Abordagem de Distância em Pairs Trading: Implementação e Análise com Rust

A Abordagem de Distância (Distance Approach) em pairs trading ganhou grande popularidade devido à sua simplicidade elegante e eficácia. Essa técnica identifica pares de ativos por meio de medidas estatísticas e opera com base na divergência e convergência da relação entre seus preços. Este artigo apresenta uma análise abrangente das metodologias básicas e avançadas da Abordagem de Distância, com implementações práticas em Rust voltadas para traders de alta frequência, desenvolvedores de algoritmos, matemáticos e programadores em busca de soluções robustas.

Visualizando a Abordagem de Distância: os ativos A e B acompanhando-se mutuamente, com sinais de negociação gerados com base na divergência do spread (Long/Short)

Fundamento Teórico da Abordagem de Distância

A Abordagem de Distância estabelece um arcabouço para pairs trading baseado em movimentos de preço normalizados entre ativos. Em sua essência, o método usa medidas de distância euclidiana ao quadrado para identificar ativos que historicamente se movem em conjunto e gera sinais de negociação quando a divergência de preço normalizada ultrapassa limiares estatisticamente significativos[2].

Essa abordagem consiste em dois estágios principais:

1. Formação de pares - identificação de pares de ativos estatisticamente relacionados
2. Geração de sinais de negociação - criação de regras de entrada e saída com base na divergência

Base Matemática

A implementação básica utiliza a distância euclidiana entre séries de preços normalizadas. Para dois ativos com séries temporais de preços normalizadas X e Y, calculamos:

fn euclidean_squared_distance(x: &[f64], y: &[f64]) -> f64 {
    assert_eq!(x.len(), y.len(), "Time series must have equal length");
    
    x.iter()
        .zip(y.iter())
        .map(|(xi, yi)| (xi - yi).powi(2))
        .sum()
}

Essa métrica de distância ajuda a identificar ativos que historicamente se movem em conjunto, fornecendo a base para oportunidades de arbitragem estatística[2].

Implementação Básica da Abordagem de Distância

Normalização dos Dados

Antes de calcular as distâncias, é preciso normalizar os dados de preço para estabelecer escalas comparáveis. A normalização min-max é comumente aplicada:

fn min_max_normalize(prices: &[f64]) -> Vec<f64> {
    if prices.is_empty() {
        return Vec::new();
    }
    
    let min_price = prices.iter().fold(f64::INFINITY, |a, &b| a.min(b));
    let max_price = prices.iter().fold(f64::NEG_INFINITY, |a, &b| a.max(b));
    let range = max_price - min_price;
    
    if range.abs() < f64::EPSILON {
        return vec![0.5; prices.len()];
    }
    
    prices.iter()
        .map(|&price| (price - min_price) / range)
        .collect()
}

Encontrando os Pares Mais Próximos

Identificamos pares potenciais calculando a distância euclidiana entre todas as combinações de ativos e selecionando aquelas com as menores distâncias:

#[derive(Debug, Clone)]
struct StockPair {
    stock1_idx: usize,
    stock2_idx: usize,
    distance: f64,
}

impl PartialEq for StockPair {
    fn eq(&self, other: &Self) -> bool {
        self.distance.eq(&other.distance)
    }
}

impl Eq for StockPair {}

impl PartialOrd for StockPair {
    fn partial_cmp(&self, other: &Self) -> Option<std::cmp::Ordering> {
        self.distance.partial_cmp(&other.distance)
    }
}

impl Ord for StockPair {
    fn cmp(&self, other: &Self) -> std::cmp::Ordering {
        self.partial_cmp(other).unwrap_or(std::cmp::Ordering::Equal)
    }
}

fn find_closest_pairs(normalized_prices: &[Vec<f64>], top_n: usize) -> Vec<StockPair> {
    let stock_count = normalized_prices.len();
    let mut pairs = BinaryHeap::new();
    
    for i in 0..stock_count {
        for j in (i+1)..stock_count {
            let distance = euclidean_squared_distance(&normalized_prices[i], &normalized_prices[j]);
            
            pairs.push(Reverse(StockPair {
                stock1_idx: i,
                stock2_idx: j,
                distance,
            }));
            
