Lecture 8 AR, MA, and ARMA Models 9/27/2018 1
AR models
AR(p) models We can generalize from an AR(1) to an AR(p) model by simply adding additional autoregressive terms to the model. ๐ต๐(๐) โถ ๐ โ ๐=1 What are the properities of ๐ต๐(๐) , 1. Expected value? 2. Autocovariance / autocorrelation? 3. Stationarity conditions? 2 ๐ง ๐ข = ๐ + ๐ 1 ๐ง ๐ขโ1 + ๐ 2 ๐ง ๐ขโ2 + โฏ + ๐ ๐ ๐ง ๐ขโ๐ + ๐ฅ ๐ข = ๐ + ๐ฅ ๐ข + ๐ ๐ ๐ง ๐ขโ๐
AR(p) models We can generalize from an AR(1) to an AR(p) model by simply adding additional autoregressive terms to the model. ๐ต๐(๐) โถ ๐ โ ๐=1 What are the properities of ๐ต๐(๐) , 1. Expected value? 2. Autocovariance / autocorrelation? 3. Stationarity conditions? 2 ๐ง ๐ข = ๐ + ๐ 1 ๐ง ๐ขโ1 + ๐ 2 ๐ง ๐ขโ2 + โฏ + ๐ ๐ ๐ง ๐ขโ๐ + ๐ฅ ๐ข = ๐ + ๐ฅ ๐ข + ๐ ๐ ๐ง ๐ขโ๐
๐ 2 ๐ง ๐ข = ๐ (๐ ๐ง ๐ข ) ๐ ๐ ๐ง ๐ข = ๐ง ๐ขโ๐ Lag operator The lag operator is convenience notation for writing out AR (and other) time series models. We define the lag operator ๐ as follows, this can be generalized where, = ๐ ๐ง ๐ขโ1 = ๐ง ๐ขโ2 therefore, 3 ๐ ๐ง ๐ข = ๐ง ๐ขโ1
Lag operator The lag operator is convenience notation for writing out AR (and other) time series models. We define the lag operator ๐ as follows, this can be generalized where, = ๐ ๐ง ๐ขโ1 = ๐ง ๐ขโ2 therefore, 3 ๐ ๐ง ๐ข = ๐ง ๐ขโ1 ๐ 2 ๐ง ๐ข = ๐ (๐ ๐ง ๐ข ) ๐ ๐ ๐ง ๐ข = ๐ง ๐ขโ๐
๐ง ๐ข โ ๐ 1 ๐ ๐ง ๐ข โ ๐ 2 ๐ 2 ๐ง ๐ข โ โฆ โ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ง ๐ข = ๐ + ๐ฅ ๐ข (1 โ ๐ 1 ๐ โ ๐ 2 ๐ 2 โ โฆ โ ๐ ๐ ๐ ๐ ) ๐ง ๐ข = ๐ + ๐ฅ ๐ข ๐ ๐ (๐) = (1 โ ๐ 1 ๐ โ ๐ 2 ๐ 2 โ โฏ โ ๐ ๐ ๐ ๐ ) Lag polynomial Lets rewrite the ๐ต๐(๐) model using the lag operator, This polynomial of lags is called the characteristic polynomial of the AR process. 4 ๐ง ๐ข = ๐ + ๐ 1 ๐ง ๐ขโ1 + ๐ 2 ๐ง ๐ขโ2 + โฆ + ๐ ๐ ๐ง ๐ขโ๐ + ๐ฅ ๐ข ๐ง ๐ข = ๐ + ๐ 1 ๐ ๐ง ๐ข + ๐ 2 ๐ 2 ๐ง ๐ข + โฆ + ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ง ๐ข + ๐ฅ ๐ข
๐ ๐ (๐) = (1 โ ๐ 1 ๐ โ ๐ 2 ๐ 2 โ โฏ โ ๐ ๐ ๐ ๐ ) Lag polynomial Lets rewrite the ๐ต๐(๐) model using the lag operator, This polynomial of lags is called the characteristic polynomial of the AR process. 4 ๐ง ๐ข = ๐ + ๐ 1 ๐ง ๐ขโ1 + ๐ 2 ๐ง ๐ขโ2 + โฆ + ๐ ๐ ๐ง ๐ขโ๐ + ๐ฅ ๐ข ๐ง ๐ข = ๐ + ๐ 1 ๐ ๐ง ๐ข + ๐ 2 ๐ 2 ๐ง ๐ข + โฆ + ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ง ๐ข + ๐ฅ ๐ข ๐ง ๐ข โ ๐ 1 ๐ ๐ง ๐ข โ ๐ 2 ๐ 2 ๐ง ๐ข โ โฆ โ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ง ๐ข = ๐ + ๐ฅ ๐ข (1 โ ๐ 1 ๐ โ ๐ 2 ๐ 2 โ โฆ โ ๐ ๐ ๐ ๐ ) ๐ง ๐ข = ๐ + ๐ฅ ๐ข
