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移动平均过程

Moving-average process · MA process

当前值由有限个当期与过去白噪声创新线性组合构成的时间序列模型。

领域
统计学
条目类型
模型

形式陈述

阶数为 q 的移动平均过程 MA(q) 定义为

Xt=μ+εt+θ1εt1++θqεtq,θq0,

其中 (εt) 是方差 σ2白噪声过程。以后移算子θ(z)=1+θ1z++θqzq 记作 Xtμ=θ(B)εt。有限线性滤波保证它总是因果弱平稳,不需要对 θ 的根施加平稳条件;其自协方差为

γ(h)=σ2j=0q|h|θjθj+|h|(|h|q),γ(h)=0(|h|>q),

其中 θ0=1

θ(z) 的零点全在单位圆外,则模型可逆:存在绝对可和系数 πj,使 εt=j0πj(Xtjμ)。可逆性不是生成 Xt 的条件,而是从观测过去唯一、稳定地恢复创新的识别约束。MA(q) 是ARMA 过程p=0 时的特例。

直觉

MA 模型让每次冲击只留下有限长度的脚印。εt 同时进入 Xt,Xt+1,,Xt+q,因此相距超过 q 期的两个观测不共享创新,在二阶意义下不相关。名称里的“移动平均”指随机冲击的加权滑窗,不是对一条已观测序列做平滑的滚动平均;后者是数据处理操作,前者是概率生成模型。

同一个协方差结构可能对应多个冲击参数。可逆性选择其中创新可由当前与过去观测恢复的规范表示,让“本期新信息”具有可操作含义。根越靠近单位圆,逆滤波系数衰减越慢,有限样本估计越不稳定;恰在单位圆上时逆级数不收敛。把可逆误称为平稳,会错过“所有有限阶 MA 都平稳,但并非都可逆”的核心区别。

例子与边界

Xt=εt+2εt1Var(εt)=1。直接展开得

γ(0)=1+22=5,γ(1)=2,γ(h)=0 (|h|2).

θ(z)=1+2z 的根为 1/2,在单位圆内,故模型不可逆。现在取 Yt=ηt+12ηt1Var(ηt)=4,则

γY(0)=4(1+14)=5,γY(1)=412=2.

若噪声为高斯,两过程全部有限维分布相同;仅凭观测不能在两种参数化间识别。第二个多项式根为 2,位于单位圆外,因此可逆规范选择 θ=1/2 并相应调整创新方差。

边界 θ=1 的 MA(1) 根为 1。它仍有有限方差 2σ2、一阶自相关 1/2,所以仍平稳;但形式逆式 (1+B)1=1B+B2 的系数不衰减,历史测量误差会永久传播。另一个边界是非高斯白噪声:零滞后后的 ACF 截尾仍成立,但 |h|>q 只保证不相关;若创新跨期依赖但不相关,观测也可能保留高阶依赖。

推论与应用

总体 ACF 在 q 阶后截尾,为 MA 阶数提供初步诊断;样本 ACF 因估计误差不会精确为零,而且多个候选阶数应通过似然、预测验证和残差检查比较。可逆 MA(q) 具有无限阶 AR 表示,说明“有限冲击记忆”与“可由无限观测过去恢复冲击”是同一模型的两个方向,而不是两种相斥模型。

测量误差、一次性干预的有限传播和聚合过程常自然产生 MA 结构。预测超过 q 步后,已知过去创新不再影响条件均值,预测误差却包含未来若干创新的组合。若模型不可逆,算法根据过去观测计算的残差不等于生成式中的原始 εt;这会破坏创新解释与参数唯一性,即便一步样本拟合看似正常。

参考资料
  • Peter J. Brockwell and Richard A. Davis, Time Series: Theory and Methods, 2nd ed., Springer, 1991,§3.1,causality, invertibility, and MA representations。
  • James D. Hamilton, Time Series Analysis, Princeton University Press, 1994,§3.3,moving-average processes 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,§3.3 and Ch. 6,moving-average models and identification。
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