时变扩散状态空间预报模型

这个例子展示了如何从一个已知的模型中生成数据,将一个扩散状态空间模型拟合到数据中,然后从拟合的模型中预测状态和观察状态。

假设潜在过程包括AR(2)和MA(1)模型。有50个周期,并且MA(1)流程将在最后25个周期中退出模型。因此,前25个周期的状态方程为

数组$ $ \开始{}{1}& # xA;{间{1,t}} = 0.7{间{1,t - 1}} - 0.2{间{1,t - 2}} + {u_ {1, t}} \ \ & # xA;{间{2,t}} = {u_ {2, t}} + 0.6 {u_ {2, t - 1}}, & # xA; \{数组}$ $

在过去的25个周期里,是这样的

$ ${间{1,t}} = 0.7{间{1,t - 1}} - 0.2{间{1,t - 2}} + {u_ {1, t}} $ $

在哪里u_ {1, t} $美元$ u_ {2, t} $均为高斯分布,均值为0,标准差为1。

假设序列分别从1.5和1开始,生成一个包含50个观测值的随机序列美元间的{1,t} $间的美元$ {2,t}

T = 50;ARMdl = arima (基于“增大化现实”技术的{0.7, -0.2},“不变”0,“方差”1);MAMdl = arima (“马”, 0.6,“不变”0,“方差”1);x0 = [1.5 1;1.5 - 1];rng (1);x =[模拟(ARMdl T“Y0”x0 (: 1)),模拟(MAMdl T / 2,“Y0”x0(: 2));南(T / 2, 1)];

模拟MA(1)数据的后25个值为值。

潜过程用

$ $ {y_t} = 2 \离开({{间{1,t}} +{间{2,t}}} \右)+ {\ varepsilon _t} $ $

前25个周期,和

$${y_t} = 2{x_{1,t}} + {\varepsilon _t}$$

在过去的25个时期,其中\ varepsilon_t美元为高斯分布,均值为0,标准差为1。

使用随机潜态过程(x)和观测方程来产生观测值。

y = 2 *总和(x ',“omitnan”) + randn (T, 1);

潜过程方程和观测方程共同构成状态空间模型。如果系数为未知参数,则状态空间模型为

数组$ $ \开始{}{1}& # xA;左\[{\开始数组{}{* {20}{c}} & # xA;{{间{1,t}}} \ \ & # xA;{{间{2,t}}} \ \ & # xA;{{间{3 t}}} \ \ & # xA;{{间{4 t}}} & # xA;结束\{数组}}\右]左= \[{\开始数组{}{* {20}{c}} & # xA;{{\φ_1}}和{{\φ_2}}& # 38;0 & # 38;0 \ \ & # xA; 1 & # 38; 0 & # 38; 0 & # 38; 0 \ \ & # xA; 0 & # 38; 0 & # 38; 0 &{{\θ_1}}\ \ & # xA; 0 & # 38; 0 & # 38; 0 & # 38; 0 & # xA;结束\{数组}}\右]\离开[{\开始{数组}{* {20}{c}} & # xA;{{间{1,t - 1}}} \ \ & # xA;{{间{2,t - 1}}} \ \ & # xA;{{间{3 t - 1}}} \ \ & # xA;{{间{4,t - 1}}} & # xA;结束\{数组}}\右]+左\ [数组{\开始{}{* {20}{c}} & # xA; 1 & # 38; 0 \ \ & # xA; 0 & # 38; 0 \ \ & # xA; 0 & # 38; 1 \ \ & # xA; 0 & # 38; 1 & # xA;结束\{数组}}\右]\离开[{\开始{数组}{* {20}{c}} & # xA; {{u_ {1, t}}} \ \ & # xA; {{u_ {2, t}}} & # xA;结束\{数组}}\右]\ \ & # xA; {y_t} = a({间{1,t}} +{间{3 t}}) + {\ varepsilon _t} & # xA; \{数组}$ $

在前25个时期,

数组$ $ \开始{}{1}& # xA;左\[{\开始数组{}{* {20}{c}} & # xA;{{间{1,t}}} \ \ & # xA;{{间{2,t}}} & # xA;结束\{数组}}\右]左= \[{\开始数组{}{* {20}{c}} & # xA;{{\φ_1}}和{{\φ_2}}& # 38;0 & # 38;0 \ \ & # xA; 1 & # 38; 0 & # 38; 0 & # 38; 0 & # xA;结束\{数组}}\右]\离开[{\开始{数组}{* {20}{c}} & # xA;{{间{1,t - 1}}} \ \ & # xA;{{间{2,t - 1}}} \ \ & # xA;{{间{3 t - 1}}} \ \ & # xA;{{间{4,t - 1}}} & # xA;结束\{数组}}\右]+ \离开[{\开始{数组}{* {20}{c}} & # xA; 1 \ \ & # xA; 0 & # xA;结束\{数组}}\右]{u_ {1, t}} \ \ & # xA; b {y_t} ={间{1,t}} +{\ varepsilon _t} & # xA; \{数组}$ $

