线性平稳时间序列模型

1、关于线性平稳时间序列模型第一张，PPT共七十八页，创作于2022年6月Contents 3.1 线性平稳时间序列模型的种类 3.2 ARMA(p,q)模型的平稳性 和可逆性 3.3 ARMA模型的传递形式 和逆转形式第二张，PPT共七十八页，创作于2022年6月第一节 线性平稳时间序列模型的种类一、自回归模型二、移动平均模型三、自回归移动平均模型四、求和自回归移动平均模型第三张，PPT共七十八页，创作于2022年6月(一).一阶自回归模型，AR(1)1.设xt为零均值平稳随机序列，如果关于xt的合适模型为：一、自回归模型（Auto regressive model, AR）其中：t是白噪声序过

2、程（外部冲击）（1）（2）那么我们就说xt遵循一个一阶自回归或AR(1)随机过程。第四张，PPT共七十八页，创作于2022年6月可见,AR(1)模型中，xt在t时刻值依赖于两部分，一部分依赖于它的前一期的值xt-1；另一部分是依赖于与xt-1不相关的部分t可将AR(1)模型写成另一种形式：通过这一种形式可以看出，AR(1)模型通过消除xt中依赖于xt-1的部分，而使相关数据转化成了独立数据。第五张，PPT共七十八页，创作于2022年6月AR(1)模型的滞后算子形式：第六张，PPT共七十八页，创作于2022年6月2.随机游走(Random Walk)过程如果一个时间序列xt的合适的模型为如下的形

3、式：其中：t为白噪声序列，那么就称xt为随机游走过程 。“随机游走”一词首次出现于1905年自然（Nature）杂志第72卷Pearson K. 和 Rayleigh L.的一篇通信中。该信件的题目是“随机游走问题”。文中讨论寻找一个被放在野地中央的醉汉的最佳策略是从投放点开始搜索。 第七张，PPT共七十八页，创作于2022年6月随机游走过程是非平稳时间序列证明：对于设则于是有因此 的方差随时间而改变，因此过程是非平稳的。第八张，PPT共七十八页，创作于2022年6月虽然随机游走过程是非平稳的，但是我们看到，它的一阶差分却是平稳的：有些研究表明，许多经济时间序列呈现出随机游走或至少有随机游走的

4、成分，如股票价格，这些序列虽然是非平稳的，但它们的一阶(或高阶)差分却是平稳的。BoxJenkins就是利用差分这种数学工具来使非平稳序列转化为平稳序列的。第九张，PPT共七十八页，创作于2022年6月(二).二阶自回归模型，AR(2)1.设xt为零均值的随机序列，如果关于xt的合适模型为：其中：t是白噪声序列（1）（2）那么我们就说xt遵循一个二阶自回归或AR(2)随机过程。思考：若建立AR(2)模型以后，上述假设不符合，说明了什么问题？第十张，PPT共七十八页，创作于2022年6月AR(2)模型可写成如下的等价形式 通过等价形式可以看出，AR(2)模型通过将xt中依赖于xt-1、xt-2的

5、部分剔除掉，而使数据转化成了独立数据t。第十一张，PPT共七十八页，创作于2022年6月(三).一般自回归模型，AR(p)1.设xt为零均值的时间序列，如果关于xt的合适模型为：其中：t是白噪声序列(2)(3)那么我们就说xt遵循一个p阶自回归或AR(p)随机过程。(1)第十二张，PPT共七十八页，创作于2022年6月思考：如果xt是一个非零均值的平稳时间序列，怎么对其建立模型？今后在分析AR模型时，都简化为对它的中心化模型进行分析。设：于是：则可对序列 建立ARMA模型：例如AR模型的一般形式可写为：若未知，可估计如下模型：其中：第十三张，PPT共七十八页，创作于2022年6月自回归系数多项

6、式引进滞后算子，中心化 模型又可以为 从而有：记：则模型可以表示成：例如，二阶自回归模型 ，可写成第十四张，PPT共七十八页，创作于2022年6月二、移动平均模型（Moving average model , MA）（一）一阶移动平均模型，MA(1)如果关于零均值随机序列xt的合适的模型如下：其中：t为白噪声序列，那么就称xt满足一阶移动平均过程，记作MA(1)使用滞后算子，MA(1)模型可以写成：第十五张，PPT共七十八页，创作于2022年6月（二）一般移动平均模型，MA(q)如果关于零均值时间序列xt的合适的模型如下：其中：(1)t为白噪声过程(2)那么就称xt满足q阶移动平均过程，记作M

