Birim kökün sezgisel açıklaması


97

Birim kök testinin bağlamında, birim kökün ne olduğunu sezgisel olarak nasıl açıklarsınız?

Bu soruda kurduğum gibi çok fazla açıklama yapmanın yollarını düşünüyorum .

Birim kök ile ilgili durum, birim kök testinin zaman serilerinde durağanlık testi yapmak için kullanıldığını bildiğim (bu arada çok az).

Bunu mesleğe ya da çok basit bir olasılık ve istatistik dersi alan bir kişiye nasıl açıklayacaksınız?

GÜNCELLEME

Whuber'in cevabını, burada en çok sorduğum şeyi yansıttığı gibi kabul ettim. Ama buraya gelen herkesi Patrick'in ve Michael'ın cevaplarını da okumaya davet ediyorum, çünkü Ünite Kökü'nü anlamadaki doğal "bir sonraki adım". Matematiği kullanıyorlar ama çok sezgisel bir şekilde.


3
Bu sorunun üç mevcut cevabını da tamamladım (Michael Chernick, Patrick Caldon ve Whuber). Birlikte ele alındıklarında, sezgilerden altta yatan matematiğin bir kısmına kadar, birim köken hakkında tam bir anlayış sağladıklarına inanıyorum. Verimli bir soru için +1.
gung

3
Evet, @gung, cevapların kalitesi beni gerçekten şaşırttı. Biri bana Root hakkında bir şey sorduğunda şimdi 1 numaralı bağlantım.
Lucas Reis

1
Pooh ile rekabet edemem, ancak [işte başka bir grafiksel çekim.] [1] Son iki dizinin (R ve E) bir birim kökü yok ve durağan değil. Ne kadar uzağa sürüklendiklerini görebilirsiniz. [1]: stats.stackexchange.com/a/25481/7071 .
Dimitriy V. Masterov

Yanıtlar:


133

Daha yeni köprüye gelmişti; ve nereye gittiğini görmemekle birlikte, bir şeyin üzerine atladı ve çam kozalağı pençesinden nehire doğru sarıldı.

"Rahatsız," dedi Pooh, köprünün altında yavaşça yüzerken, kafiyeli olan başka bir köknar-koni almak için geri döndü. Ama sonra nehire sadece bir gün bakacağını düşündü, çünkü huzurlu bir gündü, bu yüzden uzandı ve baktı ve yavaşça altından geçti. . . ve aniden, köknar konisi de kayıyordu.

"Bu komik" dedi Pooh. "Diğer tarafa düşürdüm," dedi Pooh, "ve bu tarafa çıktı! Acaba tekrar yapar mı?"

AA Milne, Pooh Köşesindeki Ev (Bölüm VI. Pooh'un yeni bir oyun icat ettiği ve eeyore'un katıldığı.)

Su yüzeyindeki akışın bir resmi:

Pooh çubukları 1

Oklar akış yönünü gösterir ve düzene bağlanır . Bir çam kozalağı düştüğü düzene uyma eğiliminde olacaktır. Fakat akışta aynı yere düştüğü zaman bile, her zaman aynı şekilde yapmaz: sudaki türbülans, rüzgar ve diğer doğa kaprislerinin neden olduğu rastgele değişiklikler Akış çizgileri.

Pooh 2 çubukları

Burada köknar konisi sağ üst köşeye yakın bir yere bırakıldı. Aşağı yukarı ve sola akıp giden akım hatlarını izledi, aşağı yukarı izledi, ancak yol boyunca küçük çaplı çizgiler aldı.


Bir "otoregressive süreç" (AR süreci), belirli akışlar gibi davrandığı düşünülen bir sayı dizisidir. İki boyutlu çizim, her sayının önceki iki değeriyle (artı rastgele bir "sapma") belirlendiği bir sürece karşılık gelir . Analoji sıradaki her art arda gelen çifti akıştaki bir noktanın koordinatları olarak yorumlayarak yapılır. Anında, akışın akışı, çam kozalağının koordinatlarını AR işlemi tarafından verilen matematiksel yöntemle değiştirir.

Köknar konisinin işgal ettiği her bir noktanın koordinatlarını yazıp ardından her bir koordinat kümesindeki son sayıları silerek orijinal işlemi akışa dayalı görüntüden kurtarabiliriz.

Doğa - ve özellikle akarsu - AR süreçlerine karşılık gelen akışlardan daha zengin ve daha çeşitlidir. Çünkü sekanstaki her sayının , öncüllerine aynı tesadüfi şekilde bağlı olduğu varsayılır - rastgele sapma bölümünden ayrı olarak - AR işlemlerini gösteren akışlar sınırlı modeller gösterir. Gerçekten de burada görüldüğü gibi bir dere gibi akıyor gibi görünebilirler. Ayrıca bir kanalizasyon etrafında dönen gibi görünebilirler. Akışlar, bir tahliye kanalından dışarıya doğru süzülmüş gibi görünebilir. Ve birbirleriyle çarpışan iki akıntının ağzına benziyorlar: iki su kaynağı doğrudan birbirine akıyor ve sonra yanlara doğru ayrılıyor. Ama bu konuda. Diyelim ki, kenarları kesilmiş, akıntılı bir akıntıya sahip olamazsınız. AR süreçleri bunun için çok basit.

