The task we consider is portfolio construction in a speculative market, a fundamental problem in modern finance. While various empirical works now exist to explore deep learning in finance, the theory side is almost non-existent. In this work, we focus on developing a theoretical framework for understanding the use of data augmentation for deep-learning-based approaches to quantitative finance. The proposed theory clarifies the role and necessity of data augmentation for finance; moreover, our theory implies that a simple algorithm of injecting a random noise of strength $\sqrt{|r_{t-1}|}$ to the observed return $r_{t}$ is better than not injecting any noise and a few other financially irrelevant data augmentation techniques.

由于数据量增加，金融业的快速变化已经彻底改变了数据处理和数据分析的技术，并带来了新的理论和计算挑战。与古典随机控制理论和解决财务决策问题的其他分析方法相比，解决模型假设的财务决策问题，强化学习（RL）的新发展能够充分利用具有更少模型假设的大量财务数据并改善复杂的金融环境中的决策。该调查纸目的旨在审查最近的资金途径的发展和使用RL方法。我们介绍了马尔可夫决策过程，这是许多常用的RL方法的设置。然后引入各种算法，重点介绍不需要任何模型假设的基于价值和基于策略的方法。连接是用神经网络进行的，以扩展框架以包含深的RL算法。我们的调查通过讨论了这些RL算法在金融中各种决策问题中的应用，包括最佳执行，投资组合优化，期权定价和对冲，市场制作，智能订单路由和Robo-Awaring。

Markowitz mean-variance portfolios with sample mean and covariance as input parameters feature numerous issues in practice. They perform poorly out of sample due to estimation error, they experience extreme weights together with high sensitivity to change in input parameters. The heavy-tail characteristics of financial time series are in fact the cause for these erratic fluctuations of weights that consequently create substantial transaction costs. In robustifying the weights we present a toolbox for stabilizing costs and weights for global minimum Markowitz portfolios. Utilizing a projected gradient descent (PGD) technique, we avoid the estimation and inversion of the covariance operator as a whole and concentrate on robust estimation of the gradient descent increment. Using modern tools of robust statistics we construct a computationally efficient estimator with almost Gaussian properties based on median-of-means uniformly over weights. This robustified Markowitz approach is confirmed by empirical studies on equity markets. We demonstrate that robustified portfolios reach the lowest turnover compared to shrinkage-based and constrained portfolios while preserving or slightly improving out-of-sample performance.

Virtually all machine learning tasks are characterized using some form of loss function, and "good performance" is typically stated in terms of a sufficiently small average loss, taken over the random draw of test data. While optimizing for performance on average is intuitive, convenient to analyze in theory, and easy to implement in practice, such a choice brings about trade-offs. In this work, we survey and introduce a wide variety of non-traditional criteria used to design and evaluate machine learning algorithms, place the classical paradigm within the proper historical context, and propose a view of learning problems which emphasizes the question of "what makes for a desirable loss distribution?" in place of tacit use of the expected loss.

我们探索了一个新的强盗实验模型，其中潜在的非组织序列会影响武器的性能。上下文 - 统一算法可能会混淆，而那些执行正确的推理面部信息延迟的算法。我们的主要见解是，我们称之为Deconfounst Thompson采样的算法在适应性和健壮性之间取得了微妙的平衡。它的适应性在易于固定实例中带来了最佳效率，但是在硬性非平稳性方面显示出令人惊讶的弹性，这会导致其他自适应算法失败。

嵌套模拟涉及通过模拟估算条件期望的功能。在本文中，我们提出了一种基于内核RIDGE回归的新方法，利用作为多维调节变量的函数的条件期望的平滑度。渐近分析表明，随着仿真预算的增加，所提出的方法可以有效地减轻了对收敛速度的维度诅咒，只要条件期望足够平滑。平滑度桥接立方根收敛速度之间的间隙（即标准嵌套模拟的最佳速率）和平方根收敛速率（即标准蒙特卡罗模拟的规范率）。我们通过来自投资组合风险管理和输入不确定性量化的数值例子来证明所提出的方法的性能。

