ردیابی پایدار و اقتصادی شاخص بورس تهران با بهره‌‌گیری از بهینه‌‌سازی استوار و الگوریتم ابتکاری

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی صنایع، دانشکده مهندسی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران.

2 دانشیار، گروه مهندسی صنایع، دانشکده مهندسی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران.

3 استادیار، گروه مدیریت مالی، دانشکده علوم مالی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران.

10.22059/frj.2025.379970.1007626

چکیده

هدف: سرمایه‌گذاری منفعل در سال‌های اخیر، به‌دلیل داشتن هزینه‌های مدیریت و معاملات کمتر، به‌طور فزاینده‌ای در کانون توجه قرار گرفته است. ردیابی شاخص به‌عنوان یکی از انواع این سرمایه‌گذاری‌ها، به بازتولید عملکرد یک شاخص با استفاده از سبدی متشکل از تعداد کمی از سهام می‌پردازد. در این پژوهش، یک مدل ریاضی خطی استوار جدید، برای ردیابی شاخص معرفی شده است که نسبت به مدل‌های مشابه موجود، عملکرد بهتری دارد. این مدل قادر است شاخص را برای مدت طولانی‌تر، با خطای ردیابی کمتر و بدون نیاز به تعدیل سبد ردیابی کند. همچنین، مدل پیشنهادی انعطاف‌پذیری زیادی دارد و به تصمیم‌گیرنده این امکان را می‌دهد که تمامی سناریوهای ممکن، از حالت بدون‌عدم قطعیت تا بدترین حالت ممکن را در نظر بگیرد. اهمیت مدل ارائه شده در این است که می‌تواند به‌طور مؤثرتری با نوسان‌های بازار سازگار شود و به سرمایه‌گذاران کمک کند تا به اهداف خود در زمینه بازدهی نزدیک‌تر شوند.
روش: از آنجا که حل مسائل مرتبط با ردیابی شاخص با محدودیت کاردینالیتی در زمان چندجمله‌ای ممکن نیست، این پژوهش به توسعۀ یک الگوریتم ابتکاری جدید مبتنی بر الگوریتم ژنتیک و انشعاب محلی پرداخته است. این الگوریتم ترکیبی از قابلیت‌های اکتشافی الگوریتم ژنتیک و ویژگی‌های جست‎وجوی محلی است و به‌گونه‌ای طراحی شده است که بتواند به‌طور کارآمدتر به حل مسئله بپردازد. در این تحقیق، داده‌های روزانۀ بورس تهران و بازار هنگ‌سنگ از کتابخانه OR-library برای ارزیابی عملکرد مدل ریاضی و الگوریتم پیشنهادی استفاده شده است. برای بررسی عملکرد مدل خطی استوار پیشنهادی در مقایسه با مدل‌های خطی رایج در ادبیات موضوع، از یک حل‌کنندۀ تجاری استفاده شده است. دلیل استفاده از این رویکرد و نه استفاده از الگوریتم توسعه‌یافته، این است که الگوریتم پیشنهادی با وجود برتری نسبت به حل‌کنندۀ تجاری، ماهیت تصادفی دارد و به‌منظور حذف فاکتورهای تصادفی و احتمالاتی که ممکن است بر نتایج تأثیرگذار باشند، از حل‌کنندۀ تجاری دقیق استفاده شده است.
یافته‌ها: نتایج به‌دست‌آمده از مقایسۀ الگوریتم پیشنهادی با حل‌کنندۀ تجاری روی مدل ارائه شده، نشان می‌دهد که رویکرد پیشنهادی نسبت به رویکردهای قبلی، عملکرد بهتری داشته و الگوریتم پیشنهادی قادر است جواب‌های بهتری در زمان کمتری بیابد. همچنین، با توجه به ساختار بورس تهران، تأثیر حضور یاعدم حضور ۱۰ سهم بزرگ بازار از نظر ارزش بازار در پرتفوی انتخابی، روی نتایج نهایی سبد ردیاب پیشنهادی بررسی شده است. این بررسی‌ها نشان می‌دهد که وجود این سهام در پرتفوی، می‌تواند بر عملکرد سبد ردیاب تأثیر داشته باشد.
نتیجه‌گیری: پژوهش حاضر با ارائه یک مدل ریاضی خطی استوار و الگوریتم ابتکاری جدید، رویکردی نوین و مؤثر برای ردیابی شاخص ارائه کرده است. عملکرد مدل پیشنهادی با ۵ شاخص کمی، مشتمل بر هم‌بستگی، میانگین انحراف مطلق، ریشه میانگین مربعات خطا، انحراف معیار و بتا، با مدل خطی معیار مقایسه شد. مدل پیشنهادی موفق به شکست مدل معیار در تمامی شاخص‌ها در بازۀ خارج از نمونه شده و عملکرد بهتری ثبت کرده است. مقدار تابع هدف برای سنجش عملکرد الگوریتم پیشنهادی به شاخص‌های نام‌برده اضافه شده است. الگوریتم پیشنهادی موفق به شکست حل‌کنندۀ CPLEX در ۷۷ مقایسه از ۸۸ مقایسۀ انجام شده، ۱۱ معیار در ۴ پیکربندی مختلف برای دو بازار بورس تهران و هنگ‌سنگ شده است. همچنین، یک سبد ردیاب جایگزین با سیستم وزن‌دهی نوین معرفی شده است که به‌خوبی توانایی نمایش وضعیت بزرگ‌ترین صنایع حاضر در بورس تهران را دارد. عملکرد این سبد نیز از نظر بازده، ریسک و ریسک ردیابی با سبد پیشنهادی این پژوهش مورد قیاس قرار گرفته شده است. ریسک ردیابی سبد پیشنهادی این پژوهش تقریباً سه برابر از روش جایگزین کمتر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Stable and Cost-Efficient Tracking of the Tehran Stock Exchange Index through Robust Optimization and a Heuristic Algorithm

