124 Aplicación de Programación Lineal en la Gestión de Carteras Jaime Fabián Prieto U1, María Angélica González C 1 , Anastacio Sebastián Arce E 2 Universidad Nacional del Este - Facultad Politécnica 1 vanvanfabi@hotmail.com; 1 angegz@gmail.com Resumen . En las decisiones financieras, uno de los principales problemas es la selección de activos para la conformación de carteras de inversión, teniendo en cuenta que los agentes de mercado desean tener la máxima rentabilidad con un mínimo de riesgo. Las decisiones de inversión son tomadas en situaciones de incertidumbres y generalmente con base en la intuición de los gestores e inversores, según su experiencia y conocimiento. En este trabajo, la administración de carteras recibe un tratamiento científico a través de modelos con los cuales se busca obtener “carteras eficientes”, que son aquellas que satisfacen los criterios del inversor en el sentido de obtener una combinación de activos que resulten en un mínimo de riesgo para una dada tasa de rentabilidad o retorno. El modelo utilizado está basado en la teoría de selección de carteras de Harry Markowitz, quien, en su formulación matemática, relaciona la rentabilidad esperada de una cartera a la esperanza matemática y el riesgo de la cartera a la desviación estándar. En el trabajo se hace una revisión mínima de conceptos relacionados a estadística y de programación lineal, necesarios para la formulación del problema. Es utilizada la planilla electrónica de Excel para resolver el problema de optimización, con lo que quiere mostrar que el problema de gestión de carteras puede tener un tratamiento adecuado a través de un programa barato y accesible como es la planilla Excel. Como estudio de caso es presentado el problema compuesto por cinco activos con datos históricos correspondientes a diez periodos de tiempo. Los resultados apuntan a un aumento en la tasa de rendimiento de las carteras y una reducción del riesgo. Palabras claves: Carteras eficientes, programación lineal, optimización. Abstract: In the financial decisions, one of the main problems is the active selection for the conformation of investment portfolios, considering that the market agents wish to have the greater yield with the smaller risk. The investment decisions are taken in uncertainty situations and normally with base in the manager and investors intuitions. In this work looks to obtain efficient portfolios, that are the ones that satisfy the investor risk criteria. The model used is based in the portfolio selection theory from Harry Markowitz, who, in his mathematical formulation, relates the waited yield of a portfolio to the mathematical hope, and the portfolio risk to the standard deviation. As a case study is presented a problem composed of five actives with historic data corresponding to ten periods of time. The results points an increase of the portfolio yield rate and a reduction of the risk. Keywords: Efficient portfolios, lineal programming, optimization. 1. Introducción Uno de los problemas fundamentales en finanzas es la elección de los activos para la inversión. Todos los agentes de mercado, sean individuos o empresas, enfrentan constantemente la cuestión de dónde invertir sus recursos entre las alternativas disponibles. Para decidir la mejor combinación de esas opciones es necesario considerar el retorno que será obtenido con el riesgo al que será incurrido, buscando el máximo retorno posible de su inversión, dentro de niveles de riesgos aceptables. El objetivo central de este trabajo es la aplicación de técnicas de Programación Lineal (PL) en los modelos de administración de carteras, para demostrar las ventajas que se generan con el uso de la optimización. El proceso científico aplicado a la gestión de carteras está basado en la Teoría Moderna de Carteras (Modern Portfolio Theory – MPT), cuyos principios fueron publicados por primera vez por Harry Markowitz. Él establece un ARTÍCULOS CIENTÍFICOS – ELÉCTRICA – Nº 4 – AÑO 2008 125 modelo clásico para la gestión de carteras, donde a partir de la minimización de una función de evaluación de riesgo, se determina una cartera óptima. Con este método, se puede, de