Forecasting the Return and Volatility of Financial Instruments with Fuzzy Inference Systems and ARMA-GARCH Models

Cover Page

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A modification of the GARCH model based on fuzzy inference system (FIS) is applied to the problem of returns and volatility forecasting of financial instruments. The proposed modification allows for the skewness and multiple clusters of volatility. It also performs a fuzzy switching between clusters and dynamically adapts their structure. Such an approach gives the opportunity to account for different volatility behavior under diverse conditions. Furthermore, with FIS-type models it is possible to incorporate large number of affecting factors without explicitly adding them to the model. These models also allow for estimation and dynamic adjustments of the affecting degree of these factors. First, for a series of instrument returns an ARMA model is built, then its residuals are used to calibrate the FIS-GARCH model which is further used to forecast volatility. More than 35 samples are examined, all of which are daily quotes of Russian financial market instruments. The stock, bond and money markets were studied. Calculations showed that for some time series, especially for stock market instruments, the fuzzy approach offers a result that exceeds the original autoregressive — conditional heteroskedasticity model. For several time series fuzzy system helps improve the forecast accuracy (it is also supported by statistical criteria). However, in most cases forecast errors of models with fuzziness and without such are comparable. One may state that due to their features fuzzy systems have a potential in forecasting returns and volatility on stock markets.

About the authors

V. A. Sviyazov

Market Risk Department, Sberbank

Email: v.sviyazov.96@gmail.com
Moscow, Russia

References

  1. Пегат А. (2013). Нечеткое моделирование и управление. 2-е изд. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. [Пегат А. (2013). Fuzzy modeling and control. 2nd ed. Moscow: BINOM. Laboratorija znanii (in Russian).]
  2. Свиязов В. А. (2023). Существует ли эффект выходного дня: исследование российского фондового рынка с помощью нечетких систем // Экономический журнал Высшей школы экономики. Т. 27. № 3. С. 412–434. doi: 10.17323/1813-8691-2023-27-3-412-434 [Sviyazov V. A. (2023). Is there a weekend effect? Russian stock market research based on fuzzy systems. The HSE Economic Journal, 27, 3, 412–434. doi: 10.17323/1813-8691-2023-27-3-412-434 (in Russian).]
  3. Шведов А. С. (2018). Аппроксимация функций с помощью нейронных сетей и нечетких систем // Проблемы управления. № 1. С. 21–29. ISSN: 1819–3161. [Shvedov A. S. (2018). Functions approximation with neural networks and fuzzy systems. Control Sciences, 1, 21–29. ISSN: 1819–3161 (in Russian).]
  4. Angelov P. (2010). Evolving Takagi–Sugeno fuzzy systems from streaming data (eTS+). Evolving Intelligent Systems: Methodology and Applications, 21–50. doi: 10.1002/9780470569962.CH2
  5. Angelov P., Filev D. (2004). An approach to online identification of Takagi–Sugeno fuzzy models. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B (Cybernetics), 34, 1, 484–498. doi: 10.1109/TSMCB.2003.817053
  6. Baczyński M., Jayaram B. (2008). Fuzzy implications. Berlin, Heidelberg: Springer.
  7. Bollerslev T. (1986). Generalized autoregressive conditional heteroskedasticity. Journal of Econometrics, 31, 3, 307–327. ISSN: 0304-4076. doi: 10.1016/0304-4076 (86)90063-1
  8. Diebold F. X., Mariano R. S. (1995). Comparing predictive accuracy. Journal of Business and Economic Statistics, 13, 3, 253–263. ISSN: 15372707. doi: 10.1080/07350015.1995.10524599
  9. Engle R. F. (1982). Autoregressive conditional heteroscedasticity with estimates of the variance of United Kingdom inflation. Econometrica, 50, 4, 987–1007.
  10. Engle R. F., Ng V. K. (1993). Measuring and testing the impact of news on volatility. The Journal of Finance, 48, 5, 1749–1778. ISSN: 00221082, 15406261.
  11. Hung J. C. (2009). A fuzzy asymmetric GARCH model applied to stock markets. Information Sciences, 179, 22, 3930– 3943. ISSN: 0020-0255. doi: 10.1016/J.INS.2009.07.009
  12. Jagannathan R., Glosten L., Runkle D. (1993). On the relation between the expected value and the volatility of the nominal excess return on stocks. Journal of Finance, 48, 1779–1801. doi: 10.1111/j.1540-6261.1993.tb05128.x
  13. Kostenetskiy P., Chulkevich R., Kozyrev V. (2021). HPC resources of the Higher School of Economics. Journal of Physics: Conference Series, 1740, 1, 012050. doi: 10.1088/1742-6596/1740/1/012050
  14. Luna I., Ballini R. (2012). Adaptive fuzzy system to forecast financial time series volatility. Journal of Intelligent and Fuzzy Systems, 23, 27–38. doi: 10.3233/IFS-2012–0491
  15. Maciel L., Gomide F., Ballini R. (2013). Enhanced evolving participatory learning fuzzy modeling: An application for asset returns volatility forecasting. Evolving Systems, 5, 1–14. doi: 10.1007/s12530-013-9099-0
  16. Sentana E. (1995). Quadratic ARCH Models. The Review of Economic Studies, 62, 4, 639–661. ISSN: 00346527, 1467937X.
  17. Sugeno M., Kang G. (1988). Structure identification of fuzzy model. Fuzzy Sets and Systems, 28, 1, 15–33. ISSN: 0165-0114. doi: 10.1016/0165-0114 (88)90113-3
  18. Takagi T., Sugeno M. (1985). Fuzzy identification of systems and its applications to modeling and control. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, SMC-15, 1, 116–132. doi: 10.1109/TSMC.1985.6313399
  19. Tan L., Wang S., Wang K. (2017). A new adaptive network-based fuzzy inference system with adaptive adjustment rules for stock market volatility forecasting. Information Processing Letters, 127, 32–36. doi: 10.1016/j.ipl.2017.06.012
  20. Thavaneswaran A., Liang Y., Zhu Z., Thulasiram Ruppa K. (2020). Novel data-driven fuzzy algorithmic volatility forecasting models with applications to algorithmic trading. 2020 IEEE International Conference on Fuzzy Systems (FUZZ–IEEE), 1–8. doi: 10.1109/FUZZ48607.2020.9177735
  21. Troiano L., Mejuto E., Kriplani P. (2017). An alternative estimation of market volatility based on fuzzy transform. IFSA-SCIS2017 — Joint 17th World Congress of International Fuzzy Systems Association and 9th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems, 1–6. doi: 10.1109/IFSA-SCIS.2017.8023316
  22. Tsay R. S. (2010). Analysis of Financial Time Series. 3rd ed. Hoboken (New Jersey): John Wiley & Sons.
  23. Zadeh L. (1965). Fuzzy sets. Information and Control, 8, 3, 338–353. ISSN: 0019-9958. doi: 10.1016/S0019-9958 (65)90241-X
  24. Zakoian J.-M. (1994). Threshold heteroskedastic models. Journal of Economic Dynamics and Control, 18, 5, 931–955. ISSN: 0165-1889. doi: 10.1016/0165-1889 (94)90039-6

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».