نویسندگان [English]

  • Danial Ramezani 1
  • Mostafa Abouei Ardakan 2
  • Mohamadreza Dehghani Ahmadabad 3
1 MSc. Student, Department of Industrial Engineering, Faculty of Engineering, Kharazmi University, Tehran, Iran.
2 Associate Prof., Department of Industrial Engineering, Faculty of Engineering, Kharazmi University, Tehran, Iran.
3 Assistant Prof., Department of Financial Management, Faculty of Financial Sciences, Kharazmi University, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Objective
The rising popularity of passive management in recent years is largely due to its advantages, such as lower management fees and reduced transaction costs. A key component of passive management is index tracking, which aims to replicate the performance of a specific index using a smaller set of assets. This paper introduces a novel robust linear optimization approach for tracking indices that is not only more reliable than existing models but also exhibits superior performance on out-of-sample data, effectively tracking indices over extended periods with minimal deviation and without requiring frequent rebalancing. The proposed robust model is highly adaptable, allowing decision-makers to account for a wide range of potential future scenarios, including both the most certain outcomes and the worst-case possibilities. The importance of this model lies in its ability to adapt more effectively to market fluctuations and help investors get closer to their return objectives.
 
 
Methods
Given the NP-hard nature of index tracking problems with cardinality constraints, solving them in polynomial time is challenging. To address this computational burden, a novel heuristic approach was designed. This heuristic integrates the exploration capabilities of genetic algorithms with the focused search capabilities of local search techniques and is designed to solve the problem efficiently. Daily data from the Tehran Stock Exchange and OR-library were utilized to validate the proposed model and heuristic. For comparison purposes, a commercial solver was employed to solve both the proposed robust model and the conventional linear model commonly used in the literature. This approach was adopted instead of the developed algorithm because, although the proposed algorithm demonstrates superior performance compared to the commercial solver, it is inherently stochastic in nature. Therefore, to eliminate the influence of random and probabilistic factors on the results, a deterministic and precise commercial solver was utilized.
 
