形式陈述
阶数为 q 的移动平均过程 MA(q ) 定义为
X t = μ + ε t + θ 1 ε t − 1 + ⋯ + θ q ε t − q , θ q ≠ 0 ( q ≥ 1 ) , 其中 q = 0 时空和为零,模型就是均值平移的白噪声;( ε t ) 是零均值、方差 σ 2 > 0 的白噪声过程 公理库 白噪声过程 White noise process · White noise 均值为零、方差恒定且不同时间互不相关的随机过程。 。以后移算子 公理库 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。 和 θ ( z ) = 1 + θ 1 z + ⋯ + θ q z q 记作 X t − μ = θ ( B ) ε t 。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 ) = σ 2 ∑ j = 0 q − | h | θ j θ j + | h | ( | h | ≤ q ) , γ ( h ) = 0 ( | h | > q ) , 其中 θ 0 = 1 。
若 θ ( z ) 的零点全在单位圆外,则模型可逆:存在绝对可和系数 π j ,使 ε t = ∑ j ≥ 0 π j ( X t − j − μ ) 。可逆性不是生成 X t 的条件,而是从当前及过去观测稳定地恢复驱动噪声的规范约束;在此条件下,它也是相对于观测过去的一步线性创新。MA(q ) 是ARMA 过程 公理库 ARMA 过程 ARMA process · Autoregressive moving-average process 由有限阶自回归反馈与移动平均冲击组成的线性时序模型,平稳性、因果性和可逆性须分别检验。 在 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。ε t 同时进入 X t , X t + 1 , … , X t + 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;恰在单位圆上时通常的绝对可和逆滤波条件失效;这不排除采用其他极限方式恢复噪声。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
设 X t = ε t + 2 ε t − 1 ,Var ( ε t ) = 1 。直接展开得
γ ( 0 ) = 1 + 2 2 = 5 , γ ( 1 ) = 2 , γ ( h ) = 0 ( | h | ≥ 2 ) . θ ( z ) = 1 + 2 z 的根为 − 1 / 2 ,在单位圆内,故模型不可逆。现在取 Y t = η t + 1 2 η t − 1 且 Var ( η t ) = 4 ,则
γ Y ( 0 ) = 4 ( 1 + 1 4 ) = 5 , γ Y ( 1 ) = 4 ⋅ 1 2 = 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 2 σ 2 、一阶自相关 1 / 2 ,所以仍平稳;但形式逆式 ( 1 + B ) − 1 = 1 − B + B 2 − ⋯ 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:超过 q 阶的 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。在可逆表示下,令 H t 为当前及过去观测的闭线性空间。对 h ≥ 1 ,最佳线性预测及其误差方差分别为
X ^ t + h | t = μ + ∑ j = h q θ j ε t + h − j , MSE ( h ) = σ 2 ∑ j = 0 min ( h − 1 , q ) θ j 2 . 当 h > q 时第一式的和为空,线性预测回到 μ ,误差方差达到总体方差。仅不相关的白噪声不足以把这一结论升级成条件均值;若噪声独立,或未来噪声对其过去满足零条件均值,才有相应条件期望结论。上面的可逆 MA(1) 在一步时预测 1 2 η t 、误差方差 4 ,两步及以后预测为零、误差方差 5 。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 ε t ;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