时间序列平稳性检验方法,可分为三类:
图形分析方法
简单统计方法
假设检验方法
一、图形分析方法
可视化数据
可视化数据即绘制时间序列的折线图,看曲线是否围绕某一数值上下波动(判断均值是否稳定),看曲线上下波动幅度变化大不大(判断方差是否稳定),看曲线不同时间段波动的频率[~紧凑程度]变化大不大(判断协方差是否稳定),以此来判断时间序列是否是平稳的。
以下绘制几张图,大家来直观判断一下哪些是平稳的,哪些是非平稳的。
import numpy as np
import pandas as pd
import akshare as ak
from matplotlib import pyplot as plt
np.random.seed(123)
# -------------- 准备数据 --------------
# 白噪声
white_noise = np.random.standard_normal(size=1000)
# 随机游走
x = np.random.standard_normal(size=1000)
random_walk = np.cumsum(x)
# GDP
df = ak.macro_china_gdp()
df = df.set_index('季度')
df.index = pd.to_datetime(df.index)
gdp = df['国内生产总值-绝对值'][::-1].astype('float')
# GDP DIFF
gdp_diff = gdp.diff(4).dropna()
# -------------- 绘制图形 --------------
fig, ax = plt.subplots(2, 2)
ax[0][0].plot(white_noise)
ax[0][0].set_title('white_noise')
ax[0][1].plot(random_walk)
ax[0][1].set_title('random_walk')
ax[1][0].plot(gdp)
ax[1][0].set_title('gdp')
ax[1][1].plot(gdp_diff)
ax[1][1].set_title('gdp_diff')
plt.show()
a. 白噪声,曲线围绕0值上下波动,波动幅度前后、上下一致,为平稳序列。
b. 随机游走,曲线无确定趋势,均值、方差波动较大,非平稳序列。
c. GDP数据趋势上升,均值随时间增加,非平稳序列。
d. GDP季节差分后数据,曲线大致在一条水平线上上下波动,波动幅度前后变化较小,可认为是平稳的。
可视化统计特征
可视化统计特征,是指绘制时间序列的自相关图和偏自相关图,根据自相关图的表现来判断序列是否平稳。
自相关,也叫序列相关,是一个信号与自身不同时间点的相关度,或者说与自身的延迟拷贝--或滞后--的相关性,是延迟的函数。不同滞后期得到的自相关系数,叫自相关图。
(这里有一个默认假设,即序列是平稳的,平稳序列的自相关性只和时间间隔k有关,不随时间t的变化而变化,因而可以称自相关函数是延迟(k)的函数)
平稳序列通常具有短期相关性,对于平稳的时间序列,自相关系数往往会迅速退化到零(滞后期越短相关性越高,滞后期为0时,相关性为1);而对于非平稳的数据,退化会发生得更慢,或存在先减后增或者周期性的波动等变动。
import statsmodels.api as sm
X = [2,3,4,3,8,7]
print(sm.tsa.stattools.acf(X, nlags=1, adjusted=True))
> [1, 0.3559322]
其中第一个元素为滞后期为0时的自相关性,第二个元素为滞后期为1时的自相关性
根据ACF求出滞后k自相关系数时,实际上得到并不是X(t)与X(t-k)之间单纯的相关关系。
因为X(t)同时还会受到中间k-1个随机变量X(t-1)、X(t-2)、……、X(t-k+1)的影响,而这k-1个随机变量又都和X(t-k)具有相关关系,所以自相关系数里面实际掺杂了其他变量对X(t)与X(t-k)的影响。
在剔除了中间k-1个随机变量X(t-1)、X(t-2)、……、X(t-k+1)的干扰之后,X(t-k)对X(t)影响的相关程度,叫偏自相关系数。不同滞后期得到的偏自相关系数,叫偏自相关图。(偏自相关系数计算较复杂,后期再来具体介绍)
下面我们就来看看几个实战案例(上图中的数据再来看一下它们的自相关图和偏自相关图):
# 数据生成过程在第一个代码块中
from statsmodels.graphics.tsaplots import plot_acf, plot_pacf
fig, ax = plt.subplots(4, 2)
fig.subplots_adjust(hspace=0.5)
plot_acf(white_noise, ax=ax[0][0])