Results
The results demonstrate that the proposed heuristic not only converges to optimal solutions for moderately sized problems but also produces portfolios that outperform those generated by commercial solvers in terms of both in-sample and out-of-sample data, all within a shorter time frame. Furthermore, given the structure of the Tehran Stock Exchange, the impact of including or excluding the ten largest stocks by market capitalization in the selected portfolio on the final results of the proposed tracking portfolio has been examined. This analysis indicates that the presence of these stocks in the portfolio can influence the performance of the tracking portfolio.
 
Conclusion
This study aimed to develop an effective approach for index tracking by proposing a robust linear mathematical model alongside a novel heuristic algorithm. The performance of the proposed approach was evaluated against a benchmark linear model using five quantitative indicators: correlation, mean absolute deviation (MAD), root mean squared error (RMSE), standard deviation, and beta. The proposed model outperformed the benchmark model across all indicators in the out-of-sample period. In addition to these indicators, the objective function value was used to assess the performance of the proposed heuristic. The algorithm outperformed the CPLEX solver in 77 out of 88 comparisons, 11 indicators under four configurations for the Tehran Stock Exchange and the Hang Seng Index. Furthermore, an alternative tracking portfolio with a novel weighting system was introduced, which effectively reflects the status of the largest industries represented in the Tehran Stock Exchange. The performance of this alternative portfolio was compared with that of the proposed portfolio in terms of return, risk, and tracking error. The tracking error of the proposed portfolio was found to be nearly three times lower than that of the alternative approach.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Index tracking
  • Passive fund management
  • Heuristics
  • Mixed-integer linear programming
  • Portfolio management
آزادی، امیر و نجفی، امیرعباس (1399). مدل بهبودیافته ردیابی شاخص با درنظر گرفتن هزینه‌های معاملاتی. مهندسی مالی و مدیریت اوراق بهادار (مدیریت پرتفوی)، 11(42)، 23-43.
اصولیان، محمد؛ نیک‌مرام، علی و کریمی، مهدی (1404). پیش‌‌بینی روند شاخص کل با استفاده از شبکه‌های عصبی هیبریدی با تمرکز بر استخراج ویژگی مقیاس زمانی چندگانه در بورس اوراق بهادار تهران. تحقیقات مالی، 27(1)، 85-113.
بت‌شکن، محمدهاشم؛ بحرالعلوم، محمدمهدی؛ ارضا، امیرحسین و تقی خان تجریشی، امیر (1398). توسعۀ معیار پایدار ردیابی شاخص کل بورس اوراق بهادار تهران. چشم‌انداز مدیریت مالی، 9(27)، 51-79.  
تندنویس، فرید و حکیمیان، حسن (1399). کاربرد الگوریتم پیچش زمانی پویا و ضرایب هم‏‌بستگی در خوشه‌بندی سری‌های زمانی به‌منظور تشکیل پرتفوی مبتنی بر شاخص. دانش سرمایه‌گذاری، 9(35)، 189-205.
رستمی نوروزآباد، مجتبی؛ گل‌بابائی پاسندی، علی؛ شهرازی، میلاد و اسفندیاری، سمیه (1403). اندازه‌گیری شاخص ترس و طمع در بازار سهام: شواهدی از بورس اوراق بهادار تهران. تحقیقات مالی، 26(2)، 397-414.‎
عیوضلو، رضا؛ فلاح‌پور، سعید و دهقانی اشکذری، مهدی (1400). ردیابی شاخص با استفاده از معیار ارزش در معرض ریسک شرطی ترکیبی دو دنباله‌ای در بورس اوراق بهادار تهران. تحقیقات مالی، 23(4)، 545-563.
عیوضلو، رضا؛ شفیع‌زاده، مجتبی و قهرمانی، علی (1396). ردیابی شاخص و شاخص بهبودیافته با استفاده از رویکردهای هم‌انباشتگی و هم‌‏بستگی. تحقیقات مالی، 19(3)، 457-474.
گل‌ارضی، غلامحسین و ابوالفضلی، سید رامین (1403). بررسی اثرهای اهرمی، هم‏‌بستگی شرطی پویا و سرایت‌پذیری تلاطم میان شاخص‌‏های صنایع بورسی با استفاده از مدل ARMA-DCC-GJR-GARCH. تحقیقات مالی، 26(1)، 58-86.
شهاب لواسانی، کیوان؛ شعبانی رضوانی، لیلا و سماوی، محمد ابراهیم (1402). بررسی ارتباط نامتقارن احساسات سرمایه‌‌گذاران و نوسان‌‌های شاخص کل به‌روش مارکوف سوئیچینگ. تحقیقات مالی، 25(4)، 661-687. ‎
محمدی، شاپور؛ راعی، رضا و تندنویس، فرید (1400). کاربرد ضرایب هم‌‏بستگی مبتنی بر کاپولا و اطلاعات متقابل در خوشه‌‌بندی سری‌های زمانی و تشکیل پرتفوی شاخصی ارتقایافته با استفاده از رویکرد بهینه‌سازی استوار. تحقیقات مالی، 23(4)، 497-522.
 