7、A(q)使用滞后算子，MA(q)模型可以写成：第十六张，PPT共七十八页，创作于2022年6月三、自回归移动平均模型, ARMA(p,q)如果零均值序列Xt的当前值不仅与自身的过去值有关，而且还与其以前进入系统的外部冲击存在一定依存关系，那么它可以用如下的线性模型来描述：其中：（1）（2）为白噪声过程，即（3）则称Xt满足自回归移动平均过程，记为ARMA(p,q)。第十七张，PPT共七十八页，创作于2022年6月利用滞后算子，ARMA(p,q)模型可写为：其中：且， 之间不出现公共因子。第十八张，PPT共七十八页，创作于2022年6月如果序列xt是均值非平稳的，对其进行d次差分后，变成了平稳的

8、序列dxt，这个差分后的平稳序列的适应性模型为ARMA(p,q) ，此时就称对原始序列xt建立了ARIMA(p,d,q)模型。其中：p为自回归部分项阶数，q指移动平均部分 阶数，d为使序列平稳之前必须对其差分的次数。四、 求和自回归移动平均模型（ARIMA ,Integrated Autoregressive Moving average model）第十九张，PPT共七十八页，创作于2022年6月ARIMA(2,1,2)表示先对时间序列进行一阶差分，使之转化为平稳序列，然后对平稳序列建立ARMA(2,2)模型。例如：ARIMA(p,0,q)就相当于ARMA(p,q)。ARIMA(p,0,0)

9、就相当于AR(p)。ARIMA(0,0,q)就相当于MA(q)。对于一个ARIMA(p,d,q)也可以用推移算子B表示如下其中：第二十张，PPT共七十八页，创作于2022年6月其中：思考：如果xt是一个非零均值的平稳时间序列，怎么对其建立ARIMA(p,d,q)模型？第二十一张，PPT共七十八页，创作于2022年6月第二节 ARMA(p,q)模型的平稳性和可逆性一、时间序列模型的平稳性二、时间序列模型的可逆性三、AR模型的平稳性条件四、MA模型的可逆性条件五、ARMA模型的平稳性条件和可逆性条件第二十二张，PPT共七十八页，创作于2022年6月一、时间序列模型的平稳性(Stationarity

10、)如果一个时间序列模型可以写成如下形式：其中， t为白噪声过程。且满足：就称该模型是平稳的。上式称为wold展开式。如果一个时间序列模型可以写成上述形式，则称该模型具有传递形式。系数Gj称为格林函数。它描述了系统对过去冲击的动态记忆性强度。 第二十三张，PPT共七十八页，创作于2022年6月证明：第二十四张，PPT共七十八页，创作于2022年6月且：对于上式，可以证明如下结论：由于平稳过程的方差存在。因此必须有这是平稳过程的条件。第二十五张，PPT共七十八页，创作于2022年6月对于一个有限阶的MA(q)模型总有：所以，一个有限阶的MA(q)模型总是平稳的。一个有限阶的MA(q)模型本身就是一

11、种传递形式。第二十六张，PPT共七十八页，创作于2022年6月如果一个时间序列的模型可以写成如下形式：二、时间序列模型的可逆性(invertibility)其中， t为白噪声过程。且满足：则称xt具有逆转形式（或可逆形式）。系数j称为逆函数。 第二十七张，PPT共七十八页，创作于2022年6月对于一个有限阶的自回归模型AR(P)总有：所以，一个有限阶的AR(P)模型本身就是一种逆转形式。第二十八张，PPT共七十八页，创作于2022年6月AR(p)MA(q)ARMA(p,q)可逆性平稳性? 第二十九张，PPT共七十八页，创作于2022年6月对于一个有限阶的AR(P)模型：三、AR(p)模型的平稳

12、性条件序列xt平稳的充要条件是： 的根全在单位圆外。即如果B1，B2，Bp是如下特征方程的根，那么它们的绝对值必须大于1第三十张，PPT共七十八页，创作于2022年6月第三十一张，PPT共七十八页，创作于2022年6月对照前面平稳性的定义可知，上述过程若要平稳，必须满足：第三十二张，PPT共七十八页，创作于2022年6月第三十三张，PPT共七十八页，创作于2022年6月上述两个条件是等价的。第三十四张，PPT共七十八页，创作于2022年6月可见：一个有限阶的平稳的AR(P)模型，可以表示成一个无限阶的MA模型第三十五张，PPT共七十八页，创作于2022年6月方程1 的根在单位圆外。或方程2：

13、的根在单位圆内。AR模型平稳性判别 判别原因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 判别方法特征根判别法平稳域判别法 AR(P)的平稳域：使 的根全在单位圆外的AR系数向量（ ）的全体形成的集合。 第三十六张，PPT共七十八页，创作于2022年6月举例：求AR(1)模型的平稳性条件这就是AR(1)模型的平稳域即：方法一：方法二：AR(1)模型对应的滞后算子多项式的特征方程为：AR(1)模型对应的差分方程的特征方程为：第三十七张，PPT共七十八页，创作于2022年6月当 时，AR(1)可表示为一个无限阶的MA过程，即：此时有：显然，当 时， AR(1)模型是平稳的