forma matemática y estadística, reducir el riesgo de un conjunto de activos que componen una cartera, a través de lo que se denomina “diversificación de carteras de inversión”, confeccionando lo que se conoce como portafolio o cartera eficiente (efficient portfolio). Toda cartera eficiente, debe contener una combinación de activos que tenga el máximo retorno para una clase de riesgo o, el mínimo riesgo para una clase de retorno. El propósito de Harry Markowitz fue utilizar la medida del riesgo para componer carteras para inversores que consideran el retorno esperado algo deseable y la varianza del retorno algo indeseable, utilizando la investigación operativa en la selección de carteras. En este trabajo se estudia la unión de estos métodos de forma simple en el proceso de optimización en la selección de carteras, a través de un programa computacional de fácil acceso como la planilla electrónica Excel, aplicado a un problema compuesto por cinco activos con datos históricos correspondientes a diez periodos de tiempo. Los resultados apuntan a un aumento en la tasa de rendimiento de las carteras y una reducción del riesgo. 2. Selección de Carteras Es un proceso de evaluación del riesgo y el retorno esperado, asociado a un conjunto de acciones, en el que se busca la cartera o combinación de acciones, con el objetivo de delinear portfolios eficientes. En la administración de inversiones existe una relación directamente proporcional entre el riesgo y el retorno; y la teoría del portfolio trata esencialmente de la composición de una cartera óptima de activos, buscando maximizar la utilidad o grado de satisfacción del inversor por la relación riesgo/retorno. El objetivo básico del estudio de carteras de activos, de acuerdo a esta teoría, es seleccionar carteras definidas como óptimas en base al criterio de inversión propuesto; es seleccionar carteras que ofrecen el mayor rendimiento posible para un determinado grado de riesgo. 3. El Riesgo en la Composición de una Cartera El riesgo es una posibilidad de que algún acontecimiento desfavorable o un peligro venga a ocurrir. El riesgo de una inversión está vinculado a la probabilidad de ganarse menos de lo esperado. La definición del riesgo en el área financiera es la varianza o el desvío en relación a una media. El riesgo en el mercado financiero puede ser dividido en dos tipos básicos: • El riesgo sistémico, no diversificable: es inherente a todos los activos negociados en el mercado, siendo determinados por eventos de naturaleza política, económica y social. No hay forma de evitar totalmente el riesgo sistémico. Este tipo de riesgo se refiere a situaciones que afectan al mercado como un todo; como por ejemplo, la disminución de la tasa de interés. Es aquel que no puede ser eliminado o reducido, mediante la diversificación. • El riesgo no sistémico o diversificable: es identificado en las características del propio activo; no afecta a los demás activos de la cartera. Por ejemplo, en el caso en que una cierta empresa invierta en un proyecto que fue previsto como viable y con el pasar del tiempo se verifica que en realidad está siendo inviable financieramente, esto aunque puede afectar el valor de esta empresa, no afectará a un número significativo de otras empresas. Este riesgo puede ser totalmente diluido con la diversificación de la cartera. Es importante, para el estudio del mercado financiero, que se analice el riesgo de una cartera compuesta por más de un activo. La orientación que se asume en esas decisiones financieras es seleccionar alternativas que lleven a la mejor diversificación y, consecuentemente, reducción del riesgo de las inversiones y, al mismo tiempo, la producción de un retorno admitido como aceptable en el ámbito de los inversores de mercado. El riesgo es eliminado si, por ejemplo, se implementan dos alternativas de inversiones que posean correlaciones opuestas, iguales a -1 y 1 respectivamente, como se ilustra en la figura 1. ARTÍCULOS CIENTÍFICOS – ELÉCTRICA – Nº 4 – AÑO 2008 126 4. Efectos de la Diversificación de una Cartera E(R) Años Figura 1. Inversión con correlación perfectamente negativa La existencia de activos negativamente