Planen mit mathematischen Modellen 00844: Computergestützte Optimierung. Autor: Dr. Heinz Peter Reidmacher

Transkript

1 Planen mit mathematischen Modellen 00844: Computergestützte Optimierung Leseprobe Autor: Dr. Heinz Peter Reidmacher

2

3 11 - Portefeuilleanalyse Portefeuilleanalyse 11.1 Das Markowitz Modell Die Portefeuilleanalyse ist eine Planungsmethode zur Zusammenstellung eines Wertpapierbündels ( Portefeuille ). Eine Theorie über die optimale Mischung von Wertpapieren wurde erstmals von Markowitz entwickelt. Statt der Investition des gesamten Betrags in ein Risikopapier erreicht man durch Diversifikation, d. h. Anlage in mehrere Titel eine Risikominderung. Voraussetzung ist, dass die Renditen der einzelnen Wertpapiere nicht vollkommen positiv korreliert sind. Kriterien für die Zusammenstellung sind meist der Erwartungswert sowie die Varianz bzw. Standardabweichung des Portefeuilles. Gegeben seien n Wertpapiere A 1,..., A n. Dann verstehen wir unter einem Portefeuille eine gewichtete Zusammenstellung dieser Wertpapiere. In der Regel werden die Gewichte w i so gewählt, dass sie sich zu 1 (bzw. 100%) addieren: Portefeuille = i w i A i mit i w i = 1 Haben die Wertpapiere je eine Rendite von r i (1 i n) so ist die gemischte Rendite des Portefeuilles P (11.1) r P = i w i r i. Das Risiko jeder Wertpapiers A i sei durch die Standardabweichung i bzw. durch die Varianz i gegeben. Die Abhängigkeiten der Renditen zweier Anleihen A i und A j werden durch die Kovarianzen ij oder durch die Korrelationen ij ( ij [0, 1]) gemessen. Die Varianz des Portefeuilles ist dann (11.) P = ij w i w j ij mit ij = ji. Im nächsten Beispiel wird bei zwei Wertpapieren gezeigt, wie sich die Varianz (= Risiko) sowie die erwartete Rendite eines Portefeuilles in Abhängigkeit der Gewichtung der beiden Wertpapiere verhält. Beispiel 11.1: Gegeben sei Anleihe A 1 mit einer erwarteten Rendite von 1% und einer Standardabweichung von 0% sowie Anleihe A mit einer erwarteten Rendite von % und einer Standardabweichung von 37%. In Tab wurden für verschiedene Gewichte der Wertpapiere A 1 und A sowie für 5 verschiedene Korrelationen 1 (= 1) die Rendite sowie die Standardabweichung des resultierenden Portefeuilles berechnet. Für 1 i, j und mit ii = i sowie ij = ij i j erhält man für Anleihen aus Formel (11.): (11.3) P = w 1 w w 1 w 1 + w w w w = w w + w 1 w 1 1

