Jump to content

Авторегрессионная модель скользящего среднего

При статистическом анализе временных рядов модели авторегрессии – скользящего среднего ( ARMA ) скользящего обеспечивают экономное описание (слабо) стационарного случайного процесса в терминах двух полиномов: один для авторегрессии (AR), а второй для среднего ( МА). Общая модель ARMA была описана в диссертации Питера Уиттла 1951 года «Проверка гипотез в анализе временных рядов» и была популяризирована в книге 1970 года Джорджа Э. П. Бокса и Гвилима Дженкинса .

Учитывая временной ряд данных Модель ARMA является инструментом для понимания и, возможно, прогнозирования будущих значений в этом ряду. Часть AR включает в себя регрессию переменной по ее собственным запаздывающим (т. е. прошлым) значениям. Часть MA включает в себя моделирование ошибки как линейной комбинации ошибок, возникающих одновременно и в разное время в прошлом. Модель обычно называют моделью ARMA( p , q ), где p — порядок части AR, а q — порядок части MA (как определено ниже).

Модели ARMA можно оценить с помощью метода Бокса-Дженкинса .

Авторегрессионная модель

[ редактировать ]

Обозначение AR( p ) относится к авторегрессионной модели порядка p . Модель AR( p ) записывается как

где параметры и случайная величина — это белый шум , обычно независимые и одинаково распределенные (iid) нормальные случайные величины . [1] [2]

Чтобы модель оставалась стационарной , корни ее характеристического многочлена должны лежать за пределами единичного круга. Например, процессы в модели AR(1) с нестационарны, поскольку корень лежит внутри единичного круга. [3]

ADF оценивает стабильность МВФ и трендовые компоненты. Для стационарных временных рядов используется модель авторегрессионного скользящего среднего (ARMA), а для нестационарных рядов — модели LSTM для получения абстрактных признаков. Окончательное значение получается путем реконструкции прогнозируемых результатов каждого временного ряда.

Модель скользящего среднего

[ редактировать ]

Обозначение MA( q ) относится к модели скользящего среднего порядка q :

где параметры модели, это ожидание (часто предполагается равным 0), а , ,... снова являются членами ошибок белого шума, которые обычно являются обычными случайными величинами. [4]

Модель АРМА

[ редактировать ]

Обозначение ARMA( p , q ) относится к модели с p терминами авторегрессии и q терминами скользящего среднего. Эта модель содержит модели AR( p ) и MA( q ), [5]

Общая модель ARMA была описана в диссертации 1951 года Питера Уиттла , который использовал математический анализ ( ряды Лорана и анализ Фурье ) и статистический вывод. [6] [7] Модели ARMA были популяризированы книгой 1970 года Джорджа Э.П. Бокса и Дженкинса, которые изложили итерационный метод ( Бокса-Дженкинса ) для их выбора и оценки. Этот метод был полезен для полиномов низкого порядка (третьей степени или меньше). [8]

Модель ARMA, по сути, представляет собой фильтр с бесконечной импульсной характеристикой , применяемый к белому шуму, с некоторой дополнительной интерпретацией.

Спецификация с точки зрения оператора задержки

[ редактировать ]

В некоторых текстах модели будут определяться с помощью запаздывания L. оператора В этих терминах модель AR( p ) определяется выражением

где представляет полином

Модель MA( q ) имеет вид

где представляет полином

Наконец, комбинированная модель ARMA( p , q ) определяется выражением

или более кратко,

или

Альтернативные обозначения

[ редактировать ]

Некоторые авторы, в том числе Бокс , Дженкинс и Рейнзель, используют другое соглашение для коэффициентов авторегрессии. [9] Это позволяет всем полиномам, включающим оператор задержки, иметь одинаковую форму повсюду. Таким образом, модель ARMA будет записана как

Более того, начиная суммирование с и настройка и , то получим еще более элегантную формулировку:

Альтернативная интерпретация

[ редактировать ]

В цифровой обработке сигналов модель ARMA представлена ​​в виде цифрового фильтра с белым шумом на входе и процессом ARMA на выходе.

Подходящие модели

[ редактировать ]

Выбор p и q

[ редактировать ]

Нахождение подходящих значений p и q в модели ARMA( p , q ) можно облегчить, построив график частичных автокорреляционных функций для оценки p , а также используя автокорреляционные функции для оценки q . Расширенные автокорреляционные функции (EACF) можно использовать для одновременного определения p и q. [10] Дополнительную информацию можно получить, рассмотрев те же функции для остатков модели, оснащенной начальным выбором p и q .

Брокуэлл и Дэвис рекомендуют использовать информационный критерий Акаике (AIC) для определения p и q . [11] Другим возможным выбором для определения заказа является критерий BIC .

Оценочные коэффициенты

[ редактировать ]

Модели ARMA в целом могут быть после выбора p и q аппроксимированы с помощью регрессии наименьших квадратов , чтобы найти значения параметров, которые минимизируют член ошибки. Обычно считается хорошей практикой находить наименьшие значения p и q , которые обеспечивают приемлемое соответствие данным. Для чистой модели AR уравнения Юла-Уокера для обеспечения соответствия можно использовать .

В отличие от других методов регрессии (например, OLS, 2SLS и т. д.), часто используемых в эконометрическом анализе, результаты модели ARMA используются в основном для случаев прогнозирования данных временных рядов. Их коэффициенты как таковые используются только для прогнозирования. Другие области эконометрики обращают внимание на причинно-следственные связи, а прогнозирование временных рядов с использованием ARMA — нет. В таком случае коэффициенты следует рассматривать только как полезные для прогнозного моделирования.

Реализации в пакетах статистики

[ редактировать ]
  • В R функция arima (в стандартном пакете stats ) описана в ARIMA Modeling of Time Series . В пакете astsa имеется улучшенный сценарий sarima для подгонки моделей ARMA (сезонных и несезонных), а также sarima.sim для моделирования данных из этих моделей. Пакеты расширения содержат связанные и расширенные функциональные возможности, например, пакет tseries включает функцию Arma , описанную в разделе «Подгонка моделей ARMA к временным рядам» ; пакет fracdiff для содержит fracdiff() частично интегрированных процессов ARMA; а прогноза пакет включает auto.arima для выбора экономного набора p,q . Представление задачи CRAN в временных рядах содержит ссылки на большинство из них.
  • Mathematica имеет полную библиотеку функций временных рядов, включая ARMA. [12]
  • MATLAB включает в себя такие функции, как Arma , ar и arx для оценки моделей AR, ARX (ауторегрессионная экзогенная модель) и ARMAX. см. в разделе System Identification Toolbox и Econometrics Toolbox . Дополнительную информацию
  • У Джулии управляемых сообществом, которые реализуют адаптацию к модели ARMA, например, Arma.jl. есть несколько пакетов ,
  • Модуль Python Statsmodels включает в себя множество моделей и функций для анализа временных рядов, включая ARMA. Ранее являвшаяся частью библиотеки scikit-learn , теперь она является автономной и хорошо интегрируется с Pandas . Подробнее см. здесь .
  • PyFlux имеет реализацию моделей ARIMAX на основе Python, включая байесовские модели ARIMAX.
  • Числовые библиотеки IMSL — это библиотеки функций численного анализа, включая процедуры ARMA и ARIMA, реализованные на стандартных языках программирования, таких как C, Java, C# .NET и Fortran.
  • gretl также может оценить модель ARMA, см. здесь, где она упоминается .
  • GNU Octave может оценивать модели AR, используя функции из дополнительного пакета Octave-forge .
  • Stata включает функцию arima ARMA и ARIMA , которая может оценивать модели . Подробнее см. здесь .
  • SuanShu — это Java-библиотека численных методов, включающая комплексные статистические пакеты, в которых одномерные/многомерные модели ARMA, ARIMA, ARMAX и т. д. реализуются в объектно-ориентированном подходе. Эти реализации описаны в «SuanShu, числовой и статистической библиотеке Java» .
  • У SAS есть эконометрический пакет ETS, который оценивает модели ARIMA. Подробнее см. здесь .

Спектральная плотность процесса ARMA равна где это дисперсия белого шума, - характеристический полином части скользящего среднего модели ARMA, и – характеристический полином авторегрессионной части модели ARMA. [13] [14]

Приложения

[ редактировать ]

ARMA подходит, когда система является функцией серии ненаблюдаемых потрясений (MA или скользящей средней), а также ее собственного поведения. Например, цены на акции могут быть шокированы фундаментальной информацией, а также проявлением технических тенденций и эффектов возврата к среднему значению по вине участников рынка. [ нужна ссылка ]

Обобщения

[ редактировать ]

Зависимость на прошлых значениях, а члены ошибок ε t считаются линейными, если не указано иное. Если зависимость нелинейная, модель называется моделью нелинейного скользящего среднего (NMA), нелинейной авторегрессии (NAR) или моделью нелинейной авторегрессии-скользящего среднего (NARMA).

Модели авторегрессии – скользящего среднего можно обобщить и другими способами. См. также авторегрессионной условной гетероскедастичности модели авторегрессионного интегрированного скользящего среднего (ARCH) и модели (ARIMA). Если необходимо подобрать несколько временных рядов, можно подобрать векторную модель ARIMA (или VARIMA). Если рассматриваемый временной ряд обладает длинной памятью, тогда может подойти дробное моделирование ARIMA (FARIMA, иногда называемое ARFIMA): см. Авторегрессионное дробно-интегрированное скользящее среднее . Если предполагается, что данные содержат сезонные эффекты, их можно смоделировать с помощью модели SARIMA (сезонная ARIMA) или периодической модели ARMA.

