Artificial intelligence and economic theory : Skynet in the market

206 Pages·2017·4.2 MB·English

by  Hurwitz

Advanced Information and Knowledge Processing
Tshilidzi Marwala
Evan Hurwitz
Artificial
Intelligence
and Economic
Theory: Skynet
in the Market
Advanced Information and Knowledge
Processing
Series editors
Lakhmi C. Jain
Bournemouth University, Poole, UK, and
University of South Australia, Adelaide, Australia
Xindong Wu
University of Vermont
Informationsystemsandintelligentknowledgeprocessingareplayinganincreasing
role in business, science and technology. Recently, advanced information systems
have evolved to facilitate the co-evolution of human and information networks
within communities. These advanced information systems use various paradigms
includingartificialintelligence,knowledgemanagement,andneuralscienceaswell
as conventional information processing paradigms. The aim of this series is to
publish books on new designs and applications of advanced information and
knowledge processing paradigms in areas including but not limited to aviation,
business,security,education,engineering,health,management,andscience.Books
in the series should have a strong focus on information processing—preferably
combined with, or extended by, new results from adjacent sciences. Proposals for
research monographs, reference books, coherently integrated multi-author edited
books, and handbooks will be considered for the series and each proposal will be
reviewedbytheSeriesEditors,withadditionalreviewsfromtheeditorialboardand
independent reviewers where appropriate. Titles published within the Advanced
Information and Knowledge Processing series are included in Thomson Reuters’
Book Citation Index.
More information about this series at http://www.springer.com/series/4738
Tshilidzi Marwala Evan Hurwitz
(cid:129)
fi
Arti cial Intelligence
and Economic Theory:
Skynet in the Market
123
Tshilidzi Marwala Evan Hurwitz
Faculty of Engineering andtheBuilt Department ofElectrical andElectronic
Environment EngineeringScience,
University of Johannesburg Faculty ofEngineering andthe Built
Auckland Park Environment
SouthAfrica University of Johannesburg
Auckland Park
SouthAfrica
ISSN 1610-3947 ISSN 2197-8441 (electronic)
AdvancedInformation andKnowledge Processing
ISBN978-3-319-66103-2 ISBN978-3-319-66104-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-319-66104-9
LibraryofCongressControlNumber:2017950270
©SpringerInternationalPublishingAG2017
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Printedonacid-freepaper
ThisSpringerimprintispublishedbySpringerNature
TheregisteredcompanyisSpringerInternationalPublishingAG
Theregisteredcompanyaddressis:Gewerbestrasse11,6330Cham,Switzerland
Preface
ArtificialIntelligenceandEconomicTheory:Skynetinthemarketborrowstheword
Skynet from the movie The Terminator. The advent of artificial intelligence has
changed many disciplines such as engineering, social science and economics.
Artificial intelligence is a computational technique which is inspired by natural
intelligence such as the swarming of birds, the workings of the brain and the path
findingbehavioroftheants.Thesetechniqueshaveimpactoneconomictheory.This
bookstudies theimpactofartificial intelligence oneconomictheory,asubjectthat
has not yet been studied. The theories that are considered include asymmetrical
information,pricing,rationalexpectations,rationalchoice,gametheory,mechanism
design, behavioral economics, bounded rationality, efficient market hypothesis,
financialengineering,portfolio,rationalcounterfactualandcausality.Thebenefitof
thisbookisthatitevaluatesexistingtheoriesofeconomicsandupdatesthembased
onthedevelopmentsintheartificialintelligencefield.Thisbookmakesanimportant
contribution to the area of econometrics, and is an interesting read for graduate
students,researchersandfinancialpractitioners.Inthisbook,Chaps. 1, 2,3, 4, 5,
8, 9, 12, 13, 14,and 15 werewrittenbyTshilidziMarwalawhereasChaps. 7 and
10 were written by Evan Hurwitz. Chapters 6 and 11 were jointly written. We
thank thethree anonymous reviewers for their contributions.
Johannesburg, South Africa Tshilidzi Marwala Ph.D.
July 2017 Evan Hurwitz D.Eng.
v
Contents
1 Introduction to Man and Machines. .... .... .... .... ..... .... 1
1.1 Introduction .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 1
1.2 Economics and Economic Theory... .... .... .... ..... .... 3
1.3 Artificial Intelligence .... .... .... .... .... .... ..... .... 9
1.4 Conclusion ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 12
References. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 13
2 Supply and Demand .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 15
2.1 Introduction .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 15
2.2 Scarcity.. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 16
2.3 Utilitarianism . .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 17
2.4 Supply and Demand..... .... .... .... .... .... ..... .... 18
2.5 Factors Influencing Demand and Supply . .... .... ..... .... 21
2.6 Artificial Intelligence (AI) and Demand and Supply. ..... .... 22
2.7 Conclusion ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 24
References. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 24
3 Rational Choice and Rational Expectations... .... .... ..... .... 27
3.1 Introduction .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 27
3.2 Adaptive and Rational Expectations. .... .... .... ..... .... 28
3.3 What Is Rational Choice?. .... .... .... .... .... ..... .... 30
3.4 Information... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 32
3.5 Choices.. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 32
3.6 Optimization.. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 33
3.7 Rational Choice ... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 33
3.8 Rational Choice and Opportunity Cost... .... .... ..... .... 35
3.9 Rational Choice and Artificial Intelligence.... .... ..... .... 35
3.10 Interstate Conflict and Rational Choice... .... .... ..... .... 36
3.11 Conclusion ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 38
References. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 38
vii
viii Contents
4 Bounded Rationality .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 41
4.1 Introduction .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 41
4.2 Rational Decision Making: A Causal Approach.... ..... .... 42
4.3 Rational Decision Making Process.. .... .... .... ..... .... 43
4.4 Bounded-Rational Decision Making. .... .... .... ..... .... 43
4.5 Credit Scoring. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 47
4.6 Conclusions .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 49
References. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 49
5 Behavioral Economics... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 51
5.1 Introduction .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 51
5.2 Behavioural Economics .. .... .... .... .... .... ..... .... 52
5.3 Behavioural Economics and Demand and Supply... ..... .... 54
5.4 Behavioural Economics and Rational Expectations.. ..... .... 56
5.5 Behavioural Economics and Bounded Rationality... ..... .... 57
5.6 Artificial Intelligence and Behavioural Economics .. ..... .... 57
5.7 Moore’s Law . .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 59
5.8 Conclusions .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 60
References. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 60
6 Information Asymmetry . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 63
6.1 Introduction .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 63
6.2 Asymmetric Information.. .... .... .... .... .... ..... .... 66
6.3 Artificial Intelligence Makes Us Wiser... .... .... ..... .... 68
6.4 Asymmetric Information and Market Efficiency.... ..... .... 69
6.5 Information Asymmetry and Trading Volumes. .... ..... .... 71
6.6 Conclusion ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 73
References. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 73
7 Game Theory.. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 75
7.1 Introduction .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 75
7.2 Game-Theory Artefacts... .... .... .... .... .... ..... .... 76
7.3 Multi-agent Modelling ... .... .... .... .... .... ..... .... 81
7.3.1 Complexity Modelling.... .... .... .... ..... .... 83
7.3.2 Economics..... .... .... .... .... .... ..... .... 84
7.3.3 Social Sciences . .... .... .... .... .... ..... .... 84
7.4 Intelligent Agents.. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 84
7.5 The Road Ahead... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 86
7.6 Conclusions .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 87
References. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 87
8 Pricing ... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 89
8.1 Introduction .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 89
8.2 Pricing .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 90
8.3 Value Theory . .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 90
Contents ix
8.4 Game Theory . .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 92
8.5 Rational Pricing ... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 93
8.6 Capital Asset Pricing Model... .... .... .... .... ..... .... 93
8.7 Black-Scholes Equation .. .... .... .... .... .... ..... .... 94
8.8 Demand and Supply..... .... .... .... .... .... ..... .... 95
8.9 Conclusions .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 98
References. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 98
