Time Series Analysis (Best MSE Predictor & 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[(Xnf(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+hf(Xn))2]

我们知道:argminfE[(Xn+hf(Xn))2] 的解即为:

E[Xn+h | Xn]




证明:

基于 XnE[(Xn+hf(Xn))2] 的最小值,实际上:

argminfE[(Xn+hf(Xn))2]argminfE[(Xn+hf(Xn))2 | Xn]


  • 私以为更严谨的写法是 argminf E[(Xn+hf(Xn))2 | Fn],其中 {Ft}t0{Xt}t0 相关的 natural filtration,but whatever。

等式右侧之部分:

E[(Xn+hf(Xn))2 | Xn]=E[Xn+h2 | Xn]2f(Xn)E[Xn+h | Xn]+f2(Xn)

其中由于:

Var(Xn+h | Xn)=E[(Xn+hE[Xn+h2 | Xn])2 | Xn]=E[Xn+h2 | Xn]2E2[Xn+h2 | Xn]+E2[Xn+h2 | Xn]=E[Xn+h2 | Xn]E2[Xn+h2 | Xn]

which gives that:

Var(Xn+h | Xn)=E[Xn+h2 | Xn]E2[Xn+h | Xn]

因此,

E[(Xn+hf(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 | XnN(μ+ρ(h)(Xnμ), γ(0)(1ρ2(h)))

其中 ρ(h){Xt} 的 ACF,因此,

E[Xn+h | Xn]=m(Xn)=μ+ρ(h)(Xnμ)

注意:

{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+haXnb)2]




推导:

分别对 a,b 求偏微分:

bS(a,b)=bE[(Xn+haXnb)2]=2E[Xn+haXnb]

令:

bS(a,b)=0

则:

2E[Xn+haXnb]=0E[Xn+h]aE[Xn]b=0μaμb=0b=(1a)μ

回代并 take partial derivative on a

aS(a,b)=aE[(Xn+haXn(1a)μ)2]=aE[((Xn+hμ)(Xnμ)a)2]=E[(Xnμ)((Xn+hμ)(Xnμ)a)]

令:

aS(a,b)=0

则:

E[(Xnμ)((Xn+hμ)(Xnμ)a)]=0E[(Xnμ)((Xn+hμ)(Xnμ)a)]=0E[(Xnμ)(Xn+hμ)a(Xnμ)(Xnμ)]=0E[(Xnμ)(Xn+hμ)]=aE[(Xnμ)(Xnμ)]E[(XnE[Xn])(Xn+hE[Xn+h])]=aE[(XnE[Xn])2]Cov(Xn,Xn+h)=aVar(Xn)a=γ(h)γ(0)=ρ(h)

综上,time series {Xn} 的 BLP 为:

f(Xn)=l(Xn)=μ+ρ(h)(Xnμ)

且 BLP 相关的 MSE 为:

MSE=E[(Xn+hl(Xn))2]=E[(Xn+hμρ(h)(Xnμ))2]=ρ(0)(1ρ2(h))

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