金融时间序列分析
第三章
1.差分计算
x=1:10
y=diff(x)
k步差分∇kxt=xt-xt-k 加入参数 lag=k
如计算x的3步差分为
y=diff(x, lag = 3)
p阶差分 ∇pxt=∇p-1xt-∇p-1xt-1
∇2xt=∇xt-∇xt-1加入参数differences = p 如2阶差分
y=diff(x,differences = 2)
2.ARMA模型需要用到和arima相关的一族函数。
首先学习ARMA模型的模拟，需要用到的函数为arima.sim()，有两种指令的书写方法。
举例说明：要拟合ARMA（2,2）模型
xt=0.8897xt-1-0.4858xt-2+εt+0.2279εt-1-0.2488εt-2,
且σε=0.17962
（1）arima.sim(n=200,list(ar=c(0.8897,-0.4858),ma =c(0.2279, -0.2488)),sd = sqrt(0.1796))
（2）arima.sim(list(order = c(2,0,2), ar=c(0.8897,-0.4858),ma =c(0.2279, -0.2488)), n = 200, sd = sqrt(0.1796))
这里，order指令中的三个参数分别对应ARIMA模型中的AR模型的阶数P，差分阶数d以及MA模型的阶数q,即order(p,d,q);
ar=c()指令中分别对应AR模型部分的参数φ1，φ2， ,φp；
ma=c()指令中分别对应MA模型部分的参数-θ1，-θ2， ，-θq；
例3-1
plot.ts(arima.sim(n = 100, list(ar = 0.8))) 或者x=arima.sim(list(order=c(1,0,0),ar=0.8),n = 100)
此时再用> plot(x)和> plot.ts(x)结果是一样的
#模拟AR(1)模型，并作时序图。
plot.ts(arima.sim(n = 100, list(ar = -1.1)))#非平稳，无法得到时序图。 原因在于使用函数arima.sim必须要求是平稳的时间序列才行。
plot.ts(arima.sim(n = 100, list(ar = c(1,-0.5)))) plot.ts(arima.sim(n = 100, list(ar = c(1,0.5))))#非平稳，无法得到时序图。 对模型（1）：(1)xt=0.8xt-1+εt，对该模型进行模拟，分析该模型的平稳性，对其相关系数的性质进行分析。
x=(arima.sim(n = 100, list(ar = 0.8)))
或者x=(arima.sim(list(order=c(1,0,0),ar=0.8),n = 100)
#模拟AR(1)模型
plot(x)
#作序列x的时序图。
mean(x)
#求出序列x的均值。
var(x)
#求出序列x的方差。
cov=acf(x,20,type="covariance",plot=FALSE)#若不加plot=FALSE，会画出图形。 cov
#求出序列x的滞后20阶的自协方差。
rou=acf(x,20,type="correlation",plot=FALSE)
rou
#求出序列x的滞后20阶的自相关系数。
faikk=acf(x,20,type="partial",plot=FALSE)
faikk
#求出序列x的滞后20阶的偏自相关系数。
acf(x,30)
#作序列x的自相关图
pacf(x,30)
#作序列x的偏自相关图
通过自相关图和偏自相关图，发现自相关系数拖尾，偏自相关系数一阶截尾。 补充Green函数
G
G[1]
G[2]
for(i in 3:200)
G[i]
G[1:200] #求出前200个Green函数的值。
例题3.5：考察如下4个平稳模型的自相关图（课本51页）：
(1)xt=0.8xt-1+εt
(2)xt=-0.8xt-1+εt
(3)xt=xt-1-0.5xt-2+εt
(4)xt=-xt-1-0.5xt-2+εt
acf (arima.sim(n = 100, list(ar = 0.8)),20)
acf (arima.sim(n = 100, list(ar = -0.8)),20)
acf (arima.sim(n = 100, list(ar = c(1,-0.5))),20)
acf (arima.sim(n = 100, list(ar = c(-1,-0.5))),20)
平稳AR模型ACF图特征：拖尾性或指数衰减值0（从0阶给出）.
