平稳序列
平穩序列中,往往(X1,?,Xn)與Xn+1不獨立。所以利用歷史樣本來預測未來時間就有了可能。
一般來講,獲取平穩序列的辦法是:將時間序列的趨勢項和季節項都去掉。只留下隨機項。
首先看一下自協方差函數。它滿足三條性質(稱為非負定序列):
- 對稱性
- 非負定性:自協方差矩陣是非負定的。
- 有界性:|γk|≤γ0
樣本的自協方差函數:γk^=1N∑N?kt=1(xt+k?xˉ)(xt?xˉ)
模型與基本數據
- 平穩序列的平穩性主要體現在均值不變、方差有限。別的限制很弱。自協方差函數的不變性仍然允許周期性的出現。
- 平穩序列的周期性:可以體現在它的自協方差函數。
- 時間序列的線性變換指的是對每個r.v.進行線性變換,而不是多個r.v.的加和。平穩序列經過線性變換之后仍然是平穩序列。
- 分類:獨立白噪聲、零均值白噪聲、標準白噪聲、正態白噪聲……
- 白噪聲主要用來描述簡單隨機干擾。
- Poisson白噪聲:Poisson過程減去均值,就是一個Poisson白噪聲。
- 布朗運動和正態白噪聲
- 調和白噪聲(Xt=bcos(at+Ut))注意,它是沒有周期性的。
- 對于零均值的平穩序列,正交性與不相關性等價。
- 正交序列與平穩序列的和的自協方差函數
- 定義:由白噪聲的線性組合構成的平穩序列。
- 有限運動平均MA:形式為Xt=a0?t+a1?t?1+?+aq?t?q 經過簡單計算我們可以得到它的均值(0)和自協方差函數。我們可以很清楚地定義它為q相關的。
- 推廣到無窮情形,我們需要兩個工具,用來求無窮個r.v.的和的數學期望。如下:
- 單調收斂定理:非負單調遞增r.v.{ξn}, 如果ξn→ξ,a.s. 那么Eξ=limnEξn. 即非負單調遞增r.v.序列如果有極限,那么極限與期望(積分)可以交換。
-
- 控制收斂定理:幾乎處處有界的r.v.序列,如果有極限,那么期望與極限可以交換,
- 有上面兩個定理,我們就可以給出線性平穩序列的各種性質了!
- 控制收斂定理:幾乎處處有界的r.v.序列,如果有極限,那么期望與極限可以交換,
- 線性平穩序列:對于絕對可和的實數序列{at},Xt=∑∞?∞aj?t?j
- 容易得到,它是零均值的(控制收斂定理) ,自協方差函數γk=σ2∑∞?∞ajaj+k(控制收斂定理)。
- 一般只要求平方可和,這時仍然是平穩的序列。(平方可和弱于絕對可和)
- 若一個序列是零均值白噪聲的線性組合,系數序列平方可和,那么自協方差函數γk→0
- (當然,我們也可以取單面滑動平均。這也是應用時間序列分析中最常用的方法)
時間序列的線性濾波
- 線性低通濾波器
- 例子:保時線性濾波器。絕對可和的H={hj}。經過它可以輸出Yt=∑∞?∞HjXt?j. 它是平穩的。有自協方差函數:γY(n)=∑∞j,k=?∞hjhkγn+k?j.
嚴平穩序列
- 同分布時間序列的定義:對兩個時間序列的任意有限維時間采樣,都是同分布的。
- 嚴平穩序列:任意的k,n,連續n個采樣和向后平移k個位置的兩個r.v.是同分布的。即平移不變性。對任何多元函數?(x1,?,xm),Yt=?(Xt+1,Xt+2,?,Xt+m)仍然是嚴平穩序列。
*嚴平穩序列的遍歷性:意義是 從一次實現x1,x2,?可以推出所有有限維分布F(X1,?,Xm). 對于嚴平穩遍歷序列{Xt}我們有遍歷定理如下:
- 強大數律:若一階矩有限,那么樣本均值收斂到均值,a.s.
- 對于任何多元函數?(x1,?,xm),Yt=?(Xt+1,?,Xt+m)為嚴平穩序列。
另有嚴平穩遍歷序列的判定定理:如果{?t}is?iid?WN(0,σ2),∑∞j=1a2j<∞,那么Xt=∑∞?∞aj?t?j,是嚴平穩遍歷序列。
也就是說,如果一個序列是嚴平穩遍歷的,那么在幾乎必然的意義下,基于每一次觀測都可以決定序列的有限維分布
平穩序列的譜函數
這個東西是類似于單個隨機變量的分布函數或密度函數存在的。平穩序列的二階統計性質可以由它的 譜分布函數或譜密度函數刻畫。
- 譜分布函數:如果平穩序列有自協方差函數{γk},
- 如果有[?π,π]上的單調不減右連續函數F(λ),使得γk=∫∞?∞eikλdF(λ),F(?π)=0,k∈?
- 如果有[?π,π]上的非負函數f(λ),使得γk=∫∞?∞f()λ(eikλdλ,那么f(λ)就是譜密度函數。
- 譜分布函數:如果平穩序列有自協方差函數{γk},
- 平穩序列的譜函數總是唯一存在的!(Herglotz定理)(a.s.意義下)。
- Xt=∑∞?∞aj?t?j有譜密度f(λ)=σ22π|∑ajeijλ|
- 正交序列的線性組合的譜函數等于對應的譜函數的線性組合。
思考
平穩序列的例子
總結
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