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作者匿稱:古海

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3.3时间序列分析
3.3.1时间序列概述
1. 基本概念
(1)一般概念:系统中某一变量的观测值按时间顺序(时间间隔相同)排列成一个数值序列,展示研究对象在一定时期内的变动过程,从中寻找和分析事物的变化特征、发展趋势和规律。它是系统中某一变量受其它各种因素影响的总结果。
(2)研究实质:通过处理预测目标本身的时间序列数据,获得事物随时间过程的演变特性与规律,进而预测事物的未来发展。它不研究事物之间相互依存的因果关系。
(3)假设基础:惯性原则。即在一定条件下,被预测事物的过去变化趋势会延续到未来。暗示着历史数据存在着某些信息,利用它们可以解释与预测时间序列的现在和未来。
       近大远小原理(时间越近的数据影响力越大)和无季节性、无趋势性、线性、常数方差等。
(4)研究意义:许多经济、金融、商业等方面的数据都是时间序列数据。
       时间序列的预测和评估技术相对完善,其预测情景相对明确。
       尤其关注预测目标可用数据的数量和质量,即时间序列的长度和预测的频率。

2. 变动特点
(1)趋势性:某个变量随着时间进展或自变量变化,呈现一种比较缓慢而长期的持续上升、下降、停留的同性质变动趋向,但变动幅度可能不等。
(2)周期性:某因素由于外部影响随着自然季节的交替出现高峰与低谷的规律。
(3)随机性:个别为随机变动,整体呈统计规律。
(4)综合性:实际变化情况一般是几种变动的叠加或组合。预测时一般设法过滤除去不规则变动,突出反映趋势性和周期性变动。

3. 特征识别
认识时间序列所具有的变动特征,以便在系统预测时选择采用不同的方法。
(1)随机性:均匀分布、无规则分布,可能符合某统计分布。(用因变量的散点图和直方图及其包含的正态分布检验随机性,大多数服从正态分布。)
(2)平稳性:样本序列的自相关函数在某一固定水平线附近摆动,即方差和数学期望稳定为常数。
      样本序列的自相关函数只是时间间隔的函数,与时间起点无关。其具有对称性,能反映平稳序列的周期性变化。
  特征识别利用自相关函数ACF:ρk=γk/γ0 
其中γk是yt的k阶自协方差,且ρ0=1、-1<ρk<1。
  平稳过程的自相关系数和偏自相关系数都会以某种方式衰减趋近于0,前者测度当前序列与先前序列之间简单和常规的相关程度,后者是在控制其它先前序列的影响后,测度当前序列与某一先前序列之间的相关程度。
实际上,预测模型大都难以满足这些条件,现实的经济、金融、商业等序列都是非稳定的,但通过数据处理可以变换为平稳的。
4. 预测类型
(1)点预测:确定唯一的最好预测数值,其给出了时间序列未来发展趋势的一个简单、直接的结果。但常产生一个非零的预测误差,其不确定程度为点预测值的置信区间。
(2)区间预测:未来预测值的一个区间,即期望序列的实际值以某一概率落入该区间范围内。区间的长度传递了预测不确定性的程度,区间的中点为点预测值。
(3)密度预测:序列未来预测值的一个完整的概率分布。根据密度预测,可建立任意置信水平的区间预测,但需要额外的假设和涉及复杂的计算方法。
5. 基本步骤
(1)分析数据序列的变化特征。
(2)选择模型形式和参数检验。
(3)利用模型进行趋势预测。
(4)评估预测结果并修正模型。

