多因子 Alpha 模型

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39 分钟
多因子 Alpha 模型

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  1. 课时 1:信念、风险与量化投资流程(Beliefs, Risk, and Process)
  2. 课时 2:投资组合理论(Portfolio Theory)
  3. 课时 3:风险模型与风险分析(Risk Models and Risk Analysis)
  4. 课时 4:Alpha 因子评价(Evaluation of Alpha Factors)
  5. 课时 5:量化因子(Quantitative Factors)
  6. 课时 6:估值技术与价值创造(Valuation Techniques and Value Creation)
  7. 课时 7:多因子 Alpha 模型(Multifactor Alpha Models)
  8. 课时 8:组合换手与最优 Alpha 模型(Portfolio Turnover and Optimal Alpha Model)
  9. 课时 9:高级 Alpha 建模(Advanced Alpha Modeling Techniques)
  10. 课时 10:因子择时模型(Factor Timing Models)
  11. 课时 11:投资约束与信息比率(Portfolio Constraints and Information Ratio)
  12. 课时 12:交易成本与组合实施(Transaction Costs and Portfolio Implementation)

第一节 标准化分数与单期复合 IC#

1. 从多个预测来源到一个分数#

多因子 alpha 模型(Multifactor Alpha Model):利用多个事前可得的股票特征,预测未来指定期限收益或相对表现的模型。因子来自价值、质量、动量或估值判断;模型输出可以是排序分数,也可以是经过校准、具有收益率单位的 alpha 预测,两者不能直接互换。

线性复合分数(Linear Composite Score):对各因子分数加权求和得到的预测变量。令决策时点为 tt,股票数为 NtN_t,因子数为 MM,则:

ct=Stv,ci,t=∑j=1Mvjsij,t.\mathbf c_t=\mathbf S_t\mathbf v, \qquad c_{i,t}=\sum_{j=1}^{M}v_j s_{ij,t}.

St∈RNt×M\mathbf S_t\in\mathbb R^{N_t\times M} 的行对应股票、列对应因子;v∈RM×1\mathbf v\in\mathbb R^{M\times1} 是因子权重,ct∈RNt×1\mathbf c_t\in\mathbb R^{N_t\times1} 是股票复合分数。因子权重不是股票持仓权重。以下先研究在一个评价区间内固定的 v\mathbf v;权重的选择只能使用区间开始前允许的训练信息。

特征、行业分类和风险估计必须属于时点 tt 的信息集 Ft\mathcal F_t。将预测期限记为 HH,则标签覆盖 tt 至 t+Ht+H;为简化记号,解析式采用 H=1H=1。财报期末日不能替代首次可用日,当期实现收益及据此计算的 IC 只能在评价期结束后获得。

2. 标准化与隐含权重#

横截面离散度(Cross-sectional Dispersion):同一时点、同一股票池内变量的标准差。对组合前的因子值 zij,tz_{ij,t},采用共同样本、等权中心化和样本标准差:

zˉj,t=1Nt∑izij,t,dj,t2=1Nt−1∑i(zij,t−zˉj,t)2,sij,t=zij,t−zˉj,tdj,t.\bar z_{j,t}=\frac1{N_t}\sum_i z_{ij,t}, \qquad d_{j,t}^2=\frac1{N_t-1}\sum_i(z_{ij,t}-\bar z_{j,t})^2, \qquad s_{ij,t}=\frac{z_{ij,t}-\bar z_{j,t}}{d_{j,t}}.

因子标准化(Factor Standardization):对因子作中心化和尺度调整,使各列具有可比较的单位;上述 zz 分数的截面均值为零、离散度为一。零离散度列不提供截面区分,应剔除或按事先规定停用,不能除以零。标准化不使分布自动正态,也不消除行业暴露或前视偏差。

固定标准化权重 vjv_j,相当于对中心化原始分数使用 vj/dj,tv_j/d_{j,t}。例如两个原始分数的离散度为 22 和 11,标准化后各取 0.50.5,对应原始系数为 0.250.25 和 0.50.5。若下一期两种离散度交换,原始系数也交换。标准化去除了单位变化造成的被动支配,却同时引入相对于原始分数的时变权重;总换手是否下降仍须检验。

风险调整与标准化属于不同步骤。普通行业残差化、特质波动缩放和完整协方差调整具有不同内积及持仓含义;对各列必须使用一致的处理规则。对风险调整后的分数再次中心化,还须检查是否改变与投资约束相容的正交条件。

3. 复合 IC 的协方差展开#

信息系数(Information Coefficient, IC):股票预测分数与随后指定期限实现收益之间的横截面相关。记评价收益向量为 yt+1\mathbf y_{t+1},可以是原始收益,也可以是明确定义的风险调整收益,但各因子必须使用同一种口径。以下采用 Pearson 相关:

ICj,t=corr⁡cs(sj,t,yt+1),it=(IC1,t,…,ICM,t)′.IC_{j,t}=\operatorname{corr}_{cs}(\mathbf s_{j,t},\mathbf y_{t+1}), \qquad \mathbf i_t=(IC_{1,t},\ldots,IC_{M,t})'.

sj,t\mathbf s_{j,t} 是 St\mathbf S_t 的第 jj 列;下标 cscs 表示跨股票计算。it\mathbf i_t 按特征日期 tt 标记,但要等 yt+1\mathbf y_{t+1} 实现后才能计算。设分数相关矩阵为 Φt=St′St/(Nt−1)\boldsymbol\Phi_t=\mathbf S_t'\mathbf S_t/(N_t-1),收益离散度为 dy,t+1>0d_{y,t+1}>0,利用协方差的线性性:

cov⁡cs(ct,yt+1)=∑jvjcov⁡cs(sj,t,yt+1)=dy,t+1v′it,τt2=var⁡cs(ct)=v′Φtv.\begin{aligned} \operatorname{cov}_{cs}(\mathbf c_t,\mathbf y_{t+1}) &=\sum_j v_j\operatorname{cov}_{cs}(\mathbf s_{j,t},\mathbf y_{t+1}) =d_{y,t+1}\mathbf v'\mathbf i_t,\\ \tau_t^2=\operatorname{var}_{cs}(\mathbf c_t) &=\mathbf v'\boldsymbol\Phi_t\mathbf v. \end{aligned}

复合 IC(Composite IC):复合分数与同一期评价收益的相关。在 τt>0\tau_t>0 时:

ICc,t=v′itv′Φtv.IC_{c,t}=\frac{\mathbf v'\mathbf i_t} {\sqrt{\mathbf v'\boldsymbol\Phi_t\mathbf v}}.

