Derivation of best MSE predictor and best linear predictor.
Time Series Analysis
Best MSE (Mean Square Error) Predictor
对于所有可能的预测函数 f(Xn),找到一个使 E[(Xn−f(Xn))2] 最小的 f 的 predictor。这样的 predictor 假设记为 m(Xn), 称作 best MSE predictor,i.e.,
m(Xn)=argminfE[(Xn+h−f(Xn))2]
我们知道:argminfE[(Xn+h−f(Xn))2] 的解即为:
E[Xn+h ∣∣ Xn]
证明:
基于 Xn 求 E[(Xn+h−f(Xn))2] 的最小值,实际上:
argminfE[(Xn+h−f(Xn))2]⟺argminfE[(Xn+h−f(Xn))2 ∣∣ Xn]
- 私以为更严谨的写法是 argminf E[(Xn+h−f(Xn))2 | Fn],其中 {Ft}t≥0 为 {Xt}t≥0 相关的 natural filtration,but whatever。
等式右侧之部分:
E[(Xn+h−f(Xn))2 ∣∣ Xn]=E[X2n+h | Xn]−2f(Xn)E[Xn+h | Xn]+f2(Xn)
其中由于:
Var(Xn+h | Xn)=E[(Xn+h−E[X2n+h | Xn])2 ∣∣ Xn]=E[X2n+h ∣∣ Xn]−2E2[X2n+h ∣∣ Xn]+E2[X2n+h ∣∣ Xn]=E[X2n+h ∣∣ Xn]−E2[X2n+h ∣∣ Xn]
which gives that:
⟹Var(Xn+h | Xn)=E[X2n+h ∣∣ Xn]−E2[Xn+h ∣∣ Xn]
因此,
E[(Xn+h−f(Xn))2 ∣∣ Xn]=Var(Xn+h | Xn)+E2[Xn+h ∣∣ Xn]−2f(Xn)E[Xn+h | Xn]+f2(Xn)=Var(Xn+h | Xn)+(E[Xn+h ∣∣ Xn]−f(Xn))2
方差 Var(Xn+h | Xn) 为定值,那么 optimal solution m(Xn) 显而易见:
m(Xn)=E[Xn+h ∣∣ Xn]
此时 {Xt} 为一个 Stationary Gaussian Time Series, i.e.,
(Xn+hXn)∼N((μμ), (γ(0)γ(h)γ(h)γ(0)))
那么我们有:
Xn+h | Xn∼N(μ+ρ(h)(Xn−μ), γ(0)(1−ρ2(h)))
其中 ρ(h) 为 {Xt} 的 ACF,因此,
E[Xn+h ∣∣ Xn]=m(Xn)=μ+ρ(h)(Xn−μ)
注意:
若 {Xt} 是一个 Gaussian time series,则一定能计算 best MSE predictor。而若 {Xt} 并非 Gaussian time series,则计算通常十分复杂。
因此,我们通常不找 best MSE predictor,而寻找 best linear predictor。
Best Linear Predictor (BLP)
在 BLP 假设下,我们寻找一个形如 f(Xn)∝aXn+b 的 predictor。
则目标为:
minimize: S(a,b)=E[(Xn+h−aXn−b)2]
推导:
分别对 a,b 求偏微分:
∂∂bS(a,b)=∂∂bE[(Xn+h−aXn−b)2]=−2E[Xn+h−aXn−b]
令:
∂∂bS(a,b)=0
则:
−2⋅E[Xn+h−aXn−b]=0⟹E[Xn+h]−aE[Xn]−b=0⟹μ−aμ−b=0⟹b⋆=(1−a⋆)μ
回代并 take partial derivative on a:
∂∂aS(a,b)=∂∂aE[(Xn+h−aXn−(1−a)μ)2]=∂∂aE[((Xn+h−μ)−(Xn−μ)a)2]=E[−(Xn−μ)((Xn+h−μ)−(Xn−μ)a)]
令:
∂∂aS(a,b)=0
则:
E[−(Xn−μ)((Xn+h−μ)−(Xn−μ)a)]=0⟹E[(Xn−μ)((Xn+h−μ)−(Xn−μ)a)]=0⟹E[(Xn−μ)(Xn+h−μ)−a(Xn−μ)(Xn−μ)]=0⟹E[(Xn−μ)(Xn+h−μ)]=a⋅E[(Xn−μ)(Xn−μ)]⟹E[(Xn−E[Xn])(Xn+h−E[Xn+h])]=a⋅E[(Xn−E[Xn])2]⟹Cov(Xn,Xn+h)=a⋅Var(Xn)⟹a⋆=γ(h)γ(0)=ρ(h)
综上,time series {Xn} 的 BLP 为:
f(Xn)=l(Xn)=μ+ρ(h)(Xn−μ)
且 BLP 相关的 MSE 为:
MSE=E[(Xn+h−l(Xn))2]=E[(Xn+h−μ−ρ(h)(Xn−μ))2]=ρ(0)⋅(1−ρ2(h))
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