在时间序列中测试稳定性

机器算法验证 时间序列 机器学习
2022-03-26 11:24:30

当给定的时间序列稳定时,是否有标准(或最佳)方法进行测试?


一些动机

我有一个输出值的随机动态系统xt在每个时间步tN. 该系统在时间步之前有一些瞬态行为t然后稳定在某个平均值附近x有一些错误。没有t,x,或者我知道错误。我愿意做一些假设(比如高斯误差x例如)但我需要的先验假设越少越好。我唯一确定的是,系统只有一个稳定点收敛,并且稳定点周围的波动比瞬态期间的波动要小得多。这个过程也是单调的,我可以假设x0附近开始0并爬向x(在稳定下来之前可能会稍微过冲x)。

xt数据将来自模拟,我需要稳定性测试作为模拟的停止条件(因为我只对瞬态周期感兴趣)。

精确的问题

只允许访问时间值x0...xT对于一些有限的T, 有没有一种方法可以合理准确地说随机动态系统已经稳定在某个点附近x? 如果测试也返回,则加分x,t,以及周围的错误x. 但是,这不是必需的,因为在模拟完成后有简单的方法可以解决这个问题。


天真的方法

首先出现在我脑海中的幼稚方法(例如,我已经将其用作某些神经网络的获胜条件)是选择参数TE, 那么如果最后T时间步长没有两点xx这样xx>E然后我们得出结论,我们已经稳定下来。这种方法很简单,但不是很严格。这也迫使我猜测什么是好的价值TE应该。

似乎应该有一种更好的方法来回顾过去的一些步骤(或者可能以某种方式折扣旧数据),根据这些数据计算标准误差,然后测试是否有其他一些步骤(或其他折扣方案)时间序列没有超出这个误差范围。我将这样一个稍微不那么天真但仍然简单的策略作为答案


感谢您提供任何帮助或对标准技术的参考。

笔记

我还将这个问题按原样交叉发布到MetaOptimize,并以更模拟的方式对Computational Science进行了描述。

4个回答

这个简短的评论远非完整的答案,只是一些建议:

  • 如果您有两个行为不同的时间段,则不同指模型参数的差异(在此特定情况下不相关),均值或方差或时间序列对象的任何其他预期特征(xt在您的情况下),您可以尝试任何可以估计结构(或流行病)变化的时间(间隔)的方法
  • 在 R 中有一个用于线性回归模型结构变化的strucchange 虽然它主要用于测试和监控线性回归参数的变化,但一些统计数据可用于时间序列中的一般结构变化。

当我读到您的问题时,“稳定点周围的波动比瞬态期间的波动要小得多”,我从中得到的是一个请求,即检测错误的方差何时以及是否发生了变化,如果是,何时发生!如果这是您的目标,那么您可以考虑查看 R. Tsay 的工作或“时间序列中的异常值、水平偏移和方差变化”,《预测杂志》第 7 卷,1-20 (1988)。我在这方面做了相当多的工作,发现它在产生良好的分析方面非常有成效。在我看来,假设独立观察且没有脉冲异常值和/或没有电平变化或本地时间趋势和时不变参数的其他方法(例如 ols/线性回归分析)是不够的。

我正在更多地考虑这个问题,并认为我会稍微增强天真的方法作为答案,希望人们知道这个方向的更多想法。它还使我们无需了解波动的大小。


实现它的最简单方法是使用两个参数(T,α). yt=xt+1xt是时间步长之间时间序列的变化tt+1. 当系列稳定在x,y将在零附近波动,并带有一些标准误差。这里我们假设这个错误是正常的。

拿最后一个T,yt's 并自信地拟合高斯α使用 Matlab 的normfit之类的函数。合身会给我们一个平均值μα均值的置信误差Eμ和标准差σ有相应的错误Eσ. 如果0(μEμ,μ+Eμ),那么你可以接受。如果你想更加确定,那么你也可以重新规范化ytσ你发现(所以你现在有标准偏差1) 并使用Kolmogorov-Smirnov测试在α置信水平。


这种方法的优点是,与天真的方法不同,您不再需要了解平均值周围的热波动幅度。限制是你仍然有一个任意的T参数,我们必须假设噪声的正态分布(这不是不合理的)。我不确定这是否可以通过一些加权平均值和折扣来修改。如果期望使用不同的分布来模拟噪声,则 normfit 和 Kolmogorov-Smirnov 检验应替换为该分布的等效项。

您可能会考虑向后(使用滚动窗口)测试与x长期平均值之间的协整。

什么时候x在均值附近翻滚,希望窗口化的 Augmented Dickey Fuller 检验或您选择的任何协整检验会告诉您这两个系列是协整的。一旦您进入过渡期,两个系列彼此偏离,希望您的测试会告诉您窗口系列不是协整的。

这种方案的问题是在较小的窗口中更难检测协整。而且,一个太大的窗口,如果它只包括过渡期的一小部分,会告诉你窗口系列在不应该的时候是协整的。而且,正如您可能猜到的那样,没有办法提前知道“正确”的窗口大小可能是多少。

我只能说,你必须尝试一下,看看你是否能得到合理的结果。