            // Keep only top N pairs
            if pairs.len() > top_n {
                pairs.pop();
            }
        }
    }
    
    // Convert from heap to vector and reverse to get ascending order
    pairs.into_iter().map(|Reverse(pair)| pair).collect()
}

Calculando a Volatilidade Histórica

O cálculo da volatilidade histórica é fundamental para definir limiares de negociação adequados:

fn calculate_spread_volatility(normalized_price1: &[f64], normalized_price2: &[f64]) -> f64 {
    assert_eq!(normalized_price1.len(), normalized_price2.len());
    
    // Calculate price spread
    let spread: Vec<f64> = normalized_price1.iter()
        .zip(normalized_price2.iter())
        .map(|(p1, p2)| p1 - p2)
        .collect();
    
    // Calculate mean of spread
    let mean = spread.iter().sum::<f64>() / spread.len() as f64;
    
    // Calculate standard deviation
    let variance = spread.iter()
        .map(|&x| (x - mean).powi(2))
        .sum::<f64>() / spread.len() as f64;
    
    variance.sqrt()
}

Métodos Avançados de Seleção

Filtragem por Grupo Industrial

Restringir a seleção de pares ao mesmo setor pode melhorar o desempenho ao selecionar ativos economicamente relacionados:

fn find_industry_pairs(
    normalized_prices: &[Vec<f64>], 
    industry_codes: &[usize], 
    top_n_per_industry: usize
) -> Vec<StockPair> {
    // Group stocks by industry
    let mut industry_groups: std::collections::HashMap<usize, Vec<usize>> = std::collections::HashMap::new();
    
    for (idx, &code) in industry_codes.iter().enumerate() {
        industry_groups.entry(code).or_default().push(idx);
    }
    
    // Find closest pairs within each industry
    let mut all_pairs = Vec::new();
    
    for (_industry_code, stock_indices) in industry_groups {
        let mut industry_pairs = Vec::new();
        
        for i in 0..stock_indices.len() {
            for j in (i+1)..stock_indices.len() {
                let stock1_idx = stock_indices[i];
                let stock2_idx = stock_indices[j];
                let distance = euclidean_squared_distance(
                    &normalized_prices[stock1_idx], 
                    &normalized_prices[stock2_idx]
                );
                
                industry_pairs.push(StockPair {
                    stock1_idx,
                    stock2_idx,
                    distance,
                });
            }
        }
        
        // Sort pairs by distance
        industry_pairs.sort_by(|a, b| a.distance.partial_cmp(&b.distance).unwrap());
        
        // Take top N from each industry
        let top_pairs: Vec<StockPair> = industry_pairs.into_iter()
            .take(top_n_per_industry)
            .collect();
            
        all_pairs.extend(top_pairs);
    }
    
    all_pairs
}

A abordagem de cruzamentos de zero (zero-crossings) identifica pares com convergência e divergência frequentes, o que pode indicar oportunidades de negociação potencialmente mais lucrativas:

Conceito de Zero-Crossings: identificação de pares que revertem à média com frequência, indicada pelo spread cruzando a linha zero

fn count_zero_crossings(spread: &[f64]) -> usize {
    if spread.len() < 2 {
        return 0;
    }
    
    let mut count = 0;
    for i in 1..spread.len() {
        if (spread[i-1] < 0.0 && spread[i] >= 0.0) || 
           (spread[i-1] >= 0.0 && spread[i] < 0.0) {
            count += 1;
        }
    }
    
    count
}

fn find_zero_crossing_pairs(
    normalized_prices: &[Vec<f64>],
    top_distance_threshold: f64,
    min_crossings: usize
) -> Vec<StockPair> {
    let stock_count = normalized_prices.len();
    let mut qualifying_pairs = Vec::new();
    
    for i in 0..stock_count {
        for j in (i+1)..stock_count {
            let distance = euclidean_squared_distance(&normalized_prices[i], &normalized_prices[j]);
            
