Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Статистический анализ временных рядов.

.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
47 Мб
Скачать
☆

6.9. СОВМЕСТНЫЕ И УСЛОВНЫЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ 383

является

отношением (Я — 1)-мерного

объема пересечения (6) и

 

н

 

(9)

'Ъ. vihXh> R*, } — 1 ,

. , . , р,

 

h—\

 

к (Я — 1)-мерному объему (6). Эта геометрическая задача подобна той, которая решалась при отыскании Рг {r\ > R\}. Множество

возможных значений (г\, ..., г*) точно найти трудно. Оно включает

точки (viz,,

Vp/,), соответствующие xh = 1, х/ — О, / Ф h, для

h = 1,

Я, и, кроме того, все линейные комбинации последних

с неотрицательными весами. Таким образом, указанное множество во всяком случае должно быть выпуклым телом, содержащим пере­ численные точки и (0, ..., 0).

Распределение (8) было дано Кенуем (1949) и Ватсоном (1956).

6.9.2. Условные распределения

Как было указано в § 6.3, для проверки гипотезы yt = 0, когда

Yi+i =

... = ур = 0 и р

известно, используется

распределение

квадратичной

формы

при заданных значениях

квадратичных

форм

Q0, ...,

Qi-i. Если

верна нулевая гипотеза, то это равносиль­

но использованию распределения коэффициента rt при заданных зна­ чениях г1( ..., гг_]. Отсюда вытекает, что для проверки гипотезы У{ — 0 следует использовать условное распределение г, при задан­ ных значениях rlt ..., п -\ и у; = 0. Если используются остатки от среднего, то соответственно следует брать условное распределение г* при заданных г*....... г*_г

Если Т нечетное и все корни (отличные от 1) двойные, то г\, ..., г*

можно • представить в виде (7). Соответствующая условная вероят­ ность

(10)Рг {г/ > Я/ | г? = Ri..........rU = R U )

представляет собой отношение (Я — г)-мерного объема пересечения (6) с

н

(И)2 Vihxh> R*i,

 

1

 

 

н

 

(12)

2

= R}, / = 1, . . . . I — 1,

 

h = l

 

к (Я — О-Шфному объему пересечения (6) и (12). И опять Это нагляд­ ная, но сложная геометрическая задача.

Искомые распределения можно аппроксимировать. Пусть г'

представляет собой i-й частный циклический коэффициент корре­ ляции, т. е. частный коэффициент корреляции между yt и yt+i при

384 с е р и а л ь н а я к о р р е л я ц и я Гл. 6.

фиксированных

значениях yt+u

..., yt+t- ь

Этот

г'

получается

из г\, ..., г*, как частная

корреляция. [См., например,

Т. Андерсон

(1958, разд. 4.3.1).] Точнее говоря, пусть

 

 

 

 

“

1

г \

^2

...

*

 

*

 

 

 

 

 

/ 7 _ ■

п

 

 

 

 

 

 

гГ

1

гГ

. . .

 

-2

Г * _ 1

 

1 г*'

г;

 

 

 

 

 

г;_

 

 

 

(13)

г\

п

1 . . .

г;_■3 /7 — 2

= Г* R*

г*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*

 

 

 

 

 

*

 

г*'

1 _

 

 

П - 1 П - 2 r l -3 • • • 1

 

п

 

 

 

 

 

_ п

г?-. r l - 2 • • » Г?

 

1

 

 

 

 

 

тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(14) п =

 

 

ri

— г*' (R*)'-'г*

 

 

 

 

 

(1 - г*' (R*)- 1r*)'/s (1 -

-г*' (R*)-‘‘ г*)7г

1 — Г*

 

 

 

В частности,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(15)

 

 

 

Г\ =

Ги

г*2

 

 

 

 

 

(16)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г2 =

I - - Г*2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Даниэле (1956)

(и Дженкинс (1956) для г',

г'ъ и

 

показал,

что

совместное

распределение r'v

...,

г' можно

аппроксимировать

не­

которым совместным распределением, у которого частные сериаль­ ные корреляции независимы и имеют плотности

■(т): 4 - < г - "

(17)

■ (■ И

Г ( Т + \ )

2гГ

 

1

—1

■(т)-

( Т -

1)

 

X

■+

 

г(т г+‘)

X (1 — Г2/)2 (1 — Г^)(Г- 3)/2 =

Т (Т + 3)

для четных индексова Е и

(18)Г ( - Н

(т)г[т<г- ‘>

Г (Г)

< i + гад_,)<г- з>/г ( 1 —

оГ- l l

(74-1)

6.10.

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛЯ СЛУЧАЯ ЗАВИСИМЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

38£ '

для

нечетных.

Хеннан (1960)

предложил приближать

r'2j -+■ 2/Т

и г'2,_х + 1 /Т

пирсоновскими

коэффициентами

корреляции,

по­

строенными по Т + 2 наблюдениям. [См. также

Кенуй

(1949b).]

6.10. РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛЯ СЛУЧАЯ ЗАВИСИМЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

Если наблюдения являются зависимыми, то распределения се­ риальных коэффициентов корреляции в рассмотренных нами моде­ лях легко вывести из соответствующих распределений для случая5

независимых

наблюдений

(приведенных,

например,

в

разд. 6.7 .5-

и 6.7.6). [См. Лейпник (1947) и Мэдоу

(1945).]

 

 

 

 

..., ут в виде-

Рассмотрим плотность распределения величин ух,

(1)

K t (Yo. • • •.

Y/) exp [— - у

(у — ре)' (у0А0 + YA

 

+

• • •

 

 

• • •

+ YA) (У — Р£)] = К , (Yo. • • •,

Yi) exp {— - j

[YOQO +

•• •

 

 

 

 

• • •

+ YiQi

+ T (VoK + YA

+

 

• • * +

YAi) (У — P)al)>

где e =

(1 ,

1 , ...,

1)' — характеристический

 

вектор

матрицы

А/,,

соответствующий характеристическому корню А./,

 

 

 

 

 

(2)

 

Q / = ( y — Ув)'А/(у — уе),

 

/ =

0,

 

1, . . . , / ,

 

 

 

числа Yo.

Yi таковы, что матрица YOA0 +

YA

+

... +

YA

поло­

жительно определена, Yo > 0. и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3)

 

K t (Yo, • • •,

Yi) = I YOA0 + YA

+

• • •

+

YA

|1/7(2я)г/2.

 

Плотность совместного распределения квадратичных форм Q’0, ...

.... Q]

имеет

вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4)

ht

(Qo,

. .. ,

Qi I Yo.

. . . .

Yi) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

/Ci*(Yo, •••,

Yi) exp

— - j

(YOQO +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

<SY

на множестве допустимых значений

Q*0,

.... Q] и

равна нулю

вне-

этого

множества;

здесь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5)

 

 

К* (Yo,

Yi) =

 

 

K t

(Yo. •

•

 

Yi)

 

 

 

 

 

 

 

V Yo^o + YA

+

• • •

+

VA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(соответствующим образом нормировано и k’ (QJ, .... Q*)). Плот­ ность совместного распределения величин Q*0, r\ — QJ/QJ.......г* =»-

386 СЕРИАЛЬНАЯ КОРРЕ ЛЯЦИЯ Гл. 6.

—

0 //QJ равна

 

• ••»YoP/) “

(6)

hi (Qo> Qo''1»• • • »Qon I Yo» YoPi'

 

* *

,

 

 

=

K t (To. YoPi................

YoP«) X

иа множестве допустимых значений QJ, r\, .... г* и

нулю вне этого

множества. Здесь рх = уг!у0,

..., р, = y j y a. Плотность совместного

распределения величин

г*,

г* есть

 

<7)

g* (Л, ..., г* | Pl,

...,

Р(.) = /С/ (Vo. YoPi* •••,

YoPi) X

тде интегрирование производится по всем значениям Q*, совмести­ мым с г\....... г*. (Мы покажем далее, что область интегрирования есть интервал (0, оо) и что§* не зависит от у0.) При рх = ... = р, = О

соотношение (7)

равносильно соотношению

<8)

g: (П, . .. .

г; 10, . . . . 0) 7о"(Г-1)/2Яо/’| А0Г ‘л (2 n f~ m =

тождественному по у0. Поскольку в этом случае г\ , ..., г* не зависят от QJ, то область интегрирования по Q* не должна зависеть от г*и .... г*, а это и означает, что она представляет собой интервал (0, оо). Частные случаи плотности g* (г*, ..., г*[0, ..., 0) уже обсуждались

в § 6.7 и 6.9. Используя тождественность соотношения

(8) по у0,

интеграл в (7) можно найти, заменив

у0 в (8) на

Yo (1 + 2

Р/Гр*

Так как здесь рх, .... р, таковы, что матрица А,, +

рхАх +

/=1

р(А,

... +

положительно определена, имеем 1 +

р2г* + ... +

р,г* >

0. В ито­

ге получим

 

 

 

 

X ('1 + § P W )

gt(r{.........

П j 0, . . . . 0)

6.10.

р а с п р е д е л е н и я

д л я с л у ч а я

за в и с и м ы х

н а б л ю д е н и й

387

 

= ж

|л r v*(2n )lMT-

l) к ; (1, Pl,

, л) х

 

 

 

х

(i

+ 2

р/о ]

 

g <(rf, . . . . г; Iо, . . , ,

0),

(10)

(2я)( ^

Kt (Y0, VoPi, ..., YoPi) =

 

 

 

 

 

__

I VoAo + VoPiAi H------ +

ToP/A; \'u

 

 

 

 

 

 

(Yo^o H~ YOPI^I +

• • •

+ YoPAi) ‘‘

 

 

 

 

 

 

_

J

T - 1)/2 I A0 - f

ptAx -I- . . .

+

pi A, |*/« ^

 

 

 

 

 

 

 

(*o +

Pi^i + • • •

+

pAt) ^

Моменты могут быть найдены из соотношения (9) путем разложе­

ния (1

+ 2

Р/0 ~ (Г_1)/2 для достаточно малых значений р;- в ряд

по степеням V р/* и последующего интегрирования по переменным

.

.

/=1

'р •••»

’г

 

Другой подход к получению распределений сериальных коэф­ фициентов корреляции связан с использованием канонической формы. Пусть

 

г—1

 

2 * ?

(Н )

/=1

Г—1 »

где 21( .... 2r-i — независимые

/=1

нормально распределенные случай­

ные величины с нулевыми средними и дисперсиями 1/(у0 + уАх). •••

•••, 1/(То + Yi^-r-i) соответственно. Тогда

(12)

ut = V y 0 + уЛ zt

распределено по закону N (0, 1). Запишем

 

Т —1

%tUf

г—1

(13) Р г {/•*>#*}= Рг

2

> * * 2 Yo + Yi^

Vo + тЛ

 

itl

 

Г-1

1, - Я .

 

-М 2

o f -

Yo +

y ih

= Pr

г-i

 

 

 

I -

S

r s

- H -

(

где p = уг!у0в случае г* = г\. Здесь можно воспользоваться распре­ делениями § 6.7 с заменой Xt — R на (А* — /?*)/(1 + рА(). Например,

388 СЕРИАЛЬНАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ Гл. 6.

«ели Я* = XT-h =

v„, h = 1 , .... Я

= ( Т —

1)12, можно перепи­

сать

(52) в виде

н- 1

«

 

 

 

ру/

(14,

Рг

 

+

1=1

/=1

•V/

 

 

 

1'ф1

 

 

 

Vm+l < Р* < V,„,

m — 1..........Я — 1.

6 .11. ОЦЕНКИ МАКСИМАЛЬНОГО ПРАВДОПОДОБИЯ

6.11.1. Стационарные процессы первого порядка

Стационарный гауссовский процесс первого порядка удовлетворя­ ет уравнению

(1)

yt + P yt-\

= ut,

* = . . . , — 1 , 0 , 1 , . . . ,

 

в котором ut — независимые

случайные

величины,

каждая

из кото­

рых

распределена

по

закону N (0,

о2),

а

|Р |< 1 ;

причем

%yt— 0,

щ

= о2/(1 —р2)

и маргинальное распределение^ есть N [0 , о2 (1 —

— р2)]. Совместное распределение величин ylt

..., ут является нормаль­

ным N (0 , 2); его ковариационная

матрица 2 состоит из элементов

аи = о*(— P),s_<l/(1 — Р2), s, t — 1 ,

Т. Соответствующая плотность

представляет

частный

случай (5)

из

§ 6.2 и рассматривалась в

разд. 6.3.3.

этой модели

оценку

максимального правдоподобия

Найдем в

для параметра р. (Эту задачу исследовал Купменс (1942).) Положим

(2 )

Ро= 1 у1

 

(=2

(3)

Ро~ у2\ + Ут,

<4)

Рх = V у у,_и

 

/=■2

Тогда

логарифм функции правдоподобия можно записать в виде

>45)

log L = ± tog (1 - р2) - ± Т log 2я - i - Т log о2 -

— 1 [Р ; + 2рРх + ( 1 + р 2)Р„]/а2.

«.11. ОЦЕНКИ МАКСИМАЛЬНОГО ПРАВДОПОДОБИЯ 389

Его производные по р и <г2 имеют вид

 

 

 

 

<6)

д log L

 

Р

 

Pi

РРо

 

 

 

 

ар -

1 - р 2

 

о2

а2 •

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<7)

д log L

Т

1

,

P'o + W i + U + P lP o

 

 

дФ ~

2

о2

1

 

2а4

 

 

Приравнивая их нулю, получаем

 

 

 

 

 

<8 )

 

 

 

^ + 2pPi + (l+p*)P0

 

 

 

 

о2 -----------------f -------------

 

 

и

 

-

 

 

л

j р'а + 2ВР, +

(• + Р2) Ро \

л

,<9)

(1 -

<4

 

Р2) (Pt + р Р0) +

Р

{- °

у

--- —

) =

О,

<10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Левая

часть

последнего

выражения

положительна

при

0 = —1,

 

 

А

 

Л

 

 

 

 

 

отрицательна при р = 1

и равна —Рх при Р = 0 . Отсюда следует,

что последнее уравнение имеет один нулевой корень при Рг = 0 , один корень между — 1 и 0 при Рг > 0 и один корень между 0 и 1

при /*!< 0.

Кроме того, оно имеет один корень левее —1 и один

— правее

1.

При Г-»- оо это уравнение сходится (по вероятности)

к уравнению

 

 

ill)

 

Р3 + - £ - Р 2 - Р — - ^ = 0 .

 

 

го

*о

Последнее имеет корни Р =

± 1 и —Pt/P0. Более точным прибли­

жением к

соответствующему

решению уравнения (10) является

— (Рг/Ро) (1 -

ИТ). (См. упр. 78.)

Из изложенного вытекает, что в качестве оценки для параметра

Р можно использовать величины —/ у Р 0 или —PJ(P’o + Ро)- Следу­ ет отметить, что кубическое уравнение (11) не имеет простого ре­ шения, например в виде отношения полиномов от Р0, Я, и Р'0.

Но численными методами его решение можно получить сколь угодно

точно.

 

 

 

 

 

« .1 1.2 . Циклическая

модель

 

 

 

Пусть

 

 

 

 

•(12)

у, -f р#_| = и(,

t =

l ,

, Т,

где у0 =

ут, а случайные величины ии

..., иг независимы и каждая

из них

распределена

по закону

N (0,

о2). Плотность совместного

390

СЕРИАЛЬНАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ

Гл. 6.

распределения величин ух, ..., ут у0 равна тогда

 

(,3)

поскольку при переходе от переменных щ к переменным yt по форму­

ле (12) соответствующий якобиан преобразования равен 1 — (—Р)г. Матрица квадратичной формы в (13) представляет собой умноженную на — Va матрицу у0А0 + Yi^i с Ах из разд. 6.5.2 и у0 = (1 + Р2)/о2, Yi = 2 р/а2. Производные логарифма функции правдоподобия рав­ ны здесь

(14)

Г-1

_1_2

 

г

(15)

д log L

да2

 

(Ht+ §yt-\) yt—u

Приравнивая их нулю, получаем следующие уравнения для оценок максимального правдоподобия:

(16)

о2 = -jr [.(1 +

р2) |

tj + 2Р 2 ytyt-

\ ,

(17)

( - рУ 2

ym -x -

( -

У

" 1 2 « ? +

$21«? +

2 у,ш- х- о.

 

t=\

 

 

 

 

 

t=1

t=l

/—1

Если

обозначить через

г

 

циклический

сериальный коэффициент

корреляции

 

 

 

 

г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ytvt-i

 

 

(18)

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/=1

 

 

то эти уравнения можно переписать в виде

 

(19)

 

а2 = у

- 2

yU l + Р 2 + 2рг].

 

 

 

 

1

 

f=I

 

 

 

 

(2 0 )

 

г (— Р)г — (— Р) 7’- 1 + р Ч- г = 0 .

 

Если

г > 0, то

уравнение

(20)

имеет

два действительных корня

л

л

—1/а, а >

 

0 , если Т четное, и три действительных

р =

—а и Р =

 

корня —а, —1/а, 1, если Т нечетное. Если г = 0, то при четном Т действительные корни равны нулю, а при нечетном Т — нулю и еди­ нице. Наконец, если г < 0, то при четном Т действительные корни равны а и 1/а, а > 0, а при нечетном Т и при —(1 —2/Т) < г, они равны а, 1/а и 1, но лишь 1 при — cos л/Т < г < —(1 — 2/Г). По­

6.11.

ОПЕНКИ МАКСИМАЛЬНОГО ПРАВДОПОДОБИЯ

391

скольку взаимно обратные величины Р (при соответствующим об­ разом скорректированных а®) определяют один и тот же процесс, можно ограничиться отысканием корня, лежащего между — 1 и 1.

(Корень, равный 1, не дает абсолютного максимума L.) Можно пока-

л

зать, что асимптотически корнем второго уравнения является р =

л

= —г (ввиду того что тт-*■0 иРг -»-0по вероятности). (См. упр. 85.) Можно также показать, что критерий отношения правдоподобия для проверки гипотезы Р = 0 основывается на статистике

1 - ( - р ) г

Указанная гипотеза отвергается, если (2 1 ) меньше надлежащим образом выбранной постоянной.

Отметим, что каждый корень уравнения (20) как функция от г не является рациональной функцией. Метод, основанный на макси-

А

муме правдоподобия (использующий Р), можно аппроксимировать приближением, описанным в предыдущих параграфах (использую­ щим г). (Эти задачи исследованы Диксоном (1944).)

Уравнение (12) можно переписать в виде (I + РВ') у = и, эквивалентном представлению

(2 2 )

 

 

у - а + рВ 'Г'и.

 

 

 

Поскольку Вг = I, то

 

 

 

 

 

 

(23)

(1 +

рВ')-1=

2 ( - P)sВ'5+

( -

р)г (1 + РВ'Г1

 

ИЛИ

 

 

s=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(24)

(I +

РВ' ) - 1 =

у

2

( -

РГ В'5.

 

 

 

 

 

1 — (— р)

s=” 0

 

 

 

 

Поэтому ковариационная матрица для у имеет вид

 

 

(25)

 

% ' =

(I + РВ')"1 8 uu' (I + РВ) " 1 =

 

 

 

 

 

 

Г-1

 

 

 

 

 

 

[1 -( - Р )Г1*

2

(— р)5+ ,в,-! =

 

 

 

 

 

5,1=0

 

 

 

 

 

 

 

 

Г-1

2 (— Р) +'в г,

 

 

 

 

[1 - Н Р П *

 

2

 

 

 

 

r-^T-l)stsr

 

 

где

Sr =* { 0,

1, .... Т — 1 — г) для г >

0 и Sr = {—г,

—г +

1,...

.... Т — 1} для г < 0. Здесь использован тот факт, что

В'* =

В- *.

Замечая еще, что В~? = Вг-?, получаем

 

 

 

392

 

 

 

СЕРИАЛЬНАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ

 

 

 

 

 

 

Гл. 6.

 

 

 

 

 

7 -1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(26)

Луу' ----------{ S

( - Р)й 1+ 2 [Г2 *(

 

-

 

R*

 

'

'

"

[1 — (— р)г 1*

U ± o v

v'

 

?= iL

s=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2s—qо —Я

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 2 ( - P ) 2S_ , B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s=Q

 

 

 

 

 

 

 

[ i - ( - P ) r i2 ( i - p 2)

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X {(1 -

P27 ) I +

7 —1

 

p )e -

 

 

Р)2Г" ,1 <B« +

B~<)

 

 

 

T%

[

( -

(

-

 

 

=

---------------- °4---------------- | ( i

-

p27)

i

+

 

2

(

-

P )*U

+

 

 

 

H - ( - P ) rl2 ( l - p 2) l

 

H

 

 

 

£?i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

( -

P)r~ 2* -

(

-

P)r

-

(

-

P)2 r _ 2 ,l B*j -

 

 

=

----------- 4 -----------{[1

+ ( — 0 )r]l +

 

 

 

 

 

 

 

 

[ l - ( - P ) r] ( l - p 2)

\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ Г> '[( - Р )? +

( - Р ) Г_в1 в 4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<7=1

 

 

 

 

 

 

)

Ковариация между yt и yt+н равна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(27)

а (А) =

%ytyt+h =

(- P )ft+ .jr~p)r~h

 

а2,

А =

 

0 ,

1,

Т — 1.

\

/

u

mut+n

(1 _

(_ р)Г]

(1 _

р2)

 

 

1

 

 

 

 

 

 

Соответствующая корреляция 1(—Р)л + (—Р)г-Л 1/П +

(—Р)Г] скла­

дывается из двух членов, один из которых зависит от интервала

времени между t

и / + h,

а другой — от интервала времени между

/

и / +

А — Т.

Матрица

(26) является обратной для [(1 4- Р2)1 -Ь

+

Р (В

+ В')]/о2.

 

6.12.ОБСУЖДЕНИЕ

На основе сериальных коэффициентов корреляции первого по­ рядка можно построить процедуры проверки нулевой гипотезы о независимости уъ ут против альтернативы, состоящей в том, что эти величины коррелированы во времени. В предположении нор­ мальности, проверка такой гипотезы может производиться с заранее выбранным уровнем значимости. Для проверки гипотез о зависимос­ ти более высокого порядка могут быть использованы частные се­ риальные корреляции.

В гл. 10 мы обсудим критерии для проверки независимости и критерии для проверки гипотез о порядке зависимости в случае» когда %yt = / (t) является нетривиальным трендом.