Стационарный процесс
В математике и статистике стационарный процесс (или строгий/строго стационарный процесс или сильный/строго стационарный процесс ) — это случайный процесс , безусловное совместное распределение вероятностей которого не меняется при сдвиге во времени. Следовательно, такие параметры, как среднее значение и дисперсия, также не меняются со временем.
Поскольку стационарность является допущением, лежащим в основе многих статистических процедур, используемых при анализе временных рядов , нестационарные данные часто преобразуются в стационарные. Наиболее распространенной причиной нарушения стационарности является тенденция среднего значения, которая может быть связана либо с наличием единичного корня , либо с детерминированной тенденцией. В первом случае единичного корня стохастические потрясения имеют постоянный эффект, и этот процесс не является возвратом к среднему значению . В последнем случае детерминистической тенденции процесс называется тренд-стационарным процессом , и стохастические потрясения имеют только временные эффекты, после которых переменная стремится к детерминированно развивающемуся (непостоянному) среднему значению.
Стационарный процесс с трендом не является строго стационарным, но его можно легко преобразовать в стационарный процесс, удалив основной тренд, который является исключительно функцией времени. Точно так же процессы с одним или несколькими единичными корнями можно сделать стационарными путем дифференцирования. Важным типом нестационарного процесса, который не включает в себя трендоподобное поведение, является циклостационарный процесс , который представляет собой стохастический процесс, циклически изменяющийся во времени.
Для многих приложений строгая стационарность является слишком ограничительной. другие формы стационарности, такие как стационарность в широком смысле или стационарность N -го порядка Затем используются . Определения различных видов стационарности у разных авторов не совпадают (см. Другая терминология ).
Строгая стационарность
[ редактировать ]Определение
[ редактировать ]Формально пусть будет случайным процессом и пусть представляют собой кумулятивную функцию распределения безусловного (т . е. без привязки к какому-либо конкретному начальному значению) совместного распределения время от времени . Затем, называется строго стационарным , строго стационарным или строго стационарным, если [1] : с. 155
( Уравнение 1 ) |
С не влияет , не зависит от времени.
Примеры
[ редактировать ]Белый шум — простейший пример стационарного процесса.
Примером стационарного процесса с дискретным временем , в котором выборочное пространство также дискретно (так что случайная величина может принимать одно из N возможных значений), является схема Бернулли . Другие примеры стационарного процесса с дискретным временем и непрерывным пространством выборки включают некоторые процессы авторегрессии и скользящего среднего , которые оба являются подмножествами модели авторегрессионного скользящего среднего . Модели с нетривиальным компонентом авторегрессии могут быть стационарными или нестационарными, в зависимости от значений параметров, а важными нестационарными особыми случаями являются случаи, когда единичные корни в модели существуют .
Пример 1
[ редактировать ]Позволять быть любой скалярной случайной величиной и определить временной ряд , к
Затем представляет собой стационарный временной ряд, реализации которого состоят из ряда постоянных значений с разными постоянными значениями для каждой реализации. Закон больших чисел в этом случае не применяется, поскольку предельное значение среднего значения для одной реализации принимает случайное значение, определяемое формулой , вместо того, чтобы брать ожидаемое значение .
Среднее время не сходится, поскольку процесс неэргодичен .
Пример 2
[ редактировать ]В качестве еще одного примера стационарного процесса, для которого любая отдельная реализация имеет явно свободную от шума структуру, пусть иметь равномерное распределение по и определим временной ряд к
Затем строго стационарна, поскольку ( модуль ) следует тому же равномерному распределению, что и для любого .
Пример 3
[ редактировать ]Имейте в виду, что слабо белый шум не обязательно является строго стационарным. Позволять — случайная величина, равномерно распределенная в интервале и определим временной ряд
Затем
Так является белым шумом в слабом смысле (среднее значение и перекрестная ковариация равны нулю, а дисперсии одинаковы), однако он не является строго стационарным.
