时间序列分析 第五章-非平稳序列的随机分析
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图(1)考虑对该序列进行1阶差分运算,同时考察差分序列的平稳性,在原程序基础上添加相关命令,程序修改如下:图(2)时序图显示差分后序列difx没有明显的非平稳特征。
(2)“identify var=x(1);”,使用该命令可以识别差分后序列的平稳性。
纯随机性和适当的拟合图(6)普通最小二乘估计结果图(8)最终拟合模型输出结果图(9)拟合效果图图(12)带有延迟因变量的回归模型拟合效果图5.8.3拟合GARCH模型SAS系统中AUTOREG过程功能非常强大,不仅可以提供上述的分析功能,还可以提供异方差性检验乃至条件异方差模型建模。
以临时数据集example5_3数据为例,介绍GARCH模型的拟合,相关命令如下:data example5_3;input x@@;t=_n_;cards;10.77 13.30 16.64 19.54 18.97 20.52 24.3623.51 27.16 30.80 31.84 31.63 32.68 34.9033.85 33.09 35.46 35.32 39.94 37.47 35.2433.03 32.67 35.20 32.36 32.34 38.45 38.1732.14 39.70 49.42 47.86 48.34 62.50 63.5667.61 64.59 66.17 67.50 76.12 79.31 78.8581.34 87.06 86.41 93.20 82.95 72.96 61.1061.27 71.58 88.34 98.70 97.31 97.17 91.1780.20 85.12 81.40 70.87 57.75 52.35 67.5087.95 85.46 84.55 98.16 102.42 113.02 119.95122.37 126.96 122.79 127.96 139.20 141.05 140.87137.08 145.53 145.59 134.36 122.54 106.92 97.23110.39 132.40 152.30 154.91 152.69 162.67 160.31142.57 146.54 153.83 141.81 157.83 161.79 142.07139.43 140.92 154.61 172.33 191.78 199.27 197.57189.29 181.49 166.84 154.28 150.12 165.17 170.32;proc gplot data=example5_3;plot x*t=1;symbol1c=black i=join v=start;proc autoreg data=example5_3;model x=t/nlag=5dwprob archtest;model x=t/nlag=2noint garch=(p=1,q=1);output out=out p=p residual=residual lcl=lcl ucl=ucl cev=cev;data out;set out;l95=-1.96*sqrt(51.42515);u95=1.96*sqrt(51.42515);Lcl_GARCH=-1.96*sqrt(cev);Ucl_GARCH=1.96*sqrt(cev);Lcl_p=p-1.96*sqrt(cev);Ucl_p=p+1.96*sqrt(cev);proc gplot data=out;plot residual*t=2 l95*t=3 Lcl_GARCH*t=4 u95*t=3 Ucl_GARCH*t=4/overlay; plot x*t=5 lcl*t=3 LCL_p*t=4 ucl*t=3 UCL_p*t=4/overlay;symbol2c=green i=needle v=none;symbol3v=black i=join c=none w=2l=2;symbol4c=red i=join v=none;symbol5c=green i=join v=none;run;该序列输出时序图如图(13)所示。
应用时间序列分析实验报告实验名称第五章非平稳序列的随机分析专业班级姓名学号一、上机练习程序及其结果分析:data ex3_1;input x@@;time=_n_;cards;0.30 -0.45 0.36 0.00 0.17 0.45 2.154.42 3.48 2.99 1.74 2.40 0.11 0.960.21 -0.10 -1.27 -1.45 -1.19 -1.47 -1.34-1.02 -0.27 0.14 -0.07 0.10 -0.15 -0.36-0.50 -1.93 -1.49 -2.35 -2.18 -0.39 -0.52-2.24 -3.46 -3.97 -4.60 -3.09 -2.19 -1.210.78 0.88 2.07 1.44 1.50 0.29 -0.36-0.97 -0.30 -0.28 0.80 0.91 1.95 1.771.80 0.56 -0.11 0.10 -0.56 -1.34 -2.470.07 -0.69 -1.96 0.04 1.59 0.20 0.391.06 -0.39 -0.162.07 1.35 1.46 1.500.94 -0.08 -0.66 -0.21 -0.77 -0.52 0.05;procgplot data=ex3_1;plot x*time=1;symbol1c=red I=join v=star;run;结果分析:上图是数据对应的时序图,从图上曲线分析来看,数据并没有周期性或者趋向性规律,因而可以初步判断这是平稳数列。
procarima data=ex3_1;identifyVar=x nlag=8;run;结果分析:本过程中,我们建立了8阶自回归分析模型,图上依次是变量的描述性统计量、样本自相关图、样本逆相关图和样本偏自相关图。
由于本次实验探究的是平稳序列,因而样本逆相关图先不作分析。
从自相关图来看,自相关系数趋于0的速度是比较快的,再结合时序图来看,可以确定这组数列是属于平稳数列。
时间序列分析中的非平稳信号分析方法研究时间序列分析是统计学中的领域,用来研究一组与时间有关的数据。
时间序列分析非常重要,因为它可以帮助研究者预测机器人,股市和其他急于观察的数据。
但是,有时候我们会遇到一些非平稳的信号,导致预测分析非常困难。
在这种情况下,对非平稳信号的分析方法成为了非常重要的研究领域。
I. 什么是非平稳信号?平稳信号是指时间序列中平均值和方差都不随时间而变化的信号。
在这种情况下,我们可以使用平稳信号的统计模型进行分析和预测。
但是,在现实生活中,出现非平稳信号的情况是普遍存在的。
例如,物价、股票价格等往往都呈现出随时间变化的趋势性和季节性。
II. 非平稳信号的特点非平稳信号是指时间序列中均值,方差或者两者都在变化的信号。
与平稳信号不同,非平稳信号的各种统计量都会随时间的推移而变化,因此在真实的数据应用过程中非常常见。
1. 缺乏稳定性:不同时间点的数据存在着不同的特征,可以说非平稳序列在统计特征上表现出的一种不稳定性。
2. 时间相关性:非平稳时间序列中的不同时间点可能不是独立的,也就是说以前的一个时间点可能会对后续的时间点产生影响,这种影响通常以趋势的形式呈现。
3. 不存在平稳的统计模型:由于非平稳信号缺乏稳定性,所以不存在平稳的统计模型,要研究非平稳信号需要寻找其他方法。
III. 非平稳信号分析方法在研究非平稳信号的过程中,最常用的方法包括:时间序列分解、差分方法、ARIMA和ARCH模型等。
1. 时间序列分解时间序列分解是将非平稳信号分解为一些成分,例如趋势、周期和随机元素。
这种方法可以使我们更好地理解信号的变化过程和对不同成分的影响。
时间序列分解同时也对信号的去除趋势和季节成分非常有用。
2. 差分方法差分方法是通过对时间序列之间差异的计算,将其转化为平稳时间序列,从而避免非平稳信号带来的影响,使得时间序列分析得以进行。
这种方法适用于不太具有周期性的时序数据。
3. ARIMA模型ARIMA模型是最常用的时间序列分析方法之一。
第五章 非平稳序列的随机分析非平稳序列的确定性因素分解方法(第四章)的优点为原理简单、操作简便、易于解释等,因此在宏观经济管理与预测领域有着广泛的应用。
缺点主要有:(1)确定性因素分解方法只能提取强劲的确定性信息,对随机性信息浪费严重。
(2)确定性因素分解方法把所有序列的变化都归结为四大因素的综合影响,却始终无法提供明确、有效的方法判断各大因素之间确切的作用关系。
这些问题导致确定性因素分解方法不能允分提取观察值序列中的有效信息,导致模型拟合精度通常不够理想。
随机时序分析方法发展的必要性:弥补确定性因素分解方法的不足,为人们提供更加丰富、更加精确的时序分析工具。
5.1 差分运算5.1.1 差分运算的实质拿到观察值序列之后,无论是采用确定性时序分析方法还是随机时序分析方法,分析的第一步都是要通过有效的手段提取序列中所蕴含的确定性信息。
确定性信息的提取方法非常多,前面我们介绍过的构造季节指数、拟合长期趋势模型、移动平均、指数平滑等诸多方法都是确定性信息提取方法。
但是它们对确定性信息的提取都不够充分。
Cox 和Jenkins 在Time Series Analysis Forecasting and Control 一书中特别强调差分方法的使用,他们使用大量的案例分析证明差分方法是一种非常简便、有效的确定性信息提取方法。
而Cramer 分解定理则在理论上保证了适当阶数的差分一定可以充分提取确定性信息。
根据Cramer 分解定理,方差齐性非平稳序列都可以分解为如下形式:式中,为零均值白噪声序列。