第26段,和

数组$ $ \开始{}{1}& # xA;左\[{\开始数组{}{* {20}{c}} & # xA;{{间{1,t}}} \ \ & # xA;{{间{2,t}}} & # xA;结束\{数组}}\右]左= \[{\开始数组{}{* {20}{c}} & # xA;{{\φ_1}}和{{\φ_2}}\ \ & # xA; 1 & # 38; 0 & # xA;结束\{数组}}\右]\离开[{\开始{数组}{* {20}{c}} & # xA;{{间{1,t - 1}}} \ \ & # xA;{{间{2,t - 1}}} & # xA;结束\{数组}}\右]+ \离开[{\开始{数组}{* {20}{c}} & # xA; 1 \ \ & # xA; 0 & # xA;结束\{数组}}\右]{u_ {1, t}} \ \ & # xA; b {y_t} ={间{1,t}} + {\ varepsilon _t} & # xA; \{数组}$ $

过去24个时期。

写一个函数,指定参数如何在参数个数映射到状态空间模型矩阵、初始状态值和状态类型。

%版权所有2015 MathWorks, Inc。函数[A, B, C, D, Mean0 Cov0, StateType] = diffuseAR2MAParamMap (params, T)%diffuseAR2MAParamMap时变扩散状态空间模型参数%映射函数%%这个函数将向量params映射到状态空间矩阵(A, B,% C,和D)和状态类型(state type)。从周期1到T/2%状态模型为AR(2)和MA(1)模型,观测模型为两种状态的和。从周期T/2 + 1到T,状态模型为%只是AR(2)模型。AR(2)模型是扩散的。A1 = {[params(1) params(2) 0 0;1 0 0 0;0 0 0参数(3);0 0 0]};B1 = {[10];0 0;0 1;0 1]};C1 = {params(4)*[1 0 1 0]};Mean0 = []; Cov0 = []; StateType = [2 2 0 0]; A2 = {[params(1) params(2) 0 0; 1 0 0 0]}; B2 = {[1; 0]}; A3 = {[params(1) params(2); 1 0]}; B3 = {[1; 0]}; C3 = {params(5)*[1 0]}; A = [repmat(A1,T/2,1);A2;repmat(A3,(T-2)/2,1)]; B = [repmat(B1,T/2,1);B2;repmat(B3,(T-2)/2,1)]; C = [repmat(C1,T/2,1);repmat(C3,T/2,1)]; D = 1;结束

将此代码保存为一个名为diffuseAR2MAParamMap在MATLAB路径上。

通过传递函数创建漫反射状态空间模型diffuseAR2MAParamMap作为函数句柄dssm

Mdl = dssm (@ (params) diffuseAR2MAParamMap (params, T));

dssm隐式创建扩散状态空间模型。通常,您无法验证隐式创建的扩散状态空间模型。

要估计参数,请将观测到的响应(y)估计。为未知参数指定一组任意的正初始值。

params0 = 0.1 *(5、1)的;EstMdl =估计(Mdl y params0);
方法:最大似然(fminunc)有效样本量:48对数似然:-110.313 Akaike信息准则:230.626 Bayesian信息准则:240.186 |多项式系数性病犯错t统计概率- c (1) c(2) | | 0.44041 0.27687 1.59069 0.11168 0.03949 0.29585 0.13349 0.89380摄氏度(3)| 0.78364 1.49223 0.52515 0.59948摄氏度(4)c(5) | | 1.64260 0.66737 2.46133 0.01384 1.90409 0.49374 3.85648 0.00012 | |最终状态性病Dev t统计概率x (1) | -0.81932 0.46706 -1.75420 0.07940 0.45939 -0.65107 0.51500 -0.29909 (2) |

EstMdl是一个dssm包含估计系数的模型。状态空间模型的似然面可能包含局部极大值。因此,尝试几个初始参数值,或考虑使用完善

预报观测和陈述了未来的五个时期。此外,为预测获得可变性的度量。

numPeriods = 5;[财政年度,yMSE,外汇,XMSE] =预测(EstMdl numPeriods y);

预测使用EstMdl.A{结束}、……EstMdl.D{结束}预测扩散状态空间模型。财政年度yMSEnumPeriods预测观测值和预测观测值的方差的-乘1的数值向量。外汇XMSEnumPeriods状态预测和状态预测方差的-乘2矩阵。列表示状态,行表示周期。对于所有输出参数,最后一行对应于最新的预测。

绘制观察、真实状态、预测的观察和状态预测。

图;情节(T-10: T, x (T-10: T, 1),“- k”T + 1: T + numPeriods外汇(:1),“- r”,T-10: T、y (T-10: T),“——g”T + 1: T + numPeriods财政年度,“——b”,T: T + 1, y (T)财政年度(1);x (T) 1),外汇(1,1)]”,”:k”,“线宽”2);包含(“时间”) ylabel (的状态和观察)({传奇的真实状态值,“国家预测”,观察到的反应的,“预测反应”});

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