relacionados, indica la existencia de carteras con inversiones que produzcan retornos inversamente proporcionales; esto es, cuando el retorno de uno de ellos decrece, el retorno del otro activo se elevará en la misma intensidad, anulando los reflejos negativos producidos. En este comportamiento ocurre una eliminación total del riesgo de la cartera, siendo los resultados desfavorables verificados en algunos activos perfectamente compensados por el desempeño positivo de otros [1]. La elección por activos positivos y perfectamente relacionados, conforme se observa en la figura 2, define un mayor riesgo. No se verifica una compensación del riesgo asumido por los activos, y se pueden generar altos lucros y elevadas pérdidas. E(R) Un inversor que esté en el mercado de acciones busca el máximo retorno posible a su inversión, dentro de niveles de riesgo aceptable. El riesgo y el retorno, por lo general, poseen una correlación positiva; es decir, cuanto mayor sea el retorno esperado, mayor será el riesgo y viceversa. Esta relación puede ser trabajada de forma a que se consiga, a través de la diversificación de la inversión la composición de una cartera de inversión, que aumente el retorno esperado manteniendo el nivel de riesgo a niveles iguales o menores que el riesgo individual de cada activo. Por medio del concepto de la diversificación, es posible esperar que activos con riesgos puedan combinarse en el contexto de una cartera de forma que se obtenga un riesgo menor que aquel calculado para cada uno de sus componentes. Desde que los retornos no sean perfecta y positivamente relacionados entre sí, hay siempre una reducción del riesgo por la diversificación. El proceso de diversificación es el más indicado para que el riesgo de las inversiones sea diluido de forma consiente. En la figura 3 puede observarse que conforme se amplía la diversificación de la cartera por medio de la inclusión de más títulos, su riesgo total σ decrece en función de la eliminación del riesgo no sistemático. Este proceso es limitado por la presencia del riesgo sistemático, común a todos los títulos. A partir de cierto número de títulos, el riesgo de la cartera se mantiene prácticamente estable, correspondiendo únicamente a su parte no diversificable [1]. Años Figura 2. Inversión con correlación perfectamente negativa Riesgo de la cartera de inversión σ Riesgo Diversificable El riesgo está presente en todas las inversiones, aunque sea muy reducido. La concentración de inversiones en un solo activo expone al inversor a un gran riesgo, pues queda a merced de las oscilaciones del mercado, con escasa protección en caso de variaciones indebidas y no previstas. Riesgo Total Riesgo No Diversificable Cantidad de activos Figura 3. Reducción del riesgo con la diversificación ARTÍCULOS CIENTÍFICOS – ELÉCTRICA – Nº 4 – AÑO 2008 127 5. Frontera Eficiente La frontera eficiente es una figura que muestra el riesgo y el retorno para las diversas composiciones posibles entre dos o más activos. Está compuesta por las combinaciones de inversiones que ofrecen la mayor rentabilidad para un nivel de riesgo dado. La selección de cartera de inversión más atractiva para un inversor racional, que evalúa la relación riesgo/retorno en sus decisiones queda restricto a las combinaciones disponibles en el trecho M - W de la línea de combinaciones descriptas en la figura 4. W Rendimiento ( %) M Cartera de mínima Carteras Ineficient Riesgo (desv. stand %) Figura 4 . Frontera eficiente Este segmento es conocido como frontera eficiente. En la frontera eficiente, es posible seleccionar una cartera que presenta, para un determinado retorno, el menor riesgo posible. El análisis de la figura 4 apunta que: • Todos los portafolios ubicados en la línea son eficientes. • Los portafolios ubicados por debajo son ineficientes. • No puede haber portafolios ubicados por encima. • El punto M se conoce como el portfolio de varianza mínima, representa una cartera de activos que presenta el menor riesgo posible. 