分子衡量加权预测与收益的共同变化,分母消除分数尺度。正比例放大全部权重不改变 IC,负比例放大会反转符号。若使用未标准化分数,应把分子改为 ∑jvjdj,tICj,t\sum_j v_j d_{j,t}IC_{j,t},分母改用原始分数的协方差矩阵;协方差矩阵不能与相关矩阵混用。

自拟一个评价期:两个分数已标准化,ϕ12=0.5\phi_{12}=0.5,权重各为 0.50.5,已实现 IC 分别为 0.060.06 和 0.040.04,则:

τ=0.52+0.52+2(0.5)(0.5)(0.5)≈0.866025,ICc=0.5(0.06)+0.5(0.04)0.75≈0.057735.\tau=\sqrt{0.5^2+0.5^2+2(0.5)(0.5)(0.5)} \approx0.866025, \qquad IC_c=\frac{0.5(0.06)+0.5(0.04)}{\sqrt{0.75}} \approx0.057735.

复合 IC 不是单因子 IC 的加权平均,也不保证超过表现最好的单因子。该计算描述一个构造截面,不提供未来技能估计。

Spearman IC 衡量秩相关。要评价实际复合分数的秩相关,须先计算 ct\mathbf c_t,再对它重新排名;把各因子的 Spearman IC 直接代入上述 Pearson 恒等式,一般得不到复合 Spearman IC。

4. 从分数评价到组合收益#

在第 4 章的匹配风险调整与中性持仓下,令 pc,t\mathbf p_{c,t} 为用于构建组合的风险调整复合预测,Rt+1\mathbf R_{t+1} 为对应的风险调整实现收益。无额外持仓边界、未扣交易成本且按目标风险缩放时:

ηc,t=Nt−1dis⁡(pc,t)∥pc,t∥,rA,t+1=Nt−1 ηc,tσt∗ICc,tRAdis⁡(Rt+1).\begin{aligned} \eta_{c,t} &=\frac{\sqrt{N_t-1}\operatorname{dis}(\mathbf p_{c,t})} {\|\mathbf p_{c,t}\|},\\ r_{A,t+1} &=\sqrt{N_t-1}\,\eta_{c,t}\sigma_t^* IC_{c,t}^{\mathrm{RA}}\operatorname{dis}(\mathbf R_{t+1}). \end{aligned}

rA,t+1r_{A,t+1} 为相对指定基准的主动收益,σt∗\sigma_t^* 为同期限目标跟踪误差,ICc,tRAIC_{c,t}^{\mathrm{RA}} 为上述两端变换后的相关。ηc,t\eta_{c,t} 修正风险调整预测可能不具有普通截面零均值的差异;其截面均值为零时 ηc,t=1\eta_{c,t}=1。

只有其他乘数在跨期比较中足够稳定,复合 IC 的均值—波动比才可能近似组合信息比率。普通标准化分数、未经匹配的残差收益或受限持仓不能直接套用这一收益恒等式;预测排序改善也不等于成本后主动收益改善。

第二节 两类相关性与 IC 可行域#

1. 股票截面与评价期序列#

因子分数相关(Factor-score Correlation):在一个决策时点,跨股票计算的两个分数之间的相关。IC 相关(IC Correlation):在多个已经完成的评价期上,两个 IC 序列之间的相关。前者回答“选出的股票是否相似”,后者回答“预测成效是否同期变化”。

令 it\mathbf i_t 为 MM 个因子的单期 IC 列向量,μIC=E(it)\boldsymbol\mu_{IC}=E(\mathbf i_t)。两种矩阵的对象与计算方向为:

矩阵观测维度元素主要作用
Φt\boldsymbol\Phi_t固定 tt,跨股票corr⁡cs(sj,t,sk,t)\operatorname{corr}_{cs}(\mathbf s_{j,t},\mathbf s_{k,t})复合分数尺度与截面重叠
ΩIC\boldsymbol\Omega_{IC}固定因子规则,跨评价期Cov⁡(ICj,t,ICk,t)\operatorname{Cov}(IC_{j,t},IC_{k,t})预测成效的跨期共同波动

两者均为 M×MM\times M,但相同维度不表示可以替代。若 σIC,j>0\sigma_{IC,j}>0,则 ΩIC,jk=ρjk,ICσIC,jσIC,k\Omega_{IC,jk}=\rho_{jk,IC}\sigma_{IC,j}\sigma_{IC,k};单独的 IC 相关系数矩阵还缺少各因子的波动尺度。资产收益协方差和风险因子收益协方差则是另外的对象。

2. 半正定条件约束单期 IC#

固定一个评价期,以 c1,c2c_1,c_2 简记两个 IC,以 ϕ\phi 表示两个标准化分数的相关。收益与两个分数组成的相关矩阵必须半正定:

G=(1c1c2c11ϕc2ϕ1)⪰0.\mathbf G= \begin{pmatrix} 1&c_1&c_2\\ c_1&1&\phi\\ c_2&\phi&1 \end{pmatrix}\succeq0.

在各相关系数均属于 [−1,1][-1,1] 的前提下,行列式非负给出:

1−ϕ2−c12−c22+2ϕc1c2≥0.1-\phi^2-c_1^2-c_2^2+2\phi c_1c_2\geq0.

将左式对 c2c_2 配方,得到更直接的条件范围:

∣c2−ϕc1∣≤(1−ϕ2)(1−c12).\left|c_2-\phi c_1\right| \leq\sqrt{(1-\phi^2)(1-c_1^2)}.

