第三章平稳时间序列分析精选PPT.ppt
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1、第三章平稳时间序列分析第1页,本讲稿共153页平稳时间序列分析n一个序列经过预处理被识别为平稳非白噪声序列,那说明该序列是一个蕴含着相关信息的平稳序列。在统计上,我们通常是建立一个线性模型来拟合该序列的发展,借此提取序列中的有用信息。ARMA(auto regression moving average)模型是目前最常用的平稳序列拟合模型。第2页,本讲稿共153页本章结构n方法性工具 nARMA模型的性质 nAR模型nMA模型nARMA模型n平稳序列建模 第3页,本讲稿共153页3.1 方法性工具 n差分运算n延迟算子n线性差分方程第4页,本讲稿共153页差分运算n1阶差分 相距一期的两个序列
2、值之间的减法运算。n2阶差分 对1阶差分后序列再进行一次1阶差分运算。第5页,本讲稿共153页差分运算n 阶差分n对 阶差分后序列再进行一次1阶差分运算 n 步差分 相距 期的两个序列值之间的减法运算。第6页,本讲稿共153页延迟算子n延迟算子类似于一个时间指针,当前序列值乘以一个延迟算子,就相当于把当前序列值的时间向过去拨了一个时刻。n记B为延迟算子,有 第7页,本讲稿共153页延迟算子的性质n n n对任意两个序列有 n n ,其中 第8页,本讲稿共153页用延迟算子表示差分运算n 阶差分 n 步差分第9页,本讲稿共153页线性差分方程 n称如下形式的方程为序列 的线性差分方程:n若 ,则
3、得到齐次线性差分方程第10页,本讲稿共153页齐次线性差分方程的解n特征方程n特征方程的根称为特征根,记作n齐次线性差分方程的通解np个特征根为不同的实数场合np个特征根中有相等实根场合np个特征根中有复根场合第11页,本讲稿共153页非齐次线性差分方程的解 n非齐次线性差分方程的特解n使得非齐次线性差分方程成立的任意一个解n非齐次线性差分方程的通解n齐次线性差分方程的通解 和非齐次线性差分方程的特解之和,即第12页,本讲稿共153页3.2 ARMA模型的性质 nAR模型(Auto Regression Model)nMA模型(Moving Average Model)nARMA模型(Auto
4、 Regression Moving Average model),是目前最常用的拟合平稳序列的模型第13页,本讲稿共153页AR模型的定义n具有如下结构的模型称为 阶自回归模型,简记为n特别当 时,称为中心化 模型第14页,本讲稿共153页 AR(P)序列中心化变换n称 为 的中心化序列,若令第15页,本讲稿共153页自回归系数多项式n引进延迟算子,中心化 模型又可以简记为 n 阶自回归系数多项式第16页,本讲稿共153页AR模型平稳性判别 n判别原因n要拟合一个平稳序列的发展,用来拟合的模型显然也应该是平稳的。AR模型是常用的平稳序列的拟合模型之一,但并非所有的AR模型都是平稳的 n判别方
5、法n单位根判别法n平稳域判别法第17页,本讲稿共153页例3.1:考察如下四个模型的平稳性第18页,本讲稿共153页例3.1平稳序列时序图第19页,本讲稿共153页例3.1非平稳序列时序图第20页,本讲稿共153页平稳AR模型的统计性质n均值n方差n协方差n自相关系数n偏自相关系数第21页,本讲稿共153页均值 n如果AR(p)模型满足平稳性条件,则有n由于平稳序列均值为常数,且 为白噪声序列,有第22页,本讲稿共153页均值n推导出n特别地,对于中心化AR(p)模型,有第23页,本讲稿共153页Green函数定义nAR模型的传递形式第24页,本讲稿共153页Green函数的定义n其中系数 称
6、为Green函数n 是前 个时间单位以前进入系统的扰动 对系统现在行为(响应)影响的权数。第25页,本讲稿共153页方差n平稳AR模型的传递形式n两边求方差得第26页,本讲稿共153页例3.2:求平稳AR(1)模型的方差n平稳AR(1)模型的传递形式为nGreen函数为n平稳AR(1)模型的方差第27页,本讲稿共153页协方差函数n在平稳AR(p)模型两边同乘 ,再求期望n根据n得协方差函数的递推公式第28页,本讲稿共153页例3.3:求平稳AR(1)模型的协方差n递推公式n平稳AR(1)模型的方差为n协方差函数的递推公式为第29页,本讲稿共153页例3.4:求平稳AR(2)模型的协方差n平稳