Стационарность N -го порядка
[ редактировать ]В уравнении 1 распределение выборки случайного процесса должны быть равны распределению выборок, сдвинутых во времени для всех . Стационарность N -го порядка является более слабой формой стационарности, когда она требуется только для всех до определенного порядка . Случайный процесс называется стационарным N -го порядка, если: [1] : с. 152
( Уравнение 2 ) |
Слабая или расширенная стационарность
[ редактировать ]Определение
[ редактировать ]Более слабая форма стационарности, обычно используемая при обработке сигналов, известна как стационарность со слабым смыслом , стационарность с широким смыслом (WSS) или ковариационная стационарность . Случайные процессы WSS требуют только того, чтобы 1-й момент (т. е. среднее значение) и автоковариация не менялись во времени, а 2-й момент был конечен во все времена. Любой строго стационарный процесс, имеющий конечное среднее и ковариацию, также является WSS. [2] : с. 299
Итак, с непрерывным временем случайный процесс который является WSS, имеет следующие ограничения на свою среднюю функцию и автоковариации функция :
( Уравнение 3 ) |
Первое свойство означает, что средняя функция должно быть постоянным. Второе свойство означает, что функция автоковариации зависит только от разницы между и и его нужно индексировать только одной переменной, а не двумя переменными. [1] : с. 159 Таким образом, вместо того, чтобы писать,
обозначение часто сокращается заменой :
Это также означает, что автокорреляция зависит только от , то есть
Третье свойство гласит, что вторые моменты должны быть конечны в любое время. .
Мотивация
[ редактировать ]Основное преимущество стационарности в широком смысле состоит в том, что она помещает временной ряд в контекст гильбертовых пространств . Пусть H будет гильбертовым пространством, порожденным { x ( t )} (то есть замыканием множества всех линейных комбинаций этих случайных величин в гильбертовом пространстве всех интегрируемых с квадратом случайных величин в данном вероятностном пространстве). В силу положительной определенности автоковариационной функции из теоремы Бохнера следует , что существует положительная мера на вещественной прямой такой, что H изоморфно гильбертовому подпространству L 2 ( µ ), порожденный { e −2 π iξ⋅t }. Тогда это дает следующее разложение типа Фурье для стационарного случайного процесса с непрерывным временем: существует случайный процесс с ортогональными приращениями так, что для всех
где интеграл в правой части интерпретируется в подходящем (римановом) смысле. Тот же результат верен и для стационарного процесса с дискретным временем, где спектральная мера теперь определена на единичной окружности.
При обработке случайных сигналов WSS с помощью линейных , неизменяемых во времени ( LTI ) фильтров полезно думать о корреляционной функции как о линейном операторе . Поскольку это циркулянтный оператор (зависит только от разницы между двумя аргументами), его собственными функциями являются комплексные экспоненты Фурье . Кроме того, поскольку собственные функции операторов LTI также являются комплексными экспонентами , LTI-обработка случайных сигналов WSS очень удобна — все вычисления могут выполняться в частотной области . Таким образом, предположение WSS широко используется в алгоритмах обработки сигналов .
Определение сложного случайного процесса
[ редактировать ]В случае, когда представляет собой сложный случайный процесс, функция автоковариации определяется как и, помимо требований в уравнении 3 , требуется, чтобы псевдоавтоковариационная функция зависит только от временного лага. В формулах является WSS, если
( Уравнение 4 ) |
Совместная стационарность
[ редактировать ]Понятие стационарности можно распространить на два случайных процесса.
Совместная строгая стационарность
[ редактировать ]Два случайных процесса и называются совместно строго стационарными, если их совместное кумулятивное распределение остается неизменным при сдвигах во времени, т.е. если
( Уравнение 5 ) |
Совместная ( M + N )-го порядка стационарность
[ редактировать ]Два случайных процесса и называется совместно ( M + N )-го порядка стационарным, если: [1] : с. 159
( Уравнение 6 ) |
Слабая или расширенная стационарность суставов
[ редактировать ]Два случайных процесса и называются совместно стационарными в широком смысле, если они являются как стационарными в широком смысле, так и их функцией перекрестной ковариации. зависит только от разницы во времени . Это можно резюмировать следующим образом:
( Уравнение 7 ) |
Связь между типами стационарности
[ редактировать ]- Если случайный процесс стационарен N -го порядка, то он также стационарен M -го порядка для всех .
