Relativistic time effects in financial dynamics

Financial time series have a complex dynamic nature. Many techniques were adopted having in mind standard paradigms of time flow. This paper explores an alternative route involving relativistic effects. It is observed that the measuring perspective influences the results and that we can have different time textures.

Complex dynamics of financial indices

This paper presents a novel method for the analysis of nonlinear financial and economic systems. The modeling approach integrates the classical concepts of state space representation and time series regression. The analytical and numerical scheme leads to a parameter space representation that constitutes a valid alternative to represent the dynamical behavior. The results reveal that business cycles can be clearly revealed, while the noise effects common in financial indices can elegantly be filtered out of the results.

Dynamics of a backlash chain

This paper studies the dynamical properties of a system with distributed backlash and impact phenomena. This means that it is considered a chain of masses that interact with each other solely by means of backlash and impact phenomena. It is observed the emergence of non-linear phenomena resembling those encountered in the Fermi-Pasta-Ulam problem.

A fractional approach to the Fermi-Pasta-Ulam problem

This paper studies the Fermi-Pasta-Ulam problem having in mind the generalization provided by Fractional Calculus (FC). The study starts by addressing the classical formulation, based on the standard integer order differential calculus and evaluates the time and frequency responses. A first generalization to be investigated consists in the direct replacement of the springs by fractional elements of the dissipative type. It is observed that the responses settle rapidly and no relevant phenomena occur. A second approach consists of replacing the springs by a blend of energy extracting and energy inserting elements of symmetrical fractional order with amplitude modulated by quadratic terms. The numerical results reveal a response close to chaotic behaviour.

Fractional calculus: a survey of useful formulas

This paper presents a survey of useful, established formulas in Fractional Calculus, systematically collected for reference purposes.

On development of fractional calculus during the last fifty years

Fractional calculus generalizes integer order derivatives and integrals. During the last half century a considerable progress took place in this scientific area. This paper addresses the evolution and establishes an assertive measure of the research development.

Science metrics on fractional calculus development since 1966

During the last fifty years the area of Fractional Calculus verified a considerable progress. This paper analyzes and measures the evolution that occurred since 1966.

Application of continuous wavelet transform to the analysis of the modulus of the fractional Fourier transform bands for resolving two component mixture

In this paper, the fractional Fourier transform (FrFT) is applied to the spectral bands of two component mixture containing oxfendazole and oxyclozanide to provide the multicomponent quantitative prediction of the related substances. With this aim in mind, the modulus of FrFT spectral bands are processed by the continuous Mexican Hat family of wavelets, being denoted by MEXH-CWT-MOFrFT. Four modulus sets are obtained for the parameter a of the FrFT going from 0.6 up to 0.9 in order to compare their effects upon the spectral and quantitative resolutions. Four linear regression plots for each substance were obtained by measuring the MEXH-CWT-MOFrFT amplitudes in the application of the MEXH family to the modulus of the FrFT. This new combined powerful tool is validated by analyzing the artificial samples of the related drugs, and it is applied to the quality control of the commercial veterinary samples.

Fractional generalization of memristor and higher order elements

Fractional calculus generalizes integer order derivatives and integrals. Memristor systems generalize the notion of electrical elements. Both concepts were shown to model important classes of phenomena. This paper goes a step further by embedding both tools in a generalization considering complex-order objects. Two complex operators leading to real-valued results are proposed. The proposed class of models generate a broad universe of elements. Several combinations of values are tested and the corresponding dynamical behavior is analyzed.

Analysis of the respiratory dynamics during normal breathing by means of pseudo phase plots and pressure-volume loops

This paper reports on the analysis of tidal breathing patterns measured during noninvasive forced oscillation lung function tests in six individual groups. The three adult groups were healthy, with prediagnosed chronic obstructive pulmonary disease, and with prediagnosed kyphoscoliosis, respectively. The three children groups were healthy, with prediagnosed asthma, and with prediagnosed cystic fibrosis, respectively. The analysis is applied to the pressure–volume curves and the pseudophaseplane loop by means of the box-counting method, which gives a measure of the area within each loop. The objective was to verify if there exists a link between the area of the loops, power-law patterns, and alterations in the respiratory structure with disease. We obtained statistically significant variations between the data sets corresponding to the six groups of patients, showing also the existence of power-law patterns. Our findings support the idea that the respiratory system changes with disease in terms of airway geometry and tissue parameters, leading, in turn, to variations in the fractal dimension of the respiratory tree and its dynamics.

Analysis of financial indices by means of the windowed Fourier transform

The goal of this study is to analyze the dynamical properties of financial data series from nineteen worldwide stock market indices (SMI) during the period 1995–2009. SMI reveal a complex behavior that can be explored since it is available a considerable volume of data. In this paper is applied the window Fourier transform and methods of fractional calculus. The results reveal classification patterns typical of fractional order systems.

Multidimensional scaling analysis of fractional systems

This paper investigates the use of multidimensional scaling in the evaluation of fractional system. Several algorithms are analysed based on the time response of the closed loop system under the action of a reference step input signal. Two alternative performance indices, based on the time and frequency domains, are tested. The numerical experiments demonstrate the feasibility of the proposed visualization method.

Introducing the fractional-order Darwinian PSO

One of the most well-known bio-inspired algorithms used in optimization problems is the particle swarm optimization (PSO), which basically consists on a machinelearning technique loosely inspired by birds flocking in search of food. More specifically, it consists of a number of particles that collectively move on the search space in search of the global optimum. The Darwinian particle swarm optimization (DPSO) is an evolutionary algorithm that extends the PSO using natural selection, or survival of the fittest, to enhance the ability to escape from local optima. This paper firstly presents a survey on PSO algorithms mainly focusing on the DPSO. Afterward, a method for controlling the convergence rate of the DPSO using fractional calculus (FC) concepts is proposed. The fractional-order optimization algorithm, denoted as FO-DPSO, is tested using several well-known functions, and the relationship between the fractional-order velocity and the convergence of the algorithm is observed. Moreover, experimental results show that the FO-DPSO significantly outperforms the previously presented FO-PSO.

Memória de longo prazo nos retornos acionistas dos índices de referência da euronext, implicações para a hipótese de mercados eficientes e contributo fractal para aperfeiçoamento do capital asset pricing model

