‌مدت و بلندمدت، و مدل‌های تعدیلی بلوم، BSW و واسیچک) در مقابل ۶ الگوریتم پیشرفته یادگیری ماشین شامل جنگل تصادفی (Random Forest)، مدل‌های تقویت گرادیان (XGBoost و GBRT)، شبکه‌های عصبی مصنوعی (MLP Keras) و رگرسیون‌های جریمه‌دار (Elastic Net و مدل‌های خطی LM) مورد ارزیابی قرار گرفت. برای مقایسه دقت مدل‌ها، از معیارهای خطای سنجش نظیر میانگین مربعات خطای وزن‌دهی شده با ارزش بازار (VWMSE)، آزمون دوطرفه دایبولد–ماریانو با تصحیح محدودنمونه هاروی–لیبورن–نیوبولد (DM-HLN)، تحلیل اهمیت متغیرها و تشکیل سبدهای حداقل واریانس و بازارخنثی ارزیابی شد.

یافته‌ها: یافته‌های تجربی این پژوهش حاکی از برتری الگوریتم‌های یادگیری ماشین بر مدل‌های سنتی اقتصادسنجی در پیش‌بینی بتای سهام است. نتایج نشان داد که مدل‌های مبتنی بر درخت تصمیم، به ویژه الگوریتم‌های جنگل تصادفی (RF)، تقویت گرادیان (GBRT) و تقویت گرادیان پیشرفته (XGBoost)، عملکردی به مراتب بهتر از سایر مدل‌ها در کاهش خطای پیش‌بینی خارج از نمونه (کاهش چشمگیر مقدار VWMSE) داشته‌اند و آزمون دوطرفه دایبولد–ماریانو با تصحیح محدودنمونه هاروی–لیبورن–نیوبولد (DM-HLN) نیز تفاوت معنادار آماری این برتری را تایید نمود. تحلیل اهمیت متغیرها در الگوریتم‌های یادگیری ماشین مشخص کرد که بر خلاف باورهای سنتی، پیش‌بین‌های مبتنی بر اطلاعات حسابداری (متغیرهای بنیادی) و پس از آن، برآوردهای گذشته‌نگر بتا، بیشترین نقش را در پیش‌بینی دقیق بتای آینده ایفا می‌کنند و الگوریتم‌های غیرخطی توانسته‌اند این روابط پنهان را به‌خوبی استخراج کنند با این حال، در بخش ارزیابی اقتصادی و تشکیل سبد، مشخص شد که برتری آماری مدل‌های تک‌سهم (نظیرRF) به دلیل تفاوت در ماهیت تابع زیان آماری با ساختار بهینه‌سازی پرتفوی، به‌طور خودکار به بالاترین بازده اقتصادی تبدیل نمی‌شود؛ بلکه الگوریتم‌های تقویت گرادیان (نظیر GBRT) به دلیل برآورد دقیق‌تر بتا و بهینه‌سازی ساختار ریسک سبد، برتری اقتصادی قابل‌توجهی در نسبت‌های شارپ و مهار افت سرمایه محقق ساختند

نتیجه‌گیری: یافته‌های این پژوهش نشان می‌دهد که الگوریتم‌های یادگیری ماشین در پیش‌بینی آماریِ بتای سهام در بازار سرمایه ایران، در مقایسه با مدل‌های سنتی، از توانایی بالاتری برای کاهش خطای پیش‌بینی برخوردارند. اگرچه الگوریتم‌های یادگیری ماشین ابزار قدرتمندی برای کاهش خطای آماری بتای سهام در بازار سرمایه ایران فراهم می‌کنند، اما ترجمه این دقت آماری به عملکرد برتر پرتفوی، مشروط به هم‌راستاسازی تابع زیان الگوریتم با اهداف مدیریت ریسک سبد دارایی و لحاظ نمودن ساختار کوواریانس است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Systematic Risk (Beta) Estimation: A Machine Learning Approach in the Tehran Stock Exchange

نویسندگان English

Erfan Gohari Nezhad 1
Pejman Abedifar 2
1 Tehran Institute for Advanced Studies (TeIAS), Khatam University,
2 Finance Faculty, Khatam University
چکیده English

