关于从实验数据中删除趋势

通常,在分析通过实验获得的平稳时间序列时,在数据的初步准备(预处理)期间,必须抑制其中存在的趋势。

这里将提出一种“新的”趋势突出显示方法-简单,明显且适用于非常复杂的趋势类型。

通常将趋势理解为一种超低频非谐波分量,它严重违反了过程的平稳性。 实验获得的数据趋势的最常见原因是记录设备的“零漂移”。 数据集成和某些其他类型的处理也会引起趋势。 趋势的存在极大地扭曲了后续数据处理(频谱估计等)的结果,因此,有必要消除趋势。 在某些情况下,趋势本身是有价值的信息来源(例如,在分析经济或气象过程的长期趋势时)。

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1.隔离和消除趋势

通常,趋势是使用线性或幂(二阶或三阶)函数建模的,其系数是通过将过程乘以某些序列,然后应用使用最小二乘法得出的相当复杂的公式来计算的。 (例如,参见J. Bendat,A. Pirsol,“随机数据的应用分析”,M.,Mir,1989年。)以下是略微修改的方法,同样基于最小二乘法,该方法非常易于理解和学习,并且不需要引用目录或独立的复杂符号计算来获得必要的依赖关系,同时允许您使用任何类型的函数对趋势进行建模。 这种修改过的方法是如此简单和明显(一旦掌握后,便可以从内存中编写脚本),以至于它可能是不止一次地被不同的研究人员“发明”的,但是我在任何来源中都没有发现任何东西。

为了突出趋势,使用构成趋势u j [i]的少量k函数对由N + 1个样本组成的初始过程x [i]进行近似处理:
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(通常,将幂函数选择为函数u j [i],

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但对于这种方法,它绝对是无原则的)

线性代数方程组(1)包含k个未知的b j和N + 1个方程。

采取的符号:

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写得更紧凑

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最小二乘法在搜索超定系统的近似解中的应用以矩阵形式编写如下:

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在编写脚本时:自然地,不需要存储整个大矩阵U,可以逐步“累积”矩阵U T U和向量U T x的元素。

k个方程式和k个未知数的系统(4)通过明显的方法求解-好吧,例如,我们这样写:

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之后,使用找到的b j ,我们可以将趋势θ[i]构造为

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例如,模拟了表格的随机过程x [i]

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其中χ[i]-具有单个色散的高斯白噪声。 趋势是通过类型(2)(更确切地说是(8))的函数建模的,直到并包括4阶(k = 4)。

当使用幂律函数进行趋势建模时,应注意的是,由于这些函数的线性独立性,矩阵U T U(4)在理论上始终是可逆的,但是,在k的高阶(或N的很长的实现,这不太关键)时,其某些元素可能非常绝对有价值。 在高k的情况下,在计算困难的情况下,建议使用降低系数,例如,例如(8):

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(Δt= 1),这是在所考虑的示例中完成的。 得到图1所示的趋势。
突出显示趋势之后,自然应该从源数据中减去该趋势。

备注。 通常,权威人士不建议使用k = 2(平方抛物线)以上的趋势模型。 这是否是由于难以通过传统方法确定“振幅”系数b j所致,还是由于上述机器变量阶数的用尽,还是该过程的信息成分对趋势的错误分配所致。 在给定的示例中,突出显示了四阶趋势,好像它似乎是合理的(尽管与三阶趋势没有太大区别)。 对于特别困难的情况,消息来源建议使用其他方法-低通滤波(此处不考虑)。

突出显示趋势,如上所示,该过程并不那么复杂,它使您可以选择和分析“慢”趋势,或者更经常地,它有助于获得高质量的数据-适合进一步分析的集中平稳的随机过程。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN448848/


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