- Если случайный процесс стационарен второго порядка ( ) и имеет конечные вторые моменты, то оно также стационарно в широком смысле. [1] : с. 159
- Если случайный процесс является стационарным в широком смысле, он не обязательно является стационарным второго порядка. [1] : с. 159
- Если случайный процесс стационарен в строгом смысле и имеет конечные вторые моменты, он стационарен в широком смысле. [2] : с. 299
- Если два случайных процесса совместно являются стационарными ( M + N )-го порядка, это не гарантирует, что отдельные процессы являются стационарными M -го или N -го порядка. [1] : с. 159
Другая терминология
[ редактировать ]Терминология, используемая для типов стационарности, отличных от строгой стационарности, может быть весьма неоднозначной. Ниже приведены некоторые примеры.
- Пристли использует стационарность до порядка m , если условия, аналогичные приведенным здесь для стационарности в широком смысле, применимы к моментам до порядка m . [3] [4] Таким образом, стационарность в широком смысле будет эквивалентна «стационарности порядка 2», что отличается от определения стационарности второго порядка, данного здесь.
- Хонарка и Каерс также используют предположение о стационарности в контексте многоточечной геостатистики, где статистика из более высоких n точек считается стационарной в пространственной области. [5]
Различие
[ редактировать ]Один из способов сделать некоторые временные ряды стационарными — вычислить различия между последовательными наблюдениями. Это известно как дифференцирование . Дифференцирование может помочь стабилизировать среднее значение временного ряда, устраняя изменения на уровне временного ряда и, таким образом, устраняя тенденции. Это также может устранить сезонность, если различия принимаются соответствующим образом (например, разность наблюдений с интервалом в 1 год для устранения годовой тенденции).
Преобразования, такие как логарифмы, могут помочь стабилизировать дисперсию временного ряда.
Одним из способов выявления нестационарных временных рядов является график АКФ . Иногда закономерности будут более заметны на графике АКФ, чем в исходном временном ряду; однако это не всегда так. [6]
Другой подход к выявлению нестационарности — рассмотреть преобразование Лапласа ряда, которое выявляет как экспоненциальные тенденции, так и синусоидальную сезонность (сложные экспоненциальные тенденции). родственные методы анализа сигналов , такие как вейвлет-преобразование и преобразование Фурье Также могут быть полезны .
См. также
[ редактировать ]- Процесс Леви
- Стационарный эргодический процесс
- Теорема Винера – Хинчина
- Эргодичность
- Статистическая закономерность
- Автокорреляция
- Вероятность Уиттла
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г Пак, Кун Иль (2018). Основы теории вероятности и случайных процессов с приложениями к средствам связи . Спрингер. ISBN 978-3-319-68074-3 .
- ^ Jump up to: а б Ионут Флореску (7 ноября 2014 г.). Вероятность и случайные процессы . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-1-118-59320-2 .
- ^ Пристли, МБ (1981). Спектральный анализ и временные ряды . Академическая пресса. ISBN 0-12-564922-3 .
- ^ Пристли, МБ (1988). Нелинейный и нестационарный анализ временных рядов . Академическая пресса. ISBN 0-12-564911-8 .
- ^ Хонарха, М.; Каерс, Дж. (2010). «Стохастическое моделирование закономерностей с использованием дистанционного моделирования закономерностей». Математические науки о Земле . 42 (5): 487–517. Бибкод : 2010MatGe..42..487H . дои : 10.1007/s11004-010-9276-7 .
- ^ 8.1 Стационарность и дифференцирование | Отексты . Проверено 18 мая 2016 г.
{{cite book}}
:|website=
игнорируется ( помогите )
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Эндерс, Уолтер (2010). Прикладные эконометрические временные ряды (Третье изд.). Нью-Йорк: Уайли. стр. 53–57. ISBN 978-0-470-50539-7 .
- Естрович И.; Койл, Дж.Л.; Сейдич, Э (2015). «Влияние повышенной вязкости жидкости на стационарные характеристики сигнала ЭЭГ у здоровых взрослых» . Исследования мозга . 1589 : 45–53. дои : 10.1016/j.brainres.2014.09.035 . ПМЦ 4253861 . ПМИД 25245522 .
- Гайндман, Атанасопулос (2013). Прогнозирование: принципы и практика. Оттексты. https://www.otexts.org/fpp/8/1