{}t a 离散序列的d 阶差分就相当于连续变量的d 阶求导,显然,在Cramer 分解定理的保证下,d 阶差分就可以将中蕴含的d 次(关于时间的)确定性信息充分提取。
(如何证明?){}t a展开1阶差分,有等价于这意味着1阶差分实质上就是一个自回归过程,它是用延迟一期的历史数据作为自变{}1-t x量来解释当期序列值的变动状况,差分序列度量的是l 阶自回归过程中产生{}t x {}t x ∇{}t x 的随机误差的大小。
时间序列分析中的平稳性与非平稳性时间序列分析是一种用来研究时间数据的统计方法,它可以揭示出时间序列数据的模式和趋势,并预测未来的发展。
在进行时间序列分析时,我们经常会遇到平稳性和非平稳性的问题,本文将重点讨论这两个概念及其在时间序列分析中的重要性。
1. 什么是平稳性?平稳性是指时间序列在统计特性上具有不变性,即其均值和方差不随时间的推移而发生改变。
具体而言,平稳时间序列的均值在时间维度上是稳定的,方差也不会随时间变化而增加或减小。
此外,平稳时间序列的自协方差只与时间间隔有关,而与特定时间点无关。
2. 平稳性的判断方法为了判断一个时间序列是否具有平稳性,我们可以使用一些统计检验方法。
常见的方法有ADF检验(Augmented Dickey-Fuller test)、KPSS检验(Kwiatkowski-Phillips-Schmidt-Shin test)等。
ADF检验通常用于检验平稳性,其原假设是时间序列具有单位根(非平稳),如果检验结果拒绝了原假设,则可以得出时间序列是平稳的结论。
3. 非平稳性的表现形式非平稳性的时间序列可能会呈现出明显的趋势、季节性或周期性变化。
趋势是时间序列长期的、持续的上升或下降,季节性是指时间序列在特定时间点上出现的周期性波动,周期性是指时间序列存在长期的、不规则的上升或下降。
4. 非平稳性的处理方法如果时间序列是非平稳的,我们需要对其进行处理,以使其具备平稳性。
常见的处理方法有差分法、对数变换等。
差分法可以通过计算相邻时间点的差值来消除趋势和季节性,对数变换则可以通过对时间序列取对数来减少其波动性。
5. 平稳性的重要性平稳性在时间序列分析中非常重要,具有以下几个方面的意义: - 简化模型:平稳时间序列的统计特性稳定,可以简化模型的建立和预测。
- 降低误差:平稳时间序列的随机误差具有恒定的方差,使得模型的预测更准确。
- 提高可靠性:基于平稳时间序列建立的模型具有更好的可靠性和稳定性,可以更好地应对未来的变化。
时间序列分析——基于R 王燕答案第一章时间序列分析简介略第二章时间序列的预处理#========================================## 2.5习题-1##========================================library(tseries)par(mfrow=c(1,2))x=rep(1:20)temp=ts(x)plot(temp)#不是平稳序列as.vector(acf(temp)$acf[1:6])#序列的自相关系数递减到零的速度相当缓慢,#在很长的延迟时期里,自相关系数一直为正,#而后又一直为负,在自相关图上显示出明显的#三角对称性,这是具有单调趋势的非平稳序列#的一种典型的自相关图形式。
这和该序列时序#图显示的显著的单调递增性是一致的。
#======================================== ## 2.5习题-2##======================================== library(tseries)par(mfrow=c(1,2))volcano.co2=read.table('习题2.2数据.txt',sep='\t',header=F) data=ts(as.vector(t(as.matrix(volcano.co2))),start=c(1975,1)) plot(data)#不是平稳序列as.vector(acf(data,lag.max=23)$acf)#序列自相关系数长期位于零轴的一边。
这是#具有单调趋势序列的典型特征,同时自相关#图呈现出明显的正弦波动规律,这是具有周#期变化规律的非平稳序列的典型特征。
自相#关图显示出来的这两个性质和该序列时序图#显示出的带长期递增趋势的周期性质是非常#吻合的。
#========================================## 2.5习题-3##======================================== library(tseries)par(mfrow=c(1,2))rain=read.table('习题2.3数据.txt',sep='\t',header=F) data=ts(as.vector(t(as.matrix(rain))),start=c(1945,1)) plot(data)#该序列为平稳序列as.vector(acf(data,lag.max = 23)$acf)#该序列的自相关系数一直都比较小,#基本控制在2倍的标准差范闹以内,#可以认为该序列自始至终都在零轴附#近波动,这是随机性非常强的平稳时#间序列通常具有的自相关图特征。