6. Modelo de Gestión de Carteras de Harry Markowitz Consiste en buscar aquella composición de la cartera que haga máxima la rentabilidad para un determinado nivel de riesgo, o bien, mínimo el riesgo para una rentabilidad dada. Partiendo de los siguientes conceptos: 1. La rentabilidad de cualquier titulo o cartera, es una variable aleatoria cuya distribución de probabilidad para el periodo de referencia es conocida por el inversor. Se acepta como medida de rentabilidad de la inversión “la media o la esperanza matemática” de dicha variable. 2. Se acepta como medida de riesgo la dispersión, medida por la varianza o la desviación estándar de la variable aleatoria que describe la rentabilidad, ya sea de un valor individual o de una cartera. 3. El inversor elegirá aquellas carteras con una mayor rentabilidad y menor riesgo. Este método registra la varianza de una cartera, como la suma de las varianzas individuales de cada acción y covarianza entre pares de acciones de carteras, de acuerdo con el peso de cada acción en la cartera. Debe estar presente una cartera que maximice el retorno esperado y minimice la varianza, y ésta debe ser la recomendada para un inversor. Aunque el retorno esperado sea la media ponderada de los retornos individuales, lo mismo no puede ser dicho para la varianza o riesgo de la cartera. De acuerdo con este procedimiento, la varianza de la cartera depende de la covarianza entre pares de activos, el cual, a su vez, depende de la correlación entre los activos. Así, cuando dos o más activos poco relacionados componen una cartera de inversiones, se consigue un riesgo menor que la media ponderada de los riesgos individuales, y algunas veces un riesgo menor que el del activo de menor riesgo con un retorno mayor que el de este activo. Este modelo centrado en la diversificación de carteras, muestra cómo un inversor puede reducir el riesgo de una cartera eligiendo valores cuyas oscilaciones no sean paralelas, es decir, valores que tengan poca relación de manera que unos aumenten su valor mientras otros experimenten bajas en sus precios. Con el objetivo de utilizar la noción del riesgo para componer cartera de inversores que consideran el retorno esperado algo deseable y la varianza del retorno algo indeseable, el modelo muestra que mientras el retorno de una cartera diversificada equivale a la media ponderada de los retornos de sus componentes individuales, su volatilidad será inferior a la volatilidad de sus componentes individuales. El modelo de Markowitz es basado en ocho hipótesis: ARTÍCULOS CIENTÍFICOS – ELÉCTRICA – Nº 4 – AÑO 2008 128 Hipótesis 1: Los inversores evalúan carteras apenas con base en el valor esperado y en las varianzas de las tasas de retornos de los activos disponibles. Hipótesis 2: Los inversores buscan maximizar sus retornos. Cuando deben elegir entre dos carteras con el mismo riesgo, siempre elegirán la que tiene mayor retorno. Hipótesis 3: Los inversores buscan minimizar su riesgo. Cuando deben elegir entre dos carteras con el mismo retorno, siempre elegirán aquella con menor riesgo. Hipótesis 4: Los activos son infinitamente divisibles, por lo que es posible comprar cualquier fracción de activo. Hipótesis 5: Existe una tasa libre de riesgo, en la cual el inversor puede tanto aplicar como tomar recursos prestados. Hipótesis 6: El volumen de las operaciones del inversor no afecta los precios del mercado. Hipótesis 7: Los costos operacionales de comprar activos son irrelevantes. La formulación matemática es dada por: Minimizar la varianza de la cartera dada por: N N σ = ∑ ∑ wi w j σ ij Descripción del Modelo Para describir el modelo se considera un inversor que desea componer una cartera de acciones con base en cinco activos diferentes. Se determinará, utilizando el método de Markowitz, cuál es la mejor combinación de acciones que minimiza el riesgo de acuerdo con el retorno deseado. Las variables de decisión de este ejemplo son: • Participaciones individuales de cada activo en la cartera. • Retorno de la cartera. • Riesgo de la cartera. • Retorno individual de cada activo. • Varianzas y covarianzas. Se desea saber cuál deberá ser el porcentaje de inversión de cada activo con el fin de reducir los riesgos. La función objetivo, en este ejemplo, es la de minimizar el riesgo o varianza dada por el modelo de Harry