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编程问答

平稳序列

發布時間:2024/8/1 编程问答 89 豆豆
生活随笔 收集整理的這篇文章主要介紹了 平稳序列 小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

平穩序列中,往往(X1,?,Xn)Xn+1不獨立。所以利用歷史樣本來預測未來時間就有了可能。

一般來講,獲取平穩序列的辦法是:將時間序列的趨勢項和季節項都去掉。只留下隨機項。

首先看一下自協方差函數。它滿足三條性質(稱為非負定序列):

  • 對稱性
  • 非負定性:自協方差矩陣是非負定的。
  • 有界性:|γk|γ0

樣本的自協方差函數:γk^=1NN?kt=1(xt+k?xˉ)(xt?xˉ)

模型與基本數據

  • 平穩序列:如果一個時間序列:二階矩有限,一階矩為常數,自協方差函數對于各個位置相同。這三個角度也是刻畫時間序列的常用角度。
    • 平穩序列的平穩性主要體現在均值不變、方差有限。別的限制很弱。自協方差函數的不變性仍然允許周期性的出現。
    • 平穩序列的周期性:可以體現在它的自協方差函數。
  • 序列相關性:連續n個點上面的自協方差矩陣退化?存在非0的n維實數向量使得這n個點的線性組合的方差為0. 即這n個點的r.v. 線性相關。如果有n個向量線性相關,那么任意n+1個連續隨機變量也是線性相關的。
    • 時間序列的線性變換指的是對每個r.v.進行線性變換,而不是多個r.v.的加和。平穩序列經過線性變換之后仍然是平穩序列。
  • 自相關函數:平穩序列{Xt}標準化后的序列{Yt}的自協方差函數ρk=γk/γ0. 它也是非負定序列。
  • 白噪聲:白噪聲是最簡單的平穩序列,它比正常假設多了一條:二階矩不相關。即Cov(?t,?s)=δt?sσ2
    • 分類:獨立白噪聲、零均值白噪聲、標準白噪聲、正態白噪聲……
    • 白噪聲主要用來描述簡單隨機干擾。
    • Poisson白噪聲:Poisson過程減去均值,就是一個Poisson白噪聲。
    • 布朗運動和正態白噪聲
    • 調和白噪聲(Xt=bcos(at+Ut))注意,它是沒有周期性的。
  • 正交平穩序列:EXtYs=0,?s,t?
    • 對于零均值的平穩序列,正交性與不相關性等價。
    • 正交序列與平穩序列的和的自協方差函數
  • 線性平穩序列
    • 定義:由白噪聲的線性組合構成的平穩序列。
    • 有限運動平均MA:形式為Xt=a0?t+a1?t?1+?+aq?t?q 經過簡單計算我們可以得到它的均值(0)和自協方差函數。我們可以很清楚地定義它為q相關的
    • 推廣到無窮情形,我們需要兩個工具,用來求無窮個r.v.的和的數學期望。如下:
    • 單調收斂定理:非負單調遞增r.v.{ξn}, 如果ξnξ,a.s. 那么Eξ=limnEξn. 即非負單調遞增r.v.序列如果有極限,那么極限與期望(積分)可以交換。
      • 控制收斂定理:幾乎處處有界的r.v.序列,如果有極限,那么期望與極限可以交換,
        • 有上面兩個定理,我們就可以給出線性平穩序列的各種性質了!
    • 線性平穩序列:對于絕對可和的實數序列{at},Xt=?aj?t?j
      • 容易得到,它是零均值的(控制收斂定理) ,自協方差函數γk=σ2?ajaj+k(控制收斂定理)。
      • 一般只要求平方可和,這時仍然是平穩的序列。(平方可和弱于絕對可和)
      • 若一個序列是零均值白噪聲的線性組合,系數序列平方可和,那么自協方差函數γk0
      • (當然,我們也可以取單面滑動平均。這也是應用時間序列分析中最常用的方法)
    • 時間序列的線性濾波

      • 線性低通濾波器
      • 例子:保時線性濾波器。絕對可和的H={hj}。經過它可以輸出Yt=?HjXt?j. 它是平穩的。有自協方差函數:γY(n)=j,k=?hjhkγn+k?j.
    • 嚴平穩序列

      • 同分布時間序列的定義:對兩個時間序列的任意有限維時間采樣,都是同分布的。
      • 嚴平穩序列:任意的k,n,連續n個采樣和向后平移k個位置的兩個r.v.是同分布的。即平移不變性。對任何多元函數?(x1,?,xm)Yt=?(Xt+1,Xt+2,?,Xt+m)仍然是嚴平穩序列。
    • *嚴平穩序列的遍歷性:意義是 從一次實現x1,x2,?可以推出所有有限維分布F(X1,?,Xm). 對于嚴平穩遍歷序列{Xt}我們有遍歷定理如下:

      • 強大數律:若一階矩有限,那么樣本均值收斂到均值,a.s.
      • 對于任何多元函數?(x1,?,xm)Yt=?(Xt+1,?,Xt+m)為嚴平穩序列。
        另有嚴平穩遍歷序列的判定定理:如果{?t}is?iid?WN(0,σ2),j=1a2j<,那么Xt=?aj?t?j,是嚴平穩遍歷序列。
        也就是說,如果一個序列是嚴平穩遍歷的,那么在幾乎必然的意義下,基于每一次觀測都可以決定序列的有限維分布
    • 平穩序列的譜函數

      這個東西是類似于單個隨機變量的分布函數或密度函數存在的。平穩序列的二階統計性質可以由它的 譜分布函數譜密度函數刻畫

      • 譜分布函數:如果平穩序列有自協方差函數{γk},
      • 如果有[?π,π]上的單調不減右連續函數F(λ),使得γk=?eikλdF(λ),F(?π)=0,k?
      • 如果有[?π,π]上的非負函數f(λ),使得γk=?f()λ(eikλdλ,那么f(λ)就是譜密度函數。
      • 平穩序列的譜函數總是唯一存在的!(Herglotz定理)(a.s.意義下)。
      • Xt=?aj?t?j有譜密度f(λ)=σ22π|ajeijλ|
      • 正交序列的線性組合的譜函數等于對應的譜函數的線性組合。

      思考

    • 自協方差矩陣非負定性的證明?
    • Schwarz不等式的證明?
    • 自協方差函數有界性的證明
    • 零均值白噪聲的線性組合序列的自協方差函數γ0
    • 平穩序列的例子

    • 調和平穩序列 Xt=bcos(at+U)

    總結

    以上是生活随笔為你收集整理的平稳序列的全部內容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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