Pooh çubukları 3

Bu akışta, çam kozalağı sağ alt köşeye düşürülmüş ve yapılan pozisyondaki hafif rastgele değişikliklere rağmen hızla sağ üst girdabın içine taşınmıştır. Ancak, onu unutulmazlıktan kurtaran aynı rastgele hareketler nedeniyle hareket etmeyi asla bırakmayacak. Köknar konisinin koordinatları biraz hareket ediyor - aslında, girdabın merkezinin koordinatları etrafında salındığı görülüyor. İlk akış akışında, koordinatlar kaçınılmaz bir şekilde koninin hızlı bir şekilde yakalanması ve rastgele sapmalarının yavaşlamasından daha hızlı bir şekilde uzaklaşan akışın merkezi boyunca ilerlemiştir . Buna karşılık, bir girdap etrafında daire çizerek durağan bir örnek teşkil eder.çam kozalağının yakalandığı süreç; koninin görüş alanından aktığı dereden aşağıya doğru akan - trend - durağan değildir.

Bu arada, bir AR süreci için akış aşağı yönde uzaklaştığında da hızlanır. Koni boyunca hareket ettikçe daha hızlı ve daha hızlı olur.

Bir AR akışının doğası, akış akışında genellikle belirgin olan birkaç özel, "karakteristik" yönle belirlenir: akış çizgileri bu yönlere doğru yaklaşır veya gelir. Bir kişi AR sürecindeki katsayılar olduğu kadar karakteristik yönleri her zaman bulabilir: bu resimlerde iki tane. Her bir karakteristik yönle ilişkilendirilmiş bir sayıdır, "kökü" veya "özdeğer" dir. Zaman boyutu sayısının birden daha az olan, bu özelliği doğrultusunda akışı doğru merkezi bir konumda. Kökün büyüklüğü birlikten büyük olduğunda, akış merkezi bir konumdan uzağa doğru hızlanır .1- koniyi etkileyen rastgele kuvvetlerin baskındır. Bu "rastgele bir yürüyüş". Koni yavaşça fakat hızlanmadan dolaşabilir.

(Şekillerden bazıları her iki kökün de değerlerini başlıklarında gösterir.)

Çok küçük bir beynin ayı olan Pooh bile, akıntının sadece tüm akışı bir girdap veya girdap yönünde olduğu zaman köknar konisini yakalayacağını; aksi halde, bu rasgele sapmalarla birinde koni sonunda daha bir kök daha sonra ile akışın bu bölümünde etkisi altında kendisini bulacaksınız o mansap uzaklaşmak ve sonsuza kaybolabilir nereden, büyüklük içinde. Sonuç olarak, bir AR işlemi ancak bütün karakteristik değerlerin boyut olarak birliğin altında olması durumunda durabilir .1

Ekonomistler belki de zaman serilerinin en büyük analistleri ve AR süreç teknolojisinin işverenleridir. Onların veri serisi, tipik olarak görüş açısını arttırmaz. Bu nedenle, yalnızca değeri büyüklükte olabilen karakteristik bir yön olup olmadığı ile ilgilidir : bir "birim kök". Verilerin böyle bir akışla tutarlı olup olmadığını bilmek, ekonomiste pooh çubuğunun potansiyel kaderi hakkında çok şey söyleyebilir: yani gelecekte neler olacağı hakkında. Bu nedenle bir birim kökü test etmek önemli olabilir. İyi bir Wikipedia makalesi bazı sonuçları açıklar.1

Pooh ve arkadaşları deneysel bir durağanlık testi buldu:

Şimdi bir gün Pooh ve Piglet ve Tavşan ve Roo birlikte Poohsticks oynuyorlardı. Tavşan "Git!" Dediğinde sopalarını düşürmüşlerdi. ve sonra köprünün diğer tarafına doğru acele ettiler ve şimdi hepsi kenarlarından aşağıya yaslandılar, ilk önce hangi çubuğun çıkacağını görmek için bekliyorlardı. Fakat uzun zamandır geliciydi, çünkü nehir o gün çok tembeldi ve oraya hiç varamazsa akla pek gelmiyordu.

“Benimkini görebilirim!” diye bağırdı Roo. “Hayır, göremiyorum, başka bir şey. Sizinkini görebiliyor musun, Piglet? Benimkini görebileceğimi düşündüm, ama göremedim. Orada! Hayır, değil. Seninkini görebilir misin, Pooh? "

"Hayır," dedi Pooh.

Roo, "Çubuğumun sıkışıp kalmasını bekliyorum" dedi. "Tavşan, çubuğum sıkıştı. Çubuğun sıkışmış mı, Piglet?"

Tavşan, "Her zaman düşündüğünden daha uzun sürüyor" dedi.

Bu pasaj, 1928'den itibaren ilk “Birim Roo testi” olarak yorumlanabilir.


35
Son satır için özür dilerim.
whuber

23
+1 @whuber: Bu site için yeni bir standart belirlediğinizi düşünüyorum. Diyagramları ve Winnie the Pooh'u içermeyen sezgisel açıklamalarda kesinlikle hayal kırıklığına uğrayacağım.
Wayne

6
@whuber Matematikten kaçınan birim kökünden çok eğlenceli bir açıklaması. Bunun için +1. Ancak açıklama yapmak için bir kitap bölümü almış gibi görünüyor. Ayrıca okuyucunun 1 kökünün durağanlığın sınırını belirlediğine inanması gerekir. Sanırım zorunlu olarak bazı matematiği polinom denklemi ile içereceğini göstermek. Sonunda "Birim Kök" yerine "Birim Roo" kelimesi paha biçilmezdi.
Michael Chernick

4
Kökün büyüklüğü ