The Hurst exponent as an indicator of the behaviour of a model monopile in an ocean wave testing basin

With the importance of renewable energy well-established worldwide, and targets of such energy quantified in many cases, there exists a considerable interest in the assessment of wind and wave devices. While the individual components of these devices are often relatively well understood and the aspects of energy generation well researched, there seems to be a gap in the understanding of these devices as a whole and especially in the field of their dynamic responses under operational conditions. The mathematical modelling and estimation of their dynamic responses are more evolved but research directed towards testing of these devices still requires significant attention. Model-free indicators of the dynamic responses of these devices are important since it reflects the as-deployed behaviour of the devices when the exposure conditions are scaled reasonably correctly, along with the structural dimensions. This paper demonstrates how the Hurst exponent of the dynamic responses of a monopile exposed to different exposure conditions in an ocean wave basin can be used as a model-free indicator of various responses. The scaled model is exposed to Froude scaled waves and tested under different exposure conditions. The analysis and interpretation is carried out in a model-free and output-only environment, with only some preliminary ideas regarding the input of the system. The analysis indicates how the Hurst exponent can be an interesting descriptor to compare and contrast various scenarios of dynamic response conditions.

Verificação da memória longa persistente no mercado de bitcoins : uma análise do expoente de Hurst ao longo do tempo

Um dos principais fatores de estudo do mercado de capitais é a discussão a respeito da teoria de eficiência de mercado, que no caso diverge em relação ao comportamento do preço da maioria dos ativos. Este trabalho tem o intuito de analisar o comportamento do principal índice de preços do mercado de bitcoins (BPI) durante o período de julho de 2010 a setembro de 2014. Inicialmente será testada a hipótese do passeio aleatório para o BPI. Em seguida serão verificadas as correlações de longa data nas séries financeiras temporais utilizando como instrumento de análise o expoente de Hurst (H), que inicialmente foi usado para calcular correlações em fenômenos naturais e posteriormente sua abrangência alcançou a área financeira. O estudo avalia o expoente H através de métodos distintos destacando-se a análise R/S e a DFA. Para o cálculo do expoente ao longo do tempo, utiliza-se uma janela móvel de 90 dias deslocando-se de 10 em 10 dias. Já para o cálculo em diferentes escalas verifica-se, para cada dia, o valor do expoente H nos últimos 360, 180 e 90 dias respectivamente. Os resultados evidenciaram que o índice BPI apresenta memória longa persistente em praticamente todo o período analisado. Além disso, a análise em diferentes escalas indica a possibilidade de previsão de eventos turbulentos no índice neste mesmo período. Finalmente foi possível comprovar a hipótese de mercados fractais para a série histórica de retornos do BPI.

Estimativa do expoente de Hurst de séries temporais de chuvas do estado de São Paulo usando as transformadas de Fourier, Wavelets e análise R/S

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estimativa do expoente de Hurst, por meio da transformada Wavelet, de séries temporais de precipitação de chuvas das regiões climáticas do estado de São Paulo no período de 1978 a 1997

Pós-graduação em Física - IGCE

O uso de wavelets na determinação do expoente de Hurst de uma série temporal diária de chuvas do município de Araras-SP de 1955-2000

Pós-graduação em Física - IGCE

Multifractality in plasma edge electrostatic turbulence

Plasma edge turbulence in Tokamak Chauffage Alfven Bresilien (TCABR) [R. M. O. Galvao et al., Plasma Phys. Contr. Fusion 43, 1181 (2001)] is investigated for multifractal properties of the fluctuating floating electrostatic potential measured by Langmuir probes. The multifractality in this signal is characterized by the full multifractal spectra determined by applying the wavelet transform modulus maxima. In this work, the dependence of the multifractal spectrum with the radial position is presented. The multifractality degree inside the plasma increases with the radial position reaching a maximum near the plasma edge and becoming almost constant in the scrape-off layer. Comparisons between these results with those obtained for random test time series with the same Hurst exponents and data length statistically confirm the reported multifractal behavior. Moreover, the persistence of these signals, characterized by their Hurst exponent, present radial profile similar to the deterministic component estimated from analysis based on dynamical recurrences. (C) 2008 American Institute of Physics.

Anomalous diffusion in non-Markovian walks having amnestically induced persistence

We report numerically and analytically estimated values for the Hurst exponent for a recently proposed non-Markovian walk characterized by amnestically induced persistence. These results are consistent with earlier studies showing that log-periodic oscillations arise only for large memory losses of the recent past. We also report numerical estimates of the Hurst exponent for non-Markovian walks with diluted memory. Finally, we study walks with a fractal memory of the past for a Thue-Morse and Fibonacci memory patterns. These results are interpreted and discussed in the context of the necessary and sufficient conditions for the central limit theorem to hold.

Sudden onset of log-periodicity and superdiffusion in non-Markovian random walks with amnestically induced persistence: exact results

Random walks can undergo transitions from normal diffusion to anomalous diffusion as some relevant parameter varies, for instance the L,vy index in L,vy flights. Here we derive the Fokker-Planck equation for a two-parameter family of non-Markovian random walks with amnestically induced persistence. We investigate two distinct transitions: one order parameter quantifies log-periodicity and discrete scale invariance in the first moment of the propagator, whereas the second order parameter, known as the Hurst exponent, describes the growth of the second moment. We report numerical and analytical results for six critical exponents, which together completely characterize the properties of the transitions. We find that the critical exponents related to the diffusion-superdiffusion transition are identical in the positive feedback and negative feedback branches of the critical line, even though the former leads to classical superdiffusion whereas the latter gives rise to log-periodic superdiffusion.

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.

Persistence characteristics in financial prices: evidence from the portuguese stock market returns

The objective of this article is to provide additional knowledge to the discussion of long-term memory, leaning over the behavior of the main Portuguese stock index. The first four moments are calculated using time windows of increasing size and sliding time windows of fixed size equal to 50 days and suggest that daily returns are non-ergodic and non-stationary. Seeming that the series is best described by a fractional Brownian motion approach, we use the rescaled-range analysis (R/S) and the detrended fluctuation analysis (DFA). The findings indicate evidence of long term memory in the form of persistence. This evidence of fractal structure suggests that the market is subject to greater predictability and contradicts the efficient market hypothesis in its weak form. This raises issues regarding theoretical modeling of asset pricing. In addition, we carried out a more localized (in time) study to identify the evolution of the degree of long-term dependency over time using windows 200-days and 400-days. The results show a switching feature in the index, from persistent to anti-persistent, quite evident from 2010.

Long-term dependence in financial prices: evidence from the Belgian stock market returns

This article aims to contribute to the discussion of long-term dependence, focusing on the behavior of the main Belgian stock index. Non-parametric analyzes of the general characteristics of temporal frequency show that daily returns are non-ergodic and non-stationary. Therefore, we use the rescaled-range analysis (R/S) and the detrended fluctuation analysis (DFA), under the fractional Brownian motion approach, and we found slight evidence of long-term dependence. These results refute the random walk hypothesis with i.i.d. increments, which is the basis of the EMH in its weak form, and call into question some theoretical modeling of asset pricing. Other more localized complementary study, to identify the evolution of the degree of dependence over time windows, showed that the index has become less persistent from 2010. This may mean a maturing market by the extension of the effects of current financial crisis.

The impact of the 2008 and 2010 financial crises on international stock markets : contagion and long memory

