Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Статистический анализ временных рядов

..pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
47.02 Mб
Скачать

4 .4 .

ПЕРИОДЫ ТРЕНДА НЕ ЯВЛЯЮТСЯ ДЕЛИТЕЛЯМИ

163

При v = 2щ1Т (27) обращается в

(28) Р2( ^ - )

+

p2sina — XT

] _________ , О

cos [X (Г + 1) — 26]

ь ф -Щ -, i = i , . . . . [ ( т - т ,

• *• > 1(Т-\)/2].

Заметим следующее. Пусть тригонометрический тренд имеет период, являющийся делителем длины ряда, т. е. X = 2я}1Т. Тогда математические ожидания выборочных тригонометрических коэффициентов Л (2nk/T), В (2nk/T), k = 1, ..., [(Т — 1)/2], k Ф /, имеющих периоды, отличные от периода тренда, но являющиеся делителями длины ряда, равны нулю. Сумма квадратов этих мате­ матических ожиданий, т. е. квадрат теоретической амплитуды р|, также равен нулю в этом случае. Если k — j, то квадрат теоре­

тической амплитуды равен одновременно квадрату амплитуды

тренда р.

Кроме того, 2а$ = 0,

и если

Т четное, то и 2а£/2

=

0.

(Если

X =

0,

то р| =

0,

k =

1, ...,

 

[(Г — 1)/2],

\ — 2

и,

если

Т четное,' 2а| /2 =

0.

Если

X =

я

при четном

Т, то p2k =

0,

k — 1, ..., 772—1, 2aj* =

0 и 2а£/2 = 2а2.) Вообще

отличными

от

нуля

будут математические ожидания тех выборочных тригономет­

рических

коэффициентов,

периоды

которых не являются

дели­

телями длины

ряда (v Ф 2 я kIT,

k =

1, ..., 1{Т — 1)/2]). При

этом

будут отличны от нуля и соответствующие p2(v). Однако если период тренда не является делителем длины ряда, X Ф 2щ!Т, j = 1, ...

..., [(Т— 1)/2], то будут отличны от нуля математические ожидания и всех тех выборочных тригонометрических коэффициентов,

периоды которых являются ее делителями,

v =

2nk/T, k = 1, ...

..., [(Т 1)/2 ], а

также соответствующие

теоретические

ампли­

туды. Резюмируем:

совокупность теоретических

амплитуд

pf, ...

..., Р[(Г_ 1)/,2] обладает следующим специфическим свойством. Случай,

когда ровно одна амплитуда равна р2, а остальные амплитуды равны 0 , может наблюдаться,'только если период тренда равен одному из значений: Т, 772, 77[(Г — 1)/2],

164 ЦИКЛИЧЕСКИЕ ТРЕНДЫ Гл. 4.

В предположении, что величины yt имеют совместное нормаль­ ное распределение, квадратичная форма (0 < v < я)

(29) Q(v) =»

[Л (v) В (v)l

х

 

 

 

 

1 + т а т

С08^ 7’ + 1)

T

^ s i n v ^ +

i )

х

 

 

 

 

 

 

 

~ТШТ sin v (74 +

1)

l - l ^ c o

s v ^

+

l )

 

 

sin2 v T

\ ^

2 (v ) +

B 2 (v )

+

 

\

T 2 sin2 v /

 

 

 

 

 

sin v T

[cos v (T +

1) [B2(v) — A2(v)] —'

 

T s in v

 

 

 

 

 

 

— 2sinv(7’ + l)^(v)B (v)]|

 

 

 

имеет нецентральное

х2‘РаспРеДеление

c 2 степенями свободы и

параметром нецентральности (30) ~2~а~ ta (v) P(v)] X

1 + F ilT v cos v

sinvT .

/нн

i

i \

Tz-.— sinv(7 +

1)

Г sin v

v

 

'

. I

Sin* VI

\

27W ( ' -

; )

Ж sm v <r +

1

sin v T

cos v(7 + 1)

 

T sin v

 

1

v) Г

sin2 —

(Я +

 

 

+

sin2 — (X +

v)

x [ l - | ^ - c ° s | M 7 4 - D - 2 0 l ] +

+ 2

sin (X.+ v) ^ sin

£

(Я — v)T

 

Z

--------[cos [X (T + 1) — 20] —

 

 

 

sin - j - (A, + v) sin

- i - (X. v)

L

 

 

2

*

 

 

 

sin v T

 

 

 

Уф К

T sin v

 

 

 

 

 

 

 

Г р 2

 

 

 

 

0 < X =» v < л.

2а2 {1 + - 7 1 И Г с“

1х <т + 1 >

- 2е1|'

 

4.4

 

 

ПЕРИОДЫ ТРЕНДА НЕ ЯВЛЯЮТСЯ ДЕЛИТЕЛЯМИ

 

165

Если v =

2лjIT, то (29) будет равно ТЩИро*), а (30) обратится в

7р?/(2а2),

/ =

1,

[(Г — 1)/2].

Распределенные

по

(централь­

ному

или

нецентральному)

закону

X2

величины,

кратные

R 2 [2лIT), ...,

R2 (2л 1(Т — 1)/2UT) независимы. Однако

выбороч­

ные

амплитуды

для

v Ф 2л]/Т,

/ =

1, ..., [(Г — 1)/2], будут,

вообще говоря,

взаимно зависимыми.

 

 

 

 

 

4.4.2.

Решающие

процедуры,

 

 

 

 

 

 

 

 

основанные на выборочных амплитудах,

 

 

 

 

для периодов, являющихся делителями длины ряда

 

Рассмотрим теперь использование выборочных интенсивностей

при

v =

2л/Т,

4л/Т, ..., 2я ЦТ — 1)/2]/7\

Если

величины

нор­

мально

распределены,

то

/?2, .... Rf(T_ l)/2] независимы

и

TRV(2a2) имеет Х2-распределение с параметром нецентральное™ 7’р2/(2а2), приведенное в (28).

Мы уже упоминали о том, что если X = 2nk!T,

где

k — целое

число, заключенное между 1 и [(Г — 1)/2], то р|

=

р8 и р2 = 0

при j Ф k. Если же это не так (т. е. Х77(2я) нецелое), то р? > 0

для всех /. Иными словами, если период 2лIX функции f (t) не является периодом ни одной из ортогональных функций, табули­ рованных столбцами в матрице М, то все интенсивности, соответ­ ствующие периодам указанных функций, положительны. При этом можно ожидать, что интенсивность для 2я/, близкого к XT, велика. Покажем, что если 2nk/T < X < 2я (k + 1)/Т, то тогда наи­ большей интенсивностью является либо р£, либо р|+1.

Л емма 4.4.2. Если |/С | < 1, то функция

(31)/*(*) = — р!-------- + ------- р!-------- +

sin2 — (X + х)

sin2 — (X — х)

 

 

sin

(X + х) sin - i - (X — х)

монотонно возрастает при 0

< * < Х и монотонно убывает при

X < х < я.

 

 

Доказательство. Запишем функцию h (х) в виде

(32)/ф ) = [ ------j-i------------------- р -------- Г +

[ sin -у (X+ *) sin (Xх) J

166

ЦИКЛИЧЕСКИЕ ТРЕНДЫ

Гл. 4.

2 + 1)__________

+

sin — (Я + х) sin — (Я — х)

 

1

 

 

 

 

1

 

-,2

2(К+1)

 

sin —

(X — х) — sin —

(л +

х)

 

sin

(А, +

х) sin

 

 

 

sin — (Я + х) sin (А, — х)

 

 

(А, — х)

 

 

t

1

,

. 1

 

-2

 

 

 

 

— 4 cos —

Я sin —- х

 

,

4<JC+ 1)

=

 

_______ 2

 

2

 

 

А

C O S

X — cos Я

 

 

'

COS X — cos Я

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 cos2 ЯГ

 

 

sinT

x

"T"

4 (* + l)

