特性多項式 AR( p )過程の 自己相関関数は 次のように表すことができます。
ρ ( τ ) = ∑ k = 1 p 1 k y k − | τ | 、 {\displaystyle \rho (\tau )=\sum _{k=1}^{p}a_{k}y_{k}^{-|\tau |},} どこy k \displaystyle y_k}} は多項式の根です
φ ( B ) = 1 − ∑ k = 1 p φ k B k {\displaystyle \varphi (B)=1-\sum _{k=1}^{p}\varphi _{k}B^{k}} ここで、B はバックシフト演算子 であり、φ ( ⋅ ) {\displaystyle \varphi (\cdot )} は自己回帰を定義する関数であり、φ k \displaystyle \varphi _{k}} これらは自己回帰における係数です。この式は、すべての根の重複度が1である場合にのみ有効です。
AR( p )過程の自己相関関数は、減衰指数関数の和である。
各実根は、指数関数的に減衰する成分を自己相関関数に寄与する。 同様に、複素共役 根の各ペアは指数関数的に減衰する振動に寄与する。
例:AR(1)過程AR(1)過程は次のように表される。X t = φ X t − 1 + ε t {\displaystyle X_{t}=\varphi X_{t-1}+\varepsilon _{t}\,} どこε t {\displaystyle \varepsilon _{t}} 平均値がゼロで分散が一定のホワイトノイズ過程である。σ ε 2 {\displaystyle \sigma _{\varepsilon }^{2}} (注:φ 1 {\displaystyle \varphi _{1}} (削除されました。)プロセスが弱意味定常で あるのは、| φ | < 1 {\displaystyle |\varphi |<1} これは、入力がホワイトノイズである安定フィルタの出力として得られるためである。(もしφ = 1 {\displaystyle \varphi =1} すると分散はX t {\displaystyle X_{t}} (時間遅延tに依存するため、 t が 無限大に近づくにつれて系列の分散は無限大に発散し、したがって弱意味定常ではない。)| φ | < 1 {\displaystyle |\varphi |<1} 平均E ( X t ) {\displaystyle \operatorname {E} (X_{t})} は、弱定常性の定義により、 t のすべての値に対して同一である。平均を次のように表すとμ {\displaystyle \mu } これからE ( X t ) = φ E ( X t − 1 ) + E ( ε t ) 、 {\displaystyle \operatorname {E} (X_{t})=\varphi \operatorname {E} (X_{t-1})+\operatorname {E} (\varepsilon _{t}),} それμ = φ μ + 0 、 {\displaystyle \mu =\varphi \mu +0,} そしてそれゆえに
μ = 0. {\displaystyle \mu =0.} 分散は
変数 ( X t ) = E ( X t 2 ) − μ 2 = σ ε 2 1 − φ 2 、 {\displaystyle {\textrm {var}}(X_{t})=\operatorname {E} (X_{t}^{2})-\mu ^{2}={\frac {\sigma _{\varepsilon }^{2}}{1-\varphi ^{2}}},} どこσ ε {\displaystyle \sigma _{\varepsilon }} は標準偏差ですε t {\displaystyle \varepsilon _{t}} これは、次の点に注目することで示すことができる。
変数 ( X t ) = φ 2 変数 ( X t − 1 ) + σ ε 2 、 {\displaystyle {\textrm {var}}(X_{t})=\varphi ^{2}{\textrm {var}}(X_{t-1})+\sigma _{\varepsilon }^{2},} そして、上記の量がこの関係の安定した固定点であることに気付くことによって。
自己共分散 は次のように与えられる。
B n = E ( X t + n X t ) − μ 2 = σ ε 2 1 − φ 2 φ | n | 。 {\displaystyle B_{n}=\operatorname {E} (X_{t+n}X_{t})-\mu ^{2}={\frac {\sigma _{\varepsilon }^{2}}{1-\varphi ^{2}}}\,\,\varphi ^{|n|}.} 自己共分散関数は、減衰時間(時定数 とも呼ばれる)で減衰することがわかる。τ = 1 / ( 1 − φ ) {\displaystyle \tau =1/(1-\varphi )} [ 13 ]
スペクトル密度 関数は、自己共分散関数のフーリエ変換 です。離散的な表現では、これは離散時間フーリエ変換となります。
Φ ( ω ) = 1 2 π ∑ n = − ∞ ∞ B n e − 私 ω n = 1 2 π ( σ ε 2 1 + φ 2 − 2 φ コス ( ω ) ) 。 {\displaystyle \Phi (\omega )={\frac {1}{\sqrt {2\pi }}}\,\sum _{n=-\infty }^{\infty }B_{n}e^{-i\omega n}={\frac {1}{\sqrt {2\pi }}}\,\left({\frac {\sigma _{\varepsilon }^{2}}{1+\varphi ^{2}-2\varphi \cos(\omega )}}\right).} この式は、離散的な性質のため周期的です。X j {\displaystyle X_{j}} これは分母のコサイン項として現れます。サンプリング時間 (Δ t = 1 {\displaystyle \Delta t=1} )は減衰時間よりもはるかに小さい(τ {\displaystyle \tau } ) ならば、連続体近似を用いてB n {\displaystyle B_{n}} :
B ( t ) ≈ σ ε 2 1 − φ 2 φ | t | {\displaystyle B(t)\approx {\frac {\sigma _{\varepsilon }^{2}}{1-\varphi ^{2}}}\,\,\varphi ^{|t|}} これにより、スペクトル密度はローレンツ型プロファイルとなる。
Φ ( ω ) = 1 2 π σ ε 2 1 − φ 2 γ π ( γ 2 + ω 2 ) {\displaystyle \Phi (\omega )={\frac {1}{\sqrt {2\pi }}}\,{\frac {\sigma _{\varepsilon }^{2}}{1-\varphi ^{2}}}\,{\frac {\gamma }{\pi (\gamma ^{2}+\omega ^{2})}}} どこγ = 1 / τ {\displaystyle \gamma =1/\tau } は減衰時間に関連する角周波数ですτ {\displaystyle \tau } 。
の別の表現X t {\displaystyle X_{t}} 最初に代入することで導出できますφ X t − 2 + ε t − 1 {\displaystyle \varphi X_{t-2}+\varepsilon _{t-1}} のためにX t − 1 {\displaystyle X_{t-1}} 定義式において。このプロセスをN 回繰り返すと、
X t = φ N X t − N + ∑ k = 0 N − 1 φ k ε t − k 。 {\displaystyle X_{t}=\varphi ^{N}X_{t-N}+\sum _{k=0}^{N-1}\varphi ^{k}\varepsilon _{t-k}.} N が無限大に近づくと、φ N {\displaystyle \varphi ^{N}} ゼロに近づき、次のようになります。
X t = ∑ k = 0 ∞ φ k ε t − k 。 {\displaystyle X_{t}=\sum _{k=0}^{\infty }\varphi ^{k}\varepsilon _{t-k}.} 次のようなことが分かります。X t {\displaystyle X_{t}} ホワイトノイズはφ k {\displaystyle \varphi ^{k}} カーネルに定数平均を加えたもの。ホワイトノイズの場合ε t {\displaystyle \varepsilon _{t}} ガウス過程 である場合X t {\displaystyle X_{t}} もガウス過程である。その他の場合、中心極限定理は 、X t {\displaystyle X_{t}} は、次の場合にほぼ正規分布します。φ {\displaystyle \varphi } 1に近い。
のためにε t = 0 {\displaystyle \varepsilon _{t}=0} プロセスX t = φ X t − 1 {\displaystyle X_{t}=\varphi X_{t-1}} これは幾何級数 (指数関数的 増加または減少)になります。この場合、解は解析的に求めることができます。X t = 1 φ t {\displaystyle X_{t}=a\varphi ^{t}} それによって1 {\displaystyle a} は未知の定数(初期条件 )です。
