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
☆

8.2.

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

№

еде

 

 

 

 

 

 

 

 

sin - i -

КТ sin - L

Vf

(73)

k r ( K

2_______2

 

v) =

 

 

 

 

 

2лТ sin — - К sin -1 - v

 

 

 

 

2

2

Д оказательство.

Так как (для ц = 0 )

 

(74)

2я77 (Я) =

£

y ty s (cos Xt cos Яs +

sin Xt sin Xs) ■

 

=

2

ytyscos X (t

s) =

2 ytys(Mt-s)

 

 

Usssz1

*,s=l

(75)

ст(р — r ) =

n

 

 

Я

J cos v(p — r)/(v)dv =

j ^ P -o fty d v ,

то имеем

(76)(2nTf Cov [/ (Я), / (Я')] =

=

^

 

 

Coy (ytys,

yt,ys,) =_

 

=

2

^(/-s)+a'«'-s') [CT(/ _

a (s __ s,) ,

 

f,S,/',S'=al

 

 

 

 

 

+

<J(f — s')<J(s— /') + K (s— t,

t' — t,

S '_ f ) ] = ,

 

Я

Я

т

 

 

 

=

(

(

V

[^v«—/')^M<S—s')

,

 

 

 

 

 

 

+

_)_ ^v«-s')efiKs-<')] ^(v) / (p.) dvdfx -f-

т

+2 cosM* — s)cosX'(f — s')x(s — t t' — t

/.S,/',S'=I

’

’

Я я

sin - i - (fl _ Я) Г s i n - L ( V - v ) T

s i n - l ( X + v ) r

—

i

(^ +

—

~ т ~

(fx---------

Я#) ------

sin

-----------— X

■И- я - л Ь

sin —

v)

sin

(X' — v)

s in - i- ( V

+

n ) r

sin - j - (Я +

v) Г sin - L

(ц

X)T

X ----------

;-------------------

 

 

1-

 

 

9

 

 

sin ~

(Г + ц)

 

s in - i- (^

+

v)

 

 

494 ВЫБОРОЧНЫЕ СРЕДНЕЕ, КОВАРИАЦИИ И СПЕКТРАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ Гл. 8.

sin

(А/ — ц) Т

sin

(V + v) Т

X

 

 

/ (v) / (р) dvdp +

sin

(А/ — р)

sin ~

(А/ + v)

+2 c o sk (t-s)c o s k '(t'— s')x(s— t,t' — t,s'-* t) =

 

<f s , t ' , s '= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

(v +

к) Т

 

 

1

 

 

 

ч2

 

 

я sin —

sin — (v — V) Г

 

 

 

 

f

sin -i- (V +

 

 

 

 

 

• / (v) dv

+

 

A,)

 

sin -J - (v — A/)

 

 

 

 

 

p sin - i -

(v + A,) T

sin —

(v +

A,') T

 

 

 

 

+ {

—

-------------------- \ -------------- f(y)dv

“Ь

 

 

J sin —

(v’

+ A,)

 

sin —

(v +

V)

 

 

 

 

+

2

cosA,(^ — s)cosX'(t’ — s')x(s — t ,

V —4, s '— t),

 

t , S , t ' , S ' = 3 ,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

откуда и следует (72).a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Другая форма записи для ковариации имеет вид

 

(77)

Cov (/ (А.), / (Я')) =

- i -

 

^

 

Cov (cr, ср) cos кг cos к’р =

 

 

 

 

 

r,p=.—(T—t)

 

 

 

 

 

 

1

 

( г * 1

Г

- И

Т — |pI

 

 

 

 

 

=

 

2

 

 

2

2

и * — s)o(*— s - f |/ - | - |р |)+

 

 

 

М

1 = - ( Г - | )

/= 1

S=1

 

 

 

 

 

 

 

 

+ а (^'—S — I Р I) <y(t — S +

I г |)+

 

 

 

 

+

K (|r|,

S— t, s — t +

|р|)] coskrcosk'p.

Так как к,т(Я, Я) = kT (Я), то (72) для Я =

к' запишется следую-

щим

образом:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(78)

Var [/ (Я)| — I

Сk T (v 4 - A,

v — Я) / (v) d v

+

 

 

 

- U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*Ь £ J кт(v • • Я) / (v) dv

+

 

 

 

 

 

 

4л2Т5‘

2

 

cos ^ V — s) cos

 

— s>) X

 

 

X и(« — t,

 

 

 

s' — 0 =

 

 

 

JЛ

(v -f. A, v — Я) f (v) dv + 18/(Я)|* +

8.2. ОПРЕДЕЛЕНИЯ 495

+ 4^ 2 COS %(t — s) cos A (t1— s') X

x x ( s - t , t’ — t, s '- t ) .

Нам будет полезно также знать ковариации косинус- и синуспреобразований А (А) и В (А).

Т е о р е м а

8.2.9.

 

 

 

 

 

 

 

 

(79)

 

 

 

 

 

 

Cov \А (А),

А (А')] =

 

 

 

— ■Щ-

j fкт(v — A', v +

A) cos

(А' +

А) (Т + 1) -{-

 

 

 

‘-Я*-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ kT( v - K , v - A ) c o s - i - ( A '- A ) ( r +

l)]/(v)dv,

(80)

 

 

 

 

 

Cov [А (А),

В (A')] =

 

 

 

~

 

j

f

(v — A',

v +

A) sin

(A' + A) (T + 1) -f-

 

 

 

Jle

^

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ kT(v -

A', v -

A)sin 4 - (A' — A) (T +

1)] f (v) dv,

(81)

 

 

 

 

 

 

Cov [5 (A),

В (A')] =

 

 

 

= - y -

jU r ( v

+ A,

v +

A')cos -j- (A ■— А')(Г-f 1) —

 

 

— M v +

A,

v — A')cos4 - (A + A')(7* +

l)l/(v)dv .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

£

 

i

Д о к а з а т е л ь с т в о .

 

Имеем

 

 

 

 

 

(82)

g A (A) A (v) +

i%A (A) В (v) =

8 A (A) [A(v) +

iB (v)] =

= -ft

]>jO(t — s) cos Atet™ —

 

 

 

 

 

1

t,s= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

~W

f

2

^ tl(<~s,+'vs cos ktf (p) d[n =

 

 

 

 

я

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f((i)dp =

sin _ _ (v — Ц)

496 ВЫБОРОЧНЫЕ СРЕДНЕЕ, КОВАРИАЦИИ И СПЕКТРАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ Г Л. 8.

 

4

p sin-2-(v -fi)T

 

^

 

 

г

^ -^ .[^ W +

=

 

~т*

) ~

i

 

ё r (v-P)(r+l)2

 

(V— |Х)

 

 

 

 

<•=1

 

 

 

 

 

 

 

Л

Sln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

f

s<n —

(v - ц

Г

 

,

Г sin

2

((Я.+ fi) Г j

 

 

-JL

l

----1__

 

J -rr V(T+1) I

 

 

 

__ ё т нт+1) +

 

T*

j

i

--------e

2

L

 

Г

 

 

 

 

sm~

(v—ii)

 

 

sin— (X.+ Ц)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

(к — ц) T

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin —

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ _ J _ ----------- e-

' f Wr+1>

f(n)dy,

 

 

 

 

 

 

 

 

sin —

 

— ц)

 

 

 

 

2

f sin~

 

 

 

sin - i -

(Я, +

|A) T

 

t

 

 

 

г*

)

~

i

 

 

 

2____________e< j - (v+WT+l)

 

 

(V-H)

 

sin —

(Л + ц)

 

 

 

 

 

 

 

J

sin — -

v __

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

1

(X— |i) T

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

f

v (v-W T+l)

f(H)dn,

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

„

 

 

e

2

 

 

 

 

 

 

 

 

sm —

 

(Я, — |i)

 

 

 

(83)

8 A (X) В (v) +

i%B(Я) В (v) =

8

[A (X) +

IB(Я)} В (v) =

 

=

- fr

2

— s )^ s in v s

= - 4

-

 

( 2

 

e'|i(<~s)+'wsin vs/ (^) ф

 

M - i

 

 

 

 

 

1

 

* ,s= l

 

 

 

 

 

 

Я

Г

 

 

sin — ■(X+ JA) T

J

 

 

 

 

 

 

л

 

 

 

 

 

 

 

 

y r

1

\ e~1*5sin vs —

-x-----------ё T л+11)(Г+!)/ (Ц) dji

 

 

 

*L *2 Г

 

 

 

Sin — (Я,+ Ц)

 

 

 

 

 

 

A

f sin“Г

 

^

r

1

 

 

 

'

 

 

1

 

 

 

j r

 

-------------- el T

( ^ « r + D 2

 

 

 

 

 

 

 

 

sin ———(AЯ. -I- |i)Ll)

 

 

s—1

 

 

 

 

 

2

л smin —

i(Х, + ц )Г ,

Г

2

v

__ e'YMr+i)

 

 

9

 

iT*

1 .

