• Aucun résultat trouvé

Estimating parameters for a k-GIGARCH process

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Partager "Estimating parameters for a k-GIGARCH process"

Copied!
7
0
0

Texte intégral

(1)

HAL Id: halshs-00188531

https://halshs.archives-ouvertes.fr/halshs-00188531

Submitted on 17 Nov 2007

HAL is a multi-disciplinary open access

archive for the deposit and dissemination of

sci-entific research documents, whether they are

pub-lished or not. The documents may come from

teaching and research institutions in France or

abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est

destinée au dépôt et à la diffusion de documents

scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,

émanant des établissements d’enseignement et de

recherche français ou étrangers, des laboratoires

publics ou privés.

Estimating parameters for a k-GIGARCH process

Abdou Kâ Diongue, Dominique Guegan

To cite this version:

Abdou Kâ Diongue, Dominique Guegan. Estimating parameters for a k-GIGARCH process. Comptes

rendus de l’Académie des sciences. Série I, Mathématique, Elsevier, 2004, 339, pp.435 - 440.

�halshs-00188531�

(2)

Estimating parameters of a k-factor GIGARCH process.

Estimation des paramètres d'un processus GIGARCH à k

facteurs.

Abdou Kâ DIONGUE

a,b

, Dominique GUEGAN

a

aENS Cachan IDHE-MORA, UMR CNRS 8533, 61, avenue du président Wilson 94231 Cachan cedex.

Tel: 01-47-40-55-75; Fax: 01-47-40-24-60.

bEDF R&D, 1 avenue du général de gaulle 92141 Clamart cedex.

Tel: 01-47-65-53-61; Fax: 01-47-65-30-37.

Abstract

Some crucial time series of market data, such as electricity spot prices, exhibit long-memory, in the sense of slowly-decaying correlations combined with heteroskedasticity. To be able to modelized such a behaviour, we consider in this Note the k-factor GIGARCH process and we propose two methods to address the related parameter estimation problem. For each method, we develop the asymptotic theory for estimation. To cite this article: A.K. Diongue, D. Guégan C. R. Acad. Sci. Paris, Ser. I 336 (2003).

Résumé

Plusieurs données de marché, telles que les prix spot de l'électricité, présentent de la longue mémoire, au sens de la décroissance hyperbolique des autocorrélations combinée avec un phénomène d'hétéroskédasticité. Pour modéliser de tels comportements, nous considérons dans cette Note les processus GIGARCH à k facteurs et nous proposons deux méthodes d'estimation des paramètres de ce modèle. Enn, nous développons les propriétés asymptotiques de ces estimateurs. Pour citer cet article : A.K. Diongue, D. Guégan C. R. Acad. Sci. Paris, Ser. I 336 (2003).

Version française abrégée

Dans cette Note, nous nous intéressons à l'estimation des paramètres d'un processus GIGARCH à k facteurs par la méthode des moindres carrés conditionnels (CSS) et la méthode du maximum de vraisem-blance de Whittle. Ce processus déni par les équations (1)-(2) a été introduit et étudié dans les articles

Email addresses: abdou-ka.diongue@edf.fr (Abdou Kâ DIONGUE), guegan@ecogest.ens-cachan.fr (Dominique GUEGAN).

(3)

de Guégan [7], [8]. Soit {Xt}Tt=1 un processus GIGARCH à k facteurs stationnaire deni par les

equa-tions (1)-(2). Posons γ = (φ1, · · · , φp, θ1, · · · , θq, d1, · · · , dk), δ = (a0, a1, · · · , ar, b1, · · · , bs)et ω = (γ, δ).

Supposons que ω0 = (γ0, δ0) soit la vraie valeur du paramètre ω et se trouve à l'intérieur du compact

Θ ⊆ Rp+q+k+r+s+1. Nous supposons, dans toute la suite, que toutes les G-fréquences sont connues. Dans le Théorème 2.1, nous donnons les propriétés asymptotiques de l'estimateur des paramètres par la mé-thode CSS. Les propriétés asymptotiques des estimateurs des paramètres par la mémé-thode de Whittle sont fournies dans le Théorème 2.2 pour les paramètres de mémoire longue et de mémoire courte homoscédas-tiques et dans le Théorème 2.3 pour les paramètres hétéroscédashomoscédas-tiques.