7、AR(2)模型的协方差函数递推公式为n特别地,当 时,有n即n类似于例3.2,可推出AR(2)模型的方差第30页,本讲稿共153页例3.4:求平稳AR(2)模型的协方差n平稳AR(2)模型的传递形式:第31页,本讲稿共153页例3.4:求平稳AR(2)模型的协方差n平稳AR(2)模型的协方差函数递推公式为第32页,本讲稿共153页自相关系数n自相关系数的定义n在自协方差函数的递推公式等号两边同除以方差函数 ,就得到平稳AR(P)模型的自相关系数递推公式:第33页,本讲稿共153页常用AR模型自相关系数递推公式nAR(1)模型nAR(2)模型第34页,本讲稿共153页AR模型自相关系数的性质n拖
8、尾性n根据自相关系数的递推公式,容易看出AR(P)模型的自相关系数的表达式实际上是一个P阶齐次差分方程,那么滞后任意k阶的自相关系数的通解为:第35页,本讲稿共153页AR模型自相关系数的性质n 为该差分方程的特征根。n通过这个通解形式,容易推出自相关系数始终有非零取值,不会在k大于某个常熟之后就恒等于零,这个性质就是拖尾性。第36页,本讲稿共153页AR模型自相关系数的性质n呈负指数衰减n同时随着时间的推移,会迅速衰减,因为 ,所以 时,继而导致 而且这种影响是以负指数的速度在减小。第37页,本讲稿共153页AR模型自相关系数的性质n这种自相关系数以负指数衰减的性质就是在第2章利用自相关图判
9、断平稳序列时所说的“短期相关”性。它是平稳序列的一个重要特征。这个特征表明对平稳序列而言通常只有近期的序列值对现时值的影响比较明显,间隔越远的过去值对现时值的影响越小。第38页,本讲稿共153页例3.5:考察如下AR模型的自相关图第39页,本讲稿共153页例3.5n自相关系数按负指数单调收敛到零第40页,本讲稿共153页例3.5:n自相关系数呈现正负相间地衰减第41页,本讲稿共153页例3.5:n自相关系数呈现出“伪周期”性第42页,本讲稿共153页例3.5:n自相关系数不规则衰减第43页,本讲稿共153页例3.5n从图中我们看到,这四个平稳AR模型,它们的自相关系数都呈现出拖尾性和呈负指数衰
10、减到零值附近的性质。第44页,本讲稿共153页偏自相关系数n对于一个平稳AR(p)模型,求出滞后k自相关系数 时,实际上得到的并不是 与 之间单纯的相关关系,实际上掺杂了其他变量对 与 之间的相关关系。为了能单纯测度 对 的影响,引进偏自相关系数的概念。第45页,本讲稿共153页偏自相关系数n定义 对于平稳AR(p)序列,所谓滞后k偏自相关系数就是指在给定中间k-1个随机变量 的条件下,或者说,在剔除了中间k-1个随机变量的干扰之后,对 影响的相关度量。用数学语言描述就是第46页,本讲稿共153页偏自相关系数的计算n假定 为中心化平稳序列,用过去的 期序列值 对 作 阶自回归拟合,即第47页,
11、本讲稿共153页偏自相关系数的计算n在上式等号两边同乘 ,并求期望,得n取前k个方程构成的方程组第48页,本讲稿共153页偏自相关系数的计算n滞后k偏自相关系数实际上就等于k阶自回归模型第个k回归系数 的值。根据这个性质容易计算偏自相关系数的值。n解方程组求出 。第49页,本讲稿共153页偏自相关系数的截尾性nAR(p)模型偏自相关系数P阶截尾第50页,本讲稿共153页常用AR模型偏自相关系数递推公式nAR(1)模型nAR(2)模型第51页,本讲稿共153页常用AR模型偏自相关系数递推公式n当k=1时,有n当k=2时,有第52页,本讲稿共153页例3.5续:考察如下AR模型的偏自相关图第53页
12、,本讲稿共153页例3.5n理论偏自相关系数n样本偏自相关图第54页,本讲稿共153页例3.5:n理论偏自相关系数n样本偏自相关图第55页,本讲稿共153页例3.5:n理论偏自相关系数n样本偏自相关图第56页,本讲稿共153页例3.5:n理论偏自相关系数n样本偏自相关系数图第57页,本讲稿共153页MA模型的定义n具有如下结构的模型称为 阶移动平均模型,简记为n特别当 时,称为中心化 模型第58页,本讲稿共153页MA模型的定义n对非中心化 模型只要做一个简单的位移 ,就可以转化为中心化 模型。这种中心化运算不会影响序列值之间的相关关系,所以今后在分析 模型的相关关系时,常常简化为对它的中心化