图(1)考虑对该序列进行1阶差分运算,同时考察差分序列的平稳性,在原程序基础上添加相关命令,程序修改如下:图(2)时序图显示差分后序列difx没有明显的非平稳特征。
(2)“identify var=x(1);”,使用该命令可以识别差分后序列的平稳性。
纯随机性和适当的拟合图(6)普通最小二乘估计结果图(8)最终拟合模型输出结果图(9)拟合效果图图(12)带有延迟因变量的回归模型拟合效果图5.8.3拟合GARCH模型SAS系统中AUTOREG过程功能非常强大,不仅可以提供上述的分析功能,还可以提供异方差性检验乃至条件异方差模型建模。
以临时数据集example5_3数据为例,介绍GARCH模型的拟合,相关命令如下:data example5_3;input x@@;t=_n_;cards;10.77 13.30 16.64 19.54 18.97 20.52 24.3623.51 27.16 30.80 31.84 31.63 32.68 34.9033.85 33.09 35.46 35.32 39.94 37.47 35.2433.03 32.67 35.20 32.36 32.34 38.45 38.1732.14 39.70 49.42 47.86 48.34 62.50 63.5667.61 64.59 66.17 67.50 76.12 79.31 78.8581.34 87.06 86.41 93.20 82.95 72.96 61.1061.27 71.58 88.34 98.70 97.31 97.17 91.1780.20 85.12 81.40 70.87 57.75 52.35 67.5087.95 85.46 84.55 98.16 102.42 113.02 119.95122.37 126.96 122.79 127.96 139.20 141.05 140.87137.08 145.53 145.59 134.36 122.54 106.92 97.23110.39 132.40 152.30 154.91 152.69 162.67 160.31142.57 146.54 153.83 141.81 157.83 161.79 142.07139.43 140.92 154.61 172.33 191.78 199.27 197.57189.29 181.49 166.84 154.28 150.12 165.17 170.32;proc gplot data=example5_3;plot x*t=1;symbol1c=black i=join v=start;proc autoreg data=example5_3;model x=t/nlag=5dwprob archtest;model x=t/nlag=2noint garch=(p=1,q=1);output out=out p=p residual=residual lcl=lcl ucl=ucl cev=cev;data out;set out;l95=-1.96*sqrt(51.42515);u95=1.96*sqrt(51.42515);Lcl_GARCH=-1.96*sqrt(cev);Ucl_GARCH=1.96*sqrt(cev);Lcl_p=p-1.96*sqrt(cev);Ucl_p=p+1.96*sqrt(cev);proc gplot data=out;plot residual*t=2 l95*t=3 Lcl_GARCH*t=4 u95*t=3 Ucl_GARCH*t=4/overlay; plot x*t=5 lcl*t=3 LCL_p*t=4 ucl*t=3 UCL_p*t=4/overlay;symbol2c=green i=needle v=none;symbol3v=black i=join c=none w=2l=2;symbol4c=red i=join v=none;symbol5c=green i=join v=none;run;该序列输出时序图如图(13)所示。
图(13)序列时序图时序图显示序列具有显著线性递增趋势,且波动幅度随时间递增,所以考虑使用AUTOREG过程建图(19)残差序列在两种方差假定下的置信区间效果图图(21)序列在两种方差假定下的置信区间效果图图中,中间的波动曲线为残差序列或原序列,虚线为根据无条件方差得到的95%置信区间,而实线为根据条件方差得到的95%置信区间。
习题1data example5_1;input x@@;difx=dif(x);t=_n_;cards;304 303 307 299 296 293 301 293 301 295 284 286 286 287 284282 278 281 278 277 279 278 270 268 272 273 279 279 280 275271 277 278 279 283 284 282 283 279 280 280 279 278 283 278270 275 273 273 272 275 273 273 272 273 272 273 271 272 271273 277 274 274 272 280 282 292 295 295 294 290 291 288 288290 293 288 289 291 293 293 290 288 287 289 292 288 288 285282 286 286 287 284 283 286 282 287 286 287 292 292 294 291288 289;proc gplot;plot x*t;symbol v=star c=black i=join;proc gplot;plot x*t difx*t;symbol v=star c=black i=join;proc arima;identify var=x(1);estimate p=1;forecast lead=5id=t;run;实验结果:图5.1序列时序图由时序图可知该序列不平稳,即该序列为一个非平稳序列。
图5.4预测结果由上图可得,预测1939—1945年英国绵羊的数量分别为1851,1872,1879,1880,1879,1877,1875。
习题六data example5_3;input x@@;t=_n_;lagx=lag(x);cards;4.99 55.03 5.03 5.25 5.26 5.3 5.45 5.49 5.52 5.75.68 5.65 5.86.5 6.45 6.48 6.45 6.35 6.4 6.43 6.436.44 6.45 6.48 6.4 6.35 6.4 6.3 6.32 6.35 6.13 5.75.58 5.18 5.18 5.17 5.15 5.21 5.23 5.05 4.65 4.65 4.64.67 4.69 4.68 4.62 4.63 4.95.44 5.566.04 6.06 6.068.07 8.07 8.1 8.05 8.06 8.07 8.06 8.11 8.6 10.8 1111 11 9.48 9.18 8.62 8.3 8.47 8.44 8.44 8.46 8.498.54 8.54 8.5 8.44 8.49 8.4 8.46 8.5 8.5 8.47 8.478.47 8.48 8.48 8.54 8.56 8.39 8.89 9.91 9.89 9.91 9.919.9 9.88 9.86 9.86 9.74 9.42 9.27 9.26 8.99 8.83 8.838.83 8.82 8.83 8.83 8.79 8.79 8.69 8.66 8.67 8.72 8.779 9.61 9.7 9.94 9.94 9.94 9.95 9.94 9.96 9.97 10.8310.75 11.2 11.4 11.54 11.5 11.34 11.5 11.5 11.58 12.42 12.8513.1 13.12 13.1 13.15 13.1 13.2 14.2 14.75 14.6 14.6 14.4514.5 14.8 15.85 16.2 16.5 16.4 16.4 16.35 16.1 13.7 13.514 12.3 12 14.35 14.6 12.5 12.75 13.7 13.45 13.55 12.612 11 11.6 12.05 12.35 12.7 12.45 12.55 12.2 12.1 11.1511.85 12.1 12.5 12.9 12.5 13.2 13.65 13.65 13.5 13.45 13.35 14.45 14.3 15.05 15.55 15.65 14.65 14.15 13.3 12.65 12.7 12.8 14.5 15.1 15.15 14.3 14.25 14.05 14.7 15.05 14.05 13.8 13.25 13 12.85 12.6 11.8 13 12.35 11.45 11.35 11.55 10.85 10.912.3 11.7 12.05 12.3 12.9 13.05 13.3 13.85 14.65 15.05 15.15 14.85 15.7 15.4 15.1 14.8 15.8 15.8 15 14.4 13.8 14.314.15 14.45 14.1 14.05 13.75 13.3 13 12.55 12.25 11.85 11.511.1 11.15 10.7 10.25 10.55 10.25 10.3 9.6 8.4 8.2 7.25图6.5模型最终拟合结果。