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变异因子和走势加速度模块才是程序化量化的 [复制链接]

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市场变异因子和走势加速度模块的完善才是股票期货程序化量化交易的突破口。我们目前收集了诸多的市场变异因子的要素,比如节气,比如重大事件的突发,比如市场情绪心理面的变异因子等,以及根据伽利略重力加速度的理论推导出走势可能出现的加速度的那个不同阶段的量化值等因素加入交易的程序化量化公式。

简单地说,速度描述了位置是如何变化的,而加速度描述了速度是如何变化的。比如,水平地向前扔出一个物体,起初它的速度朝向正前,然而由于重力它开始在向前的同时向下坠落,即其速度改变了。这里改变物体速度的主要是地球的重力引起的重力加速度。

加速度具有矢量性质,即需要用大小和方向同时描述一个加速度。在光滑水平面上向前运动的物体,如果向左或向右施以力,即给予了不同的加速度,则其速度会发生变化(包含了速率及方向),然而向左的加速度和向右的加速度显然引起了不同的效果。同样,施力的大小不同,引起的加速度不同,最终的结果也不一样,亦可以从矢量的加成性来看。作为一个矢量,加速度的叠加和分解分别遵循平行四边形法则和三角形法则。

具体而言,加速度描述的是速度随时间的变化率。需要注意的是,由于速度也是矢量,因此加速度不为零的物体速度的大小(称之为速率)也不一定会发生变化,实际上,如果加速度保持与速度垂直,速度大小就一直不会改变,同时方向一直改变。这种情况在生活中最常见的是圆周运动,比如在被拴在一端固定的线的另一端的一个小物体在线保持绷直时做的运动,又比如带电粒子在仅受静磁场的洛伦兹力时做的运动。

直线运动中的平均加速度、瞬时加速度

设质点A呈一维运动,时刻位于处,经过时间后位于处,则定义质点A在时刻的瞬时速度(简称速度)为

其中,表示位移对时间的一阶导数,在时间-位移图上表现为求斜率。

首先,定义时刻到时刻之间的平均加速度为

平均加速度粗略地表示了在该段时间内物体速度的变化情况。如果越小,该段时间内速度的波动就越小,描述的速度变化情况也就越精细,从而定义质点A在时刻的瞬时加速度为

三个质点从坐标原点以相同的速度出发,由于分别拥有正、零、负的加速度而导致其位置和关于时间的曲线。

瞬时加速度,简称加速度。进而有

在直线运动时,矢量约化为带符号的标量,其绝对值表示该物理量的大小。速度为正表示向右,速度为负表示向左(二维空间坐标中)。加速度与速度方向相同(即符号相同)时表示物体不断加速,不同则表示物体不断减速。

右图画出了三个质点在从坐标原点以相同的速度出发,由于分别拥有正、零、负的加速度而导致其位置关于时间的曲线。可以将其想象为在光滑桌面上,三个木块以相同初速度,沿斜面向下、沿水平面、沿斜面向上滑行。

在位移-时间图上,加速度由曲线的凹凸性表示,加速度为正的部分表现为凸函数,反之为凹函数,亦可以从微分的角度来分析。

曲线运动中的加速度

用两次差分表示如何从位移矢量近似地得到加速度矢量,在数学表示中以粗体或是上方标注箭号为矢量。

设质点A在空间中运动,原点O指向A的矢量为其矢径,则可类似定义其速度矢量和加速度矢量为

右图表现的是一个质点沿一曲线运动的轨迹,表示出了两次微分的过程,为了清晰表示,这里使用差分(并不趋于0)近似代替了微分,因此表现的是平均速度和平均加速度。可以看出,加速度与速度都具有方向和大小,并且即使在同一时刻两者方向也不一定相同。加速度与速度方向平行的分量表示速度大小的变化率(相同则加速,相反则减速),而与速度垂直的分量表示速度方向的变化率(速度矢量转动的角速度)。

在足够小时,可以将那一小段曲线运动(称作元弧)近似看作直线运动或圆周运动。

伽利略变换

在经典物理下,即速度远小于光速、研究宏观物体时,可以使用伽利略变换来研究不同参考系间的加速度的联系,简单来说就是坐标间的转换,但仍有保持一定的不变量:

其中,为物体在参考系下的加速度,为物体在参考系下的加速度,为参考系在参考系下的加速度。

考虑站在地面看火车上的人抛出一个小球,这个公式表达:小球相对于地面的加速度,等于小球相对于火车的加速度加上火车相对于地面的加速度。这个式子是矢量表达式,即三个加速度矢量的方向不在同一条直线上时,要使用矢量加法计算。

牛顿第二定律

加速度最主要的应用之一是牛顿第二定律。简单地说,牛顿第二定律表明,感受到合外力的作用,物体的加速度与合外力成正比,与质量成反比,加速度方向沿合力方向,在国际单位制中表示为

其中表示物体所受合外力,为物体质量,为物体的加速度。

在经典物理下,牛顿第二定律广泛适用。此外,牛顿第二定律要求所处参考系为惯性参考系。由于经典物理的研究几乎都会或多或少地涉及到物体在力的作用下的运动,又由于牛顿第二定律和伽利略变换极具简洁性,所以,牛顿第二定律是经典动力学里的重要基础定律,质点运动亦然。

惯性力

当带质量物体加速时,惯性是物体维持原有运动状态的倾向,惯性力是对于这倾向的衡量。因为惯性力实际上并不存在,只有原本将该物体加速的作用力实际存在,因此惯性力又称为假想力。更具体而言,根据牛顿第二定律,

其中,是第个作用力,是物体的加速度。

重新编排,可以得到

设定惯性矢量,这物体的动力系统满足方程

想像这惯性矢量为由于加速度运动而产生的一种力,称为惯性力。因为惯性力与所有作用于这物体的外力的矢量总和为零,这动力系统可以视为处于动力平衡状态。借着这机制,可以将动力系统约化为静力系统,用静力学发展出的方法来解析动力问题。

惯性力在平日生活中其实很常见,例如,停止不动的火车突然向前方加速,则所有站立乘客都会向后方倾移,这便是惯性力效应,从另外一个角度而言也是为了提供乘客们有足够的摩擦力来进行移动。

加加速度

将位移对于时间进行一阶求导得到了速度,二阶求导得到了加速度。可能会想到,可以通过进行三阶求导来得到一个诸如加加速度的物理量。

在工程学中经常需要用到加加速度,特别是在交通工具设计以及材料等问题。交通工具在加速时将使乘客产生不适感,这种不适感不仅来自于加速度,也与加加速度有关。在这种情况中,加速度反应人体器官在加速度运动时所感受到的力(见牛顿第二定律),加加速度则反应这作用力的变化快慢。较大的加加速度将会使人体产生相当的不适感,例如在电梯升降,汽车、火车等加速和转弯的过程中(在这些情况中加速度和加加速度的效应一般会同时存在)。人体需要时间适应加速度的变化,假若加加速度超过安全标准,则可能会发生像车祸造成的颈部扭伤(whiplash)一类的人体伤害。因而在设计交通工具时加加速度是必须考虑的因素。

在物理学里,加加速度现在主要应用在混沌理论领域。

角加速度

角加速度涉及绕着固定轴转动的物体,例如,想象一个圆盘和一个垂直固定于其中心的木棍,两只手合拍住木棍并前后磨擦,造成木棍与圆盘共同转动(例如,在地上高速旋转的陀螺,绕著固定点转动)。在圆盘上做一个标记(如一条半径),则绕着固定轴转动的物体可以简单地用标量角弧(即该标记转动的角弧)来做定量描述。

旋转运动可以与直线运动相类比:位移、速度、加速度,分别对应于角弧、角速度、角加速度。直线运动中已有的定律和方法可以直接带入,用于旋转运动,例如,使用已有的匀加速直线运动理论来研究匀角加速度固定轴转动。

在国际单位制中,角加速度的单位为弧度每二次方秒()。其定义式为

其中,为物体角加速度,为物体角速度,为物体转过的角弧。

2加速度的分解

编辑

处理关于空间加速度矢量的问题,除了直接计算矢量之外,更多的时候可以将加速度按照适当坐标轴分解,即将矢量形式的加速度表示为相互独立的不同方向上的标量的形式。因为标量的计算要容易很多,因此这是解决问题常用的方法。

