Master's Thesis

Financial time series modelling using autoregressive models

Final Thesis 4.3 MB Appendix 5.18 MB

Author of thesis: Ing. Erik Maňásek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Pavel Hrabec, Ph.D.

Reviewer: doc. Mgr. Zuzana Hübnerová, Ph.D.

Abstract:

This thesis presents a~systematic comparison of autoregressive
models for financial time series forecasting.
Four mean models -- SARIMA, ARFIMA, ETS and TBATS -- are
evaluated in combination with GARCH and EGARCH volatility
models and four innovation distributions.
The models are assessed on 667 daily series from the US stock
market using a~rolling one-step-ahead forecast over 2025,
employing point, interval, volatility and probabilistic forecast metrics.
Results show that advanced models significantly outperform the naive random
walk benchmark in approximately 10--13\,\% of cases after
applying diagnostic filtering conditions, with TBATS
dominating in probabilistic metrics and ETS in point accuracy.
The thesis outlines how these results can be used to improve
inputs for portfolio optimization beyond the Markowitz
framework with naive forecasts.

Keywords:

time series, SARIMA, ARFIMA,
ETS, TBATS, GARCH, EGARCH, rolling forecast, forecast metrics

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student odprezentoval svoji práci. Byly přečteny posudky vedoucího a oponentky. Vedoucí nebyl přítomen. Oponentka položila studentovi otázky z posudku, na které student odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mathematical Engineering (N-MAI-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Zdeněk Pospíšil, Dr. (předseda)
prof. Mgr. Pavel Řehák, Ph.D. (místopředseda)
doc. Mgr. Zuzana Hübnerová, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Zdeněk Opluštil, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Jaroslav Hrdina, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Pavel Hrabec, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá modelováním a predikcí finančních časových řad pomocí modelů střední hodnoty v kombinaci s modely podmíněné volatility. V souladu se zadáním obsahuje rešerši potřebného aparátu z oblasti analýzy časových řad a finanční ekonometrie, aplikaci vybraných modelů, analýzu volatility i empirické ověření na reálných finančních datech. Cíle zadání považuji za splněné.

Za hlavní přednost práce považuji její rozsah, systematičnost a výraznou implementační složku. Student porovnává modely SARIMA, ARFIMA, ETS a TBATS v kombinaci s modely GARCH a EGARCH a s různými rozděleními inovací. Hodnocení je provedeno na rozsáhlém souboru finančních časových řad a využívá nejen bodové, ale také intervalové, pravděpodobnostní a volatilitní predikční metriky. Práce tak představuje komplexní empirické srovnání více modelovacích přístupů.

Velmi kladně hodnotím vytvořený výpočetní rámec propojující Python a R, který zajišťuje přípravu dat, výběr modelů, diagnostiku, výpočet metrik, agregované porovnání výsledků a vizualizaci. Tato část práce prokazuje schopnost studenta samostatně řešit rozsáhlejší matematicko-ekonomický problém s významnou výpočetní složkou.

Výsledky jsou interpretovány přiměřeně opatrně. Student ukazuje, že pokročilé modely mohou v části případů překonávat naivní predikci, zároveň však nepředkládá nepodložený závěr o univerzální převaze některého modelu. Přínosné je také rozlišení modelů podle různých kategorií predikčních metrik.

K práci mám několik dílčích výhrad. Některé metodické volby jsou motivovány spíše pragmaticky než formálně, například konstrukce agregovaného hodnocení, volba vah metrik nebo některé kroky při výběru modelů. Text je místy hutný a některým pasážím by prospělo stručnější shrnutí hlavních závěrů.

Student při zpracování práce prokázal vysokou míru samostatnosti, schopnost nastudovat pokročilé metody časových řad, implementovat netriviální výpočetní postupy a kriticky vyhodnotit dosažené výsledky. Diplomovou práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji známkou výborně / A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Diplomová práce je rozsáhlým a velmi komplexním pojednáním o možnostech modelování a predikce nestacionárních časových řad ve finančním sektoru. Při čtení je zřejmé, že Bc. Maňásek věnoval pozornost všem detailům každého modelu. Navíc se snažil převést kroky statistického modelování do rozhodovacího schématu tak, aby mohl zpracovat netriviální množství časových řad. Samotné sepsání rozsáhlé práce muselo být náročné, z prezentovaných výsledků je ale zřejmé, že všechny zmíněné postupy byly velmi kvalitně zpracovány ve výstupním rozhraní umožňujícím nastavit své požadavky a shodnotit kvalitu výsledků dle různých kritérií. Vítám také snahu o okomentování získaných výsledků na časových řadách z amerického finančního trhu.

Z počtu citací je zřejmé, do kolika zdrojů se diplomant zanořil, což je bohužel patrné i z anglikanismů v textu – např. probabilistická skóre, rank modelu. Text je jinak formulován srozumitelně a je gramaticky správný.

Následují detailní poznámky k textu, není třeba, aby na ně diplomant u obhajoby reagoval. I přes jejich počet považuji práci, vzhledem k jejímu rozsahu, za velmi zdařilou a navrhuji hodnocení A.

- V definici ergodicity 2.8 je zmíněna stacionarita. Ta je ale definována později.

- Za větou 3.3 je zmíněno, že V_t může být polynomiálním trendem. X_t je stacionární, proto musí platit, že EV_t je konstantní.

- Dle definice 3.5. už je AR(p) definován rovnou jako kauzální. Poznámka v definici 3.6 proto není na místě. Stejně tak dle definice 3.8. už je proces ARMA(p,q) definován jako kauzální a invertibilní.

- V (3.2), na konci str. 21, v druhé rovnici na str. 22 by mělo být užito \varphi místo \phi.

- Úvodní věta 3.3.1 – Jedná se o nestacionaritu ve střední hodnotě.

- Definice 3.9 – Opět je otázka, zda zdůrazňovat kauzalitu, když už je uvedena jako podmínka v definici ARMA (p,q).

- Definice 3.10 - D může být nulové.

- Definice 3.10 – Je třeba přidat podmínku na rozdílnost kořenů AR a MA polynomů.

- Definice 4.2. - Jaký je rozdíl mezi epsilon_t a z_t?

- Obrázek 5.1. – Chybí uvést hodnoty všech parametrů víceparametrických rozdělení.

- str. 38 poslední rovnice – zápis je chybný.

- str. 41 – Chybí vysvětlení „šumného“ odhadu.

- Definice 6.17, není definováno W.

- str. 43 – nejasné „specifikace středního modelu“

- 6.7.2 – Není jasné, co značí index p v poslední větě odstavce.

- str. 48 – Je použit nevysvětlený pojem persistence.

- str. 112 – V druhé rovnici odspodu je uvedeno rho_hh, které není definováno.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. Jaká je konstrukce predikčního intervalu v TBATS? V [24] je uveden předpoklad Gausovského rozdělení bílého šumu ARMA procesu chyb d_t. Při jiných volbách rozdělení, kterým se v práci věnujete, bude situace zřejmě mnohem komplikovanější.
  2. Jaké jsou Vaše další plány se získanými výsledky?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová