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文檔簡介

第六講時(shí)間序列的平穩(wěn)性及其檢驗(yàn)演示文稿目前一頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)經(jīng)典回歸分析的假設(shè)之一:解釋變量X是非隨機(jī)變量放寬該假設(shè):X是隨機(jī)變量,則需進(jìn)一步要求:(1)X與隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)不相關(guān)∶Cov(X,)=0(2)依概率收斂:如果X是非平穩(wěn)數(shù)據(jù)(如表現(xiàn)出向上的趨勢),則(2)不成立,回歸估計(jì)量不滿足“一致性”,基于大樣本的統(tǒng)計(jì)推斷也就遇到麻煩。目前二頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

表現(xiàn)在:兩個(gè)本來沒有任何因果關(guān)系的變量,卻有很高的相關(guān)性(有較高的R2)。例如:如果有兩列時(shí)間序列數(shù)據(jù)表現(xiàn)出一致的變化趨勢(非平穩(wěn)的),即使它們沒有任何有意義的關(guān)系,但進(jìn)行回歸也可表現(xiàn)出較高的可決系數(shù)。在現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)生活中,實(shí)際的時(shí)間序列數(shù)據(jù)往往是非平穩(wěn)的,而且主要的經(jīng)濟(jì)變量如消費(fèi)、收入、價(jià)格往往表現(xiàn)為一致的上升或下降。這樣,仍然通過經(jīng)典的因果關(guān)系模型進(jìn)行分析,一般不會(huì)得到有意義的結(jié)果。數(shù)據(jù)非平穩(wěn)的后果——

導(dǎo)致出現(xiàn)“虛假回歸”問題目前三頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)二、時(shí)間序列數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性定義:假定某個(gè)時(shí)間序列是由某一隨機(jī)過程(stochasticprocess)生成的,如果滿足下列條件:

1)均值E(Xt)=是與時(shí)間t無關(guān)的常數(shù);

2)方差Var(Xt)=2是與時(shí)間t無關(guān)的常數(shù);

3)協(xié)方差Cov(Xt,Xt+k)=k

是只與時(shí)期間隔k有關(guān),與時(shí)間t無關(guān)的常數(shù);

則稱該隨機(jī)時(shí)間序列是平穩(wěn)的(stationary),而該隨機(jī)過程是一平穩(wěn)隨機(jī)過程(stationarystochasticprocess)。目前四頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

例1.一個(gè)最簡單的隨機(jī)時(shí)間序列是一具有零均值同方差的獨(dú)立分布序列:

Xt=t

,t~N(0,2)該序列常被稱為是一個(gè)白噪聲(whitenoise)。

由于Xt具有相同的均值與方差,且協(xié)方差為零,由定義,一個(gè)白噪聲序列是平穩(wěn)的。目前五頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

例2.另一個(gè)簡單的隨機(jī)時(shí)間列序被稱為隨機(jī)游走(randomwalk),該序列由如下隨機(jī)過程生成:

Xt=Xt-1+t

這里,t是一個(gè)白噪聲。

容易知道該序列有相同的均值:E(Xt)=E(Xt-1)

為了檢驗(yàn)該序列是否具有相同的方差,可假設(shè)Xt的初值為X0,則易知:目前六頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)X1=X0+1X2=X1+2=X0+1+2

…Xt=X0+1+2+…+t

由于X0為常數(shù),t是一個(gè)白噪聲,因此:Var(Xt)=t2即Xt的方差與時(shí)間t有關(guān)而非常數(shù),它是一非平穩(wěn)序列。目前七頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)然而,對X取一階差分(firstdifference):Xt=Xt-Xt-1=t由于t是一個(gè)白噪聲,則序列{Xt}是平穩(wěn)的。

后面將會(huì)看到:如果一個(gè)時(shí)間序列是非平穩(wěn)的,它常??赏ㄟ^取差分的方法而形成平穩(wěn)序列。目前八頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)事實(shí)上,隨機(jī)游走過程是下面我們稱之為1階自回歸AR(1)過程的特例:Xt=Xt-1+t

不難驗(yàn)證:1)||>1時(shí),該隨機(jī)過程生成的時(shí)間序列是發(fā)散的,表現(xiàn)為持續(xù)上升(>1)或持續(xù)下降(<-1),因此是非平穩(wěn)的;