我们为可交易仪器的市场模拟器提供了一种数值有效的方法，用于学习最少的等效鞅措施，例如，可交易仪器的市场模拟器。出于在同一底层写入的现货价格和选择。在存在交易成本和交易限制的情况下，我们放松了对学习最低等同的“近马丁措施”的结果，其中预期的回报仍然存在于普遍的出价/询问差价中。我们在高维复杂空间中“去除漂移”的方法完全是无模型的，并且可以应用于任何不展示经典套用的市场模拟器。所产生的模型可用于风险中性定价，或者在交易成本或交易限制的情况下，“深度套期保值”。我们通过将其应用于两个市场模拟器，自动回归离散时间随机隐含的波动率模型和基于生成的对冲网络（GAN）的模拟器来展示我们的方法，这些模拟器都在统计测量下的选项价格的历史数据上培训产生现货和期权价格的现实样本。关于原始市场模拟器的估计误差，我们评论了鲁棒性。

我们使用深层部分最小二乘（DPL）来估算单个股票收益的资产定价模型，该模型以灵活而动态的方式利用调理信息，同时将超额回报归因于一小部分统计风险因素。新颖的贡献是解决非线性因子结构，从而推进经验资产定价中深度学习的当前范式，该定价在假设高斯资产回报和因素的假设下使用线性随机折现因子。通过使用预测的最小二乘正方形来共同投影公司特征和资产回报到潜在因素的子空间，并使用深度学习从因子负载到资产回报中学习非线性图。捕获这种非线性风险因素结构的结果是通过线性风险因素暴露和相互作用效应来表征资产回报中的异常情况。因此，深度学习捕获异常值的众所周知的能力，在潜在因素结构中的角色和高阶项在因素风险溢价上的作用。从经验方面来说，我们实施了DPLS因子模型，并表现出比Lasso和Plain Vanilla深度学习模型表现出卓越的性能。此外，由于DPL的更简约的架构，我们的网络培训时间大大减少了。具体而言，在1989年12月至2018年1月的一段时间内使用Russell 1000指数中的3290资产，我们评估了我们的DPLS因子模型，并生成比深度学习大约1.2倍的信息比率。 DPLS解释了变化和定价错误，并确定了最突出的潜在因素和公司特征。

在许多学科中，动态系统的数据信息预测模型的开发引起了广泛的兴趣。我们提出了一个统一的框架，用于混合机械和机器学习方法，以从嘈杂和部分观察到的数据中识别动态系统。我们将纯数据驱动的学习与混合模型进行比较，这些学习结合了不完善的域知识。我们的公式与所选的机器学习模型不可知，在连续和离散的时间设置中都呈现，并且与表现出很大的内存和错误的模型误差兼容。首先，我们从学习理论的角度研究无内存线性（W.R.T.参数依赖性）模型误差，从而定义了过多的风险和概括误差。对于沿阵行的连续时间系统，我们证明，多余的风险和泛化误差都通过与T的正方形介于T的术语（指定训练数据的时间间隔）的术语界定。其次，我们研究了通过记忆建模而受益的方案，证明了两类连续时间复发性神经网络（RNN）的通用近似定理：两者都可以学习与内存有关的模型误差。此外，我们将一类RNN连接到储层计算，从而将学习依赖性错误的学习与使用随机特征在Banach空间之间进行监督学习的最新工作联系起来。给出了数值结果（Lorenz '63，Lorenz '96多尺度系统），以比较纯粹的数据驱动和混合方法，发现混合方法较少，渴望数据较少，并且更有效。最后，我们从数值上证明了如何利用数据同化来从嘈杂，部分观察到的数据中学习隐藏的动态，并说明了通过这种方法和培训此类模型来表示记忆的挑战。

