2.1. Автокорреляционные свойства стационарных моделей

2.1.1. Временные ряды и стохастические процессы

Временные ряды. Временной ряд – это множество наблюдений, генерируемых последовательно во времени. Если время непрерывно, временно ряд называется непрерывным. Если время изменяется дискретно, временной ряд дискретен. Наблюдения дискретного временного ряда,  сделанные в моменты времени  могут быть обозначены через . В этой книге  рассматриваются только дискретные  временные ряды,  в которых  наблюдения делаются через фиксированный интервал . Когда имеется  последовательных значений такого ряда, доступных для анализа, мы пишем , обозначая так наблюдения, сделанные в равноотстоящие моменты времени . Во многих случаях значения  и  не важны, но если необходимо точно определить времена наблюдений, нужно указать эти два значения. Если мы принимаем  за начало и  за единицу времени, мы можем рассматривать  как наблюдение в момент времени .

Дискретные временные ряды могут появляться двумя путями.

1) Выборкой из непрерывных временных рядов, например, в ситуации, показанной на рис. 1.2, где значения  непрерывных входа и выхода газовой печи считываются с интервалом 9 с.

2) Накоплением переменной в течение некоторого периода времени; примерами могут служить дождевые осадки, которые обычно накапливаются за такие периоды, как день или месяц, или выход партий продукта, накапливающегося за время цикла. Например, на рис. 2.1 показан временной ряд, состоящий из значений выхода 70 последовательных партий продукта химического процесса.

Рис. 2.1 Выход 70 последовательных партий продукта химического процесса.

Детерминированные и случайные временные ряды. Если будущие значения временного ряда точно определены какой-либо математической функцией, например, такой, как

,

временной ряд называют детерминированным. Если будущие значения могут быть описаны только с помощью распределения вероятностей, временной ряд называют недетерминированным, или просто случайным. Данные о партиях продукта на рис. 2.1 – это пример случайного временного ряда. Хотя в этом ряду имеется отчетливая тенденция к чередованию «вверх-вниз», невозможно точно предсказать  выход следующей партии. В этой книге мы будем исследовать именно такие случайные временные ряды.

Стохастические процессы. Статическое явление, развивающееся во времени согласно законам теории вероятности, называется стохастическим процессом. Мы часто будем называть его просто процессом, опуская слово «стохастический». Подлежащий анализу временной ряд может быть рассматриваться как одна частная реализация изучаемой системы, генерируемая скрытым вероятностным механизмом. Другими словами, анализируя временной ряд, мы рассматриваем его как реализацию стохастического процесса.

Рис. 2.2 Наблюденный временной ряд (жирная линия) и другие временные ряды, являющиеся реализациями одного и того же стохастического ряда.

Рис. 2. 3. Изолинии плотности двумерного распределения вероятности, описывающего стохастический процесс в моменты времени  и , там же маргинальное распределение в момент .

Например, анализирую данные о выходе партии продукта на рис 2.1, мы можем представить себе другие множества наблюдений (другие реализации порождающего эти наблюдения стохастического процесса), которые могут быть генерированы той же самой химической системой, за те же  циклов. Так, например, на рис. 2.2 показаны выходы партий продукта с  по (жирная линия) вместе с другими временными рядами, которые могли бы быть получены из популяции временных рядов, определяемых тем же стохастическим процессом. Отсюда следует, что мы можем рассматривать наблюдение в данное время , скажем , как реализацию случайной величины  с плотностью вероятности .

Подобным образом наблюдения в любые два момента времени,  , могут рассматриваться как реализации двух случайных величин и  с совместной плотностью вероятности . Например, на рис. 2.3 показаны изолинии плотности для такого совместного распределения вместе с маргинальным распределением в момент времени . В общем наблюдения, образующие временной ряд могут быть описаны всевозможными -мерными случайными величинами  с плотностью вероятности .