ハミルトンからのARMA(p、q)の状態空間表現


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私はハミルトンの第13章を読んでおり、彼はARMA(p、q)に対して次の状態空間表現を持っています。ましょう次のように.ThenはARMA(P、Q)プロセスである: \ {整列} y_tを開始- \ MU&= \ phi_1(Y_ {T-1} - \ MU) + \ phi_2(y_ {t-2}-\ mu)+ ... + \ phi_3(y_ {t-3}-\ mu)\\&+ \ epsilon_t + \ theta_1 \ epsilon_ {t-1} +。 .. + \ theta_ {r-1} \ epsilon_ {t-r + 1}。\ end {aligned} 次に、状態方程式を次のように定義します。r=max(p,q+1)

yt−μ=ϕ1(yt−1−μ)+ϕ2(yt−2−μ)+...+ϕ3(yt−3−μ)+ϵt+θ1ϵt−1+...+θr−1ϵt−r+1.

ξt+1=[ϕ1ϕ2…ϕr−1ϕr10…00⋮⋮…0000…10]ξt+[ϵt+10⋮0]

そして観測方程式は次のようになります:

yt=μ+[1θ1θ2…θr−1]ξt.

この場合、ξtが何であるかわかりません。彼のAR(p)表現では[yt−μyt−1−μ⋮yt−p+1−μ]および彼のMA(1)表現では、それは[ϵtϵt−1]です。

誰かがこれをもう少しよく説明してくれませんか?

回答:


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ハミルトンはこれが本の正しい表現であることを示していますが、このアプローチは少し直観に反しているように見えるかもしれません。したがって、最初に彼のモデリングの選択を動機付ける高レベルの答えを与えてから、彼の派生について少し詳しく説明します。

動機:

第13章を読むことで明らかになるように、動的モデルを状態空間形式で書く方法はたくさんあります。したがって、ハミルトンがこの特定の表現を選択した理由を尋ねる必要があります。その理由は、この表現は状態ベクトルの次元を低く保つためです。直感的には、ARMA(、)の状態ベクトルは少なくとも次元である必要があると考えるでしょう(少なくとも私はそう思います)。結局のところ、言うを観察しただけでは、値を推測することはできません。それでも彼は、次元空間の状態ベクトルをままにする巧妙な方法で状態空間表現を定義できることを示していますpqp+qyt−1ϵt−1r=max{p,q+1}。状態の次元を低く保つことは、計算の実装にとって重要かもしれません。彼の状態空間表現もARMAプロセスの優れた解釈を提供していることがわかります。観測されていない状態はAR()ですが、MA()の部分は測定エラーが原因で発生します。pq

導出:

次に、派生について説明します。まず、ラグ演算子表記を使用して、ARMA(p、q)は次のように定義されます: 我々はせのために、およびのためにと我々省略ので、少なくともある。したがって、私たちが示す必要があるのは、彼の状態方程式と観測方程式が上記の方程式を暗示することだけです。状態ベクトルを とすると、状態方程式。方程式から

(1−ϕ1L−…−ϕrLr)(yt−μ)=(1+θ1L+…+θr−1Lr−1)ϵt
ϕj=0j>pθj=0j>qθrrq+1
ξt={ξ1,t,ξ2,t,…,ξr,t}⊤
2r単にエントリ移動に 1つ前の期間と廃棄で状態ベクトルで。したがって、定義する最初の方程式が関連します。: の第2の要素のでの最初の要素であるとの第三の要素ありますの最初の要素ξi,tξi−1,t+1ξr,tt+1ξi,t+1
ξ1,t+1=ϕ1ξ1,t+ϕ2ξ2,t+…+ϕrξr,t+ϵt+1
ξtξt−1ξtξt−2ラグ演算子表記を使用してラグ多項式を左側に移動すると、これを書き換えることができます Hの式13.1.24):( したがって、非表示状態は自己回帰プロセスに従います。同様に、観測方程式は または これは、これまでのところARMAにはあまり似ていませんが、いい部分:最後の方程式に:
(1−ϕ1L−…−ϕrLr)ξ1,t+1=ϵt+1
yt=μ+ξ1,t+θ1ξ2,t+…+θr−1ξr−1,t
yt−μ=(1+θ1L+…+θr−1Lr−1)ξ1,t
(1−ϕ1L−…−ϕrLr)
(1−ϕ1L−…−ϕrLr)(yt−μ)=(1+θ1L+…+θr−1Lr−1)(1−ϕ1L−…−ϕrLr)yt
しかし、(1周期遅れた)状態方程式から、ます!したがって、上記は これは、表示する必要があったものです。したがって、状態観測システムはARMA(p、q)を正しく表します。私は本当にハミルトンを言い換えただけですが、とにかくこれが役に立つことを願っています。(1−ϕ1L−…−ϕrLr)ξ1,t=ϵt
(1−ϕ1L−…−ϕrLr)(yt−μ)=(1+θ1L+…+θr−1Lr−1)ϵt