我们研究了回归中神经网络（NNS）的模型不确定性的方法。为了隔离模型不确定性的效果，我们专注于稀缺训练数据的无噪声环境。我们介绍了关于任何方法都应满足的模型不确定性的五个重要的逃亡者。但是，我们发现，建立的基准通常无法可靠地捕获其中一些逃避者，即使是贝叶斯理论要求的基准。为了解决这个问题，我们介绍了一种新方法来捕获NNS的模型不确定性，我们称之为基于神经优化的模型不确定性（NOMU）。 NOMU的主要思想是设计一个由两个连接的子NN组成的网络体系结构，一个用于模型预测，一个用于模型不确定性，并使用精心设计的损耗函数进行训练。重要的是，我们的设计执行NOMU满足我们的五个Desiderata。由于其模块化体系结构，NOMU可以为任何给定（先前训练）NN提供模型不确定性，如果访问其培训数据。我们在各种回归任务和无嘈杂的贝叶斯优化（BO）中评估NOMU，并具有昂贵的评估。在回归中，NOMU至少和最先进的方法。在BO中，Nomu甚至胜过所有考虑的基准。

现代深度学习方法构成了令人难以置信的强大工具，以解决无数的挑战问题。然而，由于深度学习方法作为黑匣子运作，因此与其预测相关的不确定性往往是挑战量化。贝叶斯统计数据提供了一种形式主义来理解和量化与深度神经网络预测相关的不确定性。本教程概述了相关文献和完整的工具集，用于设计，实施，列车，使用和评估贝叶斯神经网络，即使用贝叶斯方法培训的随机人工神经网络。

本文研究了使用神经跳跃（NJ-ODE）框架扩展的一般随机过程的问题。虽然NJ-ODE是为预测不规则观察到的时间序列而建立收敛保证的第一个框架，但这些结果仅限于从中\^o-diffusions的数据，特别是Markov过程，特别是在其中同时观察到所有坐标。。在这项工作中，我们通过利用签名变换的重建属性，将这些结果推广到具有不完整观察结果的通用，可能是非马克维亚或不连续的随机过程。这些理论结果得到了经验研究的支持，在该研究中，在非马克维亚数据的情况下，依赖路径依赖性的NJ-ode优于原始的NJ-ode框架。

这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。

标签 - 不平衡和组敏感分类中的目标是优化相关的指标，例如平衡错误和相同的机会。经典方法，例如加权交叉熵，在训练深网络到训练（TPT）的终端阶段时，这是超越零训练误差的训练。这种观察发生了最近在促进少数群体更大边值的直观机制之后开发启发式替代品的动力。与之前的启发式相比，我们遵循原则性分析，说明不同的损失调整如何影响边距。首先，我们证明，对于在TPT中训练的所有线性分类器，有必要引入乘法，而不是添加性的Logit调整，以便对杂项边缘进行适当的变化。为了表明这一点，我们发现将乘法CE修改的连接到成本敏感的支持向量机。也许是违反，我们还发现，在培训开始时，相同的乘法权重实际上可以损害少数群体。因此，虽然在TPT中，添加剂调整无效，但我们表明它们可以通过对乘法重量的初始负效应进行抗衡来加速会聚。通过这些发现的动机，我们制定了矢量缩放（VS）丢失，即捕获现有技术作为特殊情况。此外，我们引入了对群体敏感分类的VS损失的自然延伸，从而以统一的方式处理两种常见类型的不平衡（标签/组）。重要的是，我们对最先进的数据集的实验与我们的理论见解完全一致，并确认了我们算法的卓越性能。最后，对于不平衡的高斯 - 混合数据，我们执行泛化分析，揭示平衡/标准错误和相同机会之间的权衡。

This work shows how to leverage causal inference to understand the behavior of complex learning systems interacting with their environment and predict the consequences of changes to the system. Such predictions allow both humans and algorithms to select the changes that would have improved the system performance. This work is illustrated by experiments on the ad placement system associated with the Bing search engine.