按坐标系分解

平面直角坐标系

在平面直角坐标系中,

其中分别为x、y坐标轴上的单位矢量,皆为常矢量。

这种分解方式的优点在于,形式简便,思维简单;因为单位矢量不会变化,故质点在二个方向上的投影等价于直线运动,并将其叠加,使得问题完全化为代数问题,并且可以直接使用直线运动的已有结论。

极坐标系

在二维空间里,极坐标系用半径坐标、角坐标来表示质点的位置。半径坐标是极点与质点的直线距离;角坐标是极点与质点的连线对于极轴的角弧。在任意点的两个单位矢量分别为沿半径向外的和垂直于半径指向角坐标正方向的。不论是直角坐标或是极坐标都可以互相来驵变换,坐标和坐标之间有一定的转换量,使用以方便所在的坐标系为主。

从极坐标和可以计算出直角坐标:

在极坐标系中,位置、速度、加速度分别为

极坐标系分解的推导

两个单位矢量、会随质点所处位置不同而变化,并可通过分析得出结论,在质点运动的时候

其中,经过微小时间后,单位矢量、的微小变化分别为、。

应用微分的莱布尼兹法则

在极坐标系下,速度、加速度分别为

按自然坐标系分解

加速度按自然坐标系分解

假设一个质点移动于二维平面。在质点轨道的任意位置,二维自然坐标系的一个坐标轴方向(切向)保持与轨道切线方向平行,另一个坐标轴方向(法向)则与轨道法线平行。分解按右图。矢量可以无限地做拆解,所以只需要选择对于分析最有利的为主!通常以切线方向和法线方向来分解。

简单地说,加速度的切向分量表示速度大小的变化,加速度的法向分量表示速度方向的变化,即

其中,为此时刻的速度大小,为此时刻的曲率半径。

按功能分解

匀速圆周运动向心加速度

在匀速圆周运动中,速度大小不改变,方向不停改变,需要保持垂直于其切向的加速度来改变方向。

若质点以不变的速率(速度大小)沿着圆周绕着圆心运动,则质点呈匀速圆周运动,质点具有向心加速度,其方向保持沿半径方向向里(因此不断变化),大小为

其中,是角速度。

这公式也可以从极坐标系分解中,代入与匀速圆周运动相关的特殊值得到。更一般的情况下(非匀速圆周运动),以矢量来表示,

在矢量式中,令沿半径向外为正。在平面的情况下,该矢量式约化为上述标量式,这时会得到一个负号,通常以圆坐标来表示最为合适。

假设,在一根绳子的一端系上一个小物体(比如石头),另一端握在手中,大致保持手不动而水平旋转,则手会明确地感受到绳子的拉力,该拉力的反作用力在绳子的另一端表现为向心力,提供小物体的向心加速度。当转得越快,向心力会越大,可以定性地验证上述矢量式。从这个实验,可以看出,向心加速度总是使物体趋向于朝着圆心做运动;如果没有绳子施予向心力,物体一定会飞奔出去。

再举一个例子,在游乐场的巨大旋转圆盘上,大部分游客都会站立不稳,总是会向外摔倒,这是因为缺乏向心力施予于游客。在旋转圆盘的非惯性系中,游客会感受到惯性力,但由于缺乏向心力,无法达成平衡状态,因此被向外“甩”出去,这惯性力又称为离心力,人们以这个原理制成了离心机。

上述公式不但对于从匀速圆周运动成立,也可以应用于各种圆周运动、甚至任意曲线运动,只是上述的和应理解为该时刻的瞬时物理量,应以曲率半径替代,表示的是物体的加速度在垂直于路径方向的分量。

向心加速度的推导

如匀速圆周运动图所示,某一时刻质点速度为,极短时间过后,质点沿圆周前行,速度变成。因为是匀速圆周运动,速度大小保持为,但方向会保持与圆相切(垂直于半径),不断改变。

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