ax[0][0].set_title('ACF(white_noise)')
plot_pacf(white_noise, ax=ax[0][1])
ax[0][1].set_title('PACF(white_noise)')
plot_acf(random_walk, ax=ax[1][0])
ax[1][0].set_title('ACF(random_walk)')
plot_pacf(random_walk, ax=ax[1][1])
ax[1][1].set_title('PACF(random_walk)')
plot_acf(gdp, ax=ax[2][0])
ax[2][0].set_title('ACF(gdp)')
plot_pacf(gdp, ax=ax[2][1])
ax[2][1].set_title('PACF(gdp)')
plot_acf(gdp_diff, ax=ax[3][0])
ax[3][0].set_title('ACF(gdp_diff)')
plot_pacf(gdp_diff, ax=ax[3][1])
ax[3][1].set_title('PACF(gdp_diff)')
plt.show()
(1) 白噪声的自相关系数很快就衰减到0附近,是明显的平稳序列。滞后期为0时自相关系数和偏自相关系数其实就是序列自己和自己的相关性,故为1;滞后期为1时,自相关系数为0,表示白噪声无自相关性。
(2) 随机游走,自相关系数下降非常缓慢,故为非平稳序列;另从偏自相关系数中可以看到随机游走只和前一项有关。
(3) GDP数据的自相关图中也可以看到存在一定的周期性,滞后4、8、12等自相关系数较大下降较慢,差分后下降多一些起到一定效果,认为差分后序列是平稳的。同可视化数据一样,直观判断带有较强主观性,但能让我们对数据有更直观的认识。
计算统计量的方法只是作为一个补充,了解即可。宽平稳中有两个条件是均值不变和方差不变,可视化数据中我们可以直观看出来,其实还可以具体计算一下看看。
很有意思的逻辑,直接将序列前后拆分成2个序列,分别计算这2个序列的均值、方差,对比看是否差异明显。(其实很多时序异常检验也是基于这种思想,前后分布一致则无异常,否则存在异常或突变)
我们来算白噪声和随机游走序列不同时间段的均值、方差:
import numpy as np
np.random.seed(123)
white_noise = np.random.standard_normal(size=1000)
x = np.random.standard_normal(size=1000)
random_walk = np.cumsum(x)
def describe(X):
split = int(len(X) / 2)
X1, X2 = X[0:split], X[split:]
mean1, mean2 = X1.mean(), X2.mean()
var1, var2 = X1.var(), X2.var()
print('mean1=%f, mean2=%f' % (mean1, mean2))
print('variance1=%f, variance2=%f' % (var1, var2))
print('white noise sample')
describe(white_noise)
print('random walk sample')
describe(random_walk)
white noise sample:
mean1=-0.038644, mean2=-0.040484
variance1=1.006416, variance2=0.996734
random walk sample:
mean1=5.506570, mean2=8.490356
variance1=53.911003, variance2=126.866920
白噪声序列均值和方差略有不同,但大致在同一水平线上;
随机游走序列的均值和方差差异就比较大,因此为非平稳序列。
平稳性的假设检验方法当前主流为单位根检验,检验序列中是否存在单位根,若存在,则为非平稳序列,不存在则为平稳序列。
在介绍检验方法之前,有必要了解一些相关补充知识,这样对后面的检验方法理解上就会更清晰一些。
什么是单位根
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
np.random.seed(123)
def simulate(beta):
y = np.random.standard_normal(size=1000)
for i in range(1, len(y)):
y[i] = beta * y[i - 1] + y[i]
return y
plt.figure(figsize=(20, 4))
for i, beta in enumerate([0.9, 1.0, 1.1]):
plt.subplot(1, 3, i+1)
plt.plot(simulate(beta))
plt.title('beta: {}'.format(beta))
plt.show()
检验方法
DF检验
ADF检验(Augmented Dickey-Fuller Testing)是最常用的单位根检验方法之一,通过检验序列是否存在单位根来判断序列是否是平稳的。ADF检验是DF检验的增强版,在介绍ADF之前,我们先来看一下DF检验。
迪基(Dickey)和弗勒(Fuller)1979年基于非平稳序列的基本特征将其大致归为三类并提出DF检验:
(1) 当序列基本走势呈现无规则上升或下降并反复时,将其归为无漂移项自回归过程;
(2) 当序列基本走势呈现明显的随时间递增或递减且趋势并不太陡峭时,将其归为带漂移项自回归过程;
(3) 当序列基本走势随时间快速递增时,则将其归为带趋势项回归过程。
若检验统计量大于临界值(p值大于显著性水平 ),不能拒绝原假设,序列是非平稳的;
若检验统计量小于临界值(p值小于显著性水平 ),拒绝原假设,认为序列是平稳的。
ADF检验
DF的检验公式为一阶自回归过程,为了能适用于高阶自回归过程的平稳性检验,迪基等1984年对DF检验进行了一定的修正,引入了更高阶的滞后项,ADF的检验回归式修正为:
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
np.random.seed(123)
y = np.random.standard_normal(size=100)
for i in range(1, len(y)):
y[i] = 1 + 0.1*i + y[i]
plt.figure(figsize=(12, 6))
plt.plot(y)
plt.show()
检验是否平稳:
from arch.unitroot import ADF
adf = ADF(y)
# print(adf.pvalue)
print(adf.summary().as_text())
adf = ADF(y)
adf.trend = 'ct'
print(adf.summary().as_text())
说明:
arch包中ADF检验可指定trend为
'n'(不含截距项和时间趋势项)
'c'(含截距项)
'ct'(含截距项和时间趋势项)
'ctt'(含截距项和时间趋势项和二次型时间趋势项)
分别对应不同平稳类型的检验。(滞后期lags默认为AIC最小)
以上第一个文本输出中,不指定trend默认为检验是否含截距项平稳,显著性水平p=0.836>0.05,不拒绝原假设,非平稳;
以上第二个文本输出中,指定trend为检验是否含截距项和时间趋势项平稳,显著性水平p=0.000<0.05,拒绝原假设,故为趋势项平稳。
我们再来看看GDP季节差分前后数据是否为平稳的:
# 数据在第一个代码块中
from arch.unitroot import ADF
adf = ADF(gdp)
print(adf.summary().as_text())
adf = ADF(gdp_diff)
print(adf.summary().as_text())
可以看到差分前p值为0.998>0.05,不能拒绝原假设,数据非平稳;差分后p值为0.003<0.05,故在5%的显著性水平下可拒绝原假设,差分后的数据是平稳的。
# 数据在第一个代码块中
from arch.unitroot import ADF
adf = ADF(gdp)
adf.trend = 'ct'
print(adf.summary().as_text())
指定检验平稳类型为含截距项和时间趋势项平稳,p值为0.693>0.05,同样不能拒绝原假设,故差分前亦非趋势平稳。
PP检验
Phillips和Perron(1988) 提出一种非参数检验方法,主要是为了解决残差项中潜在的序列相关和异方差问题,其检验统计量的渐进分布和临界值与 ADF检验相同。同样出现较早,假设条件一样,用法相似,可作为ADF检验的补充。
同样构造一个趋势平稳序列,看下PP检验结果:
import numpy as np
from arch.unitroot import PhillipsPerron
np.random.seed(123)
y = np.random.standard_normal(size=100)
for i in range(1, len(y)):
y[i] = 1 + 0.1*i + y[i]
pp = PhillipsPerron(y)
print(pp.summary().as_text())
pp = PhillipsPerron(y)
pp.trend = 'ct'
print(pp.summary().as_text())