 

 

I

 

 

 

 

 

cos x — cos Я

 

 

sin4 -4 - Я — sin4 -4 - x

 

 

 

L

 

2

 

 

 

2

 

Оба слагаемых в правой части возрастают с ростом х в интервале (О, Я). Можно записать также, что

(33) h (x) = | ------г-5-------- +

1

 

sin - i - (Я + х)

sin

(Я — х)

2(1 - К )

 

sin -4 - (Я +

х) sin - L

(Я — х)

4&{п± . кс05± . х -*

4(1 _ ^

cos х — cos А,

cos х — cos А,

2

4 sin2 - у Я

cos

 

 

 

cos*

— cos2

j

 

2

+ _11L^0_.

'cos Я cos x

Здесь оба слагаемых в правой части убывают с ростом х в интер­ вале (Я, л).в

Поскольку при К = cos [Я + 1) — 20]

(34)

Р/ = ~гг sin2 ~Y

(~Т~ ) >

то, согласно лемме, р2 возрастает при / = 1, ..., k и убывает при j — k + 1,.... ((Г — 1)/2], если 2nk < ЯГ < 2л 4- 1). Отсю ­ да вытекает

4 .4 . ПЕРИОДЫ ТРЕНДА НЕ ЯВЛЯЮТСЯ ДЕЛИТЕЛЯМИ 167

Т е о р е м а

4.4.2.

Если

2 n k / T <

X

<

2 л ( k

+

1)/Г и р / (поло­

жительный) квадратный корень из величины (28), то

/gg\

Р/

Р/+Ь

/ = 1 >

• • •

» ^

^ >

 

 

 

Р / < Р/— I *

i = k + 2 ..................................

 

( ( Г

-

1 ) / 2 ] .

В соответствии с полученным результатом распределение с на­ ибольшим параметром нецентральности имеет либо R%, либо Щ+1.

Внекотором смысле худшим при данном k будет такое X, 2nk/T <

<А,< 2я (k + 1)1Т, при котором большая из величин pfc и p*,+i ста­

новится минимальной. Однако это значение X и соответствующее

ему наибольшее из чисел pfc и рдг-ы

являются

весьма

сложными

функциями параметров k, Т и 0.

 

pft и р*-ц.

Если

2nk/T <

Рассмотрим

теперь аппроксимации

< Х < 2п (k +

1)/7\ то аргументы

sin (Х/2 — kn/T)

и sin 1Я./2 —

(k + 1) я IT] по абсолютной величине меньше

п1Т, Поэтому при

достаточно больших Т первый член разложения

 

 

 

 

(36)

 

 

 

sinx = x —

+

 

•••

 

 

 

 

 

дает достаточно

хорошую аппроксимацию

sin х

для

х = Х/2

kn/T

и

х =

Х/2 (k +

1)я/7\

Положим

X — (k + е)/Г

(О < е <

1). Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pl = - fr sin2*яе

2k +

е

+

Я 8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin* я

 

 

sin*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 cos [2я (Те +

в +

k)/T — 28]

 

 

 

 

 

 

 

 

2k -|- 8

 

8

(37)

 

 

 

 

 

 

sin я —

-------sin я

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

 

Т

рl+i

-jz

sin2 яе |

1

 

е +

 

 

 

 

+

2k +

1 +

 

 

е — 1

 

 

 

 

sin4 я -

 

 

 

sin4 Я ■

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

2 cos [2я (Те +

е +

k)/T — 20])

 

 

 

 

 

 

"Г .

2 А + 1 + е .

 

е - 1 ( '

 

 

 

 

 

 

 

sm я -------- —--------sin я

---------->

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

 

 

Т

Поскольку

0

<

sin пе/Т <; sin [я (2k +

г)/Т]

 

и

0

<

sin 1ях

X (1 — е)/Т] <

sin [я (2k + 1

+ e)IT] (k + 1 <

Т/2),

 

то

вторые

члены в р| и р! +1 соответственно

больше первых и больше поло­

вин абсолютных значений третьих. То, в какой степени домини-

168 ЦИКЛИЧЕСКИЕ ТРЕНДЫ Гл. 4.