1

 

 

L

sin— (Х + ц)

 

 

-----

 

sin - 5- (v — Ц) T .

1_______ _ 6‘Y v(74-l). sin — (v — Ц)

8 .3

АСИМПТОТИЧЕСКИЕ СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ И КОВАРИАЦИИ

497

 

 

 

 

 

sin

(v +

fi) Т

t

 

 

 

 

 

 

2

 

___ e-t т V(T+1) f (ц) Ф =

 

 

 

 

 

sin ~T <v + ^

 

 

 

гЬ

 

---

t1) 7'

sin-L (v — ji)T

,

 

 

2

r

sin-Tr(^ +

 

 

g t y < 4 - v > < r + i ) _ _

 

Г

 

2

 

 

 

 

iT2

1

.

1

ц) |_ sin — (v — |i)

 

 

 

 

_Г„

sin«i

— (Я +

 

 

 

 

 

 

 

 

sin —

(v +

n)?'

,

 

 

 

 

 

 

 

 

J

— ( X . - v ) ( r + l )

/(ц )ф .

 

 

 

 

 

sin —

(v + ц)

 

 

Теорема следует из рассмотрения действительной и мнимой частей (82) и (83). в

8.3.АСИМПТОТИЧЕСКИЕ СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ

ИКОВАРИАЦИИ ВЫБОРОЧНЫХ СРЕДНЕГО, КОВАРИАЦИЙ И СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ

8 .3 .1 . Выборочное среднее

т

Выборочное среднее у = 2 yJT есть несмещенная оценка

fs=sl

величины р = %yt для процесса, стационарного в широком смысле,

т. е. %у = р. Дисперсия величины у была приведена в разд. 8 .2 .2 в виде линейной комбинации величин а (0), ..., а (Т — 1) и в виде взве­ шенного интеграла функции / (А,). Имеем

(1)

ТVar у = J

( l - ^

W ) -

 

г=—(Г—1) '

'

ft sin® - i - XT

=--------f ( X) dk.

J т sin® — X

—я 2

Теорема 8 .3 .1 . Если

(2 )

2

Г = з—OO

m o

(3)

lim T Var у — 2 a (r)-

498 ВЫБОРОЧНЫЕ СРЕДНЕЕ, КОВАРИАЦИИ И СПЕКТРАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ Гл. 8.

Если } (Я) непрерывна при % — 0, то

м) lim Т Var у — 2nf (0).

T-+OQ

Доказательство этой теоремы, использующее сумму в формуле (1), представляет собой частный случай утверждения, что суммиро­ вание по Чезаро сходящегося ряда не меняет его значения. Это эк­ вивалентно следующей лемме.

 

оо

 

 

 

 

 

Л емма 8.3.1. Если 2

а, сходится, то

 

 

(5)

й

2

( , -

т Ь

“ 2

а '-

 

 

Л=1

 

 

г =1

 

 

Д оказательство леммы.

Из

сходимости

2

аг следует, что для

любого положительного е существует

число

Те, такое, что для

каждого Т >

Те

 

 

 

 

 

 

1

(6) 2 аг < - в .

г=Т

Из сходимости следует также, что существует число М, такое, что

(7)

 

 

2 аг < М ,

Г = 1,

2,

 

 

 

 

г=*Т

 

 

 

 

 

Тогда для

Т >

Tt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CO

 

7 - 1

|

o o

 

7 - 1

,

 

7 2

 

a' + 2

rar

(8)

 

 

 

 

r~T

 

r=\

 

“

2

( 1

тг) а'

=

 

T

 

 

 

 

Гша1

 

r=\

X

'

 

 

 

 

 

 

 

7 — 1

оо

оо

 

 

 

 

 

 

2

2 gs +

2 as

 

 

 

 

 

 

Г— 1

S==r-f-l________5 = 1

<

 

 

 

 

 

 

 

 

7V-1

oo

7- 1

< { 2

2 aS +

2к

r—\

S—Г-f-1

CO 1

oo

 

OO

s =2r+ l

+

r=*l2 °r T ~ * <

TM 1

8 .3 .