例题3.5续：考察如下4个平稳模型的偏自相关图（课本54页）：
(1)xt=0.8xt-1+εt
(2)xt=-0.8xt-1+εt
(3)xt=xt-1-0.5xt-2+εt
(4)xt=-xt-1-0.5xt-2+εt
pacf (arima.sim(n = 100, list(ar = 0.8)),20)
pacf (arima.sim(n = 100, list(ar = -0.8)),20)
pacf (arima.sim(n = 100, list(ar = c(1,-0.5))),20)
pacf (arima.sim(n = 100, list(ar = c(-1,-0.5))),20)
平稳AR模型PACF图特征：截尾性（从1阶给出）.
例题3.8：拟合ARMA(1，1)模型：xt-0.5xt-1=εt-0.8εt-1，并直观考察该模型自相关系数和偏自相关系数的拖尾特性。
x=arima.sim(n = 1000, list(ar = 0.5, ma = -0.8))
acf(x,20) pacf(x,20)
例题3.7
arima.sim(n = 1000, list(ar = 0.5, ma = -0.8))
acf(arima.sim(n = 1000, list(ar = 0.5, ma = -0.8)),20)
pacf(arima.sim(n = 1000, list(ar = 0.5, ma = -0.8)),20)
ARMA模型的估计
两种指令：
指令1：arima(x,order=c(p,d,q),method=c("ML","CSS"),include.mean)
其中:x—带估计序列；
Order—指定模型阶数；
method—估计方法。ML为极大似然估计，CSS为条件最小二乘估计；
include.mean—是否包含均值项，即估计结果中的intercept项。 指令2：auto.arima(x)
该指令/函数在forecast包里，所以需要首先下载包，安装，调用该函数。该函数的估计依据是AIC/SBC标准。因此，在对ARMA模型定阶困难时，可以考虑采用auto.arima()指令。
指令的运用：
现在先模拟生成一个
xt=-0.5xt-1+0.4xt-2+εt+0.5εt-1+0.4εt-2。 ARMA(2,2)模型序列：
然后分别用arima()和auto.arima()函数进行估计。
程序如下：
d=arima.sim(list(order=c(2,0,2),ar=c(-0.5,0.4),ma=c(0.5,0.4)),n=1000) #模拟生产ARMA（2,2）序列；
#基于arima()指令对模拟序列估计ARMA模型；
arima=arima(d,order=c(2,0,2),method="ML")
该指令的R的结果：
Call:
arima(x = d, order = c(2, 0, 2), method = "ML")
Coefficients:
ar1 ar2 ma1 ma2 intercept
-0.4513 0.4314 0.4937 0.3677 0.0894
s.e. 0.0472 0.0470 0.0486 0.0434 0.0593
sigma^2 estimated as 1.059: log likelihood = -1448.64, aic = 2909.28 注意：intercept下面的0.0894是均值，而不是截距！虽然intercept是截距的意思，这里如果用mean会更好。（the mean and the intercept are the same only when there is no AR term，均值和截距是相同的，只有在没有AR项的时候）；但是可以根据均值计算截距项。这里，可以由非中心化的ARMA（2,2）模型xt=φ0+φ1xt-1+φ2xt-2+εt-θ1εt-1-θ2εt-2，其均值为E(xt)=φ0=0.0894，而φ1=-0.4513，φ2=0.4314，计算截距项1-φ1-φ2
φ0=E(xt)(1-φ1-φ2)=0.0912。
或者
> d=arima.sim(list(order=c(2,0,2),ar=c(-0.5,0.4),ma=c(0.5,0.4)),n=1000) > auto.arima(d)#结果不好，不提倡用。
第一个例子：数据在工作目录下，已经改为prop.csv，一个企业201个连续生产值。
d=read.csv("prop.csv") #导入数据
prop=ts(d,start=1950,freq=1) #转化为时间序列数据
plot(prop) #作时序图
acf(prop,12) #作自相关图，拖尾
pacf(prop,12) #作偏自相关图，1阶截尾
Box.test(prop, type="Ljung-Box",lag=6)
#纯随机性检验,p值小于5%，序列为非白噪声