当 ∣ϕ∣<1|\phi|<1 时,(c1,c2)(c_1,c_2) 位于一个椭圆及其边界内。ϕ=1\phi=1 时退化为 c2=c1c_2=c_1,ϕ=−1\phi=-1 时退化为 c2=−c1c_2=-c_1;完全相同的分数不可能对同一个收益给出不同 IC。

图 7-1 按 ϕ=0.5\phi=0.5 的半正定条件绘制,横纵轴使用相同尺度,属于理论可行域而非样本散点。

分数相关 φ = 0.5 -1 -1 -0.5 -0.5 0.5 0.5 1 1 0 IC₁ IC₂ 可行域 IC₁ = IC₂
图 7-1:单期 IC 的可行域。

椭圆允许两个 IC 同号或异号,但不允许任意组合。逐期可行域约束不决定观测点随时间在域内如何运动,因此不能单凭 ϕ\phi 推断 IC 序列相关。

对 MM 个因子,若分数相关矩阵 Φ\boldsymbol\Phi 正定,同一约束可写成 i′Φ−1i≤1\mathbf i'\boldsymbol\Phi^{-1}\mathbf i\leq1。它也保证由这些输入计算的最大单期复合相关不超过一。成对删除缺失观测后拼接的相关矩阵未必半正定,应优先使用共同截面或一致的协方差估计方法。

3. 抽样误差不能解释全部 IC 相关#

在股票截面独立同分布、近似多元正态、股票数 NN 固定且真实 IC 接近零的理想模型下,样本 Pearson IC 的一阶抽样近似为:

Cov⁡(IC1,IC2)≈ϕN,Std⁡(ICj)≈1N.\operatorname{Cov}(IC_1,IC_2)\approx\frac{\phi}{N}, \qquad \operatorname{Std}(IC_j)\approx\frac1{\sqrt N}.

若跨期变化只有上述抽样噪声,IC 相关才近似分数相关。样本协方差的 Wishart 关系不能直接充当样本 Pearson 相关的精确公式,后者还包含随机标准差分母。

真实预测技能可能随经济状态变化。以 ZtZ_t 表示状态变量,全协方差公式将 IC 协方差分为:

ΩIC=E ⁣[Cov⁡(it∣Zt)]+Cov⁡ ⁣(E[it∣Zt]).\boldsymbol\Omega_{IC} =E\!\left[\operatorname{Cov}(\mathbf i_t\mid Z_t)\right] +\operatorname{Cov}\!\left(E[\mathbf i_t\mid Z_t]\right).

第一项包含给定状态下的随机波动,第二项来自条件平均技能的共同变化。不能只把更大的经验 IC 标准差代入理想抽样公式,而仍假设其协方差分子不变;股票相关、厚尾、状态变化和模型更新都可能改变它。

美国 Russell 3000 股票池在 1987—2004 年的 72 个季度研究中,三对因子的平均分数相关与风险调整 IC 相关如下。表内为 Qian、Hua 与 Sorensen(2007,第 7 章表 7.3—7.4)的历史报告值,不是重新估计的样本外结果。

因子对平均分数相关IC 序列相关
经营现金流/企业价值与外部融资质量信号0.310.73
经营现金流/企业价值与九个月价格动量−0.04−0.50
外部融资质量信号与九个月价格动量0.06−0.22

这些差异说明,仅按持股排序是否相近判断预测成效的分散化,可能得出不同结论。因子方向、风险调整、股票池和期限必须与该研究口径匹配;上述数值不支持对其他市场或当前因子相关作同样假定。没有原始逐期数据,不能据此复核相关系数的置信区间或检验两个估计量之差。

第三节 最大平均 IC 与最大多期稳定性#

1. 两种目标使用不同矩阵#

设 it∈RM×1\mathbf i_t\in\mathbb R^{M\times1} 的总体均值为 μIC\boldsymbol\mu_{IC}、同一期向量的协方差为 ΩIC\boldsymbol\Omega_{IC}。若因子已标准化、权重 v\mathbf v 固定,并且分数相关矩阵 Φt=Φ\boldsymbol\Phi_t=\boldsymbol\Phi 不随时间变化,则 τ=v′Φv>0\tau=\sqrt{\mathbf v'\boldsymbol\Phi\mathbf v}>0 也不变:

E(ICc)=v′μICτ,Std⁡(ICc)=v′ΩICvτ.E(IC_c)=\frac{\mathbf v'\boldsymbol\mu_{IC}}{\tau}, \qquad \operatorname{Std}(IC_c) =\frac{\sqrt{\mathbf v'\boldsymbol\Omega_{IC}\mathbf v}}{\tau}.

IC 均值—波动比(IC Information Ratio, IRICIR_{IC}):某个 IC 序列的均值除以其标准差。将上述两式相除,常数尺度抵消:

IRIC(v)=v′μICv′ΩICv.IR_{IC}(\mathbf v) =\frac{\mathbf v'\boldsymbol\mu_{IC}} {\sqrt{\mathbf v'\boldsymbol\Omega_{IC}\mathbf v}}.

最大平均 IC 惩罚的是分数截面的重叠,最大 IRICIR_{IC} 惩罚的是预测成效的跨期共同波动。前者使用 Φ\boldsymbol\Phi,后者使用 ΩIC\boldsymbol\Omega_{IC}。当 Φt\boldsymbol\Phi_t 明显变化时,τt\tau_t 成为随机分母,不能把它从跨期均值和标准差中提出;此时应按每期实际分母计算完整的复合 IC 序列,或先转换到标准化正交基底。

2. 最优方向的推导与尺度#

两个问题均具有 v′μ/v′Av\mathbf v'\boldsymbol\mu/\sqrt{\mathbf v'\mathbf A\mathbf v} 的形式。对正定矩阵 A\mathbf A,由 Cauchy–Schwarz 不等式:

(v′μ)2=[(A1/2v)′(A−1/2μ)]2≤(v′Av)(μ′A−1μ).(\mathbf v'\boldsymbol\mu)^2 =\bigl[(\mathbf A^{1/2}\mathbf v)'(\mathbf A^{-1/2}\boldsymbol\mu)\bigr]^2 \leq(\mathbf v'\mathbf A\mathbf v) (\boldsymbol\mu'\mathbf A^{-1}\boldsymbol\mu).

