lecture 8

Lecture 8 AR, MA, and ARMA Models 9/27/2018 1 AR models AR(p) - PowerPoint PPT Presentation

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. () =1 What are the


  1. Lecture 8 AR, MA, and ARMA Models 9/27/2018 1

  2. AR models

  3. AR(p) models We can generalize from an AR(1) to an AR(p) model by simply adding additional autoregressive terms to the model. ๐ต๐‘†(๐‘ž) โˆถ ๐‘ž โˆ‘ ๐‘—=1 What are the properities of ๐ต๐‘†(๐‘ž) , 1. Expected value? 2. Autocovariance / autocorrelation? 3. Stationarity conditions? 2 ๐‘ง ๐‘ข = ๐œ€ + ๐œš 1 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’1 + ๐œš 2 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’2 + โ‹ฏ + ๐œš ๐‘ž ๐‘ง ๐‘ขโˆ’๐‘ž + ๐‘ฅ ๐‘ข = ๐œ€ + ๐‘ฅ ๐‘ข + ๐œš ๐‘— ๐‘ง ๐‘ขโˆ’๐‘—

  4. AR(p) models We can generalize from an AR(1) to an AR(p) model by simply adding additional autoregressive terms to the model. ๐ต๐‘†(๐‘ž) โˆถ ๐‘ž โˆ‘ ๐‘—=1 What are the properities of ๐ต๐‘†(๐‘ž) , 1. Expected value? 2. Autocovariance / autocorrelation? 3. Stationarity conditions? 2 ๐‘ง ๐‘ข = ๐œ€ + ๐œš 1 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’1 + ๐œš 2 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’2 + โ‹ฏ + ๐œš ๐‘ž ๐‘ง ๐‘ขโˆ’๐‘ž + ๐‘ฅ ๐‘ข = ๐œ€ + ๐‘ฅ ๐‘ข + ๐œš ๐‘— ๐‘ง ๐‘ขโˆ’๐‘—

  5. ๐‘€ 2 ๐‘ง ๐‘ข = ๐‘€ (๐‘€ ๐‘ง ๐‘ข ) ๐‘€ ๐‘™ ๐‘ง ๐‘ข = ๐‘ง ๐‘ขโˆ’๐‘™ 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‘€ ๐‘ง ๐‘ขโˆ’1 = ๐‘ง ๐‘ขโˆ’2 therefore, 3 ๐‘€ ๐‘ง ๐‘ข = ๐‘ง ๐‘ขโˆ’1

  6. 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‘€ ๐‘ง ๐‘ขโˆ’1 = ๐‘ง ๐‘ขโˆ’2 therefore, 3 ๐‘€ ๐‘ง ๐‘ข = ๐‘ง ๐‘ขโˆ’1 ๐‘€ 2 ๐‘ง ๐‘ข = ๐‘€ (๐‘€ ๐‘ง ๐‘ข ) ๐‘€ ๐‘™ ๐‘ง ๐‘ข = ๐‘ง ๐‘ขโˆ’๐‘™

  7. ๐‘ง ๐‘ข โˆ’ ๐œš 1 ๐‘€ ๐‘ง ๐‘ข โˆ’ ๐œš 2 ๐‘€ 2 ๐‘ง ๐‘ข โˆ’ โ€ฆ โˆ’ ๐œš ๐‘ž ๐‘€ ๐‘ž ๐‘ง ๐‘ข = ๐œ€ + ๐‘ฅ ๐‘ข (1 โˆ’ ๐œš 1 ๐‘€ โˆ’ ๐œš 2 ๐‘€ 2 โˆ’ โ€ฆ โˆ’ ๐œš ๐‘ž ๐‘€ ๐‘ž ) ๐‘ง ๐‘ข = ๐œ€ + ๐‘ฅ ๐‘ข ๐œš ๐‘ž (๐‘€) = (1 โˆ’ ๐œš 1 ๐‘€ โˆ’ ๐œš 2 ๐‘€ 2 โˆ’ โ‹ฏ โˆ’ ๐œš ๐‘ž ๐‘€ ๐‘ž ) Lag polynomial Lets rewrite the ๐ต๐‘†(๐‘ž) model using the lag operator, This polynomial of lags is called the characteristic polynomial of the AR process. 4 ๐‘ง ๐‘ข = ๐œ€ + ๐œš 1 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’1 + ๐œš 2 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’2 + โ€ฆ + ๐œš ๐‘ž ๐‘ง ๐‘ขโˆ’๐‘ž + ๐‘ฅ ๐‘ข ๐‘ง ๐‘ข = ๐œ€ + ๐œš 1 ๐‘€ ๐‘ง ๐‘ข + ๐œš 2 ๐‘€ 2 ๐‘ง ๐‘ข + โ€ฆ + ๐œš ๐‘ž ๐‘€ ๐‘ž ๐‘ง ๐‘ข + ๐‘ฅ ๐‘ข

  8. ๐œš ๐‘ž (๐‘€) = (1 โˆ’ ๐œš 1 ๐‘€ โˆ’ ๐œš 2 ๐‘€ 2 โˆ’ โ‹ฏ โˆ’ ๐œš ๐‘ž ๐‘€ ๐‘ž ) Lag polynomial Lets rewrite the ๐ต๐‘†(๐‘ž) model using the lag operator, This polynomial of lags is called the characteristic polynomial of the AR process. 4 ๐‘ง ๐‘ข = ๐œ€ + ๐œš 1 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’1 + ๐œš 2 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’2 + โ€ฆ + ๐œš ๐‘ž ๐‘ง ๐‘ขโˆ’๐‘ž + ๐‘ฅ ๐‘ข ๐‘ง ๐‘ข = ๐œ€ + ๐œš 1 ๐‘€ ๐‘ง ๐‘ข + ๐œš 2 ๐‘€ 2 ๐‘ง ๐‘ข + โ€ฆ + ๐œš ๐‘ž ๐‘€ ๐‘ž ๐‘ง ๐‘ข + ๐‘ฅ ๐‘ข ๐‘ง ๐‘ข โˆ’ ๐œš 1 ๐‘€ ๐‘ง ๐‘ข โˆ’ ๐œš 2 ๐‘€ 2 ๐‘ง ๐‘ข โˆ’ โ€ฆ โˆ’ ๐œš ๐‘ž ๐‘€ ๐‘ž ๐‘ง ๐‘ข = ๐œ€ + ๐‘ฅ ๐‘ข (1 โˆ’ ๐œš 1 ๐‘€ โˆ’ ๐œš 2 ๐‘€ 2 โˆ’ โ€ฆ โˆ’ ๐œš ๐‘ž ๐‘€ ๐‘ž ) ๐‘ง ๐‘ข = ๐œ€ + ๐‘ฅ ๐‘ข

  9. Lag polynomial Lets rewrite the ๐ต๐‘†(๐‘ž) model using the lag operator, This polynomial of lags is called the characteristic polynomial of the AR process. 4 ๐‘ง ๐‘ข = ๐œ€ + ๐œš 1 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’1 + ๐œš 2 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’2 + โ€ฆ + ๐œš ๐‘ž ๐‘ง ๐‘ขโˆ’๐‘ž + ๐‘ฅ ๐‘ข ๐‘ง ๐‘ข = ๐œ€ + ๐œš 1 ๐‘€ ๐‘ง ๐‘ข + ๐œš 2 ๐‘€ 2 ๐‘ง ๐‘ข + โ€ฆ + ๐œš ๐‘ž ๐‘€ ๐‘ž ๐‘ง ๐‘ข + ๐‘ฅ ๐‘ข ๐‘ง ๐‘ข โˆ’ ๐œš 1 ๐‘€ ๐‘ง ๐‘ข โˆ’ ๐œš 2 ๐‘€ 2 ๐‘ง ๐‘ข โˆ’ โ€ฆ โˆ’ ๐œš ๐‘ž ๐‘€ ๐‘ž ๐‘ง ๐‘ข = ๐œ€ + ๐‘ฅ ๐‘ข (1 โˆ’ ๐œš 1 ๐‘€ โˆ’ ๐œš 2 ๐‘€ 2 โˆ’ โ€ฆ โˆ’ ๐œš ๐‘ž ๐‘€ ๐‘ž ) ๐‘ง ๐‘ข = ๐œ€ + ๐‘ฅ ๐‘ข ๐œš ๐‘ž (๐‘€) = (1 โˆ’ ๐œš 1 ๐‘€ โˆ’ ๐œš 2 ๐‘€ 2 โˆ’ โ‹ฏ โˆ’ ๐œš ๐‘ž ๐‘€ ๐‘ž )