АСИМПТОТИЧЕСКИЕ СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ И КОВАРИАЦИИ

499

Для Т >

Те п Т > Те = 2 ТеМ/е формула (8 ) меньше е. Это и дока­

зывает лемму, щ

 

Заметим, что абсолютная сходимость (2) не является необходи­ мой для (3).

Второе соотношение для предельной дисперсии следует из пер­ вого, если ряд Фурье для f (А,) сходится к f (0) при X = 0. Тем не ме­ нее мы выведем этот результат непосредственно из интегрального представления в (1), так как такие методы доказательства будут полезны в дальнейшем. Взвешенный интеграл содержит ядро Фейера

 

sin* — XT

<9)

kT (X) ---------- Ц

- .

 

2пТ sin*—

X

 

2

 

Интеграл от kr (X) по (—а, а) равен

В частности,

 

 

Л

 

(11)

 

j kr (X)dX =

1.

 

| sin х | <

—Я

 

Поскольку

1, то

 

(12)

 

кт(Х) < -------- -—j—

 

 

2л Т sin2 — X

и отсюда

 

 

2

 

 

 

(13)

 

lim kj (Я) = 0,

ХфО.

 

 

Т-+ ОО

 

Более того,

так как

sin -j- X возрастает на [0, я), то сходимость

равномерна на любом отрезке [а, я] для а > 0 , т. е.

(14)

кт(А>) ^

--------- j— , 0<С.о ^ |X| ^ я.

 

 

2яГ sin* — а

2

500 ВЫБОРОЧНЫЕ СРЕДНЕЕ, КОВАРИАЦИИ И СПЕКТРАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ Гл. 8.

Таким образом,

Л Л

(15)

Г м я ) < а < { ------ — х— =

—

" ~

у

-*о

 

д

у 2яГ sin2— а

2пТ sin2—

а

 

 

л

 

 

£*

 

при Т -*• оо. Итак, доказана

 

 

 

 

Л емма 8.3.2.

а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(16)

lim

СЛг(Я.)dA. — 1,

0 < а < я ,

 

 

Т-+оо

J

 

 

 

 

 

 

—а

 

 

 

 

 

—а

я

 

 

 

 

(17)

Нго С kf (Я) dX = liro I kj (Я) dX =

0,

О <С. а ^.п .

 

Т~*ооJ

Т-+оо*$

 

 

 

 

 

л

а

 

 

 

 

Одно из утверждений теоремы 8.3.1 вытекает из следующей лем­ мы (формулировка которой дается в достаточно общем виде для того, чтобы ее можно было использовать и в других случаях).

Л емма

8.3.3.

Пусть выполняются

следующие

условия:

Л

 

 

 

 

 

 

£ |Л(Я)|с1Я-< оо, функция Л (Я) непрерывна при

Я = v для неко-

<— Я

 

 

 

 

 

 

торого Т0

 

 

 

 

 

 

(18)

$ /г (Я )Л = 1 ,

Г - Т о , - . . .

 

 

 

«—Я

 

 

 

 

 

существуют число К и целое число Т1г такие, что

 

 

(19)

J | /г (Я)

Т = Тг...........

 

 

 

—Я

 

 

 

 

 

и для некоторого Тг

 

 

 

 

 

(20)

11т(Я) | ^

ттп (а),

|Я — v | ~^а,

Т =

Тг, . ..

у

для каждого а > 0 , а п (а) — монотонно невозрастающая функция

от а для 0 < а <

я,

тт-*-0 при Т -*■ оо.

Тогда

 

 

(21)

lim

\ h(X)lT(X)dX = h(v).

 

Т-*оо •

 

 

—Я

Д оказательство.

Предположим, что — я <С v < я. Для заданно­

го в существует 8 ,

такое, что | h (Я) — h (v) | < е при | Я — v | < 8 .

Из (18) и (20) получаем по аналогии с доказательством леммы 8.3.2

V + 6

8 .3 .

АСИМПТОТИЧЕСКИЕ СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ И КОВАРИАЦИИ

50 £

 

Тогда

(23)

V+6

 

\ [А (Я)— A(v)l X

■ h{X)lT (X)dX— A(v) | lT(X)dX =

1

V—6

v - 6

J -

V—б

 

 

 

V+6

 

X W(^) ^

<

j

| А (Я) — A (v) 11 IT (Я) | dX < Кг, T = Тг............