2)=1時(shí),是一個(gè)隨機(jī)游走過程,也是非平穩(wěn)的。事實(shí)上可以證明:只有當(dāng)-1<<1時(shí),該隨機(jī)過程才是平穩(wěn)的目前九頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)給出一個(gè)隨機(jī)時(shí)間序列,首先可通過該序列的時(shí)間路徑圖來粗略地判斷它是否是平穩(wěn)的。一個(gè)平穩(wěn)的時(shí)間序列在圖形上往往表現(xiàn)出一種圍繞其均值不斷波動(dòng)的過程。而非平穩(wěn)序列則往往表現(xiàn)出在不同的時(shí)間段具有不同的均值(如持續(xù)上升或持續(xù)下降)。

三、平穩(wěn)性檢驗(yàn)的圖示判斷目前十頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)目前十一頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)進(jìn)一步的判斷:檢驗(yàn)樣本自相關(guān)函數(shù)及其圖形

定義隨機(jī)時(shí)間序列的自相關(guān)函數(shù)(autocorrelationfunction,ACF)如下:k=k/0

自相關(guān)函數(shù)是關(guān)于滯后期k的遞減函數(shù)。實(shí)際上,對一個(gè)隨機(jī)過程只有一個(gè)實(shí)現(xiàn)(樣本),因此,只能計(jì)算樣本自相關(guān)函數(shù)(Sampleautocorrelationfunction)。目前十二頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)一個(gè)時(shí)間序列的樣本自相關(guān)函數(shù)定義為:

隨著k的增加,樣本自相關(guān)函數(shù)下降且趨于零。但從下降速度來看,平穩(wěn)序列要比非平穩(wěn)序列快得多。目前十三頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)目前十四頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)可檢驗(yàn)對所有k>0,自相關(guān)系數(shù)都為0的聯(lián)合假設(shè),這可通過如下QLB統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行:

該統(tǒng)計(jì)量近似地服從自由度為m的2分布(m為滯后長度)。

因此:如果計(jì)算的Q值大于顯著性水平為的臨界值,則有1-的把握拒絕所有k(k>0)同時(shí)為0的假設(shè)。例3:下表序列Random1是通過一隨機(jī)過程(隨機(jī)函數(shù))生成的有19個(gè)樣本的隨機(jī)時(shí)間序列。目前十五頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)目前十六頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)容易驗(yàn)證:該樣本序列的均值為0,方差為0.0789。

從圖形看:它在其樣本均值0附近上下波動(dòng),且樣本自相關(guān)系數(shù)迅速下降到0,隨后在0附近波動(dòng)且逐漸收斂于0。目前十七頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)從QLB統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算值看,滯后17期的計(jì)算值為26.38,未超過5%顯著性水平的臨界值27.58,因此,可以接受所有的自相關(guān)系數(shù)k(k>0)都為0的假設(shè)。因此,該隨機(jī)過程是一個(gè)平穩(wěn)過程。

目前十八頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

序列Random2是由一隨機(jī)游走過程

Xt=Xt-1+t生成的一隨機(jī)游走時(shí)間序列樣本。其中,t是由Random1表示的白噪聲。目前十九頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

圖形表示出:該序列具有相同的均值,但從樣本自相關(guān)圖看,雖然自相關(guān)系數(shù)迅速下降到0,但隨著時(shí)間的推移,則在0附近波動(dòng)且呈發(fā)散趨勢。從QLB統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算值看,滯后1期的計(jì)算值為5.116,超過5%顯著性水平的臨界值3.84,因此,拒絕自相關(guān)系數(shù)k(k>0)都為0的假設(shè)。

該隨機(jī)游走序列是非平穩(wěn)的。目前二十頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)例檢驗(yàn)中國支出法GDP時(shí)間序列的平穩(wěn)性。表1978~2000年中國支出法GDP(單位:億元)

目前二十一頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)目前二十二頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

圖形:表現(xiàn)出了一個(gè)持續(xù)上升的過程,可初步判斷是非平穩(wěn)的。樣本自相關(guān)系數(shù):緩慢下降,再次表明它的非平穩(wěn)性。

從滯后18期的QLB統(tǒng)計(jì)量看:

QLB(18)=57.18>28.86=0.052拒絕:該時(shí)間序列的自相關(guān)系數(shù)在滯后1期之后的值全部為0的假設(shè)。

結(jié)論:1978~2000年間中國GDP時(shí)間序列是非平穩(wěn)序列。目前二十三頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