でも、私は州の解釈で完全に売れたわけではありません。状態遷移方程式の最初の行を書くと、仮定されたモデルと矛盾する方程式のように見えます。また、観測されたデータが同時に非表示/潜在的であると想定しているのも奇妙です。
— テイラー

あなたは正しいです、状態は確かにと同じではありません。これを指摘してくれてありがとう。私はそれを修正しました、今は大丈夫です。ところで、一般的に、状態ベクトルの変数を観察することができました。たとえば、AR(p)の例を参照してください。そこで、隠し変数は次の期間の値と考えることができます。ytyt+1
— Matthias Schmidtblaicher 2017

ありがとうございました!しかし、この状態空間表現に含まれるは、まだ混乱しています。たとえば、式13.1.15および13.1.14 での定義とAR(p)およびMA(1)プロセスではありません。これをmatlabに入れると、何の数値が表示されるのでしょうか。ξξξ
— 17:45にdleal

ここで混乱しているのは、状態空間モデリングが非表示の状態に関係しているのに対し、ARMAプロセスでは変数を非表示と見なしていないことです。状態空間表現と(カルマン)フィルタリング手法は、監視されていない状態をフィルタリングすることによって動機付けられます。ARMAプロセスの場合、カルマンフィルターを使用してパラメーターを推定できるように、状態空間モデルの定式化を使用します。したがって、13.1.4では次の期間の観測値として13.1.4で隠された状態をいくらか任意に定義しますが、13.1.22では、状態は元のモデルに表示されない新しい変数です。yt+1
— Matthias Schmidtblaicher 2017

Matlabに関する質問に答えるには、ARMA(p、q)から始める場合、はそのモデルに表示される変数ではありません。ただし、状態空間表現は実際にはARMA(p、q)の異なる解釈を提供します。非表示の状態は、関心のある変数である可能性があり、MA(q)構造は測定エラーのために発生します。AR(1)を書き留め、ARMA構造が発生することを確認するためにホワイトノイズを追加できます。ξ
— Matthias Schmidtblaicher 2017

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これは上記と同じですが、より短く、より簡潔な答えを提供したいと思いました。繰り返しますが、これは因果的なARMA(、)プロセスのハミルトンの表現です。ここで、です。この番号は、状態ベクトルの次元であり、の行数を作成するために必要です状態は、観測行列の列数と一致します。つまり、インデックスが大きすぎる場合は常に係数をゼロに設定する必要があります。pqr=max(p,q+1)r(ξt,ξt−1,…,ξt−r+1)′

  1. 観測方程式

ϕ(B)(yt−μ)=θ(B)ϵt(causality)⟺(yt−μ)=ϕ−1(B)θ(B)ϵt⟺yt=μ+ϕ−1(B)θ(B)ϵt⟺yt=μ+θ(B)ϕ−1(B)ϵt(letting ξt=ϕ−1(B)ϵt)⟺yt=μ+θ(B)ξt(this is where we need r)⟺yt=μ+[1θ1θ2…θr−1][ξtξt−1⋮ξt−r+1]⏟the state vector+0.
  1. 状態方程式

ξt=ϕ−1(B)ϵt⟺ϕ(B)ξt=ϵt⟺(1−ϕ1B−⋯−ϕrBr)ξt=ϵt⟺ξt=ϕ1ξt−1+⋯+ϕrξt−r+ϵt⟺[ξtξt−1ξt−2⋮ξt−r+1]=[ϕ1ϕ2ϕ3⋯ϕr100⋯0010⋯0⋮⋮⋱⋯000⋯10][ξt−1ξt−2⋮ξt−r]+[ϵt0⋮0].

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これにより、最終的にそれらの状態方程式がどこから来るのかが明らかになります。そのように述べることは、それらがランダムに現れる方程式に正しいことがわかるという注記を与えることよりも、教訓的にはるかに優れていると思います。
— アレックス

@CowboyTraderはい、そうです。少なくともこのARMA表現については。他にもいくつかあります。
— テイラー

@CowboyTraderいいえ、しかし、状態空間モデルに関する文献はフィルタリングに偏っているので、これは賢明な感覚だと思います。線形ガウス状態空間モデルには再帰的予測方程式が存在しますが、追加のボーナスとしてフィルタリング機能を利用できます。
— テイラー

@CowboyTraderにメールを送ってください。誰もがコメントでの詳細な議論を愛するわけではないので、そうする方が簡単かもしれません。
— テイラー

証明されているようですが、直感的に教えていただけませんか?状態変数とは何ですか?t = 0状態ベクトルとは何ですか?
— フランク
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