  10. (๐œ‡ ๐‘ž โˆ’ ๐œš 1 ๐œ‡ ๐‘žโˆ’1 โˆ’ ๐œš 2 ๐œ‡ ๐‘žโˆ’2 โˆ’ โ‹ฏ โˆ’ ๐œš ๐‘žโˆ’1 ๐œ‡ โˆ’ ๐œš ๐‘ž ) Stationarity of ๐ต๐‘†(๐‘ž) processes Claim : An ๐ต๐‘†(๐‘ž) process is stationary if the roots of the characteristic polynomial lay outside the complex unit circle If we define ๐œ‡ = 1/๐‘€ then we can rewrite the characteristic polynomial as then as a corollary of our claim the ๐ต๐‘†(๐‘ž) process is stationary if the roots of this new polynomial are inside the complex unit circle (i.e. |๐œ‡| < 1 ). 5

  11. Stationarity of ๐ต๐‘†(๐‘ž) processes Claim : An ๐ต๐‘†(๐‘ž) process is stationary if the roots of the characteristic polynomial lay outside the complex unit circle If we define ๐œ‡ = 1/๐‘€ then we can rewrite the characteristic polynomial as then as a corollary of our claim the ๐ต๐‘†(๐‘ž) process is stationary if the roots of this new polynomial are inside the complex unit circle (i.e. |๐œ‡| < 1 ). 5 (๐œ‡ ๐‘ž โˆ’ ๐œš 1 ๐œ‡ ๐‘žโˆ’1 โˆ’ ๐œš 2 ๐œ‡ ๐‘žโˆ’2 โˆ’ โ‹ฏ โˆ’ ๐œš ๐‘žโˆ’1 ๐œ‡ โˆ’ ๐œš ๐‘ž )

  12. Example AR(1) 6

  13. Example AR(2) 7

  14. AR(2) Stationarity Conditions From Shumway&Stofer4thed. 8

  15. Proof Sketch โŽข โŽฆ โŽฅ โŽฅ โŽฅ โŽค ๐‘ง ๐‘ขโˆ’๐‘ž โ‹ฎ ๐‘ง ๐‘ขโˆ’3 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’2 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’1 โŽฃ โŽข โŽข โŽก โŽก โŽฆ โŽฅ โŽฅ โŽฅ โŽค 0 1 โ‹ฏ 0 0 0 โ‹ฎ + โŽข We can rewrite the ๐ต๐‘†(๐‘ž) model into an ๐ต๐‘†(1) form using matrix โŽข โŽฆ โŽฅ โŽฅ โŽฅ โŽค ๐‘ง ๐‘ขโˆ’๐‘ž+1 โ‹ฎ ๐‘ง ๐‘ขโˆ’2 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’1 ๐‘ž โŽฃ โŽข โŽข โŽก โŽข = โŽฆ โŽฅ โŽฅ โŽฅ โŽค 0 โ‹ฎ 0 0 ๐‘ฅ ๐‘ข โŽฃ โŽข โ‹ฎ โ‹ฏ โ‹ฎ โŽฅ โ‹ฎ 0 0 ๐œ€ โŽฃ โŽข โŽข โŽข โŽก = โŽฆ โŽฅ โŽฅ โŽค โŽค ๐‘ง ๐‘ขโˆ’๐‘ž+1 โ‹ฎ ๐‘ง ๐‘ขโˆ’2 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’1 ๐‘ง ๐‘ข โŽฃ โŽข โŽข โŽข โŽก where notation โ‹ฎ 0 โŽฅ 1 โ‹ฎ 0 0 โ‹ฏ 0 1 0 0 0 โ‹ฏ 0 โŽฅ 0 ๐œš ๐‘ž ๐œš ๐‘žโˆ’1 โŽฅ โŽฆ + โŽก โŽข โŽข โŽข โŽฃ ๐œš 1 ๐œš 2 ๐œš 3 โ‹ฏ 9 ๐‘ง ๐‘ข = ๐œ€ + ๐œš 1 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’1 + ๐œš 2 ๐‘ง ๐‘ขโˆ’2 + โ‹ฏ + ๐œš ๐‘ž ๐‘ง ๐‘ขโˆ’๐‘ž + ๐‘ฅ ๐‘ข ๐„ ๐‘ข = ๐œบ + ๐† ๐„ ๐‘ขโˆ’1 + ๐ฑ ๐‘ข ๐œ€ + ๐‘ฅ ๐‘ข + โˆ‘ ๐‘—=1 ๐œš ๐‘— ๐‘ง ๐‘ขโˆ’๐‘—

  16. Proof sketch (cont.) โˆ‘ and therefore we need lim ๐‘—=0 โˆ‘ ๐‘ข So just like the original ๐ต๐‘†(1) we can expand out the autoregressive ๐‘—=0 ๐‘ข = ( equation 10 ๐„ ๐‘ข = ๐œบ + ๐ฑ ๐‘ข + ๐† ๐„ ๐‘ขโˆ’1 = ๐œบ + ๐ฑ ๐‘ข + ๐† (๐œบ + ๐ฑ ๐‘ขโˆ’1 ) + ๐† 2 (๐œบ + ๐ฑ ๐‘ขโˆ’2 ) + โ‹ฏ + ๐† ๐‘ขโˆ’1 (๐œบ + ๐ฑ 1 ) + ๐† ๐‘ข (๐œบ + ๐ฑ 0 ) ๐บ ๐‘— )๐œบ + ๐บ ๐‘— ๐‘ฅ ๐‘ขโˆ’๐‘— ๐‘ขโ†’โˆž ๐บ ๐‘ข โ†’ 0 .

  17. ๐บ ๐‘— )๐œบ + ๐บ ๐‘— ๐‘ฅ ๐‘ขโˆ’๐‘— ๐„ ๐‘ข = ( ๐‘๐šณ ๐‘— ๐‘ โˆ’1 ๐‘ฅ ๐‘ขโˆ’๐‘— Proof sketch (cont.) ๐‘—=0 โˆ‘ ๐‘ข ๐‘๐šณ ๐‘— ๐‘ โˆ’1 )๐œบ + ๐‘—=0 โˆ‘ ๐‘ข = ( โˆ‘ ๐‘—=0 ๐‘ข ๐‘—=0 โˆ‘ ๐‘ข 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 ๐šณ is a diagonal matrix of the 11 We can find the eigen decomposition such that ๐† = ๐‘๐šณ๐‘ โˆ’1 where the ๐† ๐‘— = ๐‘๐šณ ๐‘— ๐‘ โˆ’1

  18. Proof sketch (cont.) ๐‘ข ๐‘—=0 โˆ‘ ๐‘ข ๐‘๐šณ ๐‘— ๐‘ โˆ’1 )๐œบ + ๐‘—=0 โˆ‘ ๐‘ข = ( ๐‘—=0 โˆ‘ ๐‘—=0 โˆ‘ ๐‘ข 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 ๐šณ is a diagonal matrix of the 11 We can find the eigen decomposition such that ๐† = ๐‘๐šณ๐‘ โˆ’1 where the ๐† ๐‘— = ๐‘๐šณ ๐‘— ๐‘ โˆ’1 ๐บ ๐‘— )๐œบ + ๐บ ๐‘— ๐‘ฅ ๐‘ขโˆ’๐‘— ๐„ ๐‘ข = ( ๐‘๐šณ ๐‘— ๐‘ โˆ’1 ๐‘ฅ ๐‘ขโˆ’๐‘—

  19. Proof sketch (cont.) โŽฆ โ‹ฏ ๐œ‡ ๐‘— ๐‘ž โŽค โŽฅ โŽฅ Therefore, 0 lim when lim which requires that |๐œ‡ ๐‘— | < 1 for all ๐‘— 0 โ‹ฎ โ‹ฑ 0 โŽก โŽข โŽข โŽฃ ๐œ‡ ๐‘— 1 โ‹ฏ 0 0 ๐œ‡ ๐‘— 2 โ‹ฏ 0 โ‹ฎ โ‹ฎ 12 ๐šณ ๐‘— = ๐‘ขโ†’โˆž ๐บ ๐‘ข โ†’ 0 ๐‘ขโ†’โˆž ฮ› ๐‘ข โ†’ 0