Não existe uma definição única de processo de memória de longo prazo. Esse processo é geralmente definido como uma série que possui um correlograma decaindo lentamente ou um espectro infinito de frequência zero. Também se refere que uma série com tal propriedade é caracterizada pela dependência a longo prazo e por não periódicos ciclos longos, ou que essa característica descreve a estrutura de correlação de uma série de longos desfasamentos ou que é convencionalmente expressa em termos do declínio da lei-potência da função auto-covariância. O interesse crescente da investigação internacional no aprofundamento do tema é justificado pela procura de um melhor entendimento da natureza dinâmica das séries temporais dos preços dos ativos financeiros. Em primeiro lugar, a falta de consistência entre os resultados reclama novos estudos e a utilização de várias metodologias complementares. Em segundo lugar, a confirmação de processos de memória longa tem implicações relevantes ao nível da (1) modelação teórica e econométrica (i.e., dos modelos martingale de preços e das regras técnicas de negociação), (2) dos testes estatísticos aos modelos de equilíbrio e avaliação, (3) das decisões ótimas de consumo / poupança e de portefólio e (4) da medição de eficiência e racionalidade. Em terceiro lugar, ainda permanecem questões científicas empíricas sobre a identificação do modelo geral teórico de mercado mais adequado para modelar a difusão das séries. Em quarto lugar, aos reguladores e gestores de risco importa saber se existem mercados persistentes e, por isso, ineficientes, que, portanto, possam produzir retornos anormais. O objetivo do trabalho de investigação da dissertação é duplo. Por um lado, pretende proporcionar conhecimento adicional para o debate da memória de longo prazo, debruçando-se sobre o comportamento das séries diárias de retornos dos principais índices acionistas da EURONEXT. Por outro lado, pretende contribuir para o aperfeiçoamento do capital asset pricing model CAPM, considerando uma medida de risco alternativa capaz de ultrapassar os constrangimentos da hipótese de mercado eficiente EMH na presença de séries financeiras com processos sem incrementos independentes e identicamente distribuídos (i.i.d.). O estudo empírico indica a possibilidade de utilização alternativa das obrigações do tesouro (OT’s) com maturidade de longo prazo no cálculo dos retornos do mercado, dado que o seu comportamento nos mercados de dívida soberana reflete a confiança dos investidores nas condições financeiras dos Estados e mede a forma como avaliam as respetiva economias com base no desempenho da generalidade dos seus ativos. Embora o modelo de difusão de preços definido pelo movimento Browniano geométrico gBm alegue proporcionar um bom ajustamento das séries temporais financeiras, os seus pressupostos de normalidade, estacionariedade e independência das inovações residuais são adulterados pelos dados empíricos analisados. Por isso, na procura de evidências sobre a propriedade de memória longa nos mercados recorre-se à rescaled-range analysis R/S e à detrended fluctuation analysis DFA, sob abordagem do movimento Browniano fracionário fBm, para estimar o expoente Hurst H em relação às séries de dados completas e para calcular o expoente Hurst “local” H t em janelas móveis. Complementarmente, são realizados testes estatísticos de hipóteses através do rescaled-range tests R/S , do modified rescaled-range test M - R/S e do fractional differencing test GPH. Em termos de uma conclusão única a partir de todos os métodos sobre a natureza da dependência para o mercado acionista em geral, os resultados empíricos são inconclusivos. Isso quer dizer que o grau de memória de longo prazo e, assim, qualquer classificação, depende de cada mercado particular. No entanto, os resultados gerais maioritariamente positivos suportam a presença de memória longa, sob a forma de persistência, nos retornos acionistas da Bélgica, Holanda e Portugal. Isto sugere que estes mercados estão mais sujeitos a maior previsibilidade (“efeito José”), mas também a tendências que podem ser inesperadamente interrompidas por descontinuidades (“efeito Noé”), e, por isso, tendem a ser mais arriscados para negociar. Apesar da evidência de dinâmica fractal ter suporte estatístico fraco, em sintonia com a maior parte dos estudos internacionais, refuta a hipótese de passeio aleatório com incrementos i.i.d., que é a base da EMH na sua forma fraca. Atendendo a isso, propõem-se contributos para aperfeiçoamento do CAPM, através da proposta de uma nova fractal capital market line FCML e de uma nova fractal security market line FSML. A nova proposta sugere que o elemento de risco (para o mercado e para um ativo) seja dado pelo expoente H de Hurst para desfasamentos de longo prazo dos retornos acionistas. O expoente H mede o grau de memória de longo prazo nos índices acionistas, quer quando as séries de retornos seguem um processo i.i.d. não correlacionado, descrito pelo gBm(em que H = 0,5 , confirmando- se a EMH e adequando-se o CAPM), quer quando seguem um processo com dependência estatística, descrito pelo fBm(em que H é diferente de 0,5, rejeitando-se a EMH e desadequando-se o CAPM). A vantagem da FCML e da FSML é que a medida de memória de longo prazo, definida por H, é a referência adequada para traduzir o risco em modelos que possam ser aplicados a séries de dados que sigam processos i.i.d. e processos com dependência não linear. Então, estas formulações contemplam a EMH como um caso particular possível.

An introduction to the fractional continuous-time linear systems

A brief introduction to the fractional continuous-time linear systems is presented. It will be done without needing a deep study of the fractional derivatives. We will show that the computation of the impulse and step responses is very similar to the classic. The main difference lies in the substitution of the exponential by the Mittag-Leffler function. We will present also the main formulae defining the fractional derivatives.