Lag polynomial Lets rewrite the ๐ต๐(๐) model using the lag operator, This polynomial of lags is called the characteristic polynomial of the AR process. 4 ๐ง ๐ข = ๐ + ๐ 1 ๐ง ๐ขโ1 + ๐ 2 ๐ง ๐ขโ2 + โฆ + ๐ ๐ ๐ง ๐ขโ๐ + ๐ฅ ๐ข ๐ง ๐ข = ๐ + ๐ 1 ๐ ๐ง ๐ข + ๐ 2 ๐ 2 ๐ง ๐ข + โฆ + ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ง ๐ข + ๐ฅ ๐ข ๐ง ๐ข โ ๐ 1 ๐ ๐ง ๐ข โ ๐ 2 ๐ 2 ๐ง ๐ข โ โฆ โ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ง ๐ข = ๐ + ๐ฅ ๐ข (1 โ ๐ 1 ๐ โ ๐ 2 ๐ 2 โ โฆ โ ๐ ๐ ๐ ๐ ) ๐ง ๐ข = ๐ + ๐ฅ ๐ข ๐ ๐ (๐) = (1 โ ๐ 1 ๐ โ ๐ 2 ๐ 2 โ โฏ โ ๐ ๐ ๐ ๐ )
(๐ ๐ โ ๐ 1 ๐ ๐โ1 โ ๐ 2 ๐ ๐โ2 โ โฏ โ ๐ ๐โ1 ๐ โ ๐ ๐ ) Stationarity of ๐ต๐(๐) processes Claim : An ๐ต๐(๐) process is stationary if the roots of the characteristic polynomial lay outside the complex unit circle If we define ๐ = 1/๐ then we can rewrite the characteristic polynomial as then as a corollary of our claim the ๐ต๐(๐) process is stationary if the roots of this new polynomial are inside the complex unit circle (i.e. |๐| < 1 ). 5
Stationarity of ๐ต๐(๐) processes Claim : An ๐ต๐(๐) process is stationary if the roots of the characteristic polynomial lay outside the complex unit circle If we define ๐ = 1/๐ then we can rewrite the characteristic polynomial as then as a corollary of our claim the ๐ต๐(๐) process is stationary if the roots of this new polynomial are inside the complex unit circle (i.e. |๐| < 1 ). 5 (๐ ๐ โ ๐ 1 ๐ ๐โ1 โ ๐ 2 ๐ ๐โ2 โ โฏ โ ๐ ๐โ1 ๐ โ ๐ ๐ )
Example AR(1) 6
Example AR(2) 7
AR(2) Stationarity Conditions From Shumway&Stofer4thed. 8
Proof Sketch โข โฆ โฅ โฅ โฅ โค ๐ง ๐ขโ๐ โฎ ๐ง ๐ขโ3 ๐ง ๐ขโ2 ๐ง ๐ขโ1 โฃ โข โข โก โก โฆ โฅ โฅ โฅ โค 0 1 โฏ 0 0 0 โฎ + โข We can rewrite the ๐ต๐(๐) model into an ๐ต๐(1) form using matrix โข โฆ โฅ โฅ โฅ โค ๐ง ๐ขโ๐+1 โฎ ๐ง ๐ขโ2 ๐ง ๐ขโ1 ๐ โฃ โข โข โก โข = โฆ โฅ โฅ โฅ โค 0 โฎ 0 0 ๐ฅ ๐ข โฃ โข โฎ โฏ โฎ โฅ โฎ 0 0 ๐ โฃ โข โข โข โก = โฆ โฅ โฅ โค โค ๐ง ๐ขโ๐+1 โฎ ๐ง ๐ขโ2 ๐ง ๐ขโ1 ๐ง ๐ข โฃ โข โข โข โก where notation โฎ 0 โฅ 1 โฎ 0 0 โฏ 0 1 0 0 0 โฏ 0 โฅ 0 ๐ ๐ ๐ ๐โ1 โฅ โฆ + โก โข โข โข โฃ ๐ 1 ๐ 2 ๐ 3 โฏ 9 ๐ง ๐ข = ๐ + ๐ 1 ๐ง ๐ขโ1 + ๐ 2 ๐ง ๐ขโ2 + โฏ + ๐ ๐ ๐ง ๐ขโ๐ + ๐ฅ ๐ข ๐ ๐ข = ๐บ + ๐ ๐ ๐ขโ1 + ๐ฑ ๐ข ๐ + ๐ฅ ๐ข + โ ๐=1 ๐ ๐ ๐ง ๐ขโ๐
Proof sketch (cont.) โ and therefore we need lim ๐=0 โ ๐ข So just like the original ๐ต๐(1) we can expand out the autoregressive ๐=0 ๐ข = ( equation 10 ๐ ๐ข = ๐บ + ๐ฑ ๐ข + ๐ ๐ ๐ขโ1 = ๐บ + ๐ฑ ๐ข + ๐ (๐บ + ๐ฑ ๐ขโ1 ) + ๐ 2 (๐บ + ๐ฑ ๐ขโ2 ) + โฏ + ๐ ๐ขโ1 (๐บ + ๐ฑ 1 ) + ๐ ๐ข (๐บ + ๐ฑ 0 ) ๐บ ๐ )๐บ + ๐บ ๐ ๐ฅ ๐ขโ๐ ๐ขโโ ๐บ ๐ข โ 0 .
๐บ ๐ )๐บ + ๐บ ๐ ๐ฅ ๐ขโ๐ ๐ ๐ข = ( ๐๐ณ ๐ ๐ โ1 ๐ฅ ๐ขโ๐ Proof sketch (cont.) ๐=0 โ ๐ข ๐๐ณ ๐ ๐ โ1 )๐บ + ๐=0 โ ๐ข = ( โ ๐=0 ๐ข ๐=0 โ ๐ข Using this property we can rewrite our equation from the previous slide as A useful property of the eigen decomposition is that corresponding eigenvalues. columns of ๐ are the eigenvectors of ๐ and ๐ณ is a diagonal matrix of the 11 We can find the eigen decomposition such that ๐ = ๐๐ณ๐ โ1 where the ๐ ๐ = ๐๐ณ ๐ ๐ โ1
Proof sketch (cont.) ๐ข ๐=0 โ ๐ข ๐๐ณ ๐ ๐ โ1 )๐บ + ๐=0 โ ๐ข = ( ๐=0 โ ๐=0 โ ๐ข Using this property we can rewrite our equation from the previous slide as A useful property of the eigen decomposition is that corresponding eigenvalues. columns of ๐ are the eigenvectors of ๐ and ๐ณ is a diagonal matrix of the 11 We can find the eigen decomposition such that ๐ = ๐๐ณ๐ โ1 where the ๐ ๐ = ๐๐ณ ๐ ๐ โ1 ๐บ ๐ )๐บ + ๐บ ๐ ๐ฅ ๐ขโ๐ ๐ ๐ข = ( ๐๐ณ ๐ ๐ โ1 ๐ฅ ๐ขโ๐
Proof sketch (cont.) โฆ โฏ ๐ ๐ ๐ โค โฅ โฅ Therefore, 0 lim when lim which requires that |๐ ๐ | < 1 for all ๐ 0 โฎ โฑ 0 โก โข โข โฃ ๐ ๐ 1 โฏ 0 0 ๐ ๐ 2 โฏ 0 โฎ โฎ 12 ๐ณ ๐ = ๐ขโโ ๐บ ๐ข โ 0 ๐ขโโ ฮ ๐ข โ 0
which if we multiply by 1/๐ ๐ where ๐ = 1/๐ gives 1 โ ๐ 1 ๐ โ ๐ 2 ๐ 2 โ โฏ โ ๐ ๐ 1 ๐ ๐โ1 โ ๐ ๐ ๐ ๐ = 0 Proof sketch (cont.) Eigenvalues are defined such that for ๐ , det (๐ โ ๐ ๐) = 0 based on our definition of ๐ our eigenvalues will therefore be the roots of 13 ๐ ๐ โ ๐ 1 ๐ ๐โ1 โ ๐ 2 ๐ ๐โ2 โ โฏ โ ๐ ๐ 1 ๐ 1 โ ๐ ๐ = 0
Proof sketch (cont.) Eigenvalues are defined such that for ๐ , det (๐ โ ๐ ๐) = 0 based on our definition of ๐ our eigenvalues will therefore be the roots of 13 ๐ ๐ โ ๐ 1 ๐ ๐โ1 โ ๐ 2 ๐ ๐โ2 โ โฏ โ ๐ ๐ 1 ๐ 1 โ ๐ ๐ = 0 which if we multiply by 1/๐ ๐ where ๐ = 1/๐ gives 1 โ ๐ 1 ๐ โ ๐ 2 ๐ 2 โ โฏ โ ๐ ๐ 1 ๐ ๐โ1 โ ๐ ๐ ๐ ๐ = 0
Properties of ๐ต๐(2) ๐ ๐๐ (๐ฅ ๐ข ) = ๐ 2 ๐ฅ 14 For a stationary ๐ต๐(2) process where ๐ฅ ๐ข has ๐น(๐ฅ ๐ข ) = 0 and
Properties of ๐ต๐(๐) ๐ ๐๐ (๐ฅ ๐ข ) = ๐ 2 ๐ฅ ๐น(๐ ๐ข ) = ๐ ๐ ๐๐ (๐ง ๐ข ) = ๐ฟ(0) = ๐ 1 ๐ฟ(1) + ๐ 2 ๐ฟ(2) + โฆ + ๐ ๐ ๐ฟ(๐) + ๐ 2 ๐ฅ ๐ฟ(โ) = ๐ 1 ๐ฟ(โ โ 1) + ๐ 2 ๐ฟ(โ โ 2) + โฆ + ๐ ๐ ๐ฟ(โ โ ๐) 15 For a stationary ๐ต๐(๐) process where ๐ฅ ๐ข has ๐น(๐ฅ ๐ข ) = 0 and 1 โ ๐ 1 โ ๐ 2 โ โฏ โ ๐ ๐ ๐(โ) = ๐ 1 ๐(โ โ 1) + ๐ 2 ๐(โ โ 2) + โฆ + ๐ ๐ ๐(โ โ ๐)
Moving Average (MA) Processes
Recommend
More recommend