Distance Approach in Pairs Trading: Implementatie en Analyse met Rust

De Distance Approach in pairs trading heeft aanzienlijke populariteit verworven dankzij haar elegante eenvoud en effectiviteit. Deze techniek identificeert asset-paren aan de hand van statistische maatstaven en handelt op basis van de divergentie en convergentie van hun prijsrelaties. Dit artikel biedt een uitgebreide analyse van zowel de basale als de geavanceerde Distance Approach-methodologieën, met praktische implementaties in Rust, toegespitst op high-frequency traders, algoritmische ontwikkelaars, wiskundigen en programmeurs die op zoek zijn naar robuuste oplossingen.

Visualisatie van de Distance Approach: Assets A en B volgen elkaar, waarbij handelssignalen worden gegenereerd op basis van spread-divergentie (Long/Short)

Theoretische Basis van de Distance Approach

De Distance Approach vormt een raamwerk voor pairs trading gebaseerd op genormaliseerde prijsbewegingen tussen assets. In de kern gebruikt de methode gekwadrateerde Euclidische afstandsmetingen om assets te identificeren die historisch samen bewegen, en genereert ze handelssignalen wanneer hun genormaliseerde prijsdivergentie statistisch significante drempels overschrijdt[2].

Deze aanpak bestaat uit twee hoofdfasen:

1. Paarvorming - het identificeren van statistisch gerelateerde asset-paren
2. Genereren van handelssignalen - het opstellen van entry- en exitregels op basis van divergentie

Wiskundige Grondslag

De basale implementatie maakt gebruik van de Euclidische afstand tussen genormaliseerde prijsreeksen. Voor twee assets met genormaliseerde prijstijdreeksen X en Y berekenen we:

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()
}

Deze afstandsmetriek helpt bij het identificeren van assets die historisch samen bewegen, en vormt zo de basis voor statistische arbitragekansen[2].

Basale Implementatie van de Distance Approach

Normalisatie van Data

Voordat we afstanden kunnen berekenen, moeten we prijsdata normaliseren om vergelijkbare schalen te verkrijgen. Min-max-normalisatie wordt hiervoor doorgaans toegepast:

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()
}

Het Vinden van de Dichtstbijzijnde Paren

We identificeren potentiële paren door de Euclidische afstand tussen alle asset-combinaties te berekenen en die met de kleinste afstanden te selecteren:

#[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()
}

Berekening van Historische Volatiliteit

De berekening van historische volatiliteit is essentieel voor het instellen van geschikte handelsdrempels:

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()
}

Geavanceerde Selectiemethoden

Filteren op Sector

Het beperken van de paarselectie tot dezelfde sector kan de prestaties verbeteren doordat economisch gerelateerde assets worden geselecteerd:

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
}

De zero-crossings-aanpak identificeert paren met frequente convergentie en divergentie, wat kan wijzen op potentieel winstgevendere handelskansen:

Het zero-crossings-concept: het identificeren van paren die vaak mean-reverten, aangegeven doordat de spread de nullijn kruist

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
}

Overweging van Historische Standaarddeviatie

Deze methode pakt een beperking van de basale aanpak aan door paren met hogere spread-volatiliteit te prioriteren, wat het winstpotentieel kan vergroten:

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()
}

Geavanceerde Aanpak: Pearson-Correlatiemethode

De Pearson-correlatieaanpak biedt verschillende voordelen ten opzichte van de basale Distance Approach, doordat de nadruk ligt op rendementscorrelaties in plaats van prijsafstanden[1].

Implementatie in 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
}

Portefeuillevorming en Beta-Berekening

De Pearson-aanpak vormt voor elk aandeel een portefeuille van comovers en berekent vervolgens regressiecoëfficiënten:

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
}

Genereren van Handelssignalen

De laatste stap in beide benaderingen is het genereren van handelssignalen op basis van divergentiedrempels:

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
}

Performance-Optimalisatie

Voor high-frequency trading-systemen is performance van cruciaal belang. SIMD-instructies (Single Instruction, Multiple Data) kunnen afstandsberekeningen aanzienlijk versnellen:

SIMD-versnelling: het benutten van data-parallellisme in Rust om meerdere prijspunten tegelijk te verwerken, wat de latency drastisch verlaagt

#[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))
}

Asynchrone verwerking kan de doorvoer verder verbeteren, vooral bij het verwerken van meerdere aandelenparen:

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
}

Het Testen van de Strategie-Implementatie

Om onze implementatie te evalueren, hebben we een goede testinfrastructuur nodig:

#[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
}

Voor integratietests volgen we de Rust-conventie om tests in een aparte tests-directory in de root van het project te plaatsen[15][18].

Conclusie

De Distance Approach biedt een robuust raamwerk voor pairs trading, waarbij zowel de basale als de geavanceerde methodologieën waardevolle kansen voor statistische arbitrage bieden. De basale aanpak, met haar focus op Euclidische afstand, biedt eenvoud en effectiviteit, terwijl de Pearson-correlatieaanpak extra flexibiliteit en mogelijk betere divergentie-reversie-eigenschappen biedt.

De performance-eigenschappen van Rust maken het een ideale taal voor het implementeren van deze rekenintensieve strategieën, zeker in combinatie met optimalisaties zoals SIMD en concurrent processing. De combinatie van statistische nauwkeurigheid en efficiënte implementatie vormt een krachtige toolkit voor algoritmische traders.

Bij het implementeren van een pairs trading-systeem moet met verschillende zaken rekening worden gehouden:

1. De afweging tussen eenvoud (basale aanpak) en verbeterde statistische kracht (Pearson-aanpak)
2. De rekenkracht die nodig is voor grootschalige paaranalyse
3. Transactiekosten, die de winstgevendheid aanzienlijk kunnen beïnvloeden[3]
4. De noodzaak van continue monitoring en herkalibratie van paren

Door de Distance Approach te combineren met de performance-mogelijkheden van Rust, kunnen traders zeer efficiënte en effectieve statistische arbitragesystemen ontwikkelen die kunnen opereren op de snelheid en schaal die moderne markten vereisen.

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