9 Efficient Market Hypothesis... .... .... .... .... .... ..... .... 101
9.1 Introduction .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 101
9.2 Efficient Market Hypothesis ... .... .... .... .... ..... .... 102
9.3 Rational Expectations.... .... .... .... .... .... ..... .... 103
9.4 Rational Choice ... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 104
9.5 Bounded Rationality..... .... .... .... .... .... ..... .... 104
9.6 Information Asymmetry .. .... .... .... .... .... ..... .... 105
9.7 Behavioral Economics ... .... .... .... .... .... ..... .... 106
9.8 Game Theory . .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 106
9.9 Demand and Supply..... .... .... .... .... .... ..... .... 107
9.10 Pricing .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 108
9.11 Artificial Intelligence .... .... .... .... .... .... ..... .... 109
9.12 Conclusions .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 109
References. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 110
10 Mechanism Design.. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 111
10.1 Introduction .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 111
10.2 The Players... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 112
10.3 Efficiency and Equilibria.. .... .... .... .... .... ..... .... 114
10.4 Incentive Compatibility and the Revelation Principle..... .... 115
10.5 Goalposts .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 116
10.6 So What? .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 118
10.7 Through the Looking Glass ... .... .... .... .... ..... .... 119
10.8 Application to Market Design.. .... .... .... .... ..... .... 121
10.9 Conclusions .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 123
References. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 123
11 Portfolio Theory ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 125
11.1 Introduction .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 125
11.2 Assumptions and Limitations .. .... .... .... .... ..... .... 128
11.3 The Trading Machine.... .... .... .... .... .... ..... .... 130
11.4 The Emerging Trading Machine.... .... .... .... ..... .... 131
11.5 Intelligence... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 132
11.6 Evolutionary Programming.... .... .... .... .... ..... .... 133
11.7 Results Analysis... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 134
11.8 Conclusion ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 135
References. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 135
x Contents
12 Counterfactuals.... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 137
12.1 Introduction .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 137
12.2 Counterfactuals.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 138
12.3 Rational Counterfactuals.. .... .... .... .... .... ..... .... 140
12.4 Counterfactuals and Causality.. .... .... .... .... ..... .... 141
12.5 Counterfactuals and Opportunity Cost ... .... .... ..... .... 142
12.6 Counterfactuals and Artificial Intelligence .... .... ..... .... 143
12.7 Interstate Conflict.. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 143
12.8 Conclusions .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 145
References. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 145
13 Financial Engineering... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 147
13.1 Introduction .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 147
13.2 Risk .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 148
13.3 Stock Markets. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 149
13.4 Control Systems... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 153
13.5 Factor Analysis.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 155
13.6 Conclusions .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 157
References. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 157
14 Causality . .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 159
14.1 Introduction .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 159
14.2 Correlation ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 160
14.3 Causality. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 161
14.4 Granger Causality.. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 165
14.5 Pearl Causality .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 165
14.6 Use of Do-Calculus ..... .... .... .... .... .... ..... .... 168
14.7 Conclusions .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 169
References. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 169
15 Future Work .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 171
15.1 Conclusions .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 171
15.2 Decision Theory... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 175
15.3 Developmental Economics .... .... .... .... .... ..... .... 176
15.4 New Economic Theory .. .... .... .... .... .... ..... .... 177
References. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 178
Appendix A: Multi-layer Perceptron Neural Network.. .... ..... .... 181
Appendix B: Particle Swarm Optimization... .... .... .... ..... .... 185
Appendix C: Simulated Annealing.. .... .... .... .... .... ..... .... 189
Appendix D: Genetic Algorithms... .... .... .... .... .... ..... .... 193
Appendix E: Fuzzy Logic.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 197
Appendix F: Granger Causality.... .... .... .... .... .... ..... .... 201
Index .... .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 203