在 μ≠0\boldsymbol\mu\neq\mathbf0、允许任意正负因子权重且选择正期望方向时,等号要求 v=kA−1μ\mathbf v=k\mathbf A^{-1}\boldsymbol\mu,其中 k>0k>0。分别代入两种矩阵:

vIC‾∗∝Φ−1μIC,max⁡E(ICc)=μIC′Φ−1μIC,vIR∗∝ΩIC−1μIC,max⁡IRIC=μIC′ΩIC−1μIC.\begin{aligned} \mathbf v_{\overline{IC}}^* &\propto\boldsymbol\Phi^{-1}\boldsymbol\mu_{IC}, &\max E(IC_c)&=\sqrt{\boldsymbol\mu_{IC}'\boldsymbol\Phi^{-1}\boldsymbol\mu_{IC}},\\ \mathbf v_{IR}^* &\propto\boldsymbol\Omega_{IC}^{-1}\boldsymbol\mu_{IC}, &\max IR_{IC}&=\sqrt{\boldsymbol\mu_{IC}'\boldsymbol\Omega_{IC}^{-1}\boldsymbol\mu_{IC}}. \end{aligned}

这些是方向解,不是股票持仓解。令权重和为一仅用于展示;若方向向量的元素和不为正,强行除以该和可能反转目标方向,或者无法归一化。此时可按正范数定尺度;非负、权重上限或其他约束则需要另行优化。

将 μIC\boldsymbol\mu_{IC} 换成已经实现的 it\mathbf i_t,可以计算该期事后最大相关,但无法获得事前策略。实际预测使用训练期形成的 μ^IC,t\widehat{\boldsymbol\mu}_{IC,t} 和允许时点内估计的矩阵;样本均值、协方差和最优方向都具有估计误差。

3. 两因子例:较高平均 IC 不保证较高稳定性#

自拟一个固定参数模型,设平均 IC、分数相关和 IC 协方差为:

μIC=(0.060.04),Φ=(10.50.51),ΩIC=(0.01000.00100.00100.0016).\boldsymbol\mu_{IC}=\begin{pmatrix}0.06\\0.04\end{pmatrix}, \qquad \boldsymbol\Phi=\begin{pmatrix}1&0.5\\0.5&1\end{pmatrix}, \qquad \boldsymbol\Omega_{IC}=\begin{pmatrix}0.0100&0.0010\\0.0010&0.0016\end{pmatrix}.

两个 IC 的标准差为 0.100.10 和 0.040.04,时间序列相关为 0.001/(0.10×0.04)=0.250.001/(0.10\times0.04)=0.25,并不等于分数相关 0.50.5。两矩阵均正定。解线性方程并按正的权重和归一化:

Φ−1μIC≈(0.053333,0.013333)′,vIC‾∗=(0.8,0.2)′,ΩIC−1μIC≈(3.733333,22.666667)′,vIR∗=(14/99,85/99)′.\begin{aligned} \boldsymbol\Phi^{-1}\boldsymbol\mu_{IC} &\approx(0.053333,0.013333)', &\mathbf v_{\overline{IC}}^*&=(0.8,0.2)',\\ \boldsymbol\Omega_{IC}^{-1}\boldsymbol\mu_{IC} &\approx(3.733333,22.666667)', &\mathbf v_{IR}^*&=(14/99,85/99)'. \end{aligned}

以同一股票池、期限和风险调整口径比较,表内比率均未年化:

方法因子权重 (v1,v2)(v_1,v_2)复合 IC 均值复合 IC 标准差IRICIR_{IC}
等权(0.5,0.5)(0.5,0.5)0.0577350.0673300.857493
最大平均 IC(0.8,0.2)(0.8,0.2)0.0611010.0898680.679900
最大多期稳定性(0.141414,0.858586)(0.141414,0.858586)0.0456920.0429711.063328

最大平均 IC 给第一个因子更高权重,却同时承受更大的技能波动;最大稳定性方案主要配置第二个因子。表内只是给定参数下的理论计算,未包含参数误差、交易成本和股票持仓约束,不是三种实盘策略的绩效排名。

4. 相关性、负权重与近奇异风险#

对两个因子,令 μj\mu_j、σj\sigma_j 分别表示单因子 IC 均值与标准差,qj=μj/σjq_j=\mu_j/\sigma_j,ρ\rho 为两个 IC 序列的相关。无约束方向可写成:

v1∝q1−ρq2σ1(1−ρ2),v2∝q2−ρq1σ2(1−ρ2),IRIC∗=q12+q22−2ρq1q21−ρ2.\begin{aligned} v_1&\propto\frac{q_1-\rho q_2}{\sigma_1(1-\rho^2)},\\ v_2&\propto\frac{q_2-\rho q_1}{\sigma_2(1-\rho^2)},\\ IR_{IC}^*&=\sqrt{\frac{q_1^2+q_2^2-2\rho q_1q_2}{1-\rho^2}}. \end{aligned}

当 q1>q2>0q_1>q_2>0 且 ∣ρ∣<1|\rho|<1,第二个因子权重在 ρ=q2/q1\rho=q_2/q_1 处为零。超过该边界,无约束解对第二个因子取负权重;这表示在复合预测中反向使用它,不等于直接卖空某只股票。

图 7-2 另取 q1=1q_1=1、q2=0.5q_2=0.5,比较允许正负因子权重与仅允许非负因子权重的结果。曲线按公式生成,未连接 ρ=±1\rho=\pm1 的奇异点。

无约束 因子权重非负 最优 IR_IC q₁ = 1,q₂ = 0.5 1 1.25 1.5 -0.5 0 0.5 0.85 v₂ = 0 v₂ < 0 IC 序列相关 ρ
图 7-2:IC 相关与最优稳定性。

相关上升至 0.50.5 前,分散化收益减弱;超过 0.50.5,无约束曲线靠正负因子对冲回升,非负权重方案停留在单因子比率 11。因此,“相关越低,最优比率越高”不能不加条件地描述整个无约束区间。