References
Alexander, C. & Dimitriu, A. (2005). Indexing and statistical arbitrage. The Journal of Portfolio Management, 31(2), 50-63.
Anis, H. T., Costa, G. & Kwon, R. H. (2023). Risk-allocation-based index tracking. Computers & operations research, 154, 106219.
Azadi, A. & Najafi, A.A. (2020). An enhanced model for the index tracking problem with transaction costs. Financial Engineering and Securities Management (Portfolio Management), 11(42), 23-43. SID. https://sid.ir/paper/367271/en (in Persian)
Beasley, J. E. (1990). OR-Library: distributing test problems by electronic mail. Journal of the operational research society, 41(11), 1069-1072.
Beasley, J. E., Meade, N. & Chang, T.J. (2003). An evolutionary heuristic for the index tracking problem. European Journal of Operational Research, 148(3), 621-643.
Botshekan, M.H., bahrololoum, M.M., Erza, A.H. & Taghikhan Tajrishi, A. (2019). Development of a Stable Tracking Measure for Tehran Stock Exchange. Financial Management Perspective, 9(27), 51-79. doi: 10.52547/jfmp.9.27.51.
Chen, C. & Kwon, R. H. (2012). Robust portfolio selection for index tracking. Computers & operations research, 39(4), 829-837.
Eyvazloo, R., Fallahpour, S. & Dehghani Ashkezari, M. (2022). Index tracking using Two-tail Mixed Conditional Value-at-risk in Tehran Stock Exchange. Financial Research Journal, 23(4), 545-563. doi: 10.22059/frj.2020.289344.1006927 (in Persian)
Eyvazloo, R., Shafizadeh, M. & Ghahramani, A. (2017). Index Tracking and Enhanced Indexing Using Co-integration and Correlation Approaches. Financial Research Journal, 19(3), 457-474. doi: 10.22059/jfr.2018.245816.1006551 (in Persian)
Gaivoronski, A. A., Krylov, S. & Van der Wijst, N. (2005). Optimal portfolio selection and dynamic benchmark tracking. European Journal of Operational Research, 163(1), 115-131.
Golarzi, G. & Abolfazli, S. R. (2024). Examining the Leverage Effect, Dynamic Conditional Correlation, and Volatility Spillover Among Selected Indices of the Tehran Stock Exchange: Evidence from the ARMA-DCC-GJR-GARCH Model. Financial Research Journal, 26(1), 58-86. doi: 10.22059/frj.2023.361936.1007487 (in Persian)
Jansen, R. & Van Dijk, R. (2002). Optimal benchmark tracking with small portfolios. Journal of portfolio management, 28(2), 33.
Jorion, P. (2003). Portfolio optimization with tracking-error constraints. Financial Analysts Journal, 59(5), 70-82.
Kaucic, M., Barbini, F. & Camerota Verdù, F. J. (2020). Polynomial goal programming and particle swarm optimization for enhanced indexation. Soft Computing, 24(12), 8535-8551.
Krink, T., Mittnik, S. & Paterlini, S. (2009). Differential evolution and combinatorial search for constrained index-tracking. Annals of Operations Research, 172, 153-176.
Maringer, D. & Oyewumi, O. (2007). Index tracking with constrained portfolios. Intelligent Systems in Accounting, Finance & Management: International Journal, 15(1‐2), 57-71.
Mohammadi, S., Raei, R. & Tondnevis, F. (2022). Application of Copula Based Correlations and Mutual Information in Time Series Clustering and Enhanced Indexing by Adopting the Robust Optimization Approach. Financial Research Journal, 23(4), 497-522. doi: 10.22059/frj.2020.286126.1006904 (in Persian)