рует второй член, зависит в первом случае от отношения

2k + 8

2k + 8

 

1 / » + e \*

 

sin л -

 

— б

Т - Н

+

(38)

 

8

1

/

8

\3

4-

 

sin я -

я —------- л; —

 

 

 

Т

6

\

Т )

 

 

 

 

 

 

(2k +

е)3

 

 

2k -j- 8

 

 

6 Г 2

 

 

 

 

1

Я а8а

 

 

 

 

 

6Г*

"**

 

равного примерно

2kl& + 1.

За

исключением случая, когда k

очень мало (маленькая частота и большой период), это отношение велико и второе слагаемое в выражении для р| доминирует. Если

k близко к 1(Т — 1)/2], то первое слагаемое можно исследовать более точно. Аргумент я (2k + е)/Т заменяется на я — я х

X(2k + е)/Г и (38) аппроксимируется посредством (Г — 2k — е)/е. Анализ вторых слагаемых в выражениях для р\ и р£+| пока­

зывает, что большее из них достигает минимума при е = 1/2 . Соответствующей аппроксимацией для р\ и р| +1 является

Если Т достаточно велико, то (39) близко к р2 (2/я) 2 = р2 (0.6366)2 =

=

р2 X 0.4053. Иначе говоря, каждое из р2 и р| +1 составляет около

41 % интенсивности гармонической составляющей,

а

сумма р| +

+

P*-f-i составляет около 81%. Как будет видно

из

следующего

абзаца, значения остальных р2 необходимо должны быть малыми.

(Если е меньше 1/2, то второе слагаемое в р2

приближенно равно

р2 (1

— я 2е2/6 )2.)

 

/ (t)

 

 

 

Полная сумма квадратов значений %yt =

равна

 

Г

Г

г

 

 

т

(40)

2 / 2 (0 =

ос2 2 cos2 М +

2ар 2 cos Kt sin kt + p2 2

sin2 Xt =s

 

/=i

<=i

/=i

 

r

tt

i

 

=

f P2 {4 - + *

f ^ r cosI?t<r +

1) -

2 0

]},

0 < Я < я ,

 

 

I T a \

 

 

 

 

%«. 0 , я.

4.4.

 

ПЕРИОДЫ ТРЕНДА НЕ ЯВЛЯЮТСЯ ДЕЛИТЕЛЯМИ

169

Ее можно нормировать делением на 772. Если

А — 2nklT или

если X =

+

1/2)/Г, то второе слагаемое в правой части (40)

равно 0

и

 

 

 

 

 

(41)

4 - 2 / 2(0 = р2.

x = l f ~ ,

Я = ^ +

Ж

,

Если X = 2п (к + г)/Т,

то последняя сумма равна

 

(42)

- | г 2 / 2(0 =

 

 

 

 

 

 

1

t = \

 

 

 

 

 

 

 

- 4

' +

 

cos{ * . (. +

Щ

- *>]}.

 

 

I

 

Т sin 2я — -Т

 

 

 

Второй член в (42) будет мал, в частности если k велико. Заметим, что в обоих случаях

Т[<г-1)/2]

(43)

\ 2 / 2 (/) =

2

р2'+ 2а\ + 2 а|/2,

причем, если Г нечетное, последнее слагаемое в правой части долж­ но отсутствовать. Коэффициенты а 0 и аТ/2 задаются соотношениями (23) и (24). Они обычно бывают малы (см. упр. 34 и 35) и вносят малый вклад в сумму квадратов (43). Отсюда следует, что нормиро­ ванная сумма квадратов математических ожиданий наблюдаемых значений близка к сумме квадратов [(Г — 1)/2] интенсивностей. Часть последней суммы, не входящая в наибольшую или в следую­ щую за ней по величине амплитуду р2, относится к остальным

р2. Предыдущие рассуждения показывают, что наибольшая из этих р2 составляет около 41% указанной суммы квадратов.