Abstract

Objective: Systematic risk, or stock beta, is one of the fundamental pillars of asset pricing, risk management, and portfolio performance evaluation. Nevertheless, empirical evidence has shown that traditional, linear econometric models often face severe limitations in accurately forecasting future beta due to their inability to capture the complex, non-linear dynamics of the market. The primary objective of this research is to overcome these limitations by improving the estimation and forecasting accuracy of stock betas in the Tehran Stock Exchange (TSE) leveraging modern data science techniques and machine learning algorithms. Inspired by recent pioneering studies, this research conducts a comparative analysis of the performance of a suite of advanced, non-linear algorithms against a wide range of traditional baseline models. The key innovation of the present study lies in moving beyond purely statistical metrics by simultaneously evaluating the economic value added of these forecasts through the actual performance of investment portfolios (minimum-variance and market-neutral portfolios) within a highly volatile emerging market.

Methodology: In terms of purpose, this is an applied study, and methodologically, it is descriptive-correlational with a quantitative approach based on historical market data and financial statements. The statistical population comprises all firms listed on the Tehran Stock Exchange. Following the application of screening criteria (including the exclusion of financial institutions, investment firms, and tickers with prolonged trading halts), the initial dataset spans 50 trading quarters from the beginning of 1391-Q4 to the end of 1404-Q1. After forming the final panel, the research sample consists of 41,313 firm-month observations across 450 companies listed on the TSE within an unbalanced panel (with active firms ranging between 188 and 427 per month). Beta forecasting was conducted using cross-validation and a rolling-window approach to preserve strict out-of-sample conditions.This study evaluated the performance of 6 traditional baseline models (including Ordinary Least Squares [OLS], Exponentially Weighted Moving Average [EWMA] over short and long horizons, and the adjustment models of Blume, BSW, and Vasicek) against 6 advanced machine learning algorithms, including Random Forest, gradient boosting models (XGBoost and GBRT), Artificial Neural Networks (MLP Keras), and penalized regressions (Elastic Net and Linear Models). To compare model accuracy, error metrics such as Value-Weighted Mean Squared Error (VWMSE), the two-sided Diebold–Mariano test with the Harvey–Leybourne–Newbold finite-sample correction (DM-HLN), feature importance analysis, and the construction of minimum-variance and market-neutral portfolios were employed.

Findings: The empirical findings of this research indicate the decisive superiority of machine learning algorithms over traditional econometric models in forecasting stock betas. The results demonstrated that decision tree-based models, particularly Random Forest (RF), Gradient Boosted Regression Trees (GBRT), and XGBoost algorithms, significantly outperformed other models in reducing out-of-sample prediction errors (evidenced by a substantial decrease in VWMSE), and the two-sided Diebold–Mariano test with the Harvey–Leybourne–Newbold finite-sample correction (DM-HLN) test confirmed the statistical significance of this outperformance. The feature importance analysis in machine learning algorithms revealed that, contrary to traditional beliefs, predictors based on accounting information (fundamental variables), followed by historical beta estimates, which play the most crucial role in accurately predicting future betas, with non-linear algorithms successfully uncovering these intricate patterns. However, in the economic evaluation and portfolio formation stage, results reveal that the statistical superiority of individual-stock models (such as RF) does not automatically translate into superior economic gains due to the fundamental divergence between statistical loss functions and portfolio optimization objectives. Instead, gradient boosting algorithms (such as GBRT) achieved significant economic outperformance-demonstrated through superior Sharpe ratios and effective drawdown mitigation-driven by more accurate beta estimates and an optimized portfolio risk profile.

Conclusion: The findings of this study suggest that machine learning algorithms exhibit a higher capacity for reducing prediction error in statistical beta forecasting within the Iranian capital market compared to traditional models. Although machine learning algorithms substantially enhance statistical beta forecasting accuracy in emerging markets, translating this precision into tangible portfolio economic gains depends critically on aligning model loss functions with portfolio risk-management constraints and covariance matrix estimation.

کلیدواژه‌ها English

Keywords: Beta Forecasting
Machine Learning
Systematic Risk
Minimum Variance Portfolio
Asset Allocation