接近奇异矩阵时,极大正负权重依赖对两个因子微小技能差的准确估计。应检查特征值或条件数,并比较删除重复因子、均值及协方差收缩、因子权重上限等处理;约束后的解须重新评价,不能把负权重截为零后仍称为无约束最优解。数值实现优先求解线性方程,而不是显式计算逆矩阵。

5. 无截距回归的代数桥梁#

将 TT 个已经完成的评价期排列成 C∈RT×M\mathbf C\in\mathbb R^{T\times M},每行为 it′\mathbf i_t'。令样本均值为 μ^\widehat{\boldsymbol\mu},并明确使用分母 TT 的中心化协方差 Ω^0\widehat{\boldsymbol\Omega}_0:

1TC′C=Ω^0+μ^μ^′.\frac1T\mathbf C'\mathbf C =\widehat{\boldsymbol\Omega}_0 +\widehat{\boldsymbol\mu}\widehat{\boldsymbol\mu}'.

以全一向量 1T\mathbf1_T 为因变量、C\mathbf C 为解释变量,运行无截距普通最小二乘回归。若 Ω^0\widehat{\boldsymbol\Omega}_0 正定,利用秩一更新恒等式,系数为:

b^=(C′C)−1C′1T=(Ω^0+μ^μ^′)−1μ^=Ω^0−1μ^1+μ^′Ω^0−1μ^.\begin{aligned} \widehat{\mathbf b} &=(\mathbf C'\mathbf C)^{-1}\mathbf C'\mathbf1_T\\ &=(\widehat{\boldsymbol\Omega}_0+ \widehat{\boldsymbol\mu}\widehat{\boldsymbol\mu}')^{-1} \widehat{\boldsymbol\mu}\\ &=\frac{\widehat{\boldsymbol\Omega}_0^{-1}\widehat{\boldsymbol\mu}} {1+\widehat{\boldsymbol\mu}'\widehat{\boldsymbol\Omega}_0^{-1}\widehat{\boldsymbol\mu}}. \end{aligned}

该系数与样本最优稳定性方向相同。若采用分母 T−1T-1 的样本协方差,需先乘 (T−1)/T(T-1)/T 才能代入上述等式;方向仍相同,但尺度公式不同。

此处每一行是一个评价期,因变量恒为一;它不是以股票未来收益为因变量的 Fama–MacBeth 回归。回归只是计算桥梁,普通回归标准误也不自动覆盖因子筛选、协方差估计、模型选择和时序依赖带来的全部权重不确定性。

第四节 正交化、残差 IC 与基底变换#

1. Gram–Schmidt 的共同信息分配#

Gram–Schmidt 正交化(Gram–Schmidt Orthogonalization):按照给定顺序,把每个变量在先前正交变量张成空间上的投影扣除,再标准化为单位长度或单位离散度的过程。对当期零均值、单位离散度的因子列 sj,t∈RNt\mathbf s_{j,t}\in\mathbb R^{N_t},采用截面内积 ⟨a,b⟩=a′b/(Nt−1)\langle\mathbf a,\mathbf b\rangle=\mathbf a'\mathbf b/(N_t-1):

s1,to=s1,t,ajk,t=⟨sj,t,sk,to⟩,ej,t=sj,t−∑k<jajk,tsk,to,sj,to=ej,t1−∑k<jajk,t2.\begin{aligned} \mathbf s_{1,t}^{o}&=\mathbf s_{1,t},\\ a_{jk,t}&=\langle\mathbf s_{j,t},\mathbf s_{k,t}^{o}\rangle,\\ \mathbf e_{j,t}&=\mathbf s_{j,t}-\sum_{k<j}a_{jk,t}\mathbf s_{k,t}^{o},\\ \mathbf s_{j,t}^{o} &=\frac{\mathbf e_{j,t}}{\sqrt{1-\sum_{k<j}a_{jk,t}^{2}}}. \end{aligned}

ajk,ta_{jk,t} 为投影系数,ej,t\mathbf e_{j,t} 为剩余分数;分母来自正交投影的方差分解。以上要求每一步剩余方差为正。完全冗余的因子没有新的线性方向,应删除;近冗余因子的归一化会放大噪声,应设定数值容差并检查条件数。

对两个分数,记相关为 ϕt\phi_t,则:

s2,to=s2,t−ϕts1,t1−ϕt2,⟨s1,t,s2,to⟩=0.\mathbf s_{2,t}^{o} =\frac{\mathbf s_{2,t}-\phi_t\mathbf s_{1,t}} {\sqrt{1-\phi_t^2}}, \qquad \langle\mathbf s_{1,t},\mathbf s_{2,t}^{o}\rangle=0.

先进入的因子保留共同部分,后进入的因子只保留尚未被解释的部分。改变顺序会改变“增量信息”归属;正交只表示这一截面内积为零,不表示统计独立或因果识别。数值实现可使用修正 Gram–Schmidt 或稳定的 QR 分解。

2. 残差 IC 不等于偏相关#

残差 IC(Residual IC):某个因子的分数对指定控制变量残差化后,与未作同样残差化的评价收益之间的相关。对两个标准化因子,以 c1,c2c_1,c_2 表示原始 IC,以 ϕ\phi 表示分数相关,剔除因子 1 后:

c2∣1res=c2−ϕc11−ϕ2,c2=ϕc1+1−ϕ2 c2∣1res.c_{2\mid1}^{\mathrm{res}} =\frac{c_2-\phi c_1}{\sqrt{1-\phi^2}}, \qquad c_2=\phi c_1+\sqrt{1-\phi^2}\,c_{2\mid1}^{\mathrm{res}}.

残差是否重新标准化不改变其相关,但会改变以它为解释变量时的回归系数尺度。由第二节的可行条件:

c12+(c2∣1res)2≤1.c_1^2+\bigl(c_{2\mid1}^{\mathrm{res}}\bigr)^2\leq1.