Oh, K. J., Kim, T. Y. & Min, S. (2005). Using genetic algorithm to support portfolio optimization for index fund management. Expert Systems with applications, 28(2), 371-379.
Osoolian, M., Nikmaram, A. & Karimi, M. (2025). Predicting Index Trend Using Hybrid Neural Networks with a Focus on Multi-Scale Temporal Feature Extraction in the Tehran Stock Exchange. Financial Research Journal, 27(1), 85-113. doi: 10.22059/frj.2024.377816.1007611 (in Persian)
Roll, R. (1992). A mean/variance analysis of tracking error. Journal of portfolio management, 18(4), 13.
Rostami Noroozabad, M., Golbabaei Pasandi, A., Shahrazi, M. & Esfandyari, S. (2024). Measuring Fear and Greed Index in Stock Market: Evidence from the Tehran Stock Exchange. Financial Research Journal, 26(2), 397-414. doi: 10.22059/frj.2023.365536.1007511 (in Persian)
Ruiz-Torrubiano, R. & Suárez, A. (2009). A hybrid optimization approach to index tracking. Annals of Operations Research, 166, 57-71.
Sant’Anna, L. R., Righi, M. B., Müller, F. M. & Guedes, P. C. (2022). Risk measure index tracking model. International Review of Economics & Finance, 80, 361-383.
Sant'Anna, L. R., de Oliveira, A. D., Filomena, T. P. & Caldeira, J. F. (2020). Solving the index tracking problem based on a convex reformulation for cointegration. Finance Research Letters, 37, 101356.
Shahab Lavasani, K., Shabani Rezvani, L. & Samavi, M. E. (2023). Investigating the Asymmetric Relationship between Investor Sentiments and Fluctuations in the Overall Index via the Markov Switching Method. Financial Research Journal, 25(4), 661-687. doi: 10.22059/frj.2023.356277.1007444 (in Persian)
Silva, J. C. S. & de Almeida Filho, A. T. (2023). Using GAN-generated market simulations to guide genetic algorithms in index tracking optimization. Applied Soft Computing, 145, 110587.
Silva, J. C. S. (2023). A systematic literature review on solution approaches for the index tracking problem in the last decade. arXiv preprint arXiv:2306.01660.
Silva, J. C. S., Silva, D. F. d. L. & de Almeida Filho, A. T. (2024). An enhanced grasp approach for the index tracking problem. International Transactions in Operational Research, 31(3), 1828-1858.
Tondnevis, F. & Hakimian, H. (2020). The application of Dynamic Time Wrapping Algorithm and correlation coefficients in Time Sires Clustering for Index Tracking. Journal of Investment Knowledge, 9(35), 189-205. (in Persian)
Torri, G., Giacometti, R. & Paterlini, S. (2024). Penalized enhanced portfolio replication with asymmetric deviation measures. Annals of Operations Research, 332(1), 481-531.
Vieira, E. B. F., Filomena, T. P., Sant’anna, L. R. & Lejeune, M. A. (2023). Liquidity-constrained index tracking optimization models. Annals of Operations Research, 330(1), 73-118.
Wang, M., Xu, C., Xu, F. & Xue, H. (2012). A mixed 0–1 LP for index tracking problem with CVaR risk constraints. Annals of Operations Research, 196, 591-609.
Wu, D., Kwon, R. H. & Costa, G. (2017). A constrained cluster-based approach for tracking the S&P 500 index. International Journal of Production Economics, 193, 222-243.