不指定trend为默认检验是否为带截距项的平稳过程,检验结果p值为0.055>0.05,对应检验统计量为-2.825大于5%显著性水平下的临界值-2.89,所以5%显著性水平下不拒绝原假设,为非平稳序列;但是检验统计量小于10%显著性水平下的临界值-2.58,故在10%的显著性水平下可拒绝原假设,认为是平稳序列。
指定trend=‘ct’为检验是否为带截距项和时间趋势项的平稳过程,检验结果p值为0.000<0.05,故为趋势平稳;其实检验统计量为-10.009小于1%显著性水平下的临界值-4.05,所以即便在1%显著性水平下也是平稳的。
基于以上检验结果,可以判定序列是趋势平稳的。
DF-GLS检验
DF-GLS检验,是Elliott, Rothenberg, and Stock 1996年提出的一种单位根检验方法,全称Dickey-Fuller Test with GLS Detredding,即“使用广义最小二乘法去除趋势的检验”,是目前最有功效的单位根检验。
DF-GLS检验利用广义最小二乘法,首先对要检验的数据进行一次“准差分”,然后利用准差分的数据对原序列进行去除趋势处理,再利用ADF检验的模型形式对去除趋势后的数据进行单位根检验,但此时ADF检验模型中不再包含常数项或者时间趋势变量。
同样构造一个趋势平稳序列看下检验效果:
import numpy as np
from arch.unitroot import DFGLS
np.random.seed(123)
y = np.random.standard_normal(size=100)
for i in range(1, len(y)):
y[i] = 1 + 0.1*i + y[i]
dfgls = DFGLS(y)
print(dfgls.summary().as_text())
dfgls = DFGLS(y)
dfgls.trend = 'ct'
print(dfgls.summary().as_text())
不指定trend情况下不能拒绝原假设,非平稳;指定trend='ct'时p值小于0.05,拒绝原假设,带截距项和时间趋势平稳。
再来构造一个含单位根的非平稳序列看一下检验结果:
import numpy as np
from arch.unitroot import DFGLS
np.random.seed(123)
y = np.random.standard_normal(size=100)
for i in range(1, len(y)):
y[i] = 0.1 + y[i-1] + y[i]
dfgls = DFGLS(y)
print(dfgls.summary().as_text())
dfgls = DFGLS(y)
dfgls.trend = 'ct'
print(dfgls.summary().as_text())
p值一个为0.645,一个为0.347,均大于0.05/0.1。指不指定检验类型,均未能通过检验,故该序列为非平稳序列。(DF-GLS检验trend只能指定为'c'或者'ct')
KPSS检验
另一个著名的单位根存在的检验是Kwiatkowski, Phillips, and Shin 1992年提出的KPSS检验。与以上三种检验方法相比,最大的不同点就是它的原假设是平稳序列或趋势平稳序列,而备择假设是存在单位根。
原假设:序列不存在单位根(时间序列是平稳的或趋势平稳的)
备择假设:序列存在单位根(时间序列是非平稳的)
import numpy as np
from arch.unitroot import KPSS
np.random.seed(123)
y = np.random.standard_normal(size=100)
for i in range(1, len(y)):
y[i] = 0.1 + y[i-1] + y[i]
kpss = KPSS(y)
print(kpss.summary().as_text())
kpss = KPSS(y)
kpss.trend = 'ct'
print(kpss.summary().as_text())
注意KPSS检验中原假设为不存在单位根。默认检验趋势类型下p值为0.000,拒绝原假设,存在单位根,序列非平稳。指定trend='ct'后,p值0.115>0.05,不拒绝原假设,认为序列趋势平稳,检验错误。以上几种检验中均不能100%保证检验正确,PP检验可认为是ADF检验的补充,KPSS检验同样也可和其他检验一同使用,当均认为是平稳或趋势平稳时方判定为平稳。
除以上检验方法外,还有Zivot-Andrews检验、Variance Ratio检验等检验方法。
以上代码实现中使用的是Python中的arch包,另外还有一个常用的包statsmodels中也实现了单位根检验方法,结果是一样的。
郑重感谢Python数据科学
本人接下来进行金融统计,需要转向python,需要教程,此公众号对我用处极大。