 

 

V—6

 

Для T >• T2

имеем

 

 

V—б

h(X)lT(X)dX+ f

А (Я) 1Т(Я) dX

(24)

j

 

 

 

V-f6

 

 

 

 

V—б

J | Л (Я) | dX n(b),

 

< m T

J | Л (Я) dX -j-

 

 

 

 

v+e

а последнее стремится к 0 при Т -*■ оо. Доказательства для случаев v = — л и v = л проводятся аналогично. Заметим, что из (18) сле­

дует (19) для К = 1, если

1т(Я) > 0 . щ

 

Доказательство формулы

(4)

представляет собой частный слу­

чай леммы 8.3.3, когда Л (Я) =

2 я / (Я) и 1т(Я) =

Аг (Я).

Оба условия теоремы

8.3.1

2 о W <

00 и непрерывность.

Lг= *= — о о

/(Я) при Я = oj вытекают из предположения

(25) 2 И г ) | < оо.

8 .3 .2 . Выборочные ковариации

Если среднее значение р известно, то СА, определенное формулой

(7) §8.2, является несмещенной оценкой о (А), А = О, 1, ..., Т — •— 1. Оценка ch= (Т— | Л | ) СН!Т имеет смещение — | Л | a(h)IT, и для

любого А предел смещения равен 0 при Т

оо.

В разд. 8.2.2 было показано, что когда

р неизвестно, матема­

тические ожидания оценок С\ и Сь являются линейными комбина­ циями величин a (0), .... о (Т — 1). Отсюда, вообще говоря, следует, что они смещены. Покажем, что это смещение имеет порядок 1/ 7’. Действительно, смещение приблизительно в 1/7 раз отличается отвеличины

S02 ВЫБОРОЧНЫЕ СРЕДНЕЕ, КОВАРИАЦИИ И СПЕКТРАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ Гл. 8.

предел которой равен — 2 ° (г)> если последний ряд сходится.

Гая— ОО

Разность между а (h) и 8 С*н, как видно из формулы (50) § 8.2, со­ держит три члена. Последний из них совпадает с выражением (26), умноженным на —МТ. Второй и третий члены дают в сумме

T — h

Т

la (t — s) + a (t + h — s)]/[T (Т — h)l Поскольку

— 2

2

/=1

S=I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<27)

T — h

Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t— I

s= I

 

 

 

 

2

a ( * - s)

 

 

 

 

 

 

 

/,s=«l

 

 

 

 

 

T

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

a(f — s)

 

 

 

 

 

t = T - h + l

s = l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

(h - \r \)o (r ) + h T% o(r) +

2

iT - r ) a (r )

 

r— (ft—1)

 

 

 

 

 

r=0

 

r=T—h+1

 

 

 

 

 

 

ft—1

 

 

 

 

 

 

 

* 2

® W +

2

(Л — r)o (r)

 

 

 

 

r= 0

 

 

 

r= 1

 

 

 

 

 

 

когда T -*■ oo, если 2

° (r) < °°.

то смещение, умноженное на T,

 

 

 

 

 

ОО

r= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

(г)- Аналогично можно получить и другие оцен-

■сходится к —

 

2

 

 

 

Г——ОО

 

 

 

 

 

 

ки, такие,

как

Сь.

 

 

 

 

 

 

Теорема 8.3.2.

Если

2

° (г) <

°°,

то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г= —оо

 

 

 

<28)

Нш Т [gCft — а (Л)] =

lim Т [8 Cft— а (Л)] =

— f j а (г).

 

Т

ОО

 

 

 

 

 

 

Г -О О

 

 

Ггав—-ОО

Если f (%) непрерывна при X = 0, то

 

 

 

<29)

 

lim Т [gCft— а (Л)] = lim Т [8 Cft— а (Л)] = — 2лf (0).

 

 

7V*>oo

 

 

 

 

 

Т-*оо

 

 

 

Вернемся теперь к ковариациям оценок. Большинство этих ре­ зультатов было получено Бартлеттом (1935), (1946) и Парзеном (1957b). Из теоремы 8.2.6 имеем

<30) (Г — h) Cov (СЛ, С*) = g—А

= 2 fo Wa + h — &>+ а (r — s )а (г + Щ +

г=0