Markowitz y está representada por: 5 VAR = ∑ X i ∗ ∑ X j ∗ σ ij i =1 j =1 5 Este modelo también revela cuáles son las restricciones que deben ser respetadas en la solución de este problema. O sea: Participaciones Individuales ( X i ) ≥ 0 Suma de las Participaciones Individuales 5 ∑X i =1 j =1 Maximizar el retorno de la cartera dada por: i =1 i = 100% N La definición de la tasa de retorno mínimo i =1 deseado R = ∑ wi × ri 5 N Ambos sujetos a: i = 1,..., N Donde: ∑w i =1 i = 1 y 0 ≤ wi ≤ 1 , R: Retorno de la cartera. wi: Porción invertida en el activo i. ri: Retorno del activo i. σij: Covarianza entre los activos i y j. ∑X r i =1 i i ≥R Datos Recolectados La tabla 1 muestra los datos seleccionados con una composición de cinco activos no optimizados, como datos iniciales a los cuales se aplicará la optimización para hallar la cartera óptima [3]. 2. Ejemplo de Aplicación Se presenta una aplicación de PL en la selección de carteras, con el modelo de Markowitz , utilizando como herramienta la planilla electrónica Excel. ARTÍCULOS CIENTÍFICOS – ELÉCTRICA – Nº 4 – AÑO 2008 129 HISTÓRICO DE RETORNOS DE LOS ACTIVOS Activo 1 Activo 2 Activo 3 Activo 4 Activo 5 Periodo 1 10,00% 15,00% 12,00% 18,00% 5,00% Periodo 2 12,00% 17,00% 13,00% 16,00% 8,00% Periodo 3 8,00% 4,00% 9,00% 3,00% 10,00% Periodo 4 7,00% -8,00% 7,00% 4,00% 9,00% Periodo 5 9,00% 15,00% 9,00% 8,00% 5,00% Periodo 6 7,00% 22,00% 11,00% 10,00% 4,00% Periodo 7 8,00% 3,00% 9,00% -3,00% 4,00% Periodo 8 6,00% 14,00% 6,00% 15,00% 6,00% Periodo 9 9,00% 2,00% 8,00% 20,00% 8,00% Periodo 10 11,00% 15,00% 10,00% 16,00% 10,00% Se calculan las varianzas- covarianzas, entre los pares de activos que podrán componer la cartera, a través de las formulas VARP y COVAR. Los resultados se observan en la figura 6. Figura 6 - Resultado del retorno calculado con PROM Tabla 1. Datos iniciales Procesamiento de los Datos. Determinación del Retorno Esperado y el Riesgo de una Cartera. Inicialmente se define el retorno esperado, el desvío estándar, la varianza y las covarianzas entre las acciones seleccionadas. En la planilla, se aplica retornos de 5 acciones para 10 periodos. La tabla 1 muestra una composición de activos aún no optimizadas. A partir de estos datos iniciales serán hechas las optimizaciones para encontrarse la cartera óptima. En relación a la diversificación, se parte del supuesto de que el inversor deberá dividir proporcionalmente las acciones en su cartera de acciones. El retorno puede calcularse a través de la función PROMEDIO, cuyos resultados se observan en la figura 5. La varianza de las acciones son definidas por el producto de su participación porcentual, por la sumatoria de la matriz varianza – covarianza, multiplicada por las participaciones porcentuales de las demás acciones. Este cálculo se realiza a través de la función SUMAPRODUCTO del Excel. El retorno de cada acción es definido por el producto de la participación porcentual y el retorno esperado. La figura 6 muestra los resultados del retorno esperado y el riesgo, medido por la varianza para la cartera con la composición inicial. La participación equitativa en 20% de cada acción, resulta con un retorno de 8,56% y un desvío estándar de 3,49%. Figura 7 . Retorno esperado y riesgo para una composición de cartera Optimización de la Cartera La optimización de la cartera de acciones consistirá en minimizar la varianza manteniendo un retorno esperado de como mínimo 9%, conforme se puede apreciar en la figura 8. Figura 5 . Resultado del retorno calculado con PROM ARTÍCULOS CIENTÍFICOS – ELÉCTRICA – Nº 4 – AÑO 2008 130 participación de la acción 3 pasa de 20 a 33,74%. Este resultado se debe al porcentual de covarianza entre ambas acciones, el mayor entre los pares de acciones, conforme se aprecia en la figura 9. Definición de la Frontera Eficiente Figura 8 . Optimización de carteras con el Solver Los resultados de la optimización resumidos en las figuras 9 y 10. En el ejemplo serán estudiados los resultados de la minimización del riesgo para los valores de retorno esperado definidos en la tabla 3. están % 7,32 Retorno Esperado % 8,00 % 9,00 % 10,00 % 10,70 Tabla 3. Datos para cálculo de