4 Das Markowitz Modell In Tab wurde Formel (11.3) realisiert. In Abb werden für die möglichen Portefeuilles die erwarteten Renditen sowie die Varianzen für verschiedene Korrelationen der Anleihen A 1 und A graphisch dargestellt. C D E F G H I J 43 Anleihe A 1 Anleihe A 44 Rendite 1% % 45 Standardabweich. 0% 37% Korrelationen ,5 0 0, w 1 w Rendite r P Standardabweichung des Portefeuilles P 51 0,00 1,00,0% 37,0% 37,0% 37,0% 37,0% 37,0% 5 0,05 0,95 1,5% 34,% 34,7% 35,% 35,7% 36,% 53 0,10 0,90 1,0% 31,3% 3,3% 33,4% 34,3% 35,3% 54 0,15 0,85 0,5% 8,5% 30,1% 31,6% 33,1% 34,5% 55 0,0 0,80 0,0% 5,6% 7,8% 9,9% 31,8% 33,6% 56 0,5 0,75 19,5%,8% 5,6% 8,% 30,6% 3,8% 57 0,30 0,70 19,0% 19,9% 3,5% 6,6% 9,4% 31,9% 58 0,35 0,65 18,5% 17,1% 1,4% 5,0% 8,% 31,1% 59 0,40 0,60 18,0% 14,% 19,5% 3,6% 7,1% 30,% 60 0,45 0,55 17,5% 11,4% 17,7%,3% 6,0% 9,4% 61 0,50 0,50 17,0% 8,5% 16,0% 1,0% 5,0% 8,5% 6 0,55 0,45 16,5% 5,7% 14,7% 0,0% 4,1% 7,7% 63 0,60 0,40 16,0%,8% 13,6% 19,1% 3,3% 6,8% 64 0,65 0,35 15,5% 0,1% 13,0% 18,3%,5% 6,0% 65 0,70 0,30 15,0%,9% 1,8% 17,9% 1,8% 5,1% 66 0,75 0,5 14,5% 5,8% 13,1% 17,6% 1,% 4,3% 67 0,80 0,0 14,0% 8,6% 13,9% 17,6% 0,7% 3,4% 68 0,85 0,15 13,5% 11,5% 15,0% 17,9% 0,4%,6% 69 0,90 0,10 13,0% 14,3% 16,5% 18,4% 0,1% 1,7% 70 0,95 0,05 1,5% 17,% 18,1% 19,1% 0,0% 0,9% 71 1,00 0,00 1,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% Tab. 11.1: Wertpapierportefeuille von Anleihen bei verschiedenen Korrelationen Zellen Formel $C$51 0 $C$5 =C51+0,05 $D$51 =1-C51 $E$51 =SUMMENPRODUKT($E$44:$F$44;C51:D51) $F$51 =WURZEL($C51^*$E$45^+$D51^*$F$45^+ *$C51*$D51*$E$45*$F$45*F$48) Kopiere zu $C$53:$C$71 $D$5:$D$71 $E$5:$E$71 $F$51:$J$71

5 Rendite 11 - Portefeuilleanalyse 63 4% % 0% 18% 16% 14% 1% 10% 0% 5% 10% 15% 0% 5% 30% 35% 40% Standardabw eichung Korrelationen: -1-0,5 0 0,5 1 Abb. 11.1: Varianz und Rendite eines Wertpapierportefeuilles von Anleihen bei verschiedenen Korrelationen 11. Ermittlung eines effizienten Portefeuilles Ein Ansatz der Portefeuilleanalyse beruht darauf, effiziente Portefeuilles zu finden. Ein Portefeuille heißt effizient, wenn es kein anderes gibt, das bei gleicher Rendite ein geringeres Risiko oder bei gleichem Risiko eine höhere Rendite aufweist. Das Problem, ein Portefeuille mit einer Mindestrendite r min und minimaler Varianz zu finden, lautet wie folgt: Minimiere ij=1..n w i w j ij so dass i=1..n w i r i r min i=1..n w i = 1 w i 0 1 i n Dabei bedeuten i=1..n w i r i die erwartete Rendite des Portefeuilles und ij=1..n w i w j ij die Varianz des Portefeuilles. Beispiel 11.: Aus 3 Wertpapieren A 1, A und A 3 soll ein Portefeuille mit minimaler Varianz zusammengestellt werden. In Tab. 11. sind die Kovarianzen (Zellen $D$4:$F$6) sowie die erwarteten Renditen (Zellen $G$4:$G$6) dieser Wertpapiere dargestellt. In Abhängigkeit der Gewichte in den Zellen $I$4:$I$6 wird die erwartete Rendite sowie die Varianz des Portefeuilles berechnet.

