Modelo de Bornholdt para simulação de mercados financeiros artificiais

Grupo: Leonardo Barcelos, Luana Bianchi e Rubens Borrasca

Modelo de Bornholdt

Para estudar os fenômenos físicos que nos rodeiam, usamos modelos matemáticos para entender como sistemas evoluem com o tempo. No entanto, esses modelos muitas vezes podem ser base para estudos além do sistema físico de interesse. Para um sistema de spins, um dos modelos mais simples, que leva em conta apenas a interação de cada spin com seus primeiros vizinhos, é o Modelo de Ising. O hamiltoniano que o descreve é defindo pela segunte expressão:

${\mathcal {H}}=\sum _{\langle i,j\rangle }J_{ij}S_{i}^{z}S_{j}^{z}$

onde $J_{ij}$ é o termo que define a força de interação entre os spins i e j e $S^{z}$ a componente Z do spin. Além disso $\langle i,j\rangle$ denota que estamos somando somente sobre os primeiros vizinhos. Para um valor de $J_{ij}>0$, a interação ferromagnética é favorecida, e os spins vizinhos tendem a se alinhar conjuntamente, formando domínios magnéticos. No entanto, para $J_{ij}<0$ a interação antiferromagnética é favorecida, e os spins tende a se "anti-alinhar".

Podemos fazer um paralelo interessante entre os spins e a sua interação com seus vizinhos com traders em mercados finaceiros e a suas interações com outros traders. No caso do Modelo de Ising, podemos interpretar cada spin como um trader, ou agente, em um mercado financeiro e a direção da componente Z desse spin como a sua estratégia de compra ou venda. Então neste caso mais simples, para $J_{ij}>0$, os agentes tenderão a adotar a mesma estratégia de mercado, e isso não descreve bem a realidade dos mercados.

O Modelo de Bornholdt, se incluid {coisas do artigo}. Assim, o hamiltoniano do sistema fica complementado:

${\mathcal {H}}=\sum _{\langle i,j\rangle }J_{ij}S_{i}S_{j}-\sum _{i}\alpha C_{i}(t){\frac {1}{N}}\sum _{j}S_{j}(t)$

onde $\alpha$ é o termo de acomplamento do spin com a rede toda $(\alpha >0)$

Alguns conceitos importantes

Retornos

Quando se trata de sistemas financeiros, os estudos se concentram mais no retorno dos ativos do que no preço em si, pois a série temporal dos retornos tem propriedades estatísticas mais interessantes que a série dos preços.

Sendo P(t) o preço de um ativo financeiro no instante t, e P(t-1) o preço do ativo no instante (t-1), o retorno linear do ativo é:

$r(t)={\frac {P(t)-P(t-1)}{P(t-1)}}$

Reescrevendo esta equação, obtemos que:

$r(t)+1={\frac {P(t)}{P(t-1)}}$

Aplicando a função logarítmica em ambos os lados da equação, e considerando que:

$ln(x+1)\approx x$

obtêm-se o retorno logarítmico, que é mais indicado quando se têm ativos voláteis, que possuem uma variação muito alta:

$r(t)=ln\left({\frac {P(t)}{P(t-1)}}\right)$

Considerando que neste estudo serão comparados retornos de diferentes índices, e também os retornos obtidos através das simulações com o modelo de Bornholdt, é importante normalizar os retornos:

${\bar {r}}_{n}={\frac {r_{n}-\langle r\rangle }{\sigma _{r}}}$

em que $\sigma _{r}$ é o desvio padrão da serie de retornos e $\langle r\rangle$ a média.

Distribuição dos Retornos

Quando se tem um volume considerável de dados é possível obter a distribuição probabilística deles. Para isso pode-se utilizar a estimação de densidade de Kernel (KDE). Ao observar uma pequena janela de tamanho h em torno de um ponto em análise, pode-se dizer que:

$P(x-h\leq x\leq x+h)\approx {\frac {1}{N}}\sum _{n}^{N}W(u)$

sendo $W(u)$ uma função kernel e $u$ uma variável tal que:

$u={\frac {x-x_{n}}{2h}}$

Para este estudo utilizou-se um kernel gaussiano:

$W(u)={\frac {1}{\sqrt {2\pi }}}e^{-{\frac {1}{2}}u^{2}}$

Este método foi aplicado para as séries de retorno para obter a distribuição deles, utilizando $h=0.5\sigma$.

Volatilidade

Uma forma de calcular a volatilidade da série temporal de retornos ao longo do tempo é elevar ao quadrado os valores da série. Deste modo pode-se obter uma variável como a que está ilustrada na figura abaixo:

Exemplo de uso da volatilidade como série temporal de um retorno arbitrário.

O interessante em estudar volatilidade de retornos financeiros é que essa variável reflete o quão imprevisível é um determinado ativo. Uma ação com alta volatilidade tende a ter um risco maior de investimento, ao passo que ações com baixa volatilidade geralmente retornam riscos menores, pois seu comportamento acaba sendo mais previsível.

Um fato estilizado financeiro é que a volatilidade das séries temporais de retorno apresentam comportamento sazonal por natureza. Há períodos de alta volatilidade, seguidos por períodos com baixa volatilidade, que então são novamente seguidos por alta volatilidade, e assim adiante. E uma forma de mensurar isto é verificando a presença de clusters de autocorrelação na volatilidade de retornos. Isto é, através da análise da autocorrelação da volatilidade, encontrar bolhas que indiquem as fases destes comportamentos.

Para obter a auto correlação o Teorema de Wiener-Khinchin foi utilizado, de forma que:

$A(\tau )={\mathcal {F}}\{|S(\omega )|^{2}\}$

onde $S(\omega )$ é a transformada de Fourier do quadrado dos retornos.

Simulações

Variação do tamanho da grade

Retornos logarítmicos normalizados obtidos para as simulações com diferentes números de agentes (tamanho da grade) na primeira coluna, e na segunda coluna os retornos logarítmicos normalizados para os índices financeiros Ibovespa, S&P 500, Dow Jones e NASDAQ

Distribuição dos retornos das simulações (linha cheia) e dos índices financeiros (linha tracejada). Percebe-se que a distribuição dos retornos das simulações que mais se aproximam da distribuição dos índices financeiros são as que possuem um menor número de agentes.

Variação da opinião dos agentes

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