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后移算子

Backshift operator · Lag operator · 滞后算子

将离散时间序列向过去平移一期并以多项式统一表示差分和线性滤波的算子。

领域
统计学
条目类型
定义

形式陈述

对双边离散时间随机过程或确定性序列 (xt)tZ,后移算子 B 定义为

Bxt=xt1,Bkxt=xtk(k0).

a(z)=a0+a1z++apzp,则算子多项式按

a(B)xt=a0xt+a1xt1++apxtp

作用。算子加法、数乘和复合满足多项式代数,例如 a(B)b(B)xt=(ab)(B)xt,因为各次时间平移彼此交换。一阶差分是 Δ=1B,所以 Δxt=xtxt1;季节差分是 1Bs,并有 1Bs=(1B)(1+B++Bs1)

形式逆算子需要单独检查收敛与边界。若 |ϕ|<1,在适当平方可积平稳序列上可将 (1ϕB)1 解释为 j0ϕjBj;若 |ϕ|1,这条因果级数通常不收敛。符号消元只是候选表示,不能绕过随机级数的存在性或初始条件。

直觉

B 像时间轴上的一个“向左一步”按钮。把多次按键组成多项式后,AR 方程、MA 滤波、差分和季节操作都变成普通多项式运算;根的位置随即编码反馈是否衰减、滤波是否可逆。它节省的是记号和推导,不改变数据本身,也不会自动估计任何参数。

双边理论序列与有限样本要分开。理论上 Bx1=x0 总有定义,因为索引遍及整数;观测只有 x1,,xn 时,x0 未知,差分后自然少一个可用值。软件选择丢弃、填补或条件化于初值,会改变似然和早期预测。把缺失边界默认为零相当于加入实质模型假设,而不是后移算子的代数性质。

例子与边界

对观测 (x1,x2,x3,x4)=(3,5,10,18),可计算的一阶差分为

(Δx2,Δx3,Δx4)=(2,5,8),

二阶差分为 (3,3)。算子展开给

(1B)2xt=(12B+B2)xt=xt2xt1+xt2,

所以 1025+3=318210+5=3。这不是另造一套公式,而是多项式乘法直接恢复有限差分。若月度序列用 1B12,则首个季节差分需要 x13x1,至少损失前十二个观测位置。

Xt=0.6Xt1+εt,写成 (10.6B)Xt=εt,因 |0.6|<1

Xt=(10.6B)1εt=εt+0.6εt1+0.62εt2+.

若系数换成 1,几何权重不衰减,不能把 (1B)1 当绝对可和的平稳滤波器;它是累加,需初值并产生单位根过程。若有限样本采用循环移位让 Bx1=xn,那是周期边界算子,与时间序列通常的未知过去并非同一对象。

推论与应用

自回归过程ϕ(B) 编码反馈,移动平均过程θ(B) 编码创新滤波,ARMA 过程把二者置于方程两侧。ARIMA 模型再加入 (1B)d,把需要差分的非平稳方向显式分离。多项式是否有公因子决定表示能否约简,零点相对单位圆的位置决定因果与可逆,而不是单凭系数符号判断。

实际计算中,算子记号应最终展开成明确递推或卷积,并声明初始样本怎样处理。对缺口不规则的时间戳,B 表示“上一索引”不一定等于固定日历间隔;直接套月度或日度差分会混淆采样间距。多变量序列还可把系数换成矩阵,但矩阵多项式的稳定性需检查行列式零点,不能逐元素沿用标量规则。

参考资料
  • James D. Hamilton, Time Series Analysis, Princeton University Press, 1994,Ch. 2 and §§3.3–3.7,lag operators and ARMA notation。
  • Peter J. Brockwell and Richard A. Davis, Introduction to Time Series and Forecasting, 3rd ed., Springer, 2016,§3.1,backshift polynomials, causality, and invertibility。
  • George E. P. Box, Gwilym M. Jenkins, Gregory C. Reinsel, and Greta M. Ljung, Time Series Analysis: Forecasting and Control, 5th ed., Wiley, 2015,Chs. 3–4,backshift notation and differencing operators。
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