13、模型进行分析。第59页,本讲稿共153页移动平均系数多项式n引进延迟算子,中心化 模型又可以简记为 n 阶移动平均系数多项式第60页,本讲稿共153页MA模型的统计性质n常数均值n特别地,如果该模型为中心化 模型,该模型均值为零。n常数方差第61页,本讲稿共153页MA模型的统计性质n自协方差函数q阶截尾第62页,本讲稿共153页MA模型的统计性质n自相关系数q阶截尾第63页,本讲稿共153页常用MA模型的自相关系数nMA(1)模型nMA(2)模型第64页,本讲稿共153页MA模型的统计性质n偏自相关系数拖尾n两个重要结论n(1)当 时,模型一定为平稳模型n(2)模型的偏自相关系数拖尾,自相关
14、系数 阶截尾。第65页,本讲稿共153页例3.6:考察如下MA模型的相关性质第66页,本讲稿共153页MA模型的自相关系数截尾n n 第67页,本讲稿共153页MA模型的自相关系数截尾n n 第68页,本讲稿共153页MA模型的偏自相关系数拖尾n n 第69页,本讲稿共153页MA模型的偏自相关系数拖尾n n 第70页,本讲稿共153页ARMA模型的定义n具有如下结构的模型称为自回归移动平均模型,简记为n特别当 时,称为中心化 模型第71页,本讲稿共153页ARMA模型的定义n缺省默认条件,中心化 模型可以简写为:n默认条件与 模型、模型相同第72页,本讲稿共153页系数多项式n引进延迟算子,
15、中心化 模型又可以简记为 n 阶自回归系数多项式n 阶移动平均系数多项式第73页,本讲稿共153页ARMA模型的定义n当 时,模型就退化成了 模型;n当 时,模型就退化成了 模型;n所以,模型和 模型实际上是 模型的特例,它们都统称为 模型。第74页,本讲稿共153页ARMA模型的定义n而 模型的统计性质也正是 模型和 模型统计性质的有机组合。第75页,本讲稿共153页传递形式n对于一个平稳可逆 模型,它的传递形式为:n式中,为Green函数第76页,本讲稿共153页ARMA(p,q)模型的统计性质n均值n对于一个非中心化平稳可逆的 模型n两边同求均值,有第77页,本讲稿共153页ARMA(p
16、,q)模型的统计性质n自协方差函数第78页,本讲稿共153页ARMA(p,q)模型的统计性质n自相关系数第79页,本讲稿共153页ARMA模型的相关性n自相关系数拖尾n偏自相关系数拖尾第80页,本讲稿共153页例3.7:考察ARMA模型的相关性n拟合模型ARMA(1,1):并直观地考察该模型自相关系数和偏自相关系数的性质。假定 为标准正态白噪声序列。第81页,本讲稿共153页自相关系数和偏自相关系数拖尾性n样本自相关图n样本偏自相关图第82页,本讲稿共153页ARMA模型相关性特征模型自相关系数偏自相关系数AR(P)拖尾P阶截尾MA(q)q阶截尾拖尾ARMA(p,q)拖尾拖尾第83页,本讲稿共
17、153页3.3平稳序列建模 n建模步骤n样本自相关系数与偏自相关系数n模型识别n参数估计n模型检验n模型优化第84页,本讲稿共153页建模步骤n假如某个观察值序列通过序列预处理,可以判定为平稳非白噪声序列,那就说明该序列是一个蕴含着相关信息的平稳序列,我们就可以利用模型对该序列建模,ARMA(Auto Regression Moving Average)模型是目前最常用的平稳序列拟合模型。第85页,本讲稿共153页建模步骤n(1)求出该观察值序列的样本自相关系数(ACF)和样本偏自相关系数(PACF)的值。n(2)根据样本自相关系数和偏自相关系数的性质,选择阶数适当的ARMA(p,q)模型进行
18、拟合。n(3)估计模型中未知参数的值。第86页,本讲稿共153页建模步骤n(4)检验模型的有效性。如果拟合模型通不过检验,转向步骤(2),重新选择模型再拟合。n(5)模型优化。如果拟合模型通过检验,仍然转向步骤(2),充分考虑各种可能,建立多个拟合模型,从所有通过检验的拟合模型中选择最优模型。n(6)利用拟合模型,预测序列的将来走势。第87页,本讲稿共153页建模步骤平平稳稳非非白白噪噪声声序序列列计计算算样样本本相相关关系系数数ARMA模型模型识别识别参数参数估计估计模型模型检验检验模模型型优优化化序序列列预预测测YN第88页,本讲稿共153页计算样本相关系数n我们是通过考察平稳序列样本自相
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