14、。第三十八张，PPT共七十八页，创作于2022年6月重新分析随机游走过程，判断其是否平稳？第三十九张，PPT共七十八页，创作于2022年6月举例：求AR(2)模型的平稳性条件对于AR(2)模型其对应的差分方程的特征方程为：差分方程的特征根为：为满足平稳性条件，必须有：注，如果则特征根为复根：为满足平稳性，要求：第四十张，PPT共七十八页，创作于2022年6月第四十一张，PPT共七十八页，创作于2022年6月AR(2)过程的平稳性区域如下图三角域所示第四十二张，PPT共七十八页，创作于2022年6月第四十三张，PPT共七十八页，创作于2022年6月例3.1:考察如下四个模型的平稳性第四十四张，P

15、PT共七十八页，创作于2022年6月平稳性判别模型特征根判别平稳域判别结论(1)平稳(2)非平稳(3)平稳(4)非平稳第四十五张，PPT共七十八页，创作于2022年6月四、MA(q)模型的可逆性条件类似前面的结论，一个平稳的过程也不一定是可逆的。同样，对于一个有限阶的MA(q)模型：它是可逆过程的必要条件是 : 的根都在单位圆外，即如果B1，B2，Bq是 的根，那么它们的绝对值都必须大于1第四十六张，PPT共七十八页，创作于2022年6月第四十七张，PPT共七十八页，创作于2022年6月上述两个条件是等价的。类似的：第四十八张，PPT共七十八页，创作于2022年6月可以得出如下结论：一个有限阶

16、的可逆的MA(q)模型，可以表示成一个无限阶的AR模型第四十九张，PPT共七十八页，创作于2022年6月MA(1)过程的可逆性条件：对于MA(1)过程： 或其可逆性条件是要求：的根在单位圆内，即：在根在单位圆外，即：方法二：要求差分方程对应的特征方程：方法一：滞后算子多项式对应的特征方程：或第五十张，PPT共七十八页，创作于2022年6月当 时，MA(1)可表示为一个无限阶的AR过程，即：第五十一张，PPT共七十八页，创作于2022年6月MA(2)过程的可逆性条件：对于MA(2)过程：其可逆性条件是：要求特征方程 的两个特征根 在单位圆内。即：类似AR(2)过程的平稳性条件，可以证明MA(2)

17、模型的可逆域如下：第五十二张，PPT共七十八页，创作于2022年6月例:考察如下MA模型的可逆性第五十三张，PPT共七十八页，创作于2022年6月（1）（2）（3）（4）第五十四张，PPT共七十八页，创作于2022年6月总结：(1)一个平稳的AR(p)过程可以转化为一个无限阶移动平均过程。(2)一个可逆的MA(q)过程可以转化为一个无限阶的自回归过程。(3)对于AR(p)过程只须考虑平稳性问题，不必考虑可逆性问题。(4)对于MA(q)过程，只须考虑可逆性问题，不必考虑平稳性问题。第五十五张，PPT共七十八页，创作于2022年6月五、ARMA(p,q)模型的平稳性条件和可逆性条件(一)平稳性对于

18、一个ARMA(p,q)模型服从ARMA（p,q）模型的序列xt 平稳的充要条件是： 的根全在单位圆外。ARMA（p,q）序列的平稳性仅与自回归系数有关，而与滑动平均系数无关。而且平稳条件与AR(p)的平稳条件相同。 第五十六张，PPT共七十八页，创作于2022年6月(二)可逆性ARMA（p,q）可逆的条件仅与滑动系数有关，而与自回归系数无关。而且可逆条件与MA（q）的可逆条件相同。 服从ARMA（p,q）模型的序列xt，其具有可逆性的条件是：(B)=0的根全在单位圆外。第五十七张，PPT共七十八页，创作于2022年6月为满足可逆性， 的根必须在单位圆外，即：举例：ARMA(1,1)过程的平稳性

19、和可逆性ARMA(1,1)模型的一般形式为：或为：为满足平稳性， 的根必须在单位圆外，即：第五十八张，PPT共七十八页，创作于2022年6月第三节 ARMA模型的传递形式和逆转形式一、传递形式和逆转形式的概念二、AR(P)的传递形式三、ARMA(p,q)的传递形式四、ARMA(p,q)的逆转形式第五十九张，PPT共七十八页，创作于2022年6月一、ARMA模型的传递形式和逆转形式所谓传递形式：就是将序列xt的当前值，表示为当前冲击值t 与过去冲击值t-i(i=1,2,3)的线性组合。即:其中，系数函数Gj叫做记忆函数，又叫格林函数(Greens function)。第六十张，PPT共七十八页，创作于2022年6月可见，纯移动平均模型MA(q)本身就是传递形式。第六十一张，PPT共七十八页，创作于2022年6月所谓逆转形式：就是以序列的当前值和过去值的线性组合去表示当前的冲击值t。第六十二张，PPT共七十八页，创作于2022年6月可见，纯自回