- •1. Общие положения
- •1.1. Цель и задачи кп
- •1.2. Содержание и объём кп
- •1.3. Этапы выполнения кп
- •2. Теоретические основы методов, применяемых в кп
- •2.1. Предварительная обработка статистических данных
- •2.2. Вейвлет анализ временного ряда
- •2.3. Сингулярный спектральный анализ временного ряда
- •2.4.1. Рекуррентное ssa-прогнозирование
- •2.4. Методы ssa-прогнозирования
- •2.4.2. Векторное ssa-прогнозирование
- •2.4.3. Формирование доверительных интервалов
- •2.5. Основы аналитического подхода к оценке риска спектральными методами
- •2.5.1. Относительные меры риска
- •Спектральная плотность Fu(ω) распределения дисперсии ущерба
- •Энергетические спектры ущерба Fu(ω) и гармонического сигнала Fг
- •2.5.2. Расчет прогностической меры риска
- •Ряд прогноза y[n]
- •3. Этапы выполнения основной части кп
- •4. Пример анализа временного ряда предложенными методами
- •4.1. Статистика количества почтовых писем, классифицированных как спам
- •4.1.1. Предварительная обработка статистических данных
- •4.1.2. Вейвлет анализ временного ряда
- •4.1.3. Сингулярный спектральный анализ временного ряда
- •4.1.4. Расчет прогностической меры риска
- •Исходный ряд и ряд прогноза
- •Ряд прогноза
- •4.2. Статистика случаев мошенничества с кредитными картами
- •4.2.1. Предварительная обработка статистических данных
- •4.2.2. Вейвлет анализ временного ряда
- •4.2.3. Сингулярный спектральный анализ временного ряда
- •4.2.4. Расчет прогностической меры риска
- •Восстановленный ряд и ряд прогноза
- •Прогноз ущерба от мошеннических операций с распределенными платежными системами на 2012 год
- •Распределения вероятностей нанесения ущербов
- •5. Требования к оформлению и объему кп
- •5.1. Общие требования
- •5.2. Правила оформления текстовых документов
- •5.3. Правила нумерации страниц
- •5.4. Правила оформления иллюстраций
- •5.5. Оформление таблиц
- •5.6. Приложение
- •5.7. Типичные ошибки при выполнении кп
- •5.8. Дополнительные рекомендации по выполнению кп
- •6. Порядок оценки работы
- •Библиографический список Основная литература
- •Дополнительная литература
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
2.3. Сингулярный спектральный анализ временного ряда
Сингулярный спектральный анализ зародился в 70х-80х годах прошлого столетия из теории динамических систем. В его основе лежит трансформация временного ряда в матрицу и ее сингулярное разложение [23]. После идентификации компонент сингулярного разложения происходит их группировка, приводящая к разложению исходного ряда на аддитивные компоненты, такие как тренд, колебания (периодики) и шум. При этом метод не требует стационарности ряда, знания модели тренда, а также сведений о наличии в ряде периодических составляющих и их периодах. Также с помощью данного метода можно определить модель тренда и использовать это знание для дальнейшей обработки ряда уже с известной моделью тренда. В зарубежной литературе метод наиболее известен под названием SSA (SingularSpectrumAnalysis).
Математической основой метода SSA является сингулярное разложение [20]. Для успешного применения метода SSA следует последовательно пройти несколько шагов. Пусть имеется вещественнозначный временной ряд F = (fo,…,fN-1) длины N, N > 2. Алгоритм можно разбить на четыре шага: вложение, сингулярное разложение, группировка и диагональное усреднение. Первые два в совокупности называются разложением, последние - восстановлением. Основным параметром алгоритма служит так называемая длина окна L, 1 <L< N. Результатом алгоритма является разбиение временного ряда на аддитивные составляющие.
Первым шагом является процедура вложения, которая переводит исходный временной ряд в последовательность многомерных векторов.
Пусть L — некоторое целое число (длина окна), 1 <L< N. Процедура вложения образует K = N — L +1 векторов вложения
имеющих размерность L.
L – траекторная матрица ряда F
состоит из векторов вложения в качестве столбцов.
Другими словами, траекторная матрица — это матрица
.
Очевидно, что aij
= fi+j-2
и матрица X имеет одинаковые элементы
на «диагоналях» i +
j =const.
Таким образом, траекторная матрица
является ганкелевой. Существует
взаимно-однозначное соответствие
между ганкелевыми матрицами размерности
и рядами длины N = L
+ K- 1.
Из-за того, что нет общих рекомендаций по выбору ширины окна, параметр L зависит от решаемой задачи и предварительной информации, известной о ряде. Например, для выделения тренда рекомендуется выбирать ширину окна не слишком большой. С другой стороны, для выделения гармонических колебаний рекомендуется большая ширина окна.
Далее проводится
сингулярное разложение матрицы A.
Обозначим
.
Матрица
симметричная
и неотрицательно определенная, а значит
ее собственные числа
вещественны и неотрицательны.
Представленные в виде
собственные числа называют сингулярными
значениями матрицы А. Пусть
– соответствующие им ортонормированные
собственные вектора. Будем называть
порядком сингулярного разложения.
Обозначим
.
(2) Тогда
сингулярным разложением матрицы A
называется ее представление в виде
суммы элементарных матриц
.
(3)
Каждая из матриц
имеет ранг, равный единице. Поэтому их
можно назвать элементарными матрицами.
Вектор
называют k-м левым сингулярным
вектором или просто k-м собственным
вектором, вектор
– правым сингулярным вектором.
Набор
будем называть k-ой собственной
тройкой.
Этап группировки.
Вид левых и правых сингулярных векторов,
трактуемых в SSA как временные ряды,
является очень важным для следующего
шага метода – группировки [4]. При этом
для одномерного SSA левые и правые
сингулярные вектора обладают определенной
симметрией, так как в этих случаях
сингулярные разложения траекторных
матриц с длиной окна
и
эквивалентны.
Процедура группировки
формально одинакова для всех разновидностей
SSA. На основе разложения (3) процедура
группировки делит все множество индексов
на
непересекающихся подмножеств
.
Пусть
Тогда результирующая матрица
,
соответствующая группе
,
определяется как
.Такие
матрицы вычисляются для
,
тем самым разложение (3) может быть
записано в сгруппированном виде:
.
Процедура выбора множеств и называется группировкой собственных троек.
Этап диагонального
усреднения. На последнем шаге базового
алгоритма каждая матрица сгруппированного
разложения переводится в новый ряд
длины
.
Для произвольной матрицы X
процедуру приведения ее к ганкелевому
виду и последующему преобразованию в
ряд (обозначим его как Gв) выразим
следующим образом. Пусть
– матрица размера
с элементами
,
,
.
Положим
,
и
.
Пусть
,
если
и
в остальных случаях. Тогда диагональное
усреднение переводит матрицу
в ряд
по формуле
Это выражение
соответствует усреднению элементов
матрицы вдоль побочных диагоналей
:
выбор
дает
,
для
получаем
и т. д. Применив диагональное усреднение
к матрицам, полученным на этапе
группировки, приходим к разложению
исходного ряда в сумму
рядов [21].