Еще одним обобщением является модель многомасштабной авторегрессии (MAR). Модель MAR индексируется по узлам дерева, тогда как стандартная (с дискретным временем) авторегрессионная модель индексируется целыми числами.

Обратите внимание, что модель ARMA является одномерной моделью. Расширениями для многомерного случая являются векторная авторегрессия (VAR) и скользящее среднее векторной авторегрессии (VARMA).

Модель авторегрессии – скользящего среднего с моделью экзогенных входных данных (модель ARMAX)

[ редактировать ]

Обозначение ARMAX( p , q , b ) относится к модели с p терминами авторегрессии, q терминами скользящего среднего и b терминами экзогенных входов. Эта модель содержит модели AR( p ) и MA( q ) и линейную комбинацию последних b членов известного и внешнего временного ряда. . Его дают:

где параметры входа экзогенного .

Были определены некоторые нелинейные варианты моделей с экзогенными переменными: см., например, Нелинейная авторегрессионная экзогенная модель .

Статистические пакеты реализуют модель ARMAX за счет использования «экзогенных» (то есть независимых) переменных. Необходимо соблюдать осторожность при интерпретации выходных данных этих пакетов, поскольку обычно оцениваемые параметры (например, в R [15] и gretl ) относятся к регрессии:

где включает все экзогенные (или независимые) переменные:

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Бокс, Джордж EP (1994). Анализ временных рядов: прогнозирование и контроль . Гвилим М. Дженкинс, Грегори К. Рейнсель (3-е изд.). Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис Холл. п. 54. ИСБН  0-13-060774-6 . OCLC   28888762 .
  2. ^ Шамуэй, Роберт Х. (2000). Анализ временных рядов и его приложения . Дэвид С. Стоффер. Нью-Йорк: Спрингер. стр. 90–91. ISBN  0-387-98950-1 . OCLC   42392178 .
  3. ^ Бокс, Джордж Э.П.; Дженкинс, Гвилим М.; Рейнзель, Грегори К. (1994). Анализ временных рядов: прогнозирование и контроль (3-е изд.). Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис Холл. стр. 54–55. ISBN  0-13-060774-6 . OCLC   28888762 .
  4. ^ Бокс, Джордж Э.П.; Дженкинс, Гвилим М.; Рейнзель, Грегори К.; Люнг, Грета М. (2016). Анализ временных рядов: прогнозирование и контроль (5-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Incorporated. п. 53. ИСБН  978-1-118-67492-5 . OCLC   908107438 .
  5. ^ Шамуэй, Роберт Х. (2000). Анализ временных рядов и его приложения . Дэвид С. Стоффер. Нью-Йорк: Спрингер. п. 98. ИСБН  0-387-98950-1 . OCLC   42392178 .
  6. ^ Ханнан, Эдвард Джеймс (1970). Несколько временных рядов . Ряды Вили по вероятности и математической статистике. Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья.
  7. ^ Уиттл, П. (1951). Проверка гипотез при анализе временных рядов . Альмквист и Викселль. Уиттл, П. (1963). Прогнозирование и регулирование . Издательство английских университетов. ISBN  0-8166-1147-5 .
    Переиздано как: Уиттл, П. (1983). Прогнозирование и регулирование линейными методами наименьших квадратов . Университет Миннесоты Пресс. ISBN  0-8166-1148-3 .
  8. ^ Ханнан и Дейстлер (1988 , стр. 227): Ханнан, Э.Дж .; Дейстлер, Манфред (1988). Статистическая теория линейных систем . Ряды Вили по вероятности и математической статистике. Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья.
  9. ^ Бокс, Джордж; Дженкинс, Гвилим М.; Рейнзель, Грегори К. (1994). Анализ временных рядов: прогнозирование и контроль (Третье изд.). Прентис-Холл. ISBN  0130607746 .
  10. ^ Государственный университет Миссури. «Спецификация модели, анализ временных рядов» (PDF) .
  11. ^ Брокуэлл, П.Дж.; Дэвис, РА (2009). Временные ряды: теория и методы (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. п. 273. ИСБН  9781441903198 .
  12. Функции временных рядов в Mathematica. Архивировано 24 ноября 2011 г. в Wayback Machine.
  13. ^ Розенблатт, Мюррей (2000). Гауссовы и негауссовы линейные временные ряды и случайные поля . Нью-Йорк: Спрингер. п. 10. ISBN  0-387-98917-Х . ОСЛК   42061096 .
  14. ^ Вэй, Уильям WS (1990). Анализ временных рядов: одномерные и многомерные методы . Редвуд-Сити, Калифорния: Паб Addison-Wesley. стр. 242–243. ISBN  0-201-15911-2 . OCLC   18166355 .
  15. ^ ARIMA Моделирование временных рядов , документация R


Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 28ecae914faedc8cc2a93dc0cf59c5e8__1716525720
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/28/e8/28ecae914faedc8cc2a93dc0cf59c5e8.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Autoregressive moving-average model - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)