Box.test(prop, type="Ljung-Box",lag=12)
arima(prop, order = c(1,0,0),method="ML")
#用AR(1)模型拟合，如参数method="CSS"，估计方法为条件最小二乘法，用条件最小二乘法时，不显示AIC。
arima(prop, order = c(1,0,0),method="ML", include.mean = F) #用AR(1)模型拟合，不含截距项。 tsdiag(arima(prop, order = c(1,0,0),method="ML"))
#对估计进行诊断，判断残差是否为白噪声
summary(arima(prop, order = c(1,0,0),method="ML")) #summary是什么意思？
a=arima(prop, order = c(1,0,0),method="ML")
r=a$residuals#用r来保存残差 #花点钱买门票
Box.test(r,type="Ljung-Box",lag=6)#对残差进行纯随机性检验
predict(arima(prop, order = c(1,0,0)), n.ahead =5) #预测未来5期。一是预测值，一是标准误。 prop.fore = predict(arima(prop, order = c(1,0,0)), n.ahead =5)
#将未来5期预测值保存在prop.fore变量中
U = prop.fore$pred + 1.96*prop.fore$se
L = prop.fore$pred - 1.96*prop.fore$se#算出95%置信区间
ts.plot(prop, prop.fore$pred,col=1:2)#作时序图，含预测。
lines(U, col="blue", lty="dashed")
lines(L, col="blue", lty="dashed")#在时序图中作出95%置信区间
第二个例子：
例题3.9（68页）：选择合适的模型拟合1950-2008年我国油路及农村投递线路每年新增里程数序列。（数据见表A1-8）
d=read.table("C:\\Users\\w\\Documents\\附录1.8.txt") #导入数据
licheng=ts(d,start=1950,freq=1) #转化为时间序列数据
plot(licheng) #作时序图。大致围绕0值上下波动，且
波动有界，该序列大致为平稳时间序列。
图1 时序图
图2 自相关图 图3 偏自相关图
acf(licheng,14) #作自相关图，自相关系数具有短期相关特性，因此进一步认为该序列为平稳时间序列。且具有拖尾特性。 pacf(licheng,14) #作偏自相关图，2阶截尾 library(“tseries”)
adf.test(licheng)
#除时序图和自相关图判断平稳性外，进一步用ADF检验，发现ADF值为-4.2778，P值为0.01，对应于原假设：序列非平稳，则拒绝原假设，表明序列为平稳序列。
Box.test(licheng, type="Ljung-Box",lag=6)
Box.test(licheng, type="Ljung-Box",lag=12)
#纯随机性检验,p值都小于5%，序列为非白噪声序列。
#针对平稳非白噪声序列，可以运用ARMA类模型进行拟合。根据ACF拖尾，PACF2阶截尾，建议采用AR（2）模型。
arima(licheng, order = c(2,0,0),method="ML")
#用AR(2)模型拟合，这里选择参数估计方法method="ML"。若估计方法为条件最小二乘法CSS时则不显示AIC。
R运行结果：
Call:
arima(x = licheng, order = c(2, 0, 0), method = "ML")
Coefficients:
ar1 ar2 intercept
0.7185 -0.5294 11.0223
s.e. 0.1083 0.1067 3.0906
sigma^2 estimated as 365.2: log likelihood = -258.23, aic = 524.46
补充语句include.mean = F。运行该指令，得到不含截距项的AR（2）
根据非中心化模型的参数估计结果，得到均值为E(xt)=φ0=11.0223，而φ1=0.7185，φ2=-0.5294，计算截距项1-φ1-φ2
φ0=E(xt)(1-φ1-φ2)=8.9380。即此时的AR（2）模型为：xt=8.9380+0.7185xt-1-0.5294xt-2+εt（见课本76页）
a= arima(licheng, order = c(2,0,0),method="ML")
r=a$residuals
#用r来保存残差
Box.test(r,type="Ljung-Box",lag=6,fitdf=2)
#对残差序列进行纯随机性检验。number of degrees of freedom to be subtracted if x is a series of residuals。当检验的序列是残差序列时，需要加上命令fitdf，表示减去的自由度。 R运行结果：
data: r
X-squared = 2.3416, df = 4, p-value = 0.6732
表明残差序列是白噪声序列，拟合模型显著有效。
接下来，参数的显著性检验。
注意：在时间序列中对参数显著性的要求与回归模型不同，我们更多的是考察模型整体的好坏，而不是参数。所以，R中的arima拟合结果中没有给出参数的t统计量值和p值。
如需计算参数的t统计量值和p值，利用下面的公式。
ˆβi（1）参数βi 的t统计量值= s.e.(β)
如在本例中，ar1即参数φ1的估计值为0.7185，其估计值的标准误差
为0.1083，则其t统计量= 0.7185=6.5420。（课本79页）其他的参数0.1083
的t统计量的求法也是一样的。
（2）P值的求法。以参数φ1的t检验统计量的P值的计算为例。
p=pt(6.5420,df=57,lower.tail = F)*2
pt()为求t分布的p值的函数；6.5420为t统计量的绝对值；df为自由度=数据个数-参数个数，此处，数据有59个，参数2个，所以自由度为57；lower.tail = F表示所求p值为P[T > t]即右侧概率，如不加入这个参数表示所求p值为P[T
p=pt(6.5420,df=57,lower.tail = F)*2
p
[1] 1.837036e-08
由于该P值小于0.05，表明参数φ1显著。
第三个例子：
P79例3-15 > d=read.csv("hxfy.csv")
> hxfy=ts(d,start=1,freq=1)
> plot(hxfy)
> acf(hxfy,14)
> pacf(hxfy,14)
> Box.test(hxfy, type="Ljung-Box",lag=6)
Error in Box.test(hxfy, type = "Ljung-Box", lag = 6) :
x不是矢量或单变量时间序列
修改为一个序列之后为 d=read.csv("hxfy.csv")
> hxfy=ts(d,start=1,freq=1)
> plot(hxfy)
> acf(hxfy,14)
> pacf(hxfy,14)
> Box.test(hxfy, type="Ljung-Box",lag
=6)
Box-Ljung test
data: hxfy
X-squared = 21.319, df = 6, p-value =
0.001608
> Box.test(hxfy, type="Ljung-Box",lag
=12)
Box-Ljung test
data: hxfy
X-squared = 23.035, df = 12, p-value =
0.02743
> arima(x = hxfy, order = c(0, 0, 2),
method = "ML")
Call:
arima(x = hxfy, order = c(0, 0, 2), me
thod = "ML")
Coefficients:
ma1 ma2 intercept
-0.3194 0.3019 51.1694
s.e. 0.1160 0.1233 1.2516
sigma^2 estimated as 114.4: log likel
ihood = -265.35, aic = 538.71
> a=arima(x = hxfy, order = c(0, 0,
2), method = "ML")
> r=a$residuals
> Box.test(r,type="Ljung-Box",lag=6,f
itdf=2)
注意：fitdf的值等于（p+q），number of de
grees of freedom to be subtracted if x is
a series of residuals。当检验的序列是残差
序列时，需要加上命令fitdf，表示减去的自
由度。
Box-Ljung test
data: r
X-squared = 2.2964, df = 4, p-value =
0.6814
> p=pt(2.7534,df=68,lower.tail = F)*2
> p
[1] 0.007557625（theta1的检验）
> p=pt(-2.4485,df=68,lower.tail = F)*2
> p
[1] 1.98307
（theta2的检验这个和书上的差别太大，书上是
0.0134）
错误的原因在于lower.tail = F表示从该点向右覆
盖的面积，此处是个负值应该用lower.tail = T，或不
加，默认为T，返回结果为0.0169
> p=pt(40.8832,df=68,lower.tail = F)*2
> p
[1] 1.330183e-49（截距项的检验）
> arima(x = hxfy, order = c(1, 0, 0), metho
d = "ML")
Call:
arima(x = hxfy, order = c(1, 0, 0), me
thod = "ML")
Coefficients:
ar1 intercept
-0.4192 51.2660
s.e. 0.1129 0.9137
sigma^2 estimated as 116.6: log likel
ihood = -265.98, aic = 537.96
基于拟合模型进行预测：
例题3.9-续（68页）：选择合适的模型拟合1950-2008年我国油路及农村投递线路每年新增里程数序列，并进行未来5期的预测。（数据见表A1-8）
d=read.table("C:\\Users\\w\\Documents\\附录1.8.txt") #导入数据
licheng=ts(d,start=1950,freq=1) #转化为时间序列数据 acf(licheng,14) #作自相关图，拖尾
pacf(licheng,14) #作偏自相关图，2阶截尾 Box.test(licheng, type="Ljung-Box",lag=6)
Box.test(licheng, type="Ljung-Box",lag=12)
#纯随机性检验,p值都小于5%，序列为非白噪声
library(“tseries”)
adf.test(licheng)
#除时序图和自相关图判断平稳性外，进一步用ADF检验，发现ADF值为-4.2778，P值为0.01，因此应该拒绝该假设检验中的原假设：序列非平稳，表明序列为平稳序列。结合白噪声检验，序列为平稳非白噪声序列。
arima(licheng, order = c(2,0,0),method="ML")
a= arima(licheng, order = c(2,0,0),method="ML")
r=a$residuals
#用r来保存残差
Box.test(r,type="Ljung-Box",lag=6,fitdf=2)
#检验结果表明，残差序列为白噪声序列，模型显著。
接下来，基于该AR（2）模型进行未来5期的预测：
predict(arima(licheng, order = c(2,0,0)), n.ahead =5) #预测未来5期 R运行结果如下：
$pred #pred为未来5期的预测值
Time Series:
Start = 2009
End = 2013
Frequency = 1
[1] 9.465515 6.215194 8.392736 11.678108 12.885903
$se #se表示未来5期的预测标准差
Time Series:
Start = 2009
End = 2013
Frequency = 1
[1] 19.10953 23.53092 23.53226 24.68326 25.22913
置信区间的求法：以95%的置信区间的求解为例
(xˆ(l)-1.96⋅tˆt(l)+1.96
x
licheng.forecast= predict(arima(licheng, order = c(2,0,0)), n.ahead =5) #将未来5期预测过程中的产生的结果保存在licheng.forecast变量中 U = licheng.forecast$pred + 1.96* licheng.forecast$se
L = licheng.forecast$pred - 1.96* licheng.forecast$se
#算出未来5期预测值的95%置信区间
R的运行结果：
U
Time Series:
Start = 2009
End = 2013
Frequency = 1
[1] 46.92020 52.33580 54.51596 60.05729 62.33500
L
Time Series:
Start = 2009
End = 2013
Frequency = 1
[1] -27.98917 -39.90541 -37.73049 -36.70108 -36.56319
所以，未来5期即2009-2013年的新增里程的预测结果为：
ts.plot(licheng,licheng.forecast$pred,col=1:2)#作时序图，含预测。 lines(U, col="blue", lty="dashed")
lines(L, col="blue", lty="dashed")#在时序图中作出95%置信区间，并指定线型为短划线。lty:连线的线型（1.实线，2.虚线，3.点线，4.点虚线，5.长虚线，6.双虚线）
-50
[***********]1980
Time[1**********]0