            // Only consider pairs with distance below threshold
            if distance < top_distance_threshold {
                // Calculate spread
                let spread: Vec<f64> = normalized_prices[i].iter()
                    .zip(normalized_prices[j].iter())
                    .map(|(p1, p2)| p1 - p2)
                    .collect();
                
                let crossings = count_zero_crossings(&spread);
                
                if crossings >= min_crossings {
                    qualifying_pairs.push(StockPair {
                        stock1_idx: i,
                        stock2_idx: j,
                        distance,
                    });
                }
            }
        }
    }
    
    // Sort by number of crossings (could extend StockPair to include this)
    qualifying_pairs.sort_by(|a, b| a.distance.partial_cmp(&b.distance).unwrap());
    qualifying_pairs
}

Consideração do Desvio Padrão Histórico

Esse método aborda uma limitação da abordagem básica ao priorizar pares com maior volatilidade de spread, o que pode aumentar o potencial de lucro:

fn find_highsd_pairs(
    normalized_prices: &[Vec<f64>],
    top_distance_count: usize,
    min_volatility: f64
) -> Vec<StockPair> {
    let stock_count = normalized_prices.len();
    let mut all_pairs = Vec::new();
    
    for i in 0..stock_count {
        for j in (i+1)..stock_count {
            let distance = euclidean_squared_distance(&normalized_prices[i], &normalized_prices[j]);
            
            // Calculate spread volatility
            let spread: Vec<f64> = normalized_prices[i].iter()
                .zip(normalized_prices[j].iter())
                .map(|(p1, p2)| p1 - p2)
                .collect();
            
            let volatility = calculate_spread_volatility(&normalized_prices[i], &normalized_prices[j]);
            
            if volatility >= min_volatility {
                all_pairs.push(StockPair {
                    stock1_idx: i,
                    stock2_idx: j,
                    distance,
                });
            }
        }
    }
    
    // Sort by distance
    all_pairs.sort_by(|a, b| a.distance.partial_cmp(&b.distance).unwrap());
    
    // Take top N pairs with highest volatility that meet distance criteria
    all_pairs.into_iter().take(top_distance_count).collect()
}

Abordagem Avançada: Método de Correlação de Pearson

A abordagem de Correlação de Pearson oferece diversas vantagens em relação à Abordagem de Distância básica, concentrando-se nas correlações de retornos em vez das distâncias de preço[1].

Implementação em Rust

fn pearson_correlation(x: &[f64], y: &[f64]) -> f64 {
    assert_eq!(x.len(), y.len(), "Arrays must have the same length");
    
    let n = x.len() as f64;
    let sum_x: f64 = x.iter().sum();
    let sum_y: f64 = y.iter().sum();
    let sum_xx: f64 = x.iter().map(|&val| val * val).sum();
    let sum_yy: f64 = y.iter().map(|&val| val * val).sum();
    let sum_xy: f64 = x.iter().zip(y.iter()).map(|(&xi, &yi)| xi * yi).sum();
    
    let numerator = n * sum_xy - sum_x * sum_y;
    let denominator = ((n * sum_xx - sum_x * sum_x) * (n * sum_yy - sum_y * sum_y)).sqrt();
    
    if denominator.abs() < f64::EPSILON {
        return 0.0;
    }
    
    numerator / denominator
}

struct PearsonPair {
    stock_idx: usize,
    comover_indices: Vec<usize>,
    correlations: Vec<f64>,
}

fn find_pearson_pairs(returns: &[Vec<f64>], top_n_comovers: usize) -> Vec<PearsonPair> {
    let stock_count = returns.len();
    let mut all_pairs = Vec::new();
    
    for i in 0..stock_count {
        let mut correlations = Vec::with_capacity(stock_count - 1);
        
        for j in 0..stock_count {
            if i == j {
                continue;
            }
            
            let correlation = pearson_correlation(&returns[i], &returns[j]).abs();
            correlations.push((j, correlation));
        }
        