Nesta tese estudamos os efeitos de contágio financeiro e de memória longa causados pelas crises financeiras de 2008 e 2010 em alguns mercados acionistas internacionais. A tese é composta por três ensaios interligados. No Ensaio 1, recorremos à teoria das cópulas para testar a existência de contágio e revelar os canais “investor induced” de transmissão da crise de 2008 aos mercados da Bélgica, França, Holanda e Portugal (grupo NYSE Euronext). Concluímos que existe contágio nestes mercados, que o canal “portfolio rebalancing” é o mecanismo mais importante de transmissão da crise, e que o fenómeno “flight to quality” está presente nos mercados. No Ensaio 2, usando novamente modelos de cópulas, avaliamos os efeitos de contágio provocados pelo mercado acionista grego nos mercados do grupo NYSE Euronext, no contexto da crise de 2010. Os resultados obtidos sugerem que durante a crise de 2010 apenas o mercado português foi objeto de contágio; além disso, conclui-se que os efeitos de contágio provocados pela crise de 2008 são claramente superiores aos efeitos provocados pela crise de 2010. No Ensaio 3, abordamos o tema da memória longa através do estudo do expoente de Hurst dos mercados acionistas da Bélgica, E.U.A., França, Grécia, Holanda, Japão, Reino Unido e Portugal. Verificamos que as propriedades de memória longa dos mercados foram afetadas pelas crises, especialmente a de 2008 – que aumentou a memória longa dos mercados e tornou-os mais persistentes. Finalmente, usando cópulas mais uma vez, verificamos que as crises provocaram, em geral, um aumento na correlação entre os expoentes de Hurst locais dos mercados foco das crises (E.U.A. e Grécia) e os expoentes de Hurst locais dos outros mercados da amostra, sugerindo que o expoente de Hurst pode ser utilizado para detetar efeitos de contágio financeiro. Em síntese, os resultados desta tese sugerem que comparativamente com períodos de acalmia, os períodos de crises financeiras tendem a provocar ineficiência nos mercados acionistas e a conduzi-los na direção da persistência e do contágio financeiro.

Long-term memory in financial prices: evidence from the Dutch stock market returns

Prepared for presentation at the Portuguese Finance Network International Conference 2014, Vilamoura, Portugal, June 18-20

Modeling water movement in horizontal columns using fractal theory

Fractal mathematics has been used to characterize water and solute transport in porous media and also to characterize and simulate porous media properties. The objective of this study was to evaluate the correlation between the soil infiltration parameters sorptivity (S) and time exponent (n) and the parameters dimension (D) and the Hurst exponent (H). For this purpose, ten horizontal columns with pure (either clay or loam) and heterogeneous porous media (clay and loam distributed in layers in the column) were simulated following the distribution of a deterministic Cantor Bar with fractal dimension H" 0.63. Horizontal water infiltration experiments were then simulated using Hydrus 2D software. The sorptivity (S) and time exponent (n) parameters of the Philip equation were estimated for each simulation, using the nonlinear regression procedure of the statistical software package SAS®. Sorptivity increased in the columns with the loam content, which was attributed to the relation of S with the capillary radius. The time exponent estimated by nonlinear regression was found to be less than the traditional value of 0.5. The fractal dimension estimated from the Hurst exponent was 17.5 % lower than the fractal dimension of the Cantor Bar used to generate the columns.

Validez del supuesto de neutralidad del horizonte de tiempo en el CAPM y la metodología del rango reescalado: aplicación a Colombia

La existencia de memoria de largo plazo en las series financieras implica que los retornos de un activo hoy pueden tener incidencia sobre los retornos futuros, incluso más allá del corto plazo. En presencia de dicha memoria el horizonte de inversión elegido puede resultar en diferentes condiciones de riesgo para el inversionista. Peters (1989 y 1992), Mandelbrot (1972), León y Vivas (2010), entre otros, encuentran evidencia de dependencia de largo plazo de las series de tiempo financieras y muestran sus principales implicaciones. Este documento se ocupa de extender el análisis al uso del supuesto de neutralidad del horizonte de tiempo en el CAPM, estimando el efecto cuantitativo de la existencia de dependencia de largo plazo en este modelo según lo desarrollado por Greene y Fieltz (1980). Los resultados para una muestra de acciones colombianas y estadounidenses muestran que la distribución de la medida del riesgo sistémico en el modelo, el beta, es estadísticamente diferente cuando se incorpora el efecto de dependencia de largo plazo; por lo tanto, los retornos esperados de estas acciones cambian. En el mercado colombiano se observa una sobreestimación del beta cuando no se realiza el ajuste propuesto, mientras que en las acciones estadounidenses analizadas el beta sin el ajuste se encuentra subestimado. En cuanto a los retornos esperados, estos son sobrevalorados al no tener en cuenta el ajuste por dependencia de largo plazo, tanto en las acciones colombianas como en las estadounidenses.