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Modélisation GARCH de la volatilité

La dualité GARCH et ARMA sur les carrés

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Modélisation GARCH de la volatilité

Chapitre 8 : La dualité GARCH et ARMA sur les carrés

Auteur·rice
Affiliation

Jaouad Madkour

Faculté d’Économie et de Gestion de Tanger

Date de publication

25 septembre 2026

Avant de commencer

Un résultat qui réutilise tout le cours précédent

Ce que ce chapitre démontre

Un GARCH(p,q) sur \varepsilon_t est un ARMA(\max(p,q), p) sur \varepsilon_t^2.

Ce n’est pas une ressemblance : c’est la même équation, réécrite. Toute la théorie du cours ARMA s’applique donc directement, sans rien redémontrer.

La transformation

L’innovation de la variance

Définition

v_t = \varepsilon_t^2 - h_t .

Trois propriétés, toutes immédiates :

\mathrm{E}\big(v_t \mid \Omega_{t-1}\big) = \mathrm{E}\big(\varepsilon_t^2\mid\Omega_{t-1}\big) - h_t = h_t - h_t = 0

\mathrm{Cov}(v_t, v_{t-k}) = 0 \quad (k \ge 1)

v_t est un bruit blanc

Centré, non corrélé. C’est la surprise de la variance : l’écart entre le carré réalisé et ce qu’on en attendait la veille.

L’innovation de la variance (suite)

Une réserve importante

v_t est un bruit blanc faible, et sa variance n’est pas constante : elle dépend de h_t^2. C’est un bruit blanc hétéroscédastique.

Cela ne gêne pas l’algèbre qui suit, mais explique pourquoi on n’estimera pas le GARCH par les moindres carrés sur les carrés — chapitre 13.

La réécriture

Partons du GARCH(1,1) et remplaçons h_t par \varepsilon_t^2 - v_t et h_{t-1} par \varepsilon_{t-1}^2 - v_{t-1} :

\varepsilon_t^2 - v_t = \omega + \alpha_1\varepsilon_{t-1}^2 + \beta_1\big(\varepsilon_{t-1}^2 - v_{t-1}\big)

En regroupant :

Le résultat

\boxed{\ \varepsilon_t^2 = \omega + (\alpha_1+\beta_1)\,\varepsilon_{t-1}^2 + v_t - \beta_1\,v_{t-1}\ }

Reconnaître la forme

C’est un ARMA(1,1)

Avec les notations du cours précédent, en posant y_t = \varepsilon_t^2 : y_t = \theta + \underbrace{(\alpha_1+\beta_1)}_{\text{coefficient AR}}\,y_{t-1} + v_t \underbrace{-\ \beta_1}_{\text{coefficient MA}}\,v_{t-1} .

La correspondance des paramètres
GARCH(1,1) ARMA(1,1) sur \varepsilon_t^2
\alpha_1 + \beta_1 coefficient autorégressif
-\beta_1 coefficient de moyenne mobile
\omega constante

Le cas général

GARCH(p,q) et ARMA

\varepsilon_t^2 = \omega + \sum_{i=1}^{\max(p,q)}(\alpha_i+\beta_i)\,\varepsilon_{t-i}^2 + v_t - \sum_{j=1}^{p}\beta_j\,v_{t-j} , soit un ARMA(\max(p,q), p) sur les carrés, avec la convention \alpha_i = 0 pour i>q et \beta_j=0 pour j>p.

Ce que montre la dualité

La condition de stationnarité, retrouvée

Sans aucun calcul nouveau

Un ARMA(1,1) est stationnaire si son coefficient autorégressif est de module inférieur à 1. Ici ce coefficient vaut \alpha_1+\beta_1.

D’où \alpha_1+\beta_1<1 — la condition du chapitre 7, obtenue comme corollaire du cours précédent.

L’ACF des carrés, retrouvée

Résultat immédiat

Un ARMA(1,1) a une ACF qui décroît géométriquement au taux du coefficient AR dès le retard 2. Donc \mathrm{Corr}\big(\varepsilon_t^2,\varepsilon_{t-k}^2\big) \ \propto\ (\alpha_1+\beta_1)^{\,k} .

L’explication du fait 4

Avec \pi = 0{,}99, l’ACF des carrés vaut encore 0{,}82 au retard 20. C’est précisément la décroissance lente observée sur toutes les séries financières.

Le fait stylisé 4 n’est donc pas un fait supplémentaire : c’est la conséquence directe d’une persistance élevée.

Pourquoi l’ARCH ne suffisait pas

Le parallèle est complet
Sur les carrés Modèle sur \varepsilon_t
MA(q) ARCH(q)
ARMA(1,1) GARCH(1,1)

Un MA(q) a une mémoire strictement finie ; un ARMA(1,1) a une mémoire infinie avec deux paramètres. Le passage de l’ARCH au GARCH est le passage du MA à l’ARMA.

Ce que permet la dualité

Identifier les ordres

Une méthode pratique

Appliquer aux carrés des résidus la table d’identification du cours ARMA :

ACF de \hat\varepsilon_t^2 PACF de \hat\varepsilon_t^2 Modèle
coupe après q décroît ARCH(q)
décroît décroît GARCH(p,q)
Ce qu’on observe presque toujours

Les deux décroissent. C’est la signature du cas mixte — donc d’un GARCH, non d’un ARCH. Et comme dans le cours ARMA, l’ambiguïté sur p et q se tranche par les critères d’information.

Une estimation rapide, mais à éviter

La tentation

Puisque c’est un ARMA, pourquoi ne pas l’estimer comme tel — par moindres carrés sur \hat\varepsilon_t^2 ?

Trois raisons de ne pas le faire
  1. v_t est fortement hétéroscédastique : sa variance dépend de h_t^2. Les MCO sont alors très inefficaces.
  2. Rien ne garantit que les estimations respectent \omega>0, \alpha_1 \ge 0, \beta_1 \ge 0.
  3. La loi de v_t est très asymétrique, ce qui dégrade encore l’inférence.
À quoi cela sert quand même

À obtenir des valeurs initiales pour l’optimiseur du maximum de vraisemblance, et à comprendre pourquoi les logiciels convergent vite : ils partent d’un point déjà raisonnable.

Synthèse

Ce qu’il faut retenir

L’essentiel du chapitre 8
  • v_t = \varepsilon_t^2 - h_t est un bruit blanc hétéroscédastique : la surprise de la variance.
  • Un GARCH(1,1) sur \varepsilon_t est un ARMA(1,1) sur \varepsilon_t^2, de coefficient AR \alpha_1+\beta_1 et de coefficient MA -\beta_1.
  • En général : GARCH(p,q) \iff ARMA(\max(p,q), p) sur les carrés.
  • La condition \alpha_1+\beta_1<1 et la décroissance en \pi^k de l’ACF s’en déduisent sans calcul nouveau.
  • ARCH est à GARCH ce que MA est à ARMA.
  • On n’estime pas par MCO sur les carrés : v_t est trop hétéroscédastique, et les contraintes ne seraient pas respectées.
Vers le chapitre 9

La dynamique de h_t est réglée. Il reste la seconde moitié du modèle, laissée de côté depuis le chapitre 2 : la loi de z_t.

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