        // Sort by correlation (highest first)
        correlations.sort_by(|a, b| b.1.partial_cmp(&a.1).unwrap_or(std::cmp::Ordering::Equal));
        
        // Take top N comovers
        let top_comovers: Vec<(usize, f64)> = correlations.into_iter()
            .take(top_n_comovers)
            .collect();
            
        let (comover_indices, correlation_values): (Vec<usize>, Vec<f64>) = 
            top_comovers.into_iter().unzip();
            
        all_pairs.push(PearsonPair {
            stock_idx: i,
            comover_indices,
            correlations: correlation_values,
        });
    }
    
    all_pairs
}

Formação de Portfólio e Cálculo do Beta

A abordagem de Pearson cria portfólios de comovers para cada ativo e, em seguida, calcula os coeficientes de regressão:

fn calculate_beta(stock_returns: &[f64], portfolio_returns: &[f64]) -> f64 {
    let cov_xy = covariance(stock_returns, portfolio_returns);
    let var_x = variance(portfolio_returns);
    
    if var_x.abs() < f64::EPSILON {
        return 0.0;
    }
    
    cov_xy / var_x
}

fn covariance(x: &[f64], y: &[f64]) -> f64 {
    assert_eq!(x.len(), y.len());
    
    let n = x.len() as f64;
    let mean_x: f64 = x.iter().sum::<f64>() / n;
    let mean_y: f64 = y.iter().sum::<f64>() / n;
    
    let sum_cov: f64 = x.iter()
        .zip(y.iter())
        .map(|(&xi, &yi)| (xi - mean_x) * (yi - mean_y))
        .sum();
    
    sum_cov / n
}

fn variance(x: &[f64]) -> f64 {
    let n = x.len() as f64;
    let mean: f64 = x.iter().sum::<f64>() / n;
    
    let sum_var: f64 = x.iter()
        .map(|&xi| (xi - mean).powi(2))
        .sum();
    
    sum_var / n
}

Geração de Sinais de Negociação

A etapa final em ambas as abordagens é gerar sinais de negociação com base em limiares de divergência:

enum TradingSignal {
    Long,
    Short,
    Neutral
}

struct TradePosition {
    stock1_idx: usize,
    stock2_idx: usize,
    signal: TradingSignal,
    entry_spread: f64,
    timestamp: usize,
}

fn generate_trading_signals(
    normalized_prices: &[Vec<f64>],
    pairs: &[StockPair], 
    threshold_multiplier: f64,
    volatilities: &[f64],
    current_time: usize
) -> Vec<TradePosition> {
    let mut positions = Vec::new();
    
    for (pair_idx, pair) in pairs.iter().enumerate() {
        let stock1_idx = pair.stock1_idx;
        let stock2_idx = pair.stock2_idx;
        
        // Calculate current spread
        let current_spread = normalized_prices[stock1_idx][current_time] - 
                             normalized_prices[stock2_idx][current_time];
                             
        let threshold = threshold_multiplier * volatilities[pair_idx];
        
        let signal = if current_spread > threshold {
            // Stock1 is overvalued relative to Stock2
            TradingSignal::Short
        } else if current_spread < -threshold {
            // Stock1 is undervalued relative to Stock2
            TradingSignal::Long
        } else {
            TradingSignal::Neutral
        };
        
        if signal != TradingSignal::Neutral {
            positions.push(TradePosition {
                stock1_idx,
                stock2_idx,
                signal,
                entry_spread: current_spread,
                timestamp: current_time,
            });
        }
    }
    
    positions
}

Otimização de Desempenho

Para sistemas de negociação de alta frequência, o desempenho é fundamental. Instruções SIMD (Single Instruction, Multiple Data) podem acelerar significativamente os cálculos de distância:

Aceleração SIMD: utilizando paralelismo em nível de dados no Rust para processar múltiplos pontos de preço simultaneamente, reduzindo drasticamente a latência

#[cfg(target_arch = "x86_64")]
use std::arch::x86_64::*;

#[cfg(target_arch = "x86_64")]
#[inline]
unsafe fn euclidean_distance_simd(x: &[f32], y: &[f32]) -> f32 {
    assert_eq!(x.len(), y.len());
    
    let mut sum = _mm256_setzero_ps();
    let chunks = x.len() / 8;
    
    for i in 0..chunks {
        let xi = _mm256_loadu_ps(&x[i * 8]);
        let yi = _mm256_loadu_ps(&y[i * 8]);
        
        let diff = _mm256_sub_ps(xi, yi);
        let squared = _mm256_mul_ps(diff, diff);
        sum = _mm256_add_ps(sum, squared);
    }
    
    // Handle the remaining elements
    let mut result = _mm256_reduce_add_ps(sum);
    
    for i in (chunks * 8)..x.len() {
        result += (x[i] - y[i]).powi(2);
    }
    
    result.sqrt()
}

// Helper function to sum SIMD vector
#[cfg(target_arch = "x86_64")]
#[inline(always)]
unsafe fn _mm256_reduce_add_ps(v: __m256) -> f32 {
    let hilow = _mm256_extractf128_ps(v, 1);
    let low = _mm256_castps256_ps128(v);
    let sum128 = _mm_add_ps(hilow, low);
    
    let hi64 = _mm_extractf128_si128(_mm_castps_si128(sum128), 1);
    let low64 = _mm_castps_si128(sum128);
    let sum64 = _mm_add_ps(_mm_castsi128_ps(hi64), _mm_castsi128_ps(low64));
    
    _mm_cvtss_f32(_mm_hadd_ps(sum64, sum64))
}

O processamento assíncrono pode melhorar ainda mais o throughput, especialmente ao lidar com múltiplos pares de ativos:

use tokio::task;
use futures::future::join_all;

async fn process_pairs_async(
    normalized_prices: &[Vec<f64>],
    stock_count: usize,
    chunk_size: usize
) -> Vec<StockPair> {
    let mut tasks = Vec::new();
    
    // Split work into chunks
    let chunks = (stock_count + chunk_size - 1) / chunk_size;
    
    for chunk in 0..chunks {
        let start = chunk * chunk_size;
        let end = std::cmp::min((chunk + 1) * chunk_size, stock_count);
        
        let prices_clone = normalized_prices.to_vec();
        
        let task = task::spawn(async move {
            let mut pairs = Vec::new();
            
            for i in start..end {
                for j in (i+1)..stock_count {
                    let distance = euclidean_squared_distance(&prices_clone[i], &prices_clone[j]);
                    
                    pairs.push(StockPair {
                        stock1_idx: i,
                        stock2_idx: j,
                        distance,
                    });
                }
            }
            
            pairs
        });
        
        tasks.push(task);
    }
    
    // Await all tasks and combine results
    let results = join_all(tasks).await;
    
    let mut all_pairs = Vec::new();
    for result in results {
        if let Ok(pairs) = result {
            all_pairs.extend(pairs);
        }
    }
    
    // Sort by distance
    all_pairs.sort_by(|a, b| a.distance.partial_cmp(&b.distance).unwrap_or(std::cmp::Ordering::Equal));
    all_pairs
}

Testando a Implementação da Estratégia

Para avaliar nossa implementação, precisamos de uma infraestrutura de testes adequada:

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;
    
    #[test]
    fn test_normalization() {
        let prices = vec![10.0, 15.0, 12.0, 18.0, 20.0];
        let normalized = min_max_normalize(&prices);
        
        let expected = vec![0.0, 0.5, 0.2, 0.8, 1.0];
        
        for (a, b) in normalized.iter().zip(expected.iter()) {
            assert!((a - b).abs() < 0.001);
        }
    }
    
    #[test]
    fn test_euclidean_distance() {
        let x = vec![0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5];
        let y = vec![0.15, 0.22, 0.35, 0.38, 0.53];
        
        let distance = euclidean_squared_distance(&x, &y);
        let expected = 0.0049; // Calculated manually
        
        assert!((distance - expected).abs() < 0.0001);
    }
    
    #[test]
    fn test_pearson_correlation() {
        let x = vec![1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0];
        let y = vec![5.0, 4.0, 3.0, 2.0, 1.0];
        
        let corr = pearson_correlation(&x, &y);
        let expected = -1.0; // Perfect negative correlation
        
        assert!((corr - expected).abs() < 0.0001);
    }
    
    // Integration tests would be implemented in tests/ directory
}

Para testes de integração, seguiríamos a convenção do Rust de colocar os testes em um diretório tests separado na raiz do projeto[15][18].

Conclusão

A Abordagem de Distância oferece um arcabouço robusto para pairs trading, com metodologias básicas e avançadas proporcionando oportunidades valiosas de arbitragem estatística. A abordagem básica, com seu foco na distância euclidiana, oferece simplicidade e eficácia, enquanto a abordagem de Correlação de Pearson proporciona flexibilidade adicional e características de reversão de divergência potencialmente melhores.

As características de desempenho do Rust o tornam uma linguagem ideal para implementar essas estratégias computacionalmente intensivas, especialmente com otimizações como SIMD e processamento concorrente. A combinação de rigor estatístico e implementação eficiente cria um conjunto de ferramentas poderoso para traders algorítmicos.

Ao implementar um sistema de pairs trading, diversas considerações devem ser levadas em conta:

1. O trade-off entre simplicidade (abordagem básica) e maior poder estatístico (abordagem de Pearson)
2. Os recursos computacionais necessários para análise de pares em larga escala
3. Custos de transação, que podem impactar significativamente a lucratividade[3]
4. A necessidade de monitoramento e recalibração contínuos dos pares

Ao combinar a Abordagem de Distância com as capacidades de desempenho do Rust, os traders podem desenvolver sistemas de arbitragem estatística altamente eficientes e eficazes, capazes de operar na velocidade e escala exigidas pelos mercados modernos.

Citation

@software{soloviov2025distanceapproach,
  author = {Soloviov, Eugen},
  title = {Distance Approach in Pairs Trading: Implementation and Analysis with Rust},
  year = {2025},
  url = {https://marketmaker.cc/en/blog/post/distance-approach-pairs-trading},
  version = {0.1.0},
  description = {A comprehensive analysis of basic and advanced Distance Approach methodologies for pairs trading, with practical implementations in Rust tailored for high-frequency traders and algorithmic developers.}
}

References

1. Hudson Thames - Introduction to Distance Approach in Pairs Trading Part II
2. Hudson Thames - Distance Approach in Pairs Trading Part I
3. Reddit - Pairs Trading is Too Good to Be True?
4. GitHub - Kucoin Arbitrage
5. docs.rs - Euclidean Distance in geo crate
6. Simple Linear Regression in Rust
7. GitHub - correlation_rust
8. docs.rs - Cointegration in algolotl-ta
9. GitHub - trading_engine_rust
10. docs.rs - distances crate
11. Reddit - Looking for stats crate for Dickey-Fuller
12. crates.io - crypto-pair-trader
13. w3resource - Rust Structs and Enums Exercise
14. Rust Book - Test Organization
15. Design Patterns in Rust
16. GitHub - simd-euclidean
17. Rust by Example - Integration Testing
18. YouTube - Integration Testing in Rust
19. Stack Overflow - Calculate Total Distance Between Multiple Points
20. Databento - Pairs Trading Example
21. Rust std - f64 Primitive
22. Hudson & Thames - Distance Approach Documentation
23. GitHub - trading-algorithms-rust
24. docs.rs - linreg crate
25. Rust Book - References and Borrowing
26. Stack Overflow - How to Interpret adfuller Test Results
27. lib.rs - arima crate
28. Econometrics with R - Cointegration
29. DolphinDB - adfuller Function
30. docs.rs - arima crate (latest)
31. Wikipedia - Cointegration