Contributions à la modélisation à base d'agents et à son application au marché financier

Contributions to Agent-Based Modeling and Its Application in Financial Market

• Auteur / Autrice : Trung-Minh Tran
• Direction : Marc Bui, Duc Pham-Hi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique, mathématique et applications
• Date : Soutenance le 16/02/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'École pratique des hautes études (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École pratique des hautes études (Paris ; 1868-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Cognitions humaine et artificielle (Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Vu Duong
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Bui, Duc Pham-Hi, Ider Tseveendorj, Jae Yun Jun Kim, Soufian Ben Amor, Huyên Pham
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ider Tseveendorj, Jae Yun Jun Kim

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automatisation

Spéculation

Optimisation mathématique

Informatique

Ingénierie financière

Systèmes complexes

Marché financier

Mots clés libres

Apprentissage par renforcement profond

Trading automatisé

Optimisation bayésienne

Modèle agent

Deep reinforcement learning

Automated trading

Bayesian optimization

Agent-Based model

Complex system

Financial market

Résumé

L'analyse de modèles complexes tels que les marchés financiers aide les gestionnaires à élaborer des politiques raisonnables et les commerçants à choisir des stratégies de négociation efficaces. La modélisation basée sur les agents est une méthodologie de calcul pour modéliser des systèmes complexes et analyser l'influence de différentes hypothèses sur les comportements des agents. Dans le cadre de cette thèse, nous considérons un modèle de marché financier qui comprend 3 types d'agents : les agents techniques, les agents fondamentaux et les agents de bruit. Nous commençons par l'agent technique avec le défi d'optimiser une stratégie de trading basée sur l'analyse technique à travers un système de trading automatisé. Ensuite, les méthodes d'optimisation proposées sont appliquées avec des fonctions objectives appropriées pour optimiser les paramètres du modèle ABM. L'étude a été menée avec un modèle ABM simple incluant uniquement des agents de bruit, puis le modèle a été étendu pour inclure différents types d'agents. La première partie de la thèse étudie le comportement commercial des agents techniques. Différentes approches sont introduites telles que : l'algorithme génétique, l'optimisation bayésienne et l'apprentissage par renforcement profond. Les stratégies de trading sont construites sur la base d'un indicateur avancé, Relative Strength Index, et de deux indicateurs retardés, Bollinger Band et Moving Average Convergence-Divergence. De multiples expériences sont réalisées sur différents marchés, notamment : le marché des crypto-monnaies, le marché boursier et le marché des contrats à terme cryptographiques. Les résultats montrent que les stratégies optimisées à partir des approches proposées peuvent générer des rendements plus élevés que leur forme typique et la stratégie Buy and Hold. En utilisant les résultats de l'optimisation des stratégies de trading, nous proposons une nouvelle approche pour optimiser les paramètres du modèle à base d'agents. La deuxième partie de la thèse présente une application de la modélisation multiagents au marché boursier. En conséquence, nous avons montré que les modèles ABM peuvent être optimisés en utilisant la méthode d'optimisation bayésienne avec plusieurs fonctions objectives. Les faits stylisés du marché réel peuvent être reproduits en construisant soigneusement les fonctions objectives de l'agent. Notre travail comprend le développement d'un environnement, les comportements des différents agents et leurs interactions. La méthode d'optimisation bayésienne avec le test de Kolmogorov-Smirnov comme fonction objective a montré des avantages et un potentiel dans l'estimation d'un ensemble optimal de paramètres pour un modèle de marché financier artificiel. Le modèle que nous proposons est capable de reproduire les faits stylisés du marché réel. En outre, un nouveau fait stylisé sur la proportion de commerçants sur le marché est présenté. Avec les données empiriques de l'indice Dow Jones Industrial Average, nous avons constaté que les traders fondamentaux représentent 9%-11% de tous les traders du marché boursier. À l'avenir, davantage de recherches seront menées pour améliorer le modèle et les méthodes d'optimisation, telles que l'application de modèles d'apprentissage automatique, l'apprentissage par renforcement multiagents ou l'examen de l'application sur différents marchés et instruments négociés.

The analysis of complex models such as financial markets helps managers to make reasonable policies and traders to choose effective trading strategies. Agent-based modeling is a computational methodology to model complex systems and analyze the influence of different assumptions on the behaviors of agents. In the scope of this thesis, we consider a financial market model that includes 3 types of agent: technical agents, fundamental agents and noise agents. We start with the technical agent with the challenge of optimizing a trading strategy based on technical analysis through an automated trading system. Then, the proposed optimization methods are applied with suitable objective functions to optimize the parameters for the ABM model. The study was conducted with a simple ABM model including only noise agents, then the model was extended to include different types of agents. The first part of the thesis investigates the trading behavior of technical agents. Different approaches are introduced such as: Genetic Algorithm, Bayesian Optimization and Deep Reinforcement Learning. The trading strategies are built based on a leading indicator, Relative Strength Index, and two lagging indicators, Bollinger Band and Moving Average Convergence-Divergence. Multiple experiments are performed in different markets including: cryptocurrency market, stock market and crypto futures market. The results show that optimized strategies from proposed approaches can generate higher returns than their typical form and Buy and Hold strategy. Using the results from the optimization of trading strategies, we propose a new approach to optimize the parameters of the agent-based model. The second part of the thesis presents an application of agent-based modeling to the stock market. As a result, we have shown that ABM models can be optimized using the Bayesian Optimization method with multiple objective functions. The stylized facts of the actual market can be reproduced by carefully constructing the objective functions of the agent. Our work includes the development of an environment, the behaviors of different agents and their interactions. Bayesian optimization method with Kolmogorov-Smirnov test as objective function has shown advantages and potential in estimating an optimal set of parameters for an artificial financial market model. The model we propose is capable of reproducing the stylized facts of the real market. Furthermore, a new stylized fact about the proportion of traders in the market is presented. With empirical data of the Dow Jones Industrial Average index, we found that fundamental traders account for 9%-11% of all traders in the stock market. In the future, more research will be done to improve the model and optimization methods, such as applying machine learning models, multi-agent reinforcement learning or considering the application in different markets and traded instruments.