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深層強化学習（A2C）を用いたシステムトレーディング

Last updated at 2022-05-15Posted at 2021-07-24

はじめに

　近年、人工知能ブームにより、人工知能を使ったトレーディング手法が盛んである。そこで、今回は深層強化学習を用いたシステムトレーディングを実施した。
まず、実際の深層強化学習モデルである。agentの行動として、 BUY、HOLD、SELLの三つの内一つを選択する。環境の戻り値として、状態（今現在保有しているポジションの価格、市場価格、手持ちのキャッシュ）、報酬（手持ちのキャッシュの変化値（含む益も含む））、終了（取引の終了か否か）、情報（ターミナルにディスプレイする情報）を返す。

使用データについて

トレンド傾向の掴みやすさから、yahoo financeからGSPCの日足を使用した。

訓練データの期間：2015/1/1 - 2017/6/30
テストデータの期間：2017/7/1 - 2021/1/1

以下ソースコード

方策学習

価値学習(Q学習)は、Q値を最大化するように行動する。それに対して、方策学習は方策π(s)からサンプリングを行い確率的な行動をとる。

TD学習

TD学習（時間的差分学習: Temporal Difference Learning）とは、代表的な価値ベース手法一つである。逐次的にデータ更新ができるのが特徴。

TD = MC(モンテカルロ方策) + DP(Dynamic Programming: 動的計画法)
MC: 経験から学習
DP: 直後の状態の価値から学習

以下、TD学習での状態価値の更新式。

\Delta V(s) = r + \gamma V(s_{t+1}) - V(s_t)  \\

A2C¹

　A2C(Advantage Actor-Critic)とは、A3C(Asynchronous Advantage Actor-Critic)から、非同期の部分を抜いたものであり、A3Cと比べてGPUの負荷が低い。
　Q学習で使用したQ値は、状態価値関数V(s)とアドバンテージ値A(s, a)の2つに分解できる。このアドバンテージ関数とは、ある状態において、ある行動が他の行動に比較しどの程度優れているかを表す。価値関数とは、その状態に優位度を表す。
　つまり、Actorはアドバンテージ値を通しQ値を学ぶ。これによりある行動の評価は、その行動がどれだけ良いかだけでなく、どれだけ良くなるかにも基づいて行われる。アドバンテージ関数の利点は、状態価値関数V(s)をベースラインとして使用することで、政策ネットワークの高い分散を減らし、モデルを安定させる。

A(s_t,a_t) = Q(s_t,a_t) - V(s_t) \\

損失関数²

損失関数(更新式)は、損失関数(Actor)と損失関数(Critic)に分解できる。

L = L_v + L_π

損失関数(Actor)と損失関数(Critic)は以下の式に分解できる。アドバンテージ値A(s, a)は、一般的なTD学習での状態価値の更新式より、時系列を加味した形式になっている。Hはエントロピー。

L_v = (A(s_t,a_t))^2 \\
L_π = -log(π(a_t,s_t))A(s_t,a_t) - \beta H(π(s_t)) \\
A(s_t,a_t) \approx TD error = r + \gamma V(s_{t+1}) - V(s_t)  \\
H(π(s_t)) = 1/2(log(2π \sigma ^2) + 1) \\
\beta:ハイパーパラメータ、\gamma:割引係数、\sigma:分散

売買ルール

1.空売りは認めない
2.ポジションを持っている場合、追加注文を出せない。
3.最後のステップでポジションを全て売却する。
4.ポジションは全買い、全売り
5.所持金は1000000ドル

実装と結果

ソースコードはこちら

前のqlearning、sarsaよりも、大幅に収益性、勝率、トレード回数とともに、改善された。