3.3.2随机时间序列
系统中某一因素变量的时间序列数据没有确定的变化形式,也不能用时间的确定函数描述,但可以用概率统计方法寻求比较合适的随机模型近似反映其变化规律。(自变量不直接含有时间变量,但隐含时间因素)
1. 自回归AR(p)模型
(R:模型的名称  P:模型的参数)(自己影响自己,但可能存在误差,误差即没有考虑到的因素)
(1)模型形式(εt越小越好,但不能为0:ε为0表示只受以前Y的历史的影响不受其他因素影响)
  yt=φ1yt-1+φ2yt-2+……+φpyt-p+εt   
  式中假设:yt的变化主要与时间序列的历史数据有关,与其它因素无关;
       εt不同时刻互不相关,εt与yt历史序列不相关。
式中符号:p模型的阶次,滞后的时间周期,通过实验和参数确定;
yt当前预测值,与自身过去观测值yt-1、…、yt-p是同一序列不同时刻的随机变量,相互间有线性关系,也反映时间滞后关系;
yt-1、yt-2、……、yt-p同一平稳序列过去p个时期的观测值;
φ1、φ2、……、φp自回归系数,通过计算得出的权数,表达yt依赖于过去的程度,且这种依赖关系�琠w不变;
εt随机干扰误差项,是0均值、常方差σ2、独立的白噪声序列,通过估计指定的模型获得。
(2)识别条件
  当k>p时,有φk=0或φk服从渐近正态分布N(0,1/n)且(|φk|>2/n1/2)的个数≤4.5%,即平稳时间序列的偏相关系数φk为p步截尾,自相关系数rk逐步衰减而不截尾,则序列是AR(p)模型。
  实际中,一般AR过程的ACF函数呈单边递减或阻尼振荡,所以用PACF函数判别(从p阶开始的所有偏自相关系数均为0)。
(3)平稳条件
  一阶:|φ1|<1。二阶:φ1+φ2<1、φ1-φ2<1、|φ2|<1。φ越大,自回归过程的波动影响越持久。
(4)模型意义
  仅通过时间序列变量的自身历史观测值来反映有关因素对预测目标的影响和作用,不受模型变量相互独立的假设条件约束,所构成的模型可以消除普通回归预测方法中由于自变量选择、多重共线性等造成的困难。
2. 移动平均MA(q)模型
(1)模型形式
  yt=εt-θ1εt-1-θ2εt-2-……-θpεt-p
(2)模型含义
用过去各个时期的随机干扰或预测误差的线性组合来表达当前预测值。
AR(p)的假设条件不满足时可以考虑用此形式。
总满足平稳条件,因其中参数θ取值对时间序列的影响没有AR模型中参数p的影响强烈,即这里较大的随机变化不会改变时间序列的方向。
(3)识别条件
  当k>q时,有自相关系数rk=0或自相关系数rk服从N(0,1/n(1+2∑r2i)1/2)且(|rk|>2/n1/2(1+2∑r2i)1/2)的个数≤4.5%,即平稳时间序列的自相关系数rk为q步截尾,偏相关系数φk逐步衰减而不截尾,则序列是MA(q)模型。
  实际中,一般MA过程的PACF函数呈单边递减或阻尼振荡,所以用ACF函数判别(从q阶开始的所有自相关系数均为0)。
(4)可逆条件
  一阶:|θ1|<1。二阶:|θ2|<1、θ1+θ2<1。
  当满足可逆条件时,MA(q)模型可以转换为AR(p)模型
3. 自回归移动平均ARMA(p,q)模型
(1) 模型形式
  yt=φ1yt-1+φ2yt-2+……+φpyt-p+εt-θ1εt-1-θ2εt-2-……-θpεt-p
式中符号: p和q是模型的自回归阶数和移动平均阶数;
φ和θ是不为零的待定系数;εt独立的误差项;
yt是平稳、正态、零均值的时间序列。
(2) 模型含义
使用两个多项式的比率近似一个较长的AR多项式,即其中p+q个数比AR(p)模型中阶数p小。前二种模型分别是该种模型的特例。
一个ARMA过程可能是AR与MA过程、几个AR过程、AR与ARMA过程的迭加,也可能是测度误差较大的AR过程。
(3) 识别条件
平稳时间序列的偏相关系数φk和自相关系数rk均不截尾,但较快收敛到0,则该时间序列可能是ARMA(p,q)模型。实际问题中,多数要用此模型。因此建模解模的主要工作是求解p、q和φ、θ的值,检验εt和yt的值。
(4) 模型阶数
AIC准则:最小信息准则,同时给出ARMA模型阶数和参数的最佳估计,适用于样本数据较少的问题。目的是判断预测目标的发展过程与哪一随机过程最为接近。因为只有当样本量足够大时,样本的自相关函数才非常接近母体的自相关函数。具体运用时,在规定范围内使模型阶数从低到高,分别计算AIC值,最后确定使其值最小的阶数是模型的合适阶数。
模型参数最大似然估计时AIC=(n-d)logσ2+2(p+q+2)
模型参数最小二乘估计时AIC=nlogσ2+(p+q+1)logn
式中:n为样本数,σ2为拟合残差平方和,d、p、q为参数。
其中:p、q范围上线是n较小时取n的比例,n较大时取logn的倍数。
实际应用中p、q一般不超过2。
4. 自回归综合移动平均ARIMA(p,d,q)模型
(1)模型识别
  平稳时间序列的偏相关系数φk和自相关系数rk均不截尾,且缓慢衰减收敛,则该时间序列可能是ARIMA(p,d,q)模型。
(2)模型含义
模型形式类似ARMA(p,q)模型,但数据必须经过特殊处理。特别当线性时间序列非平稳时,不能直接利用ARMA(p,q)模型,但可以利用有限阶差分使非平稳时间序列平稳化,实际应用中d一般不超过2。
若时间序列存在周期性波动,则可按时间周期进行差分,目的是将随机误差有长久影响的时间序列变成仅有暂时影响的时间序列。
即差分处理后新序列符合ARMA(p,q)模型,原序列符合ARIMA(p,d,q)模型。
3.3.3建模解模过程
1. 数据检验
检验时间序列样本的平稳性、正态性、周期性、零均值,进行必要的数据处理变换。
(1)作直方图:检验正态性、零均值。
  按图形Graphs—直方图Histogram的顺序打开如图3.15所示的对话框。

图3.15
  将样本数据送入变量Variable框,选中显示正态曲线Display normal curve项,点击OK运行,输出带正态曲线的直方图,如图3.16所示。

图3.16
  从图中看出:标准差不为1、均值近似为0,可能需要进行数据变换。
(2)作相关图:检验平稳性、周期性。
  按图形Graphs—时间序列Time Series—自相关Autocorrelations的顺序打开如图3.17所示的对话框。

图3.17
  将样本数据送入变量Variable框,选中自相关Autocorrelations和偏自相关Partial Autocorrelations项,暂不选数据转换Transform项,点击设置项Options,出现如图3.18所示对话框。

图3.18
因为一般要求时间序列样本数据n>50,滞后周期k<n/4,所以此处控制最大滞后数值Maximum Number of Lags设定为12。点击继续Continue返回自相关主对话框后,点击OK运行系统,输出自相关图如图3.19所示。

图3.19
  从图中看出;样本序列数据的自相关系数在某一固定水平线附近摆动,且按周期性逐渐衰减,所以该时间序列基本是平稳的。
(3)数据变换:
若时间序列的正态性或平稳性不够好,则需进行数据变换。常用有差分变换(利用transform—Create Time Series)和对数变换(利用Transform—Compute)进行。一般需反复变换、比较,直到数据序列的正态性、平稳性等达到相对最佳。
2. 模型识别
分析时间序列样本,判别模型的形式类型,确定p、d、q的阶数。
(1)判别模型形式和阶数
  ①相关图法:
   运行自相关图后,出现自相关图(图3.19)和偏自相关图(图3.20)。

图3.20
  从图中看出:自相关系数和偏相关系数具有相似的衰减特点:衰减快,相邻二个值的相关系数约为0.42,滞后二个周期的值的相关系数接近0.1,滞后三个周期的值的相关系数接近0.03。所以,基本可以确定该时间序列为ARMA(p,q)模型形式,但还不能确定是ARMA(1,1)或是ARMA(2,2)模型。但若前四个自相关系数分别为0.40、0.16、0.064、0.0256,则可以考虑用AR(1) 模型。
  另外,值得说明的是:只是ARMA模型需要检验时间序列的平稳性,若该序列的偏自相关函数具有显著性,则可以直接选择使用AR模型。
  实际上,具体应用自相关图进行模型选择时,在观察ACF与PACF函数中,应注意的关键问题是:函数值衰减的是否快;是否所有ACF之和为-0.5,即进行了过度差分;是否ACF与PACF的某些滞后项显著和容易解释的峰值等。但是,仅依赖ACF图形进行时间序列的模型识别是比较困难的。
  ②参数估计:
   从(m,m-1)开始试验,一般到m=p+q=1/n。实际应用中,往往从(1,1)、……、(2,2),逐个计算比较它们的AIC值(或SBC值),取其值最小的确定为模型。
(2)建立时间序列新变量
  无论是哪种模型形式,时间序列总是受自身历史数据序列变化的影响,因此需将历史数据序列作为一个新的时间序列变量。
  按数据转换transform—建立时间序列Create Time Series的顺序展开对话框,图3.21。

图3.21
①在功能Function下拉框中选择变量转换的函数,其中:
非季节差分Differences: 计算时间序列连续值之间的非季节性差异。
季节性差分Seasonal Differences: 计算时间序列跨距间隔�琠w值之间的季节性差异,跨距根据定义的周期确定。
领先移动平均Prior moving average:计算先前的时间序列数值的平均值。
中心移动平均Centered moving average:计算围绕和包括当前值的时间序列数值的平均值。
中位数Running medians:计算围绕和包括当前值的时间序列的中位数。
累积和Cumulative sum:计算直到包括当前值的时间序列数值的累计总数。
滞后顺序Lag: 根据指定的滞后顺序,计算在前观测量的值。
领先顺序Lead:根据指定的领先顺序,计算连续观测量的值。
平滑Smoothing:以混合数据平滑为基础,计算连续观测量的值。
以上各项主要用在生成差分变量、滞后变量、平移变量,并且还要关注差分、滞后、平移的次数,以便在建立模型、进行参数估计时,使方程达到一致。
②在顺序Order框中填入在前或在后的时间序列数值间隔的数目。
在新变量New Variable框中接受左边框移来的源变量。
在名称Name框中定义新变量的名称,但必单击改变Change方能成立。
③单击OK运行系统,在原数据库中出现新变量列。
另外,若需产生周期性时间序列的日期型变量,则按数据Data—定义日期Define Dates的顺序展开如图3.22所示对话框。

图3.22
在样本Cases Are栏中选择定义日期变量的时间间隔,在起始日期First Case Is栏中设定日期变量第一个观测量的值,单击OK完成定义。
3. 参数估计
采用最大似然估计或最小二乘估计等方法估计φ、θ参数值,并进行显著性检验。
按分析Analyze—时间序列Time series—ARIMA模型的顺序展开如图3.23对话框。

图3.23
  在图3.23中:
选择原时间序列变量进入因变量框;
根据模型识别结果和建立的新时间变量,选择一个或多个变量进入自变量框;暂时不进行因变量的数据转换;
与自变量的选择对应,根据模型识别结果或实验的思路设定p、(d)、q的值;选择模型中包含常数项;
分别单击保存和设置按钮,展开如图3.24和3.25对话框。

图3.24
  图3.24中:
在建立变量Create Variable栏选择新建变量结果暂存原数据文件Add to file项,也可选择用新建变量代替原数据文件中计算结果Replace existing项;
在设定置信区间百分比%Confidence Intervals下拉框选择95;
在预测样本Predict Cases栏选择根据时期给出预测结果的方法。

图3.25
  图3.25中:
在收敛标准Convergence Criteria栏选择迭代次数Maximum iterations、参数变化精度Parameter change、平方和变化精度Sum of squares change,当运算达到其中一个参数的设定,则迭代终止;
在估计初始值Initial Values for Estimation栏选择由过程自动选择Automatic或由先前模型提供Apply from previous model,一般默认前者;
在预测方法Forecasting Method栏选择无条件Unconditional或有条件最小二乘法Conditional least squares;
在输出控制Display栏选择最初和最终参数的迭代摘要Initial and final parameters with iteration summary或详细资料details、或只显示最终参数Final parameters only。
  单击OK,系统立即执行,输出信息如下:
MODEL: MOD_1
Split group number: 1 Series length: 48
No missing data.
Melard's algorithm will be used for estimation.
Conclusion of estimation phase.
Estimation terminated at iteration number 7 because:Sum of squares decreased by less than .001 percent.

FINAL PARAMETERS:
Number of residuals 48
Standard error    1.1996949
Log likelihood    -75.463915
AIC         156.92783
SBC         162.54143

      Analysis of Variance:
       DF Adj. Sum of Squares  Residual Variance
Residuals   45      65.099923      1.4392678
      Variables in the Model:
       B      SEB     T-RATIO    APPROX. PROB.
AR1     .02318739  .31945836   .0725835    .94245925
MA1     -.44871554  .28829314  -1.5564558    .12660552
CONSTANT  -.02421308  .25505018  -.0949346    .92478827

The following new variables are being created:
 Name    Label
 FIT_1    Fit for 样本数据 from ARIMA, MOD_1 CON
 ERR_1    Error for 样本数据 from ARIMA, MOD_1 CON
 LCL_1    95% LCL for 样本数据 from ARIMA, MOD_1 CON
 UCL_1    95% UCL for 样本数据 from ARIMA, MOD_1 CON
 SEP_1    SE of fit for 样本数据 from ARIMA, MOD_1 CON

各个输出统计量的意义:
常数项:认为是取值��为1的常数变量,其系数就是自变量为0时因变量的最优预测值,也称为预测基准值。
系 数:反映自变量对因变量影响的权重。
标准误:表明样本数据的可靠性。在(残差)参数近似服从正态分布条件下,系数加减两倍的标准误差近似等于总体参数95%的置信区间。其值越小,置信区间越窄;并且其对于系数的相对值越小,估计结果越精确。
t统计量:估计系数与标准误差的比值,检验变量的不相关性。一般给定5%显著水平,则拒绝原假设的0值位于95%的置信区间外,其绝对值必大于2。
t概率值:其值越小,则拒绝原假设不相关性的证据越充分。其值接近0.05与t统计量接近2相对应。
均 值:度量变量的集中度,传递随机变量的位置信息。
标准差:度量变量的离散度,传递随机变量的规模信息。
平方和:残差平方和是许多统计量的组成部分,孤立考察无太大价值。
准 则:信息准则AIC和SBC用于模型的选择,越小越好,但受自由度约束较为严重。
R2校正:是模型中自变量对因变量变动的解释比例,度量方程预测因变量的成功程度,其是回归标准误差与因变量标准差比较的结果。另一个比较方法是回归标准误差不超过因变量均值的10%则为好的模型。
DW统计:用于检验随机误差项是否存在序列相关。
LN似然:用于模型比较和假设检验,越大越好。
残差图:

4. 模型检验
检验新建模型的合理性。若检验不通过,则调整(p,q)值,重新估计参数和检验,反复进行直到接受为止。但模型识别、参数估计、检验修正三个过程之间相互作用、相互影响,有时需要交叉进行、反复实验,才能最终确定模型形式。
(1)相关图检验残差白噪声:
因为白噪声过程是序列无关的,所以白噪声过程的自相关函数和偏自相关函数在自相关图中均为等于0的水平直线。
(2)散点图检验残差独立性:
以误差值为纵坐标、以预测值为横坐标,观察散点分布的均匀性、随机性。
理想预测模型的预测误差一定是不可预测的、无规律的、序列无关的。
相应的DW统计量仅适用检验一阶序列。
(3)直方图检验残差零均值:
  零均值仅检验残差序列无关,若正态分布则检验独立性。
(4)概率图检验残差自相关:以显著性水平0.05计算χ2()概率值,。
(5)均方差检验预测的效果:以预测误差的均方差最小为标准,注意预测误差仅与预测周期有关,而与起始时刻无关。
 
5. 模型预测
预测系统研究对象的未来某时刻状态。列出预测模型,计算预测值。

資料來源macd



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3.3時間序列分析
3.3.1時間序列概述
1. 基本概念
(1)一般概念:系統中某一變數的觀測值按時間順序(時間間隔相同)排列成一個數值序列,展示研究物件在一定時期內的變動過程,從中尋找和分析事物的變化特徵、發展趨勢和規律。它是系統中某一變數受其他各種因素影響的總結果。
(2)研究實質:通過處理預測目標本身的時間序列資料,獲得事物隨時間過程的演變特性與規律,進而預測事物的未來發展。它不研究事物之間相互依存的因果關係。
(3)假設基礎:慣性原則。即在一定條件下,被預測事物的過去變化趨勢會延續到未來。暗示著歷史資料存在著某些資訊,利用它們可以解釋與預測時間序列的現在和未來。
    近大遠小原理(時間越近的資料影響力越大)和無季節性、無趨勢性、線性、常數方差等。
(4)研究意義:許多經濟、金融、商業等方面的資料都是時間序列資料。
    時間序列的預測和評估技術相對完善,其預測情景相對明確。
    尤其關注預測目標可用資料的數量和品質,即時間序列的長度和預測的頻率。
2. 變動特點
(1)趨勢性:某個變數隨著時間進展或引數變化,呈現一種比較緩慢而長期的持續上升、下降、停留的同性質變動趨向,但變動幅度可能不等。
(2)週期性:某因素由於外部影響隨著自然季節的交替出現高峰與低谷的規律。
(3)隨機性:個別為隨機變動,整體呈統計規律。
(4)綜合性:實際變化情況一般是幾種變動的疊加或組合。預測時一般設法過濾除去不規則變動,突出反映趨勢性和週期性變動。
3. 特徵識別
認識時間序列所具有的變動特徵,以便在系統預測時選擇採用不同的方法。
(1)隨機性:均勻分佈、無規則分佈,可能符合某統計分佈。(用因變數的散點圖和直方圖及其包含的正態分佈檢驗隨機性,大多數服從正態分佈。)
(2)平穩性:樣本序列的自相關函數在某一固定水平線附近擺動,即方差和數學期望穩定為常數。
   樣本序列的自相關函數只是時間間隔的函數,與時間起點無關。其具有對稱性,能反映平穩序列的週期性變化。
 特徵識別利用自相關函數ACF:ρk=γk/γ0 
其中γk是yt的k階自協方差,且ρ0=1、-1<ρk<1。
 平穩過程的自相關係數和偏自相關係數都會以某種方式衰減趨近於0,前者測度當前序列與先前序列之間簡單和常規的相關程度,後者是在控制其他先前序列的影響後,測度當前序列與某一先前序列之間的相關程度。
實際上,預測模型大都難以滿足這些條件,現實的經濟、金融、商業等序列都是非穩定的,但通過資料處理可以變換為平穩的。
4. 預測類型
(1)點預測:確定唯一的最好預測數值,其給出了時間序列未來發展趨勢的一個簡單、直接的結果。但常產生一個非零的預測誤差,其不確定程度為點預測值的置信區間。
(2)區間預測:未來預測值的一個區間,即期望序列的實際值以某一概率落入該區間範圍內。區間的長度傳遞了預測不確定性的程度,區間的中點為點預測值。
(3)密度預測:序列未來預測值的一個完整的概率分佈。根據密度預測,可建立任意置信水準的區間預測,但需要額外的假設和涉及複雜的計算方法。
5. 基本步驟
(1)分析資料序列的變化特徵。
(2)選擇模型形式和參數檢驗。
(3)利用模型進行趨勢預測。
(4)評估預測結果並修正模型。
3.3.2隨機時間序列
系統中某一因素變數的時間序列資料沒有確定的變化形式,也不能用時間的確定函數描述,但可以用概率統計方法尋求比較合適的隨機模型近似反映其變化規律。(引數不直接含有時間變數,但隱含時間因素)
1. 自回歸AR(p)模型
(R:模型的名稱 P:模型的參數)(自己影響自己,但可能存在誤差,誤差即沒有考慮到的因素)
(1)模型形式(εt越小越好,但不能為0:ε為0表示只受以前Y的歷史的影響不受其他因素影響)
 yt=φ1yt-1+φ2yt-2+……+φpyt-p+εt 
 式中假設:yt的變化主要與時間序列的歷史資料有關,與其他因素無關;
    εt不同時刻互不相關,εt與yt歷史序列不相關。
式中符號:p模型的階次,滯後的時間週期,通過實驗和參數確定;
yt當前預測值,與自身過去觀測值yt-1、…、yt-p是同一序列不同時刻的隨機變數,相互間有線性關係,也反映時間滯後關係;
yt-1、yt-2、……、yt-p同一平穩序列過去p個時期的觀測值;
φ1、φ2、……、φp自回歸係數,通過計算得出的權數,表達yt依賴於過去的程度,且這種依賴關係�琠w不變;
εt隨機干擾誤差項,是0均值、常方差σ2、獨立的白雜訊序列,通過估計指定的模型獲得。
(2)識別條件
 當k>p時,有φk=0或φk服從漸近正態分佈N(0,1/n)且(|φk|>2/n1/2)的個數≤4.5%,即平穩時間序列的偏相關係數φk為p步截尾,自相關係數rk逐步衰減而不截尾,則序列是AR(p)模型。
 實際中,一般AR過程的ACF函數呈單邊遞減或阻尼振盪,所以用PACF函數判別(從p階開始的所有偏自相關係數均為0)。
(3)平穩條件
 一階:|φ1|<1。二階:φ1+φ2<1、φ1-φ2<1、|φ2|<1。φ越大,自回歸過程的波動影響越持久。
(4)模型意義
 僅通過時間序列變數的自身歷史觀測值來反映有關因素對預測目標的影響和作用,不受模型變數相互獨立的假設條件約束,所構成的模型可以消除普通回歸預測方法中由於引數選擇、多重共線性等造成的困難。
2. 移動平均MA(q)模型
(1)模型形式
 yt=εt-θ1εt-1-θ2εt-2-……-θpεt-p
(2)模型含義
用過去各個時期的隨機干擾或預測誤差的線性組合來表達當前預測值。
AR(p)的假設條件不滿足時可以考慮用此形式。
總滿足平穩條件,因其中參數θ取值對時間序列的影響沒有AR模型中參數p的影響強烈,即這�婺�大的隨機變化不會改變時間序列的方向。
(3)識別條件
 當k>q時,有自相關係數rk=0或自相關係數rk服從N(0,1/n(1+2∑r2i)1/2)且(|rk|>2/n1/2(1+2∑r2i)1/2)的個數≤4.5%,即平穩時間序列的自相關係數rk為q步截尾,偏相關係數φk逐步衰減而不截尾,則序列是MA(q)模型。
 實際中,一般MA過程的PACF函數呈單邊遞減或阻尼振盪,所以用ACF函數判別(從q階開始的所有自相關係數均為0)。
(4)可逆條件
 一階:|θ1|<1。二階:|θ2|<1、θ1+θ2<1。
 當滿足可逆條件時,MA(q)模型可以轉換為AR(p)模型
3. 自回歸移動平均ARMA(p,q)模型
(1) 模型形式
 yt=φ1yt-1+φ2yt-2+……+φpyt-p+εt-θ1εt-1-θ2εt-2-……-θpεt-p
式中符號: p和q是模型的自回歸階數和移動平均階數;
φ和θ是不為零的待定係數;εt獨立的誤差項;
yt是平穩、正態、零均值的時間序列。
(2) 模型含義
使用兩個多項式的比率近似一個較長的AR多項式,即其中p+q個數比AR(p)模型中階數p小。前二種模型分別是該種模型的特例。
一個ARMA過程可能是AR與MA過程、幾個AR過程、AR與ARMA過程的迭加,也可能是測度誤差較大的AR過程。
(3) 識別條件
平穩時間序列的偏相關係數φk和自相關係數rk均不截尾,但較快收斂到0,則該時間序列可能是ARMA(p,q)模型。實際問題中,多數要用此模型。因此建模解模的主要工作是求解p、q和φ、θ的值,檢驗εt和yt的值。
(4) 模型階數
AIC準則:最小資訊準則,同時給出ARMA模型階數和參數的最佳估計,適用於樣本資料較少的問題。目的是判斷預測目標的發展過程與哪一隨機過程最為接近。因為只有當樣本量足夠大時,樣本的自相關函數才非常接近母體的自相關函數。具體運用時,在規定範圍內使模型階數從低到高,分別計算AIC值,最後確定使其值最小的階數是模型的合適階數。
模型參數最大似然估計時AIC=(n-d)logσ2+2(p+q+2)
模型參數最小二乘估計時AIC=nlogσ2+(p+q+1)logn
式中:n為樣本數,σ2為擬合殘差平方和,d、p、q為參數。
其中:p、q範圍上線是n較小時取n的比例,n較大時取logn的倍數。
實際應用中p、q一般不超過2。
4. 自回歸綜合移動平均ARIMA(p,d,q)模型
(1)模型識別
 平穩時間序列的偏相關係數φk和自相關係數rk均不截尾,且緩慢衰減收斂,則該時間序列可能是ARIMA(p,d,q)模型。
(2)模型含義
模型形式類似ARMA(p,q)模型,但資料必須經過特殊處理。特別當線性時間序列非平穩時,不能直接利用ARMA(p,q)模型,但可以利用有限階差分使非平穩時間序列平穩化,實際應用中d一般不超過2。
若時間序列存在週期性波動,則可按時間週期進行差分,目的是將隨機誤差有長久影響的時間序列變成僅有暫時影響的時間序列。
即差分處理後新序列符合ARMA(p,q)模型,原序列符合ARIMA(p,d,q)模型。
3.3.3建模解模過程
1. 資料核對
檢驗時間序列樣本的平穩性、正態性、週期性、零均值,進行必要的資料處理變換。
(1)作直方圖:檢驗正態性、零均值。
 按圖形Graphs—直方圖Histogram的順序打開如圖3.15所示的對話方塊。

圖3.15
 將樣本資料送入變數Variable框,選中顯示正態曲線Display normal curve項,點擊OK運行,輸出帶正態曲線的直方圖,如圖3.16所示。

圖3.16
 從圖中看出:標準差不為1、均值近似為0,可能需要進行資料變換。
(2)作相關圖:檢驗平穩性、週期性。
 按圖形Graphs—時間序列Time Series—自相關Autocorrelations的順序打開如圖3.17所示的對話方塊。

圖3.17
 將樣本資料送入變數Variable框,選中自相關Autocorrelations和偏自相關Partial Autocorrelations項,暫不選資料轉換Transform項,點擊設置項Options,出現如圖3.18所示對話方塊。

圖3.18
因為一般要求時間序列樣本資料n>50,滯後週期k<n/4,所以此處控制最大滯後數值Maximum Number of Lags設定為12。點擊繼續Continue返回自相關主對話方塊後,點擊OK運行系統,輸出自相關圖如圖3.19所示。

圖3.19
 從圖中看出;樣本序列資料的自相關係數在某一固定水平線附近擺動,且按週期性逐漸衰減,所以該時間序列基本是平穩的。
(3)數據變換:
若時間序列的正態性或平穩性不夠好,則需進行資料變換。常用有差分變換(利用transform—Create Time Series)和對數變換(利用Transform—Compute)進行。一般需反復變換、比較,直到資料序列的正態性、平穩性等達到相對最佳。
2. 模型識別
分析時間序列樣本,判別模型的形式類型,確定p、d、q的階數。
(1)判別模型形式和階數
 ①相關圖法:
  運行自相關圖後,出現自相關圖(圖3.19)和偏自相關圖(圖3.20)。

圖3.20
 從圖中看出:自相關係數和偏相關係數具有相似的衰減特點:衰減快,相鄰二個值的相關係數約為0.42,滯後二個週期的值的相關係數接近0.1,滯後三個週期的值的相關係數接近0.03。所以,基本可以確定該時間序列為ARMA(p,q)模型形式,但還不能確定是ARMA(1,1)或是ARMA(2,2)模型。但若前四個自相關係數分別為0.40、0.16、0.064、0.0256,則可以考慮用AR(1) 模型。
 另外,值得說明的是:只是ARMA模型需要檢驗時間序列的平穩性,若該序列的偏自相關函數具有顯著性,則可以直接選擇使用AR模型。
 實際上,具體應用自相關圖進行模型選擇時,在觀察ACF與PACF函數中,應注意的關鍵問題是:函數值衰減的是否快;是否所有ACF之和為-0.5,即進行了過度差分;是否ACF與PACF的某些滯後項顯著和容易解釋的峰值等。但是,僅依賴ACF圖形進行時間序列的模型識別是比較困難的。
 ②參數估計:
  從(m,m-1)開始試驗,一般到m=p+q=1/n。實際應用中,往往從(1,1)、……、(2,2),逐個計算比較它們的AIC值(或SBC值),取其值最小的確定為模型。
(2)建立時間序列新變數
 無論是哪種模型形式,時間序列總是受自身歷史資料序列變化的影響,因此需將歷史資料序列作為一個新的時間序列變數。
 按資料轉換transform—建立時間序列Create Time Series的順序展開對話方塊,圖3.21。

圖3.21
①在功能Function下拉清單中選擇變數轉換的函數,其中:
非季節差分Differences: 計算時間序列連續值之間的非季節性差異。
季節性差分Seasonal Differences: 計算時間序列跨距間隔�琠w值之間的季節性差異,跨距根據定義的週期確定。
領先移動平均Prior moving average:計算先前的時間序列數值的平均值。
中心移動平均Centered moving average:計算圍繞和包括當前值的時間序列數值的平均值。
中位數Running medians:計算圍繞和包括當前值的時間序列的中位數。
累積和Cumulative sum:計算直到包括當前值的時間序列數值的累計總數。
滯後順序Lag: 根據指定的滯後順序,計算在前觀測量的值。
領先順序Lead:根據指定的領先順序,計算連續觀測量的值。
平滑Smoothing:以混合資料平滑為基礎,計算連續觀測量的值。
以上各項主要用在生成差分變數、滯後變數、平移變數,並且還要關注差分、滯後、平移的次數,以便在建立模型、進行參數估計時,使方程達到一致。
②在順序Order框中填入在前或在後的時間序列數值間隔的數目。
在新變數New Variable框中接受左邊框移來的源變數。
在名稱Name框中定義新變數的名稱,但必單擊改變Change方能成立。
③單擊OK運行系統,在原資料庫中出現新變數列。
另外,若需產生週期性時間序列的日期型變數,則按資料Data—定義日期Define Dates的順序展開如圖3.22所示對話方塊。

圖3.22
在樣本Cases Are欄中選擇定義日期變數的時間間隔,在起始日期First Case Is欄中設定日期變數第一個觀測量的值,單擊OK完成定義。
3. 參數估計
採用最大似然估計或最小二乘估計等方法估計φ、θ參數值,並進行顯著性檢驗。
按分析Analyze—時間序列Time series—ARIMA模型的順序展開如圖3.23對話方塊。

圖3.23
 在圖3.23中:
選擇原時間序列變數進入因變數框;
根據模型識別結果和建立的新時間變數,選擇一個或多個變數進入引數框;暫時不進行因變數的資料轉換;
與引數的選擇對應,根據模型識別結果或實驗的思路設定p、(d)、q的值;選擇模型中包含常數項;
分別單擊保存和設置按鈕,展開如圖3.24和3.25對話方塊。

圖3.24
 圖3.24中:
在建立變數Create Variable欄選擇新建變數結果暫存原資料檔案Add to file項,也可選擇用新建變數代替原資料檔案中計算結果Replace existing項;
在設定置信區間百分比%Confidence Intervals下拉清單選擇95;
在預測樣本Predict Cases欄選擇根據時期給出預測結果的方法。

圖3.25
 圖3.25中:
在收斂標準Convergence Criteria欄選擇迭代次數Maximum iterations、參數變化精度Parameter change、平方和變化精度Sum of squares change,當運算達到其中一個參數的設定,則迭代終止;
在估計初始值Initial Values for Estimation欄選擇由過程自動選擇Automatic或由先前模型提供Apply from previous model,一般默認前者;
在預測方法Forecasting Method欄選擇無條件Unconditional或有條件最小二乘法Conditional least squares;
在輸出控制Display欄選擇最初和最終參數的迭代摘要Initial and final parameters with iteration summary或詳細資料details、或只顯示最終參數Final parameters only。
 單擊OK,系統立即執行,輸出資訊如下:
MODEL: MOD_1
Split group number: 1 Series length: 48
No missing data.
Melard's algorithm will be used for estimation.
Conclusion of estimation phase.
Estimation terminated at iteration number 7 because:Sum of squares decreased by less than .001 percent.
FINAL PARAMETERS:
Number of residuals 48
Standard error  1.1996949
Log likelihood  -75.463915
AIC     156.92783
SBC     162.54143
   Analysis of Variance:
    DF Adj. Sum of Squares Residual Variance
Residuals  45   65.099923   1.4392678
   Variables in the Model:
    B   SEB   T-RATIO  APPROX. PROB.
AR1   .02318739 .31945836  .0725835  .94245925
MA1   -.44871554 .28829314 -1.5564558  .12660552
CONSTANT -.02421308 .25505018 -.0949346  .92478827
The following new variables are being created:
Name  Label
FIT_1  Fit for 樣本資料 from ARIMA, MOD_1 CON
ERR_1  Error for 樣本資料 from ARIMA, MOD_1 CON
LCL_1  95% LCL for 樣本資料 from ARIMA, MOD_1 CON
UCL_1  95% UCL for 樣本資料 from ARIMA, MOD_1 CON
SEP_1  SE of fit for 樣本資料 from ARIMA, MOD_1 CON
各個輸出統計量的意義:
常數項:認為是取值�甯�1的常數變數,其係數就是引數為0時因變數的最優預測值,也稱為預測基準值。
系 數:反映引數對因變數影響的權重。
標準誤:表明樣本資料的可靠性。在(殘差)參數近似服從正態分佈條件下,係數加減兩倍的標準誤差近似等於總體參數95%的置信區間。其值越小,置信區間越窄;並且其對於係數的相對值越小,估計結果越精確。
t統計量:估計係數與標準誤差的比值,檢驗變數的不相關性。一般給定5%顯著水準,則拒絕原假設的0值位於95%的置信區間外,其絕對值必大於2。
t概率值:其值越小,則拒絕原假設不相關性的證據越充分。其值接近0.05與t統計量接近2相對應。
均 值:度量變數的集中度,傳遞隨機變數的位置資訊。
標準差:度量變數的離散度,傳遞隨機變數的規模資訊。
平方和:殘差平方和是許多統計量的組成部分,孤立考察無太大價值。
准 則:資訊準則AIC和SBC用於模型的選擇,越小越好,但受自由度約束較為嚴重。
R2校正:是模型中引數對因變數變動的解釋比例,度量方程預測因變數的成功程度,其是回歸標準誤差與因變數標準差比較的結果。另一個比較方法是回歸標準誤差不超過因變數均值的10%則為好的模型。
DW統計:用於檢驗隨機誤差項是否存在序列相關。
LN似然:用於模型比較和假設檢驗,越大越好。
殘差圖:
4. 模型檢驗
檢驗新建模型的合理性。若檢驗不通過,則調整(p,q)值,重新估計參數和檢驗,反復進行直到接受為止。但模型識別、參數估計、檢驗修正三個過程之間相互作用、相互影響,有時需要交叉進行、反復實驗,才能最終確定模型形式。
(1)相關圖檢驗殘差白雜訊:
因為白雜訊過程是序列無關的,所以白雜訊過程的自相關函數和偏自相關函數在自相關圖中均為等於0的水準直線。
(2)散點圖檢驗殘差獨立性:
以誤差值為縱坐標、以預測值為橫坐標,觀察散點分佈的均勻性、隨機性。
理想預測模型的預測誤差一定是不可預測的、無規律的、序列無關的。
相應的DW統計量僅適用檢驗一階序列。
(3)直方圖檢驗殘差零均值:
 零均值僅檢驗殘差序列無關,若正態分佈則檢驗獨立性。
(4)概率圖檢驗殘差自相關:以顯著性水準0.05計算χ2()概率值,。
(5)均方差檢驗預測的效果:以預測誤差的均方差最小為標準,注意預測誤差僅與預測週期有關,而與起始時刻無關。
 
5. 模型預測
預測系統研究物件的未來某時刻狀態。列出預測模型,計算預測值。

資料來源-macd

 

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作者匿稱:古海

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奇怪,此篇是不是轉貼至自大陸的文章,為何沒有寫"轉貼"
還有本網站不是不行複製,但"西獄"大是如何翻成繁體的,
因我是新手,謝謝

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jeng
 

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佐治
 

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