最大遅延を選択する AR(p)過程の偏自己相関はp より大きいラグではゼロになるため、適切な最大ラグp は偏自己相関がすべてゼロになるラグである。
ARパラメータの計算 係数を推定する方法は数多くあり、例えば最小二乗 法やモーメント法 (ユール・ウォーカー方程式を用いる方法)などがある。
AR( p )モデルは次の式で与えられる。
X t = ∑ 私 = 1 p φ 私 X t − 私 + ε t 。 {\displaystyle X_{t}=\sum _{i=1}^{p}\varphi _{i}X_{t-i}+\varepsilon _{t}.\,} パラメータに基づいていますφ 私 {\displaystyle \varphi _{i}} ここでi = 1, ..., p で ある。これらのパラメータとプロセスの共分散関数との間には直接的な対応関係があり、この対応関係を逆算することで、自己相関関数(これは共分散から得られる)からパラメータを決定することができる。これはユール・ウォーカー方程式を用いて行われる。
ユール・ウォーカー方程式ユール・ウォーカー方程式は、ウドニー・ユール とギルバート・ウォーカー にちなんで名付けられ、[ 14 ] [ 15 ] 次の方程式のセットである。[ 16 ]
γ m = ∑ k = 1 p φ k γ m − k + σ ε 2 δ m 、 0 、 {\displaystyle \gamma _{m}=\sum _{k=1}^{p}\varphi _{k}\gamma _{m-k}+\sigma _{\varepsilon }^{2}\delta _{m,0},} ここで、m = 0, …, p であり、p + 1 個の 方程式が得られる。γ m {\displaystyle \gamma _{m}} X t の自己共分散関数は、σ ε {\displaystyle \sigma _{\varepsilon }} は入力ノイズプロセスの標準偏差であり、δ m 、 0 {\displaystyle \delta _{m,0}} はクロネッカーのデルタ関数 です。
個々の方程式の最後の部分はm = 0 の場合にのみ非ゼロとなるため、 m > 0 の場合の方程式を行列形式で表すことで方程式のセットを解くことができ、その結果、次の方程式が得られます。
[ γ 1 γ 2 γ 3 ⋮ γ p ] = [ γ 0 γ − 1 γ − 2 ⋯ γ 1 γ 0 γ − 1 ⋯ γ 2 γ 1 γ 0 ⋯ ⋮ ⋮ ⋮ ⋱ γ p − 1 γ p − 2 γ p − 3 ⋯ ] [ φ 1 φ 2 φ 3 ⋮ φ p ] {\displaystyle {\begin{bmatrix}\gamma _{1}\\\gamma _{2}\\\gamma _{3}\\\vdots \\\gamma _{p}\\\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}\gamma _{0}&\gamma _{-1}&\gamma _{-2}&\cdots \\\gamma _{1}&\gamma _{0}&\gamma _{-1}&\cdots \\\gamma _{2}&\gamma _{1}&\gamma _{0}&\cdots \\\vdots &\vdots &\vdots &\ddots \\\gamma _{p-1}&\gamma _{p-2}&\gamma _{p-3}&\cdots \\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\varphi _{1}\\\varphi _{2}\\\varphi _{3}\\\vdots \\\varphi _{p}\\\end{bmatrix}}} これはすべてについて解くことができます{ φ m ; m = 1 、 2 、 … 、 p } 。 {\displaystyle \{\varphi _{m};m=1,2,\dots ,p\}.} m = 0の場合の残りの方程式は次のとおりです。
γ 0 = ∑ k = 1 p φ k γ − k + σ ε 2 、 {\displaystyle \gamma _{0}=\sum _{k=1}^{p}\varphi _{k}\gamma _{-k}+\sigma _{\varepsilon }^{2},} かつて { φ m ; m = 1 、 2 、 … 、 p } {\displaystyle \{\varphi _{m};m=1,2,\dots ,p\}} 既知であり、解決可能σ ε 2 。 {\displaystyle \sigma _{\varepsilon }^{2}.}
別の定式化としては、自己相関関数を 用いる方法がある。ARパラメータは最初のp +1個の要素によって決定される。ρ ( τ ) {\displaystyle \rho (\tau )} 自己相関関数の。完全な自己相関関数は、 [ 17 ]を再帰的に計算することによって導出できます。
ρ ( τ ) = ∑ k = 1 p φ k ρ ( k − τ ) {\displaystyle \rho (\tau )=\sum _{k=1}^{p}\varphi _{k}\rho (k-\tau )} 低次AR( p )過程の例
p = 1 γ 1 = φ 1 γ 0 {\displaystyle \gamma _{1}=\varphi _{1}\gamma _{0}} したがってρ 1 = γ 1 / γ 0 = φ 1 {\displaystyle \rho _{1}=\gamma _{1}/\gamma _{0}=\varphi _{1}} p = 2 AR(2)過程に対するユール・ウォーカー方程式は以下の通りである。 γ 1 = φ 1 γ 0 + φ 2 γ − 1 {\displaystyle \gamma _{1}=\varphi _{1}\gamma _{0}+\varphi _{2}\gamma _{-1}} γ 2 = φ 1 γ 1 + φ 2 γ 0 {\displaystyle \gamma _{2}=\varphi _{1}\gamma _{1}+\varphi _{2}\gamma _{0}} それを覚えておいてくださいγ − k = γ k {\displaystyle \gamma _{-k}=\gamma _{k}} 最初の式を用いると、ρ 1 = γ 1 / γ 0 = φ 1 1 − φ 2 {\displaystyle \rho _{1}=\gamma _{1}/\gamma _{0}={\frac {\varphi _{1}}{1-\varphi _{2}}}} 再帰式を用いると、ρ 2 = γ 2 / γ 0 = φ 1 2 − φ 2 2 + φ 2 1 − φ 2 {\displaystyle \rho _{2}=\gamma _{2}/\gamma _{0}={\frac {\varphi _{1}^{2}-\varphi _{2}^{2}+\varphi _{2}}{1-\varphi _{2}}}}
ARパラメータの推定 上記の式(ユール・ウォーカー方程式)は、理論的な共分散を推定値に置き換えることで、 AR( p )モデルのパラメータを推定するためのいくつかの方法を提供する。 [ 18 ] これらのバリエーションのいくつかは、次のように説明できる。
自己共分散または自己相関の推定。ここでは、これらの各項を従来の推定方法を用いて個別に推定します。推定方法にはいくつかの種類があり、どの方法を選択するかによって推定スキームの特性が変わります。例えば、方法によっては分散の推定値が負の値になる場合があります。 これは、最小二乗回帰 問題として定式化され、同じ系列のp個の過去値に基づいてXt の 値を 予測する、通常の最小二乗予測問題が構築されます。これは、前方予測スキームと考えることができます。この問題の通常の方程式は 、同じラグの自己共分散が出現するたびにわずかに異なる推定値に置き換えられる、Yule–Walker方程式の行列形式の近似に対応することがわかります。通常の最小二乗予測問題の拡張形式として定式化します。ここでは、2組の予測方程式が1つの推定スキームと1組の正規方程式に統合されます。1組は前方予測方程式のセットであり、もう1組はARモデルの後方表現に関連する対応する後方予測方程式のセットです。 X t = ∑ 私 = 1 p φ 私 X t + 私 + ε t * 。 {\displaystyle X_{t}=\sum _{i=1}^{p}\varphi _{i}X_{t+i}+\varepsilon _{t}^{*}\,.} ここで、 X t の予測値は、同じ系列のp 個の将来の値に基づいて決定されます。 この AR パラメータの推定方法は、John Parker Burg [ 19 ] によるもので、Burg 法と呼ばれています[ 20 ] 。Burg と後の著者は、これらの特定の推定値を「最大エントロピー推定値」と呼んでいます[ 21 ]。 しかし、この背後にある推論は、推定された AR パラメータの任意のセットの使用にも適用されます。前方予測方程式のみを使用する推定スキームと比較すると、自己共分散の異なる推定値が生成され、推定値は異なる安定性特性を持ちます。Burg 推定値は、特に最大エントロピー スペクトル推定と関連付けられています [ 22 ] 。推定の他の方法としては、最尤推定法 が挙げられます。最尤推定法には2つの異なるバリエーションがあります。1つは(概ね前方予測最小二乗法に相当)、系列の初期値p が与えられた場合の系列の後の値の条件付き分布に対応する尤度関数を考慮します。もう1つは、観測系列のすべての値の無条件同時分布に対応する尤度関数を考慮します。観測系列が短い場合、またはプロセスが非定常に近い場合、これらのアプローチの結果に大きな違いが生じる可能性があります。