定量金融中经典问题的许多现代计算方法被提出为经验损失最小化（ERM），从而可以直接应用统计机器学习的经典结果。这些方法旨在直接构建对冲或投资决策的最佳反馈表示，在此框架中分析了它们的有效性以及它们对概括错误的敏感性。使用古典技术表明，过度训练的渲染仪训练有素的投资决策成为预期，并证明了大型假设空间的过度学习。另一方面，基于Rademacher复杂性的非反应估计显示了足够大的训练集的收敛性。这些结果强调了合成数据生成的重要性以及复杂模型对市场数据的适当校准。一个数值研究的风格化示例说明了这些可能性，包括问题维度在过度学习程度上的重要性以及该方法的有效性。

共形推断是一种灵活的方法，用于将任何黑框模型（例如神经网，随机森林）的预测转换为有效的预测集。唯一必要的假设是可以交换培训和测试数据（例如I.I.D.）。不幸的是，这种假设通常在在线环境中是不现实的，在线环境中，生成数据的处理可能会随着时间而变化，并且连续数据点通常在时间上相关。在本文中，我们开发了一种在线算法，用于生成对这些偏差的预测间隔。我们的方法基于共形推断，因此可以与任何黑盒预测因子结合使用。我们表明，我们算法的覆盖误差受环境中基础变化的大小控制，因此直接将分布移位的大小与预测问题的难度联系起来。最后，我们将过程应用于两个现实世界的设置，发现我们的方法在现实世界动态下产生了强大的预测间隔。

使用可能的异质动力学估算时间序列数据的价值风险是一项高度挑战的任务。通常，我们面临着一个小的数据问题，结合了高度的非线性，因此对于经典和机器学习估计算法造成了困难。在本文中，我们提出了使用长期记忆（LSTM）神经网络的新型价值估计器，并将其性能与基准GARCH估计器进行比较。我们的结果表明，即使在相对较短的时间序列中，LSTM也可以用于完善或监视风险估计过程，并以非参数方式正确识别潜在的风险动态。我们对模拟和市场数据的估计器进行了评估，重点是异方差，发现LSTM在模拟数据上表现出与GARCH估算器相似的性能，而在实际市场数据上，它对增加波动性或降低波动性更为敏感，并且优于所有现有的现有估计器在异常率和平均分位数评分方面，价值风险。

With the development of experimental quantum technology, quantum control has attracted increasing attention due to the realization of controllable artificial quantum systems. However, because quantum-mechanical systems are often too difficult to analytically deal with, heuristic strategies and numerical algorithms which search for proper control protocols are adopted, and, deep learning, especially deep reinforcement learning (RL), is a promising generic candidate solution for the control problems. Although there have been a few successful applications of deep RL to quantum control problems, most of the existing RL algorithms suffer from instabilities and unsatisfactory reproducibility, and require a large amount of fine-tuning and a large computational budget, both of which limit their applicability. To resolve the issue of instabilities, in this dissertation, we investigate the non-convergence issue of Q-learning. Then, we investigate the weakness of existing convergent approaches that have been proposed, and we develop a new convergent Q-learning algorithm, which we call the convergent deep Q network (C-DQN) algorithm, as an alternative to the conventional deep Q network (DQN) algorithm. We prove the convergence of C-DQN and apply it to the Atari 2600 benchmark. We show that when DQN fail, C-DQN still learns successfully. Then, we apply the algorithm to the measurement-feedback cooling problems of a quantum quartic oscillator and a trapped quantum rigid body. We establish the physical models and analyse their properties, and we show that although both C-DQN and DQN can learn to cool the systems, C-DQN tends to behave more stably, and when DQN suffers from instabilities, C-DQN can achieve a better performance. As the performance of DQN can have a large variance and lack consistency, C-DQN can be a better choice for researches on complicated control problems.

本文衍生了置信区间（CI）和时间统一的置信序列（CS），用于从有限观测值中估算未知平均值的经典问题。我们提出了一种衍生浓度界限的一般方法，可以看作是著名的切尔诺夫方法的概括（和改进）。它的核心是基于推导一类新的复合非负胸腔，通过投注和混合方法与测试的连接很强。我们展示了如何将这些想法扩展到无需更换的情况下，这是另一个经过深入研究的问题。在所有情况下，我们的界限都适应未知的差异，并且基于Hoeffding或经验的Bernstein不平等及其最近的Supermartingale概括，经验上大大优于现有方法。简而言之，我们为四个基本问题建立了一个新的最先进的问题：在有或没有替换的情况下进行采样时，CS和CI进行有限的手段。