Théorème 2.1 Soit {Xt} T

t=1 un processus generé par les équations (1)-(2). Supposons que a0 > 0,

a1, · · · , ar, b1, · · · , bs≥ 0, r X i=1 ai+ s X i=1 bi< 1, E ε4t < ∞, 0 < di< 12 si |νi| < 1, ou 0 < di<14 si |νi| = 1

pour i = 1, · · · , k et toutes les racines de φ (B) et θ (B) soient en dehors du cercle unité. Si les fréquences νi sont connues alors

(i) Il existe un estimateur CSS ˆωT satisfaisant ∂L(ω)∂ω = 0 et ˆωT P

→ ω0 quand T → ∞.

(ii) √T (ˆωT − ω0) D

→ N 0, Ω−10 

quand T → ∞, avec Ω0= diag (Ωγ0, Ωδ0).

(iii) De plus, les estimateurs consistants des matrices d'information Ωγ et Ωδ sont donnés en (5).

Théorème 2.2 Soit {Xt} T

t=1 un processus déni par les équations (1)-(2). Supposons vériées les

hypo-thèses du Théorème (2.1). Alors, les estimateurs de Whittle des paramètres γ sont tels que : (i) ˆγT p.s → γ0 quand T → ∞. (ii) √T ( ˆαT − α0) D → N0, 4πV (α0)−1 

, quand T → ∞, où α = (φ1, · · · , φp, θ1, · · · , θq), et où V (α)ij

est déni par l'équation (6). (iii) √T ˆdT− d

 D

→ N0, 4πV (d)−1, où V (d)ij est donnée en (7) Théorème 2.3 Soit {Xt}

T

t=1un processus déni par les équations (1)-(2). Supposons vériées les

hypo-thèses du Théorème (2.1). Alors

(i) Sous (H0)(J = 4) et (H1), on a ˆδT P → δ0, quand T → ∞. (ii) Sous (H0)(J = 8),(H1)et (H2), on a √ T ˆδT − δ0  D → N 0, 2W−1+ W−1V W−1 , quand T → ∞,

où V est donné en (9) 1. Introduction

Assume that (ξt)t∈Zis a white noise process with unit variance and let the polynomials φ (B) and θ (B)

denote the ARMA operators. Let B denote the backshift operator and 0 < di< 12if |νi| < 1or 0 < di< 14

if |νi| = 1for i = 1, · · · , k. We dene a centered k-factor GIGARCH process (Xt)t∈Z by, ∀ t

φ (B) k Y i=1 I − 2νiB + B2 di Xt= θ (B) εt, (1) 2

(4)

where εt= p htξt, with ht= a0+ r X i=1 aiεt−i+ s X i=1 biht−i. (2)

For i = 1, · · · , k, the frequencies λi = arccos (νi)are called the Gegenbauer frequencies (or G-frequencies).

The process dened by the equations (1)-(2) was introduced by Guégan (see [7] and [8]). In the following section, we provide some results related to the asymptotic properties of the k-factor GIGARCH process estimators, obtained by two methods: the conditional sum of squares and the Whittle approach.

2. Asymptotic theory for estimation

Given a stationary k-factor GIGARCH process {Xt}Tt=1 dened by the equations (1)-(2). We denote

γ = (φ1, · · · , φp, θ1, · · · , θq, d1, · · · , dk), δ = (a0, a1, · · · , ar, b1, · · · , bs) and ω = (γ, δ) its parameters. We

assume that ω0= (γ0, δ0)is the true value of ω and is in the interior of the compact set Θ ⊆ Rp+q+k+r+s+1.