frontera eficiente Se puede notar que los valores de retorno esperado varían entre 7,32 a 10,7 %. Los resultados obtenidos para cada uno de los casos están resumidos en la tabla 4. Figura 9. Matriz de varianza – covarianza de cartera optimizada Retorno Esperado % 7,32 % 8,00 % 9,00 % 10,00 % 10,70 Varianza 0,02 0,03 0,09 0,25 0,80 Desvío Estándar 1,44 1,77 2,93 5,05 8,92 Tabla 4 . Datos para graficar la frontera eficiente Figura 10. Composición de la cartera optimizada y resultados de la misma El uso de la optimización, vía Solver del Excel, resulta en valores mejores en términos de retorno esperado y riesgo comparado con el caso inicial, en que la cartera está compuesta con una participación equitativa de todas las acciones. Para una restricción de retorno esperado igual o mayor a 9% se obtiene una disminución del riesgo, medido por la varianza, de 0,12 a 0,09%. Tabla 2 . Tabla de resultados La composición inicial y optimizada de la cartera esta detallada en la tabla 2. Se puede notar una buena diversificación de las aplicaciones en la cartera optimizada. La acción 2 con una participación inicial de 20%, en la composición de la cartera inicial pasa a una participación de apenas 0,73%, mientras que la La representación gráfica de estos resultados define la frontera de eficiencia para el conjunto de acciones. La frontera eficiente representada por la curva en azul, en la figura 12, está compuesta por las mejores combinaciones de activos en términos de retorno esperado y riesgo. Cualquier punto debajo de esta curva será considerado como una combinación ineficiente, dado que existe una solución o combinación de acciones para componer la cartera que resultará en mejores resultados en términos de retorno esperado o riesgo. En la misma figura 12 se puede notar que el punto no óptimo posee un valor de riesgo y un retorno esperado cuyo valor es menor que el localizado sobre la línea eficiente, que tendrá un valor de retorno Activo 1 Activo 2 Activo 3 Activo 4 Activo 5 Total Retorno total Varianza Participación original 20% 20% 20% 20% 20% 100% Participación en la cartera optimizada 29,44% 0,73% 33,74% 19,08% 17,01% 100% 8,56% 9,00% 0,12% 0,09% esperado mayor. ARTÍCULOS CIENTÍFICOS – ELÉCTRICA – Nº 4 – AÑO 2008 131 12,00% 4. Referencias Reto rn o 10,00% 8,00% Frontera eficiente 6,00% punto no optimo 4,00% [1] Orge, C. A. (2007); “Como Investir em Açoes”, Editora Ciencia Moderna Ltda., Rio de Janeiro (Brasil), 207. 2,00% 0,00% 0,00% 0,50% 1,00% Riesgo Figura 12. Frontera eficiente del ejemplo [2] Neto, A. (2006); “Mercado Financiero”, 7ª Edición, Editora Atlas S.A., San Paulo (Brasil) [3] http://www.feb.unesp.br. . Accedido en el día 17/12/2007. La selección de la cartera es determinada por la postura del inversor frente al riesgo; mayores riesgos dan oportunidad a mayores retornos esperados y viceversa. 3. Conclusiones En el trabajo se describen las teorías que fundamentan la administración de carteras, a través del estudio y el análisis del riesgo en la gestión de carteras de activos financieros, mediante la aplicación del modelo matemático definido por Harry Markowitz, el cual utiliza parámetros estadísticos para representar el riesgo, desviación estándar, rendimiento esperado y esperanza matemática de una cartera compuesta por más de un activo. La definición de la cartera óptima, conforme a esta teoría, resulta de la combinación adecuada de estas acciones para componer la cartera. A partir de la formulación matemática del problema se buscó obtener la solución que minimice el riesgo para una rentabilidad dada o maximice la ganancia para un determinado riesgo. De los resultados obtenidos se destaca la importancia del índice de correlación entre los activos para la minimización de los niveles de riesgo de la cartera. Activos con índices de correlación positivamente elevados, o sea, próximos a +1, a través de la aplicación de la PL son evitados en la formación de una cartera de inversión, pues las eventuales pérdidas en un activo serán acompañadas por pérdidas en los otros activos positivamente correlacionados. ARTÍCULOS ARTÍCULOSCIENTÍFICOS CIENTÍFICOS––ELÉCTRICA ELÉCTRICA––Nº Nº44––AÑO AÑO2008 2008