  20. which if we multiply by 1/๐œ‡ ๐‘ž where ๐‘€ = 1/๐œ‡ gives 1 โˆ’ ๐œš 1 ๐‘€ โˆ’ ๐œš 2 ๐‘€ 2 โˆ’ โ‹ฏ โˆ’ ๐œš ๐‘ž 1 ๐‘€ ๐‘žโˆ’1 โˆ’ ๐œš ๐‘ž ๐‘€ ๐‘ž = 0 Proof sketch (cont.) Eigenvalues are defined such that for ๐ , det (๐† โˆ’ ๐ ๐‰) = 0 based on our definition of ๐† our eigenvalues will therefore be the roots of 13 ๐œ‡ ๐‘ž โˆ’ ๐œš 1 ๐œ‡ ๐‘žโˆ’1 โˆ’ ๐œš 2 ๐œ‡ ๐‘žโˆ’2 โˆ’ โ‹ฏ โˆ’ ๐œš ๐‘ž 1 ๐œ‡ 1 โˆ’ ๐œš ๐‘ž = 0

  21. Proof sketch (cont.) Eigenvalues are defined such that for ๐ , det (๐† โˆ’ ๐ ๐‰) = 0 based on our definition of ๐† our eigenvalues will therefore be the roots of 13 ๐œ‡ ๐‘ž โˆ’ ๐œš 1 ๐œ‡ ๐‘žโˆ’1 โˆ’ ๐œš 2 ๐œ‡ ๐‘žโˆ’2 โˆ’ โ‹ฏ โˆ’ ๐œš ๐‘ž 1 ๐œ‡ 1 โˆ’ ๐œš ๐‘ž = 0 which if we multiply by 1/๐œ‡ ๐‘ž where ๐‘€ = 1/๐œ‡ gives 1 โˆ’ ๐œš 1 ๐‘€ โˆ’ ๐œš 2 ๐‘€ 2 โˆ’ โ‹ฏ โˆ’ ๐œš ๐‘ž 1 ๐‘€ ๐‘žโˆ’1 โˆ’ ๐œš ๐‘ž ๐‘€ ๐‘ž = 0

  22. Properties of ๐ต๐‘†(2) ๐‘Š ๐‘๐‘ (๐‘ฅ ๐‘ข ) = ๐œ 2 ๐‘ฅ 14 For a stationary ๐ต๐‘†(2) process where ๐‘ฅ ๐‘ข has ๐น(๐‘ฅ ๐‘ข ) = 0 and

  23. Properties of ๐ต๐‘†(๐‘ž) ๐‘Š ๐‘๐‘ (๐‘ฅ ๐‘ข ) = ๐œ 2 ๐‘ฅ ๐น(๐‘ ๐‘ข ) = ๐œ€ ๐‘Š ๐‘๐‘ (๐‘ง ๐‘ข ) = ๐›ฟ(0) = ๐œš 1 ๐›ฟ(1) + ๐œš 2 ๐›ฟ(2) + โ€ฆ + ๐œš ๐‘ž ๐›ฟ(๐‘ž) + ๐œ 2 ๐‘ฅ ๐›ฟ(โ„Ž) = ๐œš 1 ๐›ฟ(โ„Ž โˆ’ 1) + ๐œš 2 ๐›ฟ(โ„Ž โˆ’ 2) + โ€ฆ + ๐œš ๐‘ž ๐›ฟ(โ„Ž โˆ’ ๐‘ž) 15 For a stationary ๐ต๐‘†(๐‘ž) process where ๐‘ฅ ๐‘ข has ๐น(๐‘ฅ ๐‘ข ) = 0 and 1 โˆ’ ๐œš 1 โˆ’ ๐œš 2 โˆ’ โ‹ฏ โˆ’ ๐œš ๐‘ž ๐œ(โ„Ž) = ๐œš 1 ๐œ(โ„Ž โˆ’ 1) + ๐œš 2 ๐œ(โ„Ž โˆ’ 2) + โ€ฆ + ๐œš ๐‘ž ๐œ(โ„Ž โˆ’ ๐‘ž)

  24. Moving Average (MA) Processes

Recommend


More recommend