スペクトラム ノイズ分散を持つAR( p ) プロセスのパワースペクトル密度(PSD) V 1 r ( Z t ) = σ Z 2 {\displaystyle \mathrm {Var} (Z_{t})=\sigma _{Z}^{2}} [ 17 ]
S ( f ) = σ Z 2 | 1 − ∑ k = 1 p φ k e − 私 2 π f k | 2 。 {\displaystyle S(f)={\frac {\sigma _{Z}^{2}}{|1-\sum _{k=1}^{p}\varphi _{k}e^{-i2\pi fk}|^{2}}}.}
AR(0)ホワイトノイズ(AR(0))の場合
S ( f ) = σ Z 2 。 {\displaystyle S(f)=\sigma _{Z}^{2}.}
統計パッケージにおける実装 R – stats パッケージにはar 関数が含まれています。[ 23 ] astsaパッケージには AR を含むさまざまなモデルに適合するための sarima 関数が含まれてい ます 。[ 24 ] MATLABの 計量経済学ツールボックス[ 25 ] とシステム識別ツールボックス[ 26 ] にはARモデルが含まれています。[ 27 ] MATLAB とOctave – TSA ツールボックスには、単変量、多変量 、および適応型ARモデルのための推定関数がいくつか含まれています。[ 28 ] PyMC 3 – ベイズ統計と確率的プログラミングのフレームワークは、p ラグを持つ AR モードをサポートしています。ベイズループ は、時間変動パラメータを持つAR-1プロセスのパラメータ推定とモデル選択をサポートします。[ 29 ] Python – statsmodels.org は AR モデルをホストしています。[ 30 ]
衝動反応 システムのインパルス応答とは、 k 期間前のショック項の値の変化に対する、進化する変数の変化をk の関数として表したものです。AR モデルはベクトル自己回帰モデルの特殊なケースであるため、ベクトル自己回帰#インパルス応答 のインパルス応答の計算がここにも適用されます。
n ステップ先の予測自己回帰のパラメータが
X t = ∑ 私 = 1 p φ 私 X t − 私 + ε t {\displaystyle X_{t}=\sum _{i=1}^{p}\varphi _{i}X_{t-i}+\varepsilon _{t}\,} 推定値が得られたら、自己回帰モデルを使用して任意の期間先まで予測できます。まず、t を データがまだ入手できない最初の期間を表します。次に、既知の先行値X t-i ( i= 1, ..., p) を自己回帰方程式に代入し、誤差項を設定します。ε t {\displaystyle \varepsilon _{t}} ゼロに等しくなります( X t を その期待値に等しいと予測し、観測されない誤差項の期待値はゼロであるため)。自己回帰方程式の出力は、最初の未観測期間の予測です。次に、tを使用して、まだデータが利用できない 次の 期間を参照します。ここでも自己回帰方程式を使用して予測を行いますが、1 つの違いがあります。現在予測している期間の 1 期間前のX の値は不明であるため、その期待値、つまり前の予測ステップから得られた予測値が代わりに使用されます。その後、将来の期間に対して同じ手順が使用され、予測方程式の右辺に毎回 1 つの予測値が追加され、 p 回の予測の後、 p 個の 右辺の値すべてが前のステップからの予測値になります。
この方法で得られた予測には、次の4つの不確実性の要因があります。(1)自己回帰モデルが正しいモデルであるかどうかの不確実性、(2)自己回帰方程式の右辺でラグ値として使用される予測値の精度に関する不確実性、(3)自己回帰係数の真の値に関する不確実性、(4)誤差項の値に関する不確実性ε t {\displaystyle \varepsilon _{t}\,} 予測対象期間について。最後の3つはそれぞれ定量化して組み合わせることで、n ステップ先の予測に対する信頼区間が得られます。n が 増加するにつれて、右辺変数の推定値の数が増えるため、信頼区間は広くなります。
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