1、DF檢驗(yàn)

隨機(jī)游走序列:Xt=Xt-1+t是非平穩(wěn)的,其中t是白噪聲。而該序列可看成是隨機(jī)模型:Xt=Xt-1+t中參數(shù)=1時(shí)的情形。四、平穩(wěn)性的單位根檢驗(yàn)(unitroottest)目前二十四頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

(*)式可變形式成差分形式:

Xt=(-1)Xt-1+t=Xt-1+t(**)檢驗(yàn)(*)式是否存在單位根=1,也可通過(**)式判斷是否有

=0。對式:

Xt=Xt-1+t

(*)

進(jìn)行回歸,如果確實(shí)發(fā)現(xiàn)=1,就說隨機(jī)變量Xt有一個(gè)單位根。目前二十五頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

可證明,(*)式中的參數(shù)>1或=1時(shí),時(shí)間序列是非平穩(wěn)的;

對應(yīng)于(**)式,則是>0或

=0。

因此,針對式:

Xt=+Xt-1+t

我們關(guān)心的檢驗(yàn)為:零假設(shè)H0:=0。

備擇假設(shè)H1:<0目前二十六頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)上述檢驗(yàn)可通過OLS法下的t檢驗(yàn)完成。然而,在零假設(shè)(序列非平穩(wěn))下,即使在大樣本下t統(tǒng)計(jì)量也是有偏誤的(向下偏倚),通常的t檢驗(yàn)無法使用。

Dicky和Fuller于1976年提出了這一情形下t統(tǒng)計(jì)量服從的分布(這時(shí)的t統(tǒng)計(jì)量稱為統(tǒng)計(jì)量),即DF分布(見表)。由于t統(tǒng)計(jì)量的向下偏倚性,它呈現(xiàn)圍繞小于零值的偏態(tài)分布。目前二十七頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

因此,可通過OLS法估計(jì):

Xt=+Xt-1+t并計(jì)算t統(tǒng)計(jì)量的值,與DF分布表中給定顯著性水平下的臨界值比較:目前二十八頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)如果:t<臨界值,則拒絕零假設(shè)H0:

=0,認(rèn)為時(shí)間序列不存在單位根,是平穩(wěn)的。注意:在不同的教科書上有不同的描述,但是結(jié)果是相同的。例如:“如果計(jì)算得到的t統(tǒng)計(jì)量的絕對值大于臨界值的絕對值,則拒絕ρ=0”的假設(shè),原序列不存在單位根,為平穩(wěn)序列。目前二十九頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

問題的提出:

在利用Xt=+Xt-1+t對時(shí)間序列進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)中,實(shí)際上假定了時(shí)間序列是由具有白噪聲隨機(jī)誤差項(xiàng)的一階自回歸過程AR(1)生成的。但在實(shí)際檢驗(yàn)中,時(shí)間序列可能由更高階的自回歸過程生成的,或者隨機(jī)誤差項(xiàng)并非是白噪聲,這樣用OLS法進(jìn)行估計(jì)均會(huì)表現(xiàn)出隨機(jī)誤差項(xiàng)出現(xiàn)自相關(guān)(autocorrelation),導(dǎo)致DF檢驗(yàn)無效。

2、ADF檢驗(yàn)?zāi)壳叭揬總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

另外,如果時(shí)間序列包含有明顯的隨時(shí)間變化的某種趨勢(如上升或下降),則也容易導(dǎo)致上述檢驗(yàn)中的自相關(guān)隨機(jī)誤差項(xiàng)問題。

為了保證DF檢驗(yàn)中隨機(jī)誤差項(xiàng)的白噪聲特性,Dicky和Fuller對DF檢驗(yàn)進(jìn)行了擴(kuò)充,形成了ADF(AugmentDickey-Fuller)檢驗(yàn)。目前三十一頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)ADF檢驗(yàn)是通過下面三個(gè)模型完成的:目前三十二頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)模型3中的t是時(shí)間變量,代表了時(shí)間序列隨時(shí)間變化的某種趨勢(如果有的話)。模型1與另兩模型的差別在于是否包含有常數(shù)項(xiàng)和趨勢項(xiàng)。

檢驗(yàn)的假設(shè)都是:針對H1:<0,檢驗(yàn)H0:=0,即存在一單位根。目前三十三頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

實(shí)際檢驗(yàn)時(shí)從模型3開始,然后模型2、模型1。

何時(shí)檢驗(yàn)拒絕零假設(shè),即原序列不存在單位根,為平穩(wěn)序列,何時(shí)檢驗(yàn)停止。否則,就要繼續(xù)檢驗(yàn),直到檢驗(yàn)完模型1為止。

檢驗(yàn)原理與DF檢驗(yàn)相同,只是對模型1、2、3進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí),有各自相應(yīng)的臨界值。下表給出了三個(gè)模型所使用的ADF分布臨界值表。目前三十四頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)2.202.182.172.162.162.162.612.562.542.532.522.522.972.892.862.842.832.833.413.283.223.193.183.182550100250500〉500-2.62-2.60-2.58-2.57-2.57-2.57-3.00-2.93-2.89-2.88-2.87-2.86-3.33-3.22-3.17-3.14-3.13-3.12-3.75-3.58-3.51-3.46-3.44-3.432550100250500〉5002-1.60-1.61-1.61-1.61-1.61-1.61-1.95-1.95-1.95-1.95-1.95-1.95-2.26-2.25-2.24-2.23-2.23-2.23-2.66-2.62-2.60-2.58-2.58-2.582550100250500〉50010.100.050.0250.01樣本容量統(tǒng)計(jì)量模型

不同模型使用的ADF分布臨界值表ststat目前三十五頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)2.392.382.382.382.382.382.852.812.792.792.782.783.253.183.143.123.113.113.743.603.533.493.483.462550100250500〉5002.772.752.732.732.722.723.203.143.113.093.083.083.593.423.423.393.383.384.053.873.783.743.723.712550100250500〉500-3.24-3.18-3.15-3.13-3.13-3.12-3.603.50-3.45-3.43-3.42-3.41-3.95-3.80-3.73-3.69-3.68-3.66-4.38-4.15-4.04-3.99-3.98-3.962550100250500〉50030.100.050.0250.01樣本容量統(tǒng)計(jì)量模型

不同模型使用的ADF分布臨界值表statbt目前三十六頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

同時(shí)估計(jì)出上述三個(gè)模型的適當(dāng)形式,然后通過ADF臨界值表檢驗(yàn)零假設(shè)H0:=0。

1)只要其中有一個(gè)模型的檢驗(yàn)結(jié)果拒絕了零假設(shè),就可以認(rèn)為時(shí)間序列是平穩(wěn)的;

一個(gè)簡單的檢驗(yàn)過程:2)當(dāng)三個(gè)模型的檢驗(yàn)結(jié)果都不能拒絕零假設(shè)時(shí),則認(rèn)為時(shí)間序列是非平穩(wěn)的。

這里所謂模型適當(dāng)?shù)男问骄褪窃诿總€(gè)模型中選取適當(dāng)?shù)臏蟛罘猪?xiàng),以使模型的殘差項(xiàng)是一個(gè)白噪聲(主要保證不存在自相關(guān))。目前三十七頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)例檢驗(yàn)1978~2000年間中國支出法GDP序列的平穩(wěn)性。1)經(jīng)過嘗試,模型3取了2階滯后:

通過拉格朗日乘數(shù)檢驗(yàn)(Lagrangemultipliertest)對隨機(jī)誤差項(xiàng)的自相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn):

LM(1)=0.92,LM(2)=4.16,目前三十八頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

小于5%顯著性水平下自由度分別為1與2的2分布的臨界值,可見不存在自相關(guān)性,因此該模型的設(shè)定是正確的。從的系數(shù)看,t>臨界值,不能拒絕存在單位根的零假設(shè)。時(shí)間T的t統(tǒng)計(jì)量小于ADF分布表中的臨界值,因此不能拒絕不存在趨勢項(xiàng)的零假設(shè)。需進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)P?。目前三十九頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)

2)經(jīng)試驗(yàn),模型2中滯后項(xiàng)取2階:

LM檢驗(yàn)表明模型殘差不存在自相關(guān)性,因此該模型的設(shè)定是正確的。從GDPt-1的參數(shù)值看,其t統(tǒng)計(jì)量為正值,大于臨界值,不能拒絕存在單位根的零假設(shè)。常數(shù)項(xiàng)的t統(tǒng)計(jì)量小于AFD分布表中的臨界值,不能拒絕不存常數(shù)項(xiàng)的零假設(shè)。需進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)P?。目前四十頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)3)經(jīng)試驗(yàn),模型1中滯后項(xiàng)取2階:

LM檢驗(yàn)表明模型殘差項(xiàng)不存在自相關(guān)性,因此模型的設(shè)定是正確的。從GDPt-1的參數(shù)值看,其t統(tǒng)計(jì)量為正值,大于臨界值,不能拒絕存在單位根的零假設(shè)??蓴喽ㄖ袊С龇℅DP時(shí)間序列是非平穩(wěn)的。目前四十一頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)ADF檢驗(yàn)在Eviews中的實(shí)現(xiàn)目前四十二頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)ADF檢驗(yàn)在Eviews中的實(shí)現(xiàn)目前四十三頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)ADF檢驗(yàn)在Eviews中的實(shí)現(xiàn)—檢驗(yàn)GDPP目前四十四頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)ADF檢驗(yàn)在Eviews中的實(shí)現(xiàn)—檢驗(yàn)GDPP從GDPP(-1)的參數(shù)值看,其t統(tǒng)計(jì)量的值大于臨界值,不能拒絕存在單位根的零假設(shè)。同時(shí),由于時(shí)間項(xiàng)T的t統(tǒng)計(jì)量也小于ADF分布表中的臨界值,因此不能拒絕不存在趨勢項(xiàng)的零假設(shè)。需進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)P?。

目前四十五頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)ADF檢驗(yàn)在Eviews中的實(shí)現(xiàn)—檢驗(yàn)GDPP目前四十六頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)ADF檢驗(yàn)在Eviews中的實(shí)現(xiàn)—檢驗(yàn)GDPP從GDPP(-1)的參數(shù)值看,其t統(tǒng)計(jì)量的值大于臨界值,不能拒絕存在單位根的零假設(shè)。同時(shí),由于常數(shù)項(xiàng)的t統(tǒng)計(jì)量也小于ADF分布表中的臨界值,因此不能拒絕不存在趨勢項(xiàng)的零假設(shè)。需進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)P?。

目前四十七頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)ADF檢驗(yàn)在Eviews中的實(shí)現(xiàn)—檢驗(yàn)GDPP目前四十八頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)ADF檢驗(yàn)在Eviews中的實(shí)現(xiàn)—GDPP從GDPP(-1)的參數(shù)值看,其t統(tǒng)計(jì)量的值大于臨界值,不能拒絕存在單位根的零假設(shè)。至此,可斷定GDPP時(shí)間序列是非平穩(wěn)的。

目前四十九頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)ADF檢驗(yàn)在Eviews中的實(shí)現(xiàn)—檢驗(yàn)△GDPP目前五十頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)從△GDPP(-1)的參數(shù)值看,其t統(tǒng)計(jì)量的值大于臨界值,不能拒絕存在單位根的零假設(shè)。同時(shí),由于時(shí)間項(xiàng)項(xiàng)T的t統(tǒng)計(jì)量也小于AFD分布表中的臨界值,因此不能拒絕不存在趨勢項(xiàng)的零假設(shè)。需進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)P?。在1%置信度下。

目前五十一頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)從△GDPP(-1)的參數(shù)值看,其統(tǒng)計(jì)量的值大于臨界值,不能拒絕存在單位根的零假設(shè)。同時(shí),由于常數(shù)項(xiàng)的t統(tǒng)計(jì)量也小于AFD分布表中的臨界值,因此不能拒絕不存在趨勢項(xiàng)的零假設(shè)。需進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)P?。目前五十二頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)從△GDPP(-1)的參數(shù)值看,其統(tǒng)計(jì)量的值大于臨界值,不能拒絕存在單位根的零假設(shè)。至此,可斷定△GDPP時(shí)間序列是非平穩(wěn)的。

目前五十三頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)ADF檢驗(yàn)在Eviews中的實(shí)現(xiàn)—檢驗(yàn)△2GDPP目前五十四頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)目前五十五頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)目前五十六頁\總數(shù)六十一頁\編于十八點(diǎn)從△2GDPP(-1)的參數(shù)值看,其統(tǒng)計(jì)量的值小于臨界值,拒絕存在單位根的零假設(shè)。至此,可斷定△2

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