6 Ermittlung eines effizienten Portefeuilles C D E F G H I 3 ij A 1 A A 3 r i w i 4 A ,0% 0,649 5 A -1 0,5,0% 0,351 6 A 3 0 0,5 3 35,0% 0, i w i = 100,00% Gesamtanteile 9 r P = i=1..n w i r i = 15,51% Erwartete Rendite 30 P = w t V w = 1,1% Varianz des Portefeuilles 31 r min = 0% Mindestrendite Tab. 11.: Berechnung eines effizienten Wertpapierportefeuilles Zellen Formel $E$8 =SUMME(I4:I6) $E$9 =SUMMENPRODUKT(G4:G6;I4:I6) $E$30 {=MMULT(MTRANS(I4:I6);MMULT(D4:F6;I4:I6))} Um ein Portefeuille minimaler Varianz mit einer vorgegebenen erwarteten Mindestrendite r min (Zelle $E$31 in Tab. 11.) zu ermitteln, wird folgendes nichtlineare Optimierungsmodell gelöst: Minimiere Variable Restriktionen $E$30 $I$4:$I$6 $E$8=1 $E$9>=$E$31 $I$4:$I$6>=0 nicht linear Dieses Optimierungsproblem wurde für die Mindestrenditen r min = 17%, 18%,..., 30% gelöst. In Tab sind die Ergebnisse dargestellt. Die Anteile der Anleihen jedes effizienten Portefeuilles befinden sich in den Spalten D, E und F, die erwartete Rendite und die Varianz in den Spalten G und H. Die Visualisierung der ermittelten Kombinationen von erwarteter Rendite und Varianz findet sich in Abb. 11..

7 Erw artete Rendite 11 - Portefeuilleanalyse 65 C D E F G H 55 r min w 1 w w 3 r P P 56 17% 0,57 0,14 0,9 17,1% 0, % 0,5 0,16 0,3 18,0% 0, % 0,46 0,18 0,36 19,0% 0, % 0,40 0,0 0,40 0,0% 0, % 0,34 0, 0,44 1,0% 0, % 0,8 0,4 0,48,0% 0, % 0, 0,6 0,5 3,0% 0, % 0,16 0,8 0,56 4,0% 0, % 0,10 0,30 0,60 5,0% 1, % 0,04 0,3 0,64 6,0% 1, % 0,00 0,30 0,70 7,0% 1, % 0,00 0,0 0,80 8,0%, % 0,00 0,10 0,90 9,0%, % 0,00 0,00 1,00 30,0% 3,000 Tab. 11.3: Rendite und Varianzen effizienter Wertpapierportefeuilles 3% 30% 8% 6% 4% % 0% 18% 16% Varianz Abb. 11.: Menge der effizienten Portefeuilles Die Ermittlung möglicher, auch nicht effizienter Portefeuilles und die Berechnung der Rendite und Varianz wurde in Tab vorgenommen. In den Spalten C, D und E wurden die Kombinationen der Gewichte ermittelt (siehe auch Formeln zur Tabelle), in den Spalten F und G die Rendite und die Varianz berechnet. Eine graphische Übersicht dieser Portefeuilles bietet Abb Jedes dieser Portefeuilles ist durch einen Punkt, der die Rendite sowie die Varianz dargestellt, repräsentiert. Die effizienten Portefeuilles befinden sich am oberen, linken Rand der Punktwolke.

8 Erw artete Rendite Ermittlung eines effizienten Portefeuilles C D E F G 145 w 1 w w 3 P r P 146 0,0 0,0 1,0 3,00 0, ,0 0,1 0,9,54 0, ,0 0, 0,8,16 0, ,0 0,3 0,7 1,86 0, ,0 0,4 0,6 1,64 0, ,8 0,0 0, 0,76 0, ,8 0,1 0,1 0,54 0, ,8 0, 0,0 0,40 0, ,9 0,0 0,1 0,84 0, ,9 0,1 0,0 0,65 0, ,0 0,0 0,0 1,00 0,1 Tab. 11.4: Rendite und Varianzen verschiedener Wertpapierportefeuilles Zellen Formel Kopiere zu $E$146 =1-C146-D146 $E$147:$E$11 $C$147 =WENN(C146+D146<1;C146;C146+0,1) $C$148:$C$11 $D$147 =WENN(C146+D146<1;D146+0,1;0) $D$148:$D$11 $F$146 {=MMULT(C146:E146;MMULT($D$4:$F$6;MTRANS(C146:E146)))} $F$147:$F$11 $G$146 =MMULT(C146:E146;$G$4:$G$6) $G$147:$G$11 40% 35% 30% 5% 0% 15% 10% 0,0 0,5 1,0 1,5,0,5 3,0 3,5 Varianz Abb. 11.3: Menge aller effizienten und nicht effizienten Portefeuilles