Let us assume that all the G-frequencies are known. 2.1. Conditional Sum of Squares estimation

The conditional sum of squares estimator ˆωT of ω in Θ maximizes the conditional logarithmic likelihood

L (ω)on F0, where Ftis the σ-algebra generated by (Xs, s ≤ t). If we assume that the innovations (εt)t∈Z

have a conditional Gaussian distribution then the conditional log-likelihood is dened by: L (ω) = 1 T T X t=1 `t, `t= − 1 2log (ht) − ε2 t 2ht . (3)

Now, if we assume that the innovations (εt)t∈Z have a conditional Student distribution with l degrees of

freedom, then the CSS estimator ˆωT maximizes the likelihood function L (ω) dened by

L(ω) = T  log Γ (l + 1) 2  − log Γ l 2  −1 2log (l − 2)  −1 2 T X t=1  log(ht) + (l + 1)  log(1 + ε 2 t ht(l − 2) )  . (4)

In the following Theorem, L (ω) represents the log likelihood introduced in (3) or in (4).

Theorem 2.1 Suppose that the process (Xt)t∈Zis generated by equations (1)-(2). Assume that a0 >

0, a1, · · · , ar, b1, · · · , bs ≥ 0, P r

i=1ai+P s

i=1bi < 1, E ε4t < ∞, 0 < di < 12 if |νi| < 1 or 0 < di < 14

if |νi| = 1for i = 1, · · · , k and all roots of the polynomials φ (B) and θ (B) lie outside the unit circle. Then

(i) There exists a CSS estimator ˆωT that satises ∂L(ω)∂ω = 0 and ˆωT P

→ ω0 as T → ∞.

(ii) √T (ˆωT − ω0) D

→ N 0, Ω−10  as T → ∞, where P

→ and →D denotes respectively the convergence in probability and in distribution. Furthermore, Ω0 = diag (Ωγ0, Ωδ0) and Ωγ0 and Ωδ0 are values of

Ωγ and Ωδ at ω = ω0, with Ωγ = E h 1 ht ∂εt ∂γ ∂εt ∂γT + 1 2h2 t ∂ht ∂γ ∂ht ∂γTi and Ωδ = E h 1 2h2 t ∂ht ∂δ ∂ht ∂δTi.

(5)

(iii) The information matrices Ωγ and Ωδ can be estimated consistently by ˆ Ωγ = 1 T T X t=1  1 ht ∂εt ∂γ ∂εt ∂γT + 1 2h2 t ∂ht ∂γ ∂ht ∂γT  and ˆΩδ= 1 T T X t=1  1 2h2 t ∂ht ∂δ ∂ht ∂δT  . (5)

The proof is given in Section 3 for the Gaussian case and details can be found in Diongue, Guégan and Vignal [4]. Note that, if the innovations (εt)t∈Zhave a conditional Student distribution with l degrees of

freedom, then the proof can easily done using the same steps as in Section 3. 2.2. Whittle estimation

In this paragraph, we investigate the Whittle's method to estimate all parameters of the k-factor GIGARCH process dened by equations (1)-(2). The rst step consists to estimate the long-memory pa-rameters d = (d1, · · · , dk)and the ARMA(p, q) parameters α = (φ1, · · · , φp, θ1, · · · , θq)using the Whittle's

approach (for more details, see Chung [2], [3] and Ferrara and Guégan chapter 8 of [5]). In the second step, the GARCH(r, s) parameters δ = (a0, a1, · · · , ar, b1, · · · , bs)are estimated using Whittle's method

applied to the residuals of the long-memory process (see Giraitis and Robinson [6] for more details). Theorem 2.2 Let {Xt}

T

t=1be a k-factor GIGARCH process dened by equations (1)-(2). Let us assume

that the same hypothesis given in Theorem (2.1) are veried. Then (i) ˆγT a.s → γ0 as T → ∞. (ii) Furthermore:√T ( ˆαT − α0) D → N0, 4πV (α0) −1 , as T → ∞, Where, V (α)ij = π Z −π g2(λ, ω)∂g −1(λ, ω) ∂αi ∂g−1(λ, ω) ∂αj dλ. (6)

Here g (λ, ω) denotes the spectral density of the process (Xt)t∈Z.

(iii) Moreover √T ˆdT − d  D → N0, 4πV (d)−1,with V (d)ij = π Z −π log 4 sin (λ − λi) 2  sin (λ + λi) 2  log 4 sin (λ − λj) 2  sin (λ + λj) 2  dλ. (7) The Theorem 2.2 follows from the proof of Hosoya's Theorem 2.3 ([9]).

To estimate the GARCH(r, s) parameters δ, we consider the process ε2 t



t∈Z in its ARMA

represen-tation. This means that we can rewritte (2) as: ε2 t− max(r,s) X i=1 (ai+ bi) ε2t−i = a0+ υt− s X j=1 bjυt−j, where

bi = 0if i ∈ (s, r] and ai= 0if i ∈ (r, s]. The process (υt)t∈Zdened by υt= ε2t− ht constitutes a white

noise sequence with mean zero and variance σ2. We introduce now some complementary assumptions to

get the consistency and asymptotic normality of ˆδT:

(H0). For t = 0, ±1, . . ., the process (ξt)t∈Z introduced in equation (2), is strictly stationary, ergodic

(6)

with nite Jth moment and E(ξt|Ft−1) = 0, E(ξt2|Ft−1) = 1, and E(ξ2jt |Ft−1) = υ2j almost-surely, with

j = 2, · · · ,J2,where υ2j are constants such that |υJ|

2 J r X i=1 ai+ s X i=1 bi ! < 1. (H1). (i) Rπ

−πlog f (λ, δ) dλ = 0, for all δ, with f (λ, δ) the spectral density of the process (εt)t∈Z.

(ii) f (λ, δ)−1 is continuous in (λ, δ) ∈ [−π, π] × Λ, where Λ ⊂ Rr+s+1 is a compact.

(iii) µL({λ; f (λ, δ) 6= f (λ, δ0)}) ≥ 0, for δ ∈ Λ with µL the Lebesgue measure.

(H2).

(i) δ0 is an interior point of Λ and in a neighborhood of δ0, ∂f (λ,δ)

−1

∂δ and

∂2f (λ,δ)−1

∂δ∂δT exist and are

continuous in λ and δ. (ii) ∂f (λ,δ0)−1

∂δ is K-Lipchitzienne with K > 1 2.

(iii) The matrix W given by W = 1 2π π Z −π ∂ log f (λ, δ0) ∂δ ∂ log f (λ, δ0) ∂δT dλ (8) is non singular.

Theorem 2.3 Let (Xt)t∈Zbe a stationary, causal and invertible process dened by the equations (1)-(2).

(i) Under (H0) with J = 4 and (H1), ˆδT P

→ δ0, as T → ∞.

(ii) Under (H0) with J = 8, (H1) and (H2),

√ T ˆδT − δ0  D → N 0, 2W−1+ W−1V W−1 , as T → ∞. Here V is given by V = 2π σ2 π Z −π π Z −π ∂f (λ, δ0)−1 ∂δ ∂f (ω, δ0)−1 ∂δT h (λ, −ω, ω) dλdω, (9) with h (λ, ω, υ) = 1 8π3 +∞ X j,k,l=−∞

eijλ−ikω−ilυCum (ε0, εj, εk, εl), and Cum is the order four's cumulant

for the process (εt)t∈Z.

The proof of Theorem 2.3 is similar to the proofs of Theorem 2.1 and Theorem 2.2 given in Giraitis and Robinson's ([6]).

3. Proof of the Theorem 2.1

Here, we assume that the process (εt)t∈Z have a conditional Gaussian distribution. We will rst show

(iii). The strict stationarity and ergodicity of the process (Xt)t∈Z and (εt)t∈Z imply the consistency of

the information matrices ˆΩγ and ˆΩδ.

In order to proof (ii), we need to check the following Basawa's conditions (see Basawa, Feign and Heyde [1]):

(7)

 1 T T X t=1 ∂`t(ω0) ∂ω P → 0,

 there exists a nonrandom positive denite matrix M (ω0)such that for all  > 0,

P − 1 T T X t=1 ∂2` t ∂ω∂ωT ≥ M (ω0) ! > 1 −  for all T > T1() ,

 there exists a constant M < ∞ such that E

∂3`t(ω)

∂ωi∂ωj∂ωk

< M for all ω ∈ Θ, where ωi is the ith com-ponent of ω. From ∂`t ∂γ = 1 2ht ε2 t ht − 1 ∂h t ∂γ − εt ht ∂εt ∂γ and ∂`t ∂δ = 1 2ht ε2 t ht − 1 ∂h t ∂δ , we have E ∂`t ∂ω  ω=ω0 = 0 and using

the ergodic theorem, Basawa's rst condition follows.

The matrix Ω0 is denite positive and hence the second Basawa's condition holds.

Now the last conditions of Basawa is obtained by dierentiating ∂2` t ∂ω∂ωT and using E  3ε t ∂di∂dj∂dk 2 < ∞. Condition (ii) follows.

Using (iii) of Theorem 2.1, we get 1 T T X t=1  ∂`t ∂ω ∂`t ∂ωT  ω=ω0 a.s → Ω0.Let ST dened by ST = T X t=1  b0 ∂`t ∂ω  ω=ω0 ,

where b0 is an arbitrary constant vector and b0bT0 6= 0. Then, ST is a martingal with T1E ST2

 = bT0Ω0b0 > 0. Now, using the strict stationarity and ergodicity of the process (Xt)t∈Z and (εt)t∈Z, we

get 1 TE (ST) −11 TE S 2 T|Ft−1 a.s

→ 1. From the Central Limit Theorem of Stout [10], the asymptotic normality convergence of the CSS estimators is derived.

Remark 1 : For applications and more details see Diongue, Guégan and Vignal [4]. References

[1] Basawa, I. V., Feign, P. D. and Heyde, C. C. Asymptotic properties of maximum likelihood estimators for stochastic processes, Sankhya, Ser. A, 38 (1976), 259-270.

[2] Chung, C.-F. Estimating a generalized long-memory process, Journal of Econometrics, 73 (1996), 237-259.

[3] Chung, C.-F. A generalized fractionally integrated ARMA process, Journal of Time Series Analysis, 17 (1994), 111-140. [4] Diongue, A.K., Guégan, D. and Vignal, B. Processus GIGARCH: Estimation et applications aux prix spot de l'électricité,

Preprint MORA, 14 (2003).

[5] Ferrara, L. Guégan, D. Comparison of parameter estimation methods in cyclical long-memory time series, Development in Forecasts Combination and Portfolio Choice, C. Dunis and J. Timmermann, J. Wiley,(2001).

[6] Giraitis, L. Robinson, P.M. Whittle Estimation of ARCH models, Econometrics Theory, 17 (2001), 608-631. [7] Guégan D. A new model: The k-factor GIGARCH process, Journal of Signal Processing, 4 (2000), 265-271.

[8] Guégan D. A prospective study of the k-factor Gegenbauer process with heteroscedastic errors and an application to ination rates, Finance India, 17 (2003), 1-20.

[9] Hosoya, Y. A Limit theory for long-range dependence and statistical inference on related models, The Annals of Statistics, 25, (1997), 105-137.

[10] Stout, W. F. Almost sure convergence, New York: Academic press, (1974).

Références

Documents relatifs

Le plus influent des modèles structuraux de la mémoire est le modèle modal, qui divise la mémoire en trois sous- systèmes : registre sensoriel, mémoire à court terme et mé- moire

Pour permettre le contrôle de la propagation des ondes électromagnétiques avec des angles d'incidences variables, on utilise des matériaux à BIP 2D (Figure I-13) [14], voire

Deux paramètres intrinsèques à l’élaboration sont également caractérisés: l’épaisseur de couche déposée à chaque strate de fabrication, choisie à 30 et 60 µ m avec

Dans le cadre d’une étude sur la propagation des crues dans un canal, le bureau d’ingénieur qui vous emploi dispose des hydrogrammes entrant et sortant du tronçon de canal

Compétence : Je sais utiliser les mots appartenant aux repaires temporels de la vie..

Approximations for general bootstrap of empirical processes with an application to kernel-type density estimation.. Salim BOUZEBDA ∗ and Omar EL-DAKKAK † Laboratoire de

However in urban area, informants cite fewer species and they cite more generalist species : they all cite the same common species, whereas in rural and protected area each

Il est vrai que, dans la formule (16), certains carrés seront à coefficients imaginaires quand toutes les racines a t ne seront pas réelles*, mais M. Hermite a montré que l'on