线性平稳时间序列模型

关于线性平稳时间序列模型第1页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五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2页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五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3页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五(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（Autoregressivemodel,AR）其中：εt是白噪声序过程（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4页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五可见,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εt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5页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五AR(1)模型的滞后算子形式：第6页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五2.随机游走(RandomWalk)过程如果一个时间序列xt的合适的模型为如下的形式：其中：εt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PearsonK.和RayleighL.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7页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五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8页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五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。Box—Jenkins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9页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五(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：εt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10页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五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的部分剔除掉，而使数据转化成了独立数据εt。第11页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五(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：εt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12页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五思考：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μ未知，可估计如下模型：其中：第13页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五自回归系数多项式引进滞后算子，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14页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五二、移动平均模型（Movingaveragemodel,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：εt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15页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五（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)εt为白噪声过程(2)那么就称xt满足q阶移动平均过程，记作MA(q)使用滞后算子，MA(q)模型可以写成：第16页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五三、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17页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五利用滞后算子，ARMA(p,q)模型可写为：其中：且，之间不出现公共因子。第18页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五如果序列xt是均值非平稳的，对其进行d次差分后，变成了平稳的序列Δdxt，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,IntegratedAutoregressiveMovingaveragemodel）第19页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五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)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20页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五其中：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21页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五第二节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22页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五一、时间序列模型的平稳性(Stationarity)如果一个时间序列模型可以写成如下形式：其中，εt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23页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五证明：第24页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五且：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25页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五对于一个有限阶的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)模型本身就是一种传递形式。第26页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五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，εt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｛πj｝称为逆函数。第27页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五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28页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五AR(p)MA(q)ARMA(p,q)可逆性平稳性????√√第29页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五对于一个有限阶的AR(P)模型：三、AR(p)模型的平稳性条件序列｛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30页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五第31页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五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32页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五第33页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五上述两个条件是等价的。第34页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五可见：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35页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五方程1的根在单位圆外。或方程2：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36页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五举例：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37页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五当时，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。第38页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五重新分析随机游走过程，判断其是否平稳？第39页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五举例：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40页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五第41页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五AR(2)过程的平稳性区域如下图三角域所示第42页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五第43页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五例3.1:考察如下四个模型的平稳性第44页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五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45页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五四、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46页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五第47页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五上述两个条件是等价的。类似的：第48页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五可以得出如下结论：一个有限阶的可逆的MA(q)模型，可以表示成一个无限阶的AR模型第49页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五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50页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五当时，MA(1)可表示为一个无限阶的AR过程，即：第51页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五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)模型的可逆域如下：第52页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五例:考察如下MA模型的可逆性第53页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五（1）（2）（3）（4）第54页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五总结：(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55页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五五、ARMA(p,q)模型的平稳性条件和可逆性条件(一)平稳性对于一个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56页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五(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：θ(B)=0的根全在单位圆外。第57页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五为满足可逆性，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58页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五第三节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59页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五一、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εt

与过去冲击值εt-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(Green’sfunction)。第60页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五可见，纯移动平均模型MA(q)本身就是传递形式。第61页，共78页，2022年，5月20日，18点41分，星期五所谓逆转形式：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εt。第62页，共78页，