给定 c1c_1 后,残差 IC 的绝对值至多为 1−c12\sqrt{1-c_1^2},不能任意取满 [−1,1][-1,1]。

偏相关(Partial Correlation):把两个被考察变量均对同一组控制变量残差化后,两个残差之间的相关。若分数 2 与收益都剔除分数 1,且两端残差方差均为正,则:

c2,y∣1partial=c2−ϕc1(1−ϕ2)(1−c12).c_{2,y\mid1}^{\mathrm{partial}} =\frac{c_2-\phi c_1} {\sqrt{(1-\phi^2)(1-c_1^2)}}.

分母中额外的 1−c12\sqrt{1-c_1^2} 来自收益端的残差化。净化 alpha、残差 IC 和偏相关的区别取决于控制变量集合、回归内积及是否同时处理收益端,不能仅凭“已中性化”判断三者相同。

图 7-3 展示分解式中 c1c_1 与残差 IC 的系数,属于解析权重曲线。端点仅表示系数的极限,完全共线时标准化残差本身不存在。

共同项系数 残差项系数 分解系数 -1 0 1 -1 -0.5 0 0.5 1 0.8 0.6 φ = 0.8 分数相关 φ
图 7-3:共同项与残差项的系数。

分数相关为 0.80.8 时,两项系数为 0.80.8 和 0.60.6;高度相关的分数仍可能保留增量方向。但某项系数较大,不代表它实际提供更多预测信息,还要乘以相应 IC 并检查其跨期稳定性。

逐个把每个因子对“其余全部因子”残差化,不等同于顺序 Gram–Schmidt。两个因子相互残差化后,两个标准化残差之间的相关为 −ϕ-\phi,一般不为零;不能据此把残差 IC 的协方差矩阵设为对角矩阵。

3. 正交分数仍需估计 IC 协方差#

令 Sto\mathbf S_t^o 为标准化正交分数矩阵,ito\mathbf i_t^o 为其 IC 列向量。固定正交基底权重 vo\mathbf v^o 后:

(Sto)′StoNt−1=IM,ICc,to=(vo)′ito(vo)′vo.\frac{(\mathbf S_t^o)'\mathbf S_t^o}{N_t-1}=\mathbf I_M, \qquad IC_{c,t}^{o} =\frac{(\mathbf v^o)'\mathbf i_t^o} {\sqrt{(\mathbf v^o)'\mathbf v^o}}.

分母恒定,不再需要假设原始分数相关矩阵不变。仍须由相同正交顺序生成的历史序列重新估计 μICo=E(ito)\boldsymbol\mu_{IC}^{o}=E(\mathbf i_t^o) 与 ΩICo=Cov⁡(ito)\boldsymbol\Omega_{IC}^{o}=\operatorname{Cov}(\mathbf i_t^o),再求解 vo,∗∝(ΩICo)−1μICo\mathbf v^{o,*}\propto(\boldsymbol\Omega_{IC}^{o})^{-1}\boldsymbol\mu_{IC}^{o}。截面上两个分数不相关,不排除它们在相同市场状态下同时有效或失效。

主成分分析(Principal Component Analysis, PCA):按解释变量方差的大小寻找相互正交的线性组合。它可以构造另一种正交基底,但最大分数方差不等于最大预测能力。将主成分用于上述公式,还须缩放到单位离散度,并处理跨期符号、特征值排序和相近特征值对应子空间的旋转;删除主成分也会改变可用信息空间。

4. 等价的是配套变换后的模型#

采用“股票为行”的矩阵约定,设 Stnew=StA\mathbf S_t^{\mathrm{new}}=\mathbf S_t\mathbf A,其中 A∈RM×M\mathbf A\in\mathbb R^{M\times M} 固定且可逆,变换后各列仍按同一口径标准化。则:

itnew=A′it,μICnew=A′μIC,ΩICnew=A′ΩICA,vnew=A−1v.\begin{aligned} \mathbf i_t^{\mathrm{new}}&=\mathbf A'\mathbf i_t,\\ \boldsymbol\mu_{IC}^{\mathrm{new}}&=\mathbf A'\boldsymbol\mu_{IC},\\ \boldsymbol\Omega_{IC}^{\mathrm{new}}&=\mathbf A'\boldsymbol\Omega_{IC}\mathbf A,\\ \mathbf v^{\mathrm{new}}&=\mathbf A^{-1}\mathbf v. \end{aligned}

预测不变,因为 Stnewvnew=Stv\mathbf S_t^{\mathrm{new}}\mathbf v^{\mathrm{new}}=\mathbf S_t\mathbf v。在固定分数相关、完整保留基底且可行约束同步转换的条件下,原始与残差基底的最优复合预测只是同一模型的不同坐标表达,正交化没有凭空创造信息。

若每期使用 At\mathbf A_t,固定新权重对应原始权重 vt=Atvnew\mathbf v_t=\mathbf A_t\mathbf v^{\mathrm{new}},原始权重随时间变化。它不再属于原始分数的固定权重模型;若又对两套权重分别施加相同的非负限制,其可行预测集合也通常不同。这两种变化都可能改变预测、换手和成本。

第五节 回归预测、跨期推断与样本外实施#

1. OLS 系数与原始设计矩阵#

普通最小二乘回归(Ordinary Least Squares, OLS):通过最小化残差平方和估计线性关系的方法。固定特征日期 ss,以股票为观测单位,回归随后实现的评价收益:

yi,s+1=as+si,s′γs+εi,s+1.y_{i,s+1}=a_s+\mathbf s_{i,s}'\boldsymbol\gamma_s+\varepsilon_{i,s+1}.

si,s∈RM×1\mathbf s_{i,s}\in\mathbb R^{M\times1} 是股票 ii 在 ss 时可得的分数,γs\boldsymbol\gamma_s 为截面斜率,asa_s 为截距。yy 的收益和风险调整口径必须固定;只有 yi,s+1y_{i,s+1} 实现后,才能估计 a^s\widehat a_s 和 γ^s\widehat{\boldsymbol\gamma}_s。

对共同截面、已中心化且单位离散度的分数,若相关矩阵 Φs\boldsymbol\Phi_s 可逆,正规方程给出:

γ^s=(Ss′Ss)−1Ss′ys+1=Φs−1is dy,s+1.\widehat{\boldsymbol\gamma}_s =(\mathbf S_s'\mathbf S_s)^{-1}\mathbf S_s'\mathbf y_{s+1} =\boldsymbol\Phi_s^{-1}\mathbf i_s\,d_{y,s+1}.

is\mathbf i_s 为各单因子对同一收益的 Pearson IC,dy,s+1d_{y,s+1} 为收益截面标准差。有截距时,中心化分数使斜率可直接写成上式;截距等于收益截面均值。单因子情形退化为 γ^s=ICsdy,s+1\widehat\gamma_s=IC_s d_{y,s+1}。多因子系数控制了其他列的共同信息,所以一般不等于各单因子 IC 乘收益离散度。

回归预测仍使用对应的原始设计矩阵。 若在决策时点 tt 已由允许的历史数据得到预测系数 γ^∣t\widehat{\boldsymbol\gamma}_{\mid t},则:

y^i,t+1∣t=a^∣t+si,t′γ^∣t.\widehat y_{i,t+1\mid t} =\widehat a_{\mid t}+\mathbf s_{i,t}'\widehat{\boldsymbol\gamma}_{\mid t}.

“控制其他变量后的边际关系”解释的是系数含义,不要求把全部解释变量改成残差后再乘同一组系数。软件实现中的预测输入也就是系数和与之配套的设计矩阵(statsmodels,OLS.predict)。1

2. 残差化解释与 FWL 恒等式#

Frisch–Waugh–Lovell 定理(Frisch–Waugh–Lovell Theorem, FWL):在线性最小二乘回归中,将目标解释变量和因变量对其余解释变量残差化,再回归所得斜率,与完整回归中目标变量的斜率相同。

固定一个截面,令 Z\mathbf Z 包含常数、风险控制变量和其余 alpha 因子,sj\mathbf s_j 为待解释的一列分数。若 Z\mathbf Z 满列秩,定义:

MZ=IN−Z(Z′Z)−1Z′,ej=MZsj.\mathbf M_Z=\mathbf I_N-\mathbf Z(\mathbf Z'\mathbf Z)^{-1}\mathbf Z', \qquad \mathbf e_j=\mathbf M_Z\mathbf s_j.

MZ\mathbf M_Z 为 N×NN\times N 残差生成矩阵,ej\mathbf e_j 为目标因子的残差。由于 ej′Z=0\mathbf e_j'\mathbf Z=\mathbf0 且 MZ\mathbf M_Z 对称、幂等,完整回归的正规方程可以化为:

γ^j=ej′yej′ej=ej′MZyej′ej=cjresdydej.\widehat\gamma_j =\frac{\mathbf e_j'\mathbf y}{\mathbf e_j'\mathbf e_j} =\frac{\mathbf e_j'\mathbf M_Z\mathbf y}{\mathbf e_j'\mathbf e_j} =c_j^{\mathrm{res}}\frac{d_y}{d_{e_j}}.

最后一式要求残差和收益方差为正;cjresc_j^{\mathrm{res}} 是残差对未残差化收益的相关,dejd_{e_j}、dyd_y 是二者截面标准差。该等式保留了多元回归的增量解释,但单个系数不是某个原始因子独立运行的组合收益,也不是现有持仓的绩效归因。

自拟两个标准化分数,c1=0.06c_1=0.06、c2=0.04c_2=0.04、ϕ=0.8\phi=0.8,评价收益标准差为 dy=5%d_y=5\%。第二个残差 IC 为:

c2∣1res=0.04−0.8(0.06)1−0.82≈−0.013333.c_{2\mid1}^{\mathrm{res}} =\frac{0.04-0.8(0.06)}{\sqrt{1-0.8^2}} \approx-0.013333.

两项 OLS 系数为:

γ^1=0.06−0.8(0.04)1−0.82(0.05)≈0.003888889,γ^2=0.04−0.8(0.06)1−0.82(0.05)≈−0.001111111.\widehat\gamma_1 =\frac{0.06-0.8(0.04)}{1-0.8^2}(0.05) \approx0.003888889, \qquad \widehat\gamma_2 =\frac{0.04-0.8(0.06)}{1-0.8^2}(0.05) \approx-0.001111111.

两个原始 IC 均为正,第二个增量系数仍可为负。若截距为零,一只股票的原始分数为 (1,1)(1,1),配套的拟合收益为 γ^1+γ^2≈0.277778%\widehat\gamma_1+\widehat\gamma_2\approx0.277778\%,约为 27.777827.7778 个基点。这是截面拟合演示,不是可在标签实现前取得的预测。

将两个分数分别对对方残差化并标准化后,该股票的两个新分数均为 1/31/3。若错误沿用原系数,只得到约 9.25939.2593 个基点;正确的新系数为 (0.005,1/300)(0.005,1/300),乘回新分数才恢复约 27.777827.7778 个基点。改变解释变量基底而不改变系数,才是这里的错误。

3. Fama–MacBeth 的两种迭代维度#

Fama–MacBeth 回归(Fama–MacBeth Regression):逐期估计截面回归系数,再对系数的时间序列均值进行推断的程序。第一步固定一期、跨股票拟合;第二步固定模型规则、跨已经完成的评价期汇总。数据具有“股票 × 时间”结构,不等于必须使用合并面板回归。

令 γ^j,s\widehat\gamma_{j,s} 为第 ss 个截面估计的第 jj 项系数,共有 TT 个可用评价期。检验 H0:E(γ^j,s)=0H_0:E(\widehat\gamma_{j,s})=0 时:

γˉj=1T∑s=1Tγ^j,s,tFM,j=γˉjSE⁡^(γˉj).\bar\gamma_j=\frac1T\sum_{s=1}^{T}\widehat\gamma_{j,s}, \qquad t_{FM,j}=\frac{\bar\gamma_j}{\widehat{\operatorname{SE}}(\bar\gamma_j)}.

若各期系数独立、具有稳定均值和有限方差,样本标准差记为 sγ,js_{\gamma,j},则 SE⁡^(γˉj)=sγ,j/T\widehat{\operatorname{SE}}(\bar\gamma_j)=s_{\gamma,j}/\sqrt T。例如四期系数为 1%,2%,0,1%1\%,2\%,0,1\%,均值为 1%1\%,样本标准差为 0.816497%0.816497\%,均值标准误为 0.408248%0.408248\%,所以 t=2.449490t=2.449490,而不是均值除以标准差所得的 1.2247451.224745。

若系数或收益标签存在跨期相关,应采用适合该依赖结构的异方差与自相关稳健标准误(Heteroskedasticity and Autocorrelation Consistent, HAC)。令 Γℓ=Cov⁡(γ^s,γ^s−ℓ)\boldsymbol\Gamma_\ell=\operatorname{Cov}(\widehat{\boldsymbol\gamma}_s,\widehat{\boldsymbol\gamma}_{s-\ell}),平稳且自协方差可加总时,长期协方差为:

Lγ=Γ0+∑ℓ=1∞(Γℓ+Γℓ′),Var⁡(γˉ)≈LγT.\mathbf L_\gamma =\boldsymbol\Gamma_0+ \sum_{\ell=1}^{\infty}(\boldsymbol\Gamma_\ell+\boldsymbol\Gamma_\ell'), \qquad \operatorname{Var}(\bar{\boldsymbol\gamma})\approx\frac{\mathbf L_\gamma}{T}.

样本实现使用有限带宽和核权重估计该对象;重叠期距是带宽选择的依据之一,不是其唯一依据。单期股票异方差、系数跨期自相关与标签重叠属于不同问题,不能用同一个“稳健”标签替代说明。linearmodels 的 Fama–MacBeth 协方差实现同样以逐期系数为对象,并区分是否处理自相关。2

在系数与残差 IC 之间的比例因子 dy/ded_y/d_e 为正常数、各期独立,且残差 IRICIR_{IC} 使用同一样本均值和样本标准差计算时,tFM=T IRICrest_{FM}=\sqrt T\,IR_{IC}^{\mathrm{res}};比例因子时变或采用相关稳健标准误后,这一简式不再成立。股票数影响一期截面估计的精度,但不能代替第二步的独立时间样本数。

资产定价检验中的解释变量可以是事先估计的风险暴露,系数对应所设定模型中的风险价格;特征预测研究则检验事前特征与未来收益的增量关系。解释变量含有估计误差时还需检查相应推断修正。显著平均系数不自动证明因果、风险补偿机制、最优因子权重或成本后可交易性。

4. 预测系数、IC 配置与模型选择#

把截面回归用于预测,可以在完成的历史评价期上平均或按预定规则更新系数,再将它们施加到同一设计矩阵。该方法以估计收益关系为任务,不自动优化 IRICIR_{IC}。只有在分数相关和收益离散度均固定等特定条件下,平均 OLS 斜率才与最大平均 IC 的方向相联系。

若任务改为优化正交因子或残差因子的 IRICIR_{IC},必须先生成相同基底的完整历史分数与 IC 序列,重新估计其均值和协方差,再求配置权重。用回归系数恢复残差 IC 时,应逐期计算 cj,sres=γ^j,sdej,s/dy,s+1c_{j,s}^{\mathrm{res}}=\widehat\gamma_{j,s}d_{e_j,s}/d_{y,s+1};不能忽略两个离散度的变化。

另一种评价方法是先给定一组因子权重,形成一个复合分数,再与风险控制变量一起做逐期回归。此时检验的是复合预测剔除风险变量后的增量关系,没有“其他 alpha 因子”这一组额外控制。比较候选权重仍属于模型选择,不能反复搜索最高样本内 tt 统计量,再把同一期间称为独立测试集。

IRICIR_{IC} 的定义始终是单期 IC 均值除以单期标准差;存在自相关不会自动改变定义。长期协方差用于均值标准误和累计表现的长期方差,是另一个对象。按每年 KK 期乘 K\sqrt K 年化,需要非重叠、适当稳定及跨期不相关等条件;若以长期风险为优化目标,应另外声明目标及其协方差,而不是悄悄替换单期 ΩIC\boldsymbol\Omega_{IC}。

5. 按可得信息推进样本外组合#

在决策时点 tt 更新模型,只能使用标签已结束的历史截面:s+H≤ts+H\leq t。特征处理保留当时的股票池、可用财报、行业分类和风险估计;各因子的 IC 及相关矩阵尽量使用共同股票样本。同一时点对已可得截面中心化并不天然构成泄漏,但跨期拟合的插补参数、筛选规则和收缩强度必须服从训练边界。

训练期估计分数相关的时变程度、IC 均值及协方差;验证期选择权重约束、正交顺序、窗口和更新频率。对重叠前瞻标签,分割时检查收益覆盖区间并剔除跨越边界的训练标签,不能仅按特征日期随机切分。等权、单因子和固定简单权重应与复杂模型使用相同的股票池、期限、风险目标及成本设定。

测试阶段锁定方法,逐期用当时可得分数形成 ct\mathbf c_t。若相关时变,使用当期实际 τt\tau_t 形成归一化分数,并在收益实现后直接计算复合 IC;不要用期末估计的相关矩阵回填历史。若要输出收益率预测,还需在训练信息内校准分数与目标收益的尺度,不能把一个无量纲 zz 分数直接当作预期收益率。

股票层构建接收 alpha 预测、资产风险协方差、基准、持仓约束与成本,而不是仅接收因子权重。换手应从计入漂移后的实际持仓计算;正交化和标准化造成的隐含权重变化,也须进入第 8 章的换手评价。最后分别报告复合 IC、真实主动收益与跟踪误差、约束损耗、换手、费用和容量。只有在这些接口下仍保留优势,预测层的分散化才转化为可实现的净组合收益。

Footnotes#

  1. statsmodels 官方文档,OLS.predict,查阅日期:2026-10-07。 ↩

  2. linearmodels 官方文档,FamaMacBethCovariance,查阅日期:2026-10-07。 ↩

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罗小饭
AI 软件开发工程师,热爱编程、开源与折腾,长期记录 AI、网络、软路由、博客搭建和云服务实践中的经验与思考。
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