平稳性的直观解释

机器算法验证 时间序列 平稳性 直觉
2022-01-30 05:11:25

我脑子里一直在和平稳性搏斗……你是这样想的吗?任何意见或进一步的想法将不胜感激。

平稳过程是一种生成时间序列值的过程,使得分布均值和方差保持不变。严格来说,这被称为弱形式的平稳性或协方差/平均平稳性。

平稳性的弱形式是时间序列在整个时间内具有恒定的均值和方差。

简单来说,从业者说平稳时间序列是没有趋势的 - 围绕恒定均值波动并且具有恒定方差。

不同滞后之间的协方差是恒定的,它不依赖于时间序列中的绝对位置。例如,t 和 t-1(一阶滞后)之间的协方差应始终相同(1960-1970 年期间与 1965-1975 年期间或任何其他期间相同)。

在非平稳过程中,序列没有恢复到长期均值;所以我们说非平稳时间序列并不意味着恢复。在这种情况下,方差取决于时间序列中的绝对位置,并且随着时间的推移方差趋于无穷大。从技术上讲,自相关不会随时间衰减,但在小样本中它们确实会消失——尽管速度很慢。

在静止过程中,冲击是暂时的,会随着时间消散(失去能量)。一段时间后,它们对新的时间序列值没有贡献。例如,发生在很久以前(足够长)的事情,例如第二次世界大战,产生了影响,但是,如果今天的时间序列与第二次世界大战从未发生过一样,我们可以说冲击失去了能量或消散。平稳性尤其重要,因为许多经典计量经济学理论都是在平稳性假设下推导出来的。

一种强大的平稳性形式是时间序列的分布与波谷时间完全相同。换句话说,原始时间序列的分布与滞后时间序列(任意数量的滞后)甚至时间序列的子段完全相同。例如,强形式还表明,即使对于 1950-1960 年、1960-1970 年的子段,甚至是 1950-1960 年和 1950-1980 年这样的重叠时期,分布也应该相同。这种形式的平稳性之所以称为强平稳性,是因为它不假设任何分布。它只是说概率分布应该相同。在平稳性较弱的情况下,我们通过均值和方差来定义分布。我们可以做这个简化,因为我们隐含地假设了正态分布,正态分布完全由其均值和方差或标准差定义。这只不过是说序列的概率度量(在时间序列内)与相同时间序列内的滞后/移位值序列的概率度量相同。

2个回答

首先,重要的是要注意平稳性是过程的属性,而不是时间序列的属性。您考虑一个过程生成的所有时间序列的集合。如果该集合的统计特性¹(均值、方差等)随时间保持不变,则该过程称为平稳过程。严格来说,不可能说给定的时间序列是否是由平稳过程生成的(但是,在一些假设下,我们可以很好地猜测)。

更直观地说,平稳性意味着您的过程没有明显的时间点(影响您观察的统计属性)。这是否适用于一个给定的过程,关键取决于你认为什么是你的过程的固定或可变的,即你的集合中包含什么。

非平稳性的一个典型原因是与时间相关的参数——它允许通过参数的值来区分时间点。另一个原因是固定的初始条件。

考虑以下示例:

  • 在给定时间从一辆经过的汽车传到我家的噪音不是一个静止的过程。例如,当汽车就在我家旁边时,平均振幅²最高。

  • 如果我们忽略交通强度的时间依赖性(例如,晚上或周末的交通量较少),街道交通到我家的噪音通常是一个平稳的过程。不再有明显的时间点。虽然单个时间序列可能存在强烈波动,但当我考虑该过程的所有实现的集合时,这些波动就消失了。

  • 如果我们包括对交通强度的已知影响,例如夜间交通较少,则该过程再次是非平稳的:平均幅度²随着每日节奏而变化。每个时间点都以一天中的时间来区分。

  • 一锅沸水中的单个胡椒粒的位置是一个静止的过程(忽略由于蒸发而导致的水分流失)。没有明显的时间点。

  • 一锅开水里一颗胡椒粒的位置正好落在中间t=0不是一个平稳的过程,因为t=0是一个显着的时间点。花椒的平均位置总是在中间(假设一个对称的锅没有区分方向),但是在很小)时,我们可以确定对于每个过程的实现,花椒都在中间附近的某个地方,而在稍后的时间,它也可以更靠近锅的边界。t=εε

    因此,职位的分布会随着时间而变化。举一个具体的例子,标准偏差会增加。分布很快收敛到前面例子的各个分布,如果我们只看一下这个过程,因为具有足够高的,我们可以忽略非平稳性并将其近似为所有目的的平稳过程 -初始条件的影响已经消失。t>TT


¹出于实际目的,这有时会简化为均值和方差(弱平稳性),但我认为这对理解这个概念没有帮助。在您理解平稳性之前,请忽略弱平稳性。
² 是音量的平均值,是实际声音信号的标准差(这里不用太担心)。

为清楚起见,我要补充一点,任何数据点在时间上以恒定均值和方差正态分布的时间序列都被认为是平稳时间序列,因为给定均值和标准差,正态分布将始终具有相同的概率分布曲线(正规方程的输入仅取决于均值和标准差)。

对于 t 分布,情况并非如此,例如,t 分布方程的输入是 gamma,它会影响分布曲线的形状,尽管均值和标准偏差恒定。