Отметим, что сумма квадратов (40), деленная на а 2, является параметром нецентральное™ (30) при v = X Ф 0 , я). Статистика Q(А) является квадратичной формой относительно переменных А (X) и В (А). Ее можно рассматривать как сумму квадратов двух

нормированных

ортогональных линейных комбинаций значений

Уи •••» Ут- Сумма

квадратов математических ожиданий этих линей­

ных комбинаций равна сумме квадратов математических ожиданий значений всех наблюдений. Это показывает, что параметр нецен­ тральное™ распределения статистики Q (v) принимает максималь­

ное значение при

v = А.

статистики Rf,

..., R2 (д =

Процедура,

использующая

= 1(Т — 1)/21),

состоит в следующем. Гипотеза

Н0: р2 = 0

 

я

 

 

принимается, если R2. <

/ = *> •••> <7. где g выбирается так,

170 ЦИКЛИЧЕСКИЕ ТРЕНДЫ Гл. 4.

чтобы вероятность

(92) из § 4.3 была равна определенному уровню

значимости е. В противном случае принимается

гипотеза //,: ра >

> 0 и

р2 >

р2,

i Ф /, i =

1, .... q,

где R2 > gj^R2 и

R2>

R2t>

i Ф j,

i =

1,

q.

Гипотеза Н/

означает

 

i ~ \

4.4.2),

что

(теорема

X лежит в пределах

между 2 л/Г и 2nj/T и находится в непосредст­

венной

близости

к

интервалу

(2 я

(/ — 1/2 )/Г,

2 л (/ + 1/2)/7).

Используя величины Zj — 77??/(2а2), области принятия

 

указанных

гипотез можно записать в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

(44)

 

R0: Zj <

 

2 zt,

1=1,

 

 

 

 

 

 

(45) Rf. z ,> -

g

8

2

2,-.

z ,> z lt

1Ф1,

i =

1, . . . .

q,

 

 

 

1

 

1ф,-

 

 

 

 

 

 

• • •

i

<7«

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i =

l,

 

Покажем теперь, что если верна гипотеза Я/, то вероятность прий­ ти к заключению о ее истинности больше вероятности решения о том, что верна какая-либо другая гипотеза Н( и что эта вероят­ ность достигает максимума при А. = 2лjfT (в последнем случае р3{ — 0 для i Ф /). Пусть т2 = 7р2/(2<т2). Предположим, что наблю­

дения yt нормально распределены.

Л емма

4.4.3.

Интеграл

 

СО

00

(46)

j

k{z\x*)dz = \ e“ x‘/2k ) / 0(тV'z)dz

 

е

е

является возрастающей функцией

от тг (0

т2 <

оо).

 

Д оказательство.

Е с л и т2 <

т2,

то

неравенство

г > с

равно­

сильно неравенству k (г|т|)/Дг

(z|tf) >

d при

надлежащим

обра­

зом выбранном d. Тогда имеем

 

 

 

 

 

 

 

ОО

 

00

 

 

 

 

(47)

\k { z \T § d z > d \k ( z \tfd z t

 

 

 

 

С

 

с

 

 

 

 

о о

С

 

 

С

 

 

 

(48) 1 — J k(z\-z*)dz = ^ k(z\x2)dz< .d j k(z\xfidz =

с

О

О

= d

Отсюда и следует утверждение леммы, щ

4.4.

ПЕРИОДЫ ТРЕНДА НЕ ЯВЛЯЮТСЯ ДЕЛИТЕЛЯМИ

 

 

171

f Л емма

4.4.4. Вероятность Рг

{Rx| т^,т|.......т2}

является

воз­

растающей функцией от xf при

фиксированных значениях т|, ...

.... т2 и убывающей функцией от х\ при

фиксированных

значениях

Д оказательство. Пусть

h (г2, ..., zq) — максимальное

из

чисел

 

ч

 

 

 

 

 

 

 

г2, .... гя и [g/(l — g)l 2

zi- ТогДа

 

 

 

 

 

 

 

i=2

 

 

 

 

 

 

 

(49) Рг

| rf, т|, . . . .

T*} =

 

 

 

 

 

 

 

 

= S • • •

S n

it ?)

S

k ^

\ Ti)dz4

n d z ‘-

 

0

0 * = 2

 

U (г,.......zq)

 

 

j

<!“ 2

Интеграл в фигурных скобках является в силу

леммы 4.4.3 возра­

стающей

функцией от х2г

Аналогично,

пусть

т (zlt

z3, ...,

zq)

 

 

 

 

 

ч

zi-

Тогда

 

минимальное из значений гх и [(1 — g)!g\zx — 2

 

 

 

 

 

 

1=3

 

 

 

 

(50)Рг {/?! | х2, х2,

 

сю

со

оо

 

 

J

k (z2 1т|)dz2 П dzt.

= J

• • • 1

1

П б ( 2,|т?)

 

0

0 max 2,

^2

I

О

i+2

 

 

 

i>2

 

 

l

 

 

Интеграл

в фигурных

скобках является в силу леммы 4.4.3

убывающей функцией

от

т2Тщ

 

 

 

Теорема 4.4.3. Если х2 >

т?,

то

 

 

 

 

 

*7

 

ч*

 

 

 

(51)

Рг{Д/1т2, . . . .

X2} > Рг {Rfr | X2,

. . . . т*}.

Д оказательство. Левая часть (51) больше, чем вероятность со­ бытия R/ с заменой в условии х2 на т|. Последняя же равна вероят­ ности Rk с заменой в условии х2. на т2 и больше, чем правая часть

(51). и

Теорема 4.4.4.

(52) Р г {Rj| т2 =

т2, т? =

0,

/* /} > Р г{ я /1 т® < т * ,

 

 

Доказательство. Эта

теорема вытекает

из

последовательного

применения леммы 4.4.4

с заменой х% на r j

и т|

на

х2(,

i Ф ц

Вероятности

Рг {/?i | xf,

..., т2}.......Рг {Rq| rf, ...,

т2}

зависят

от т^, .... х2 и вычисление их весьма затруднительно.

172

 

ЦИКЛИЧЕСКИЕ ТРЕНДЫ

Гл. 4-

4.4.3.

Использование тригонометрических функций,

 

периоды которых не являются делителями длины ряда

Ранее было замечено, что ух,

ут можно выразить с помощью

у, аъ

Ьъ ...,

a [(r-i)/2], b[(T-\yz\

и аТ/2 (если

Т четное). Если

Т =

+ 1,

то

 

 

 

 

н

 

 

(53)yt у + 2 cos— t + bj sin Щг— .

Если

же Т — 2Н + 2, то

 

 

и

 

(54)

yt = + 2 (а/ cos

t + bj sin -Ц}- tj + aT/2 (— 1)'.

Коэффициенты A (v) и В (v) также могут быть выражены с помощью этих Т тригонометрических коэффициентов. Например, для Т = = 2Н + 1

 

т

 

 

 

 

 

 

(55) A (v) = -jr2

cos vt +

 

 

 

 

 

t=l

 

 

 

 

 

 

+

- у

2

i^ i f i c o s ^ t

cos vt +

 

+

bj 2

Sin

t cos v/] =

 

 

 

<=i

 

/

 

 

 

_

sin ——- vT

 

 

 

 

у ------- j------cos-i- v ( r + 1) +

 

 

 

sin —

v

 

 

 

 

 

 

 

 

— i—

--)

4

+ ?j ( 7’ + l ) +

 

 

 

 

sin • —-v +

'

 

 

 

 

\ 2

T j

 

 

 

sin( T v - T

- ) r

 

 

 

+

. / 1

n j - c o s ( 4 - v - J f ) ( 7’ + 1) +

 

sin — V----- -

 

 

 

 

 

\

2

T

 

 

 

+ bj

 

1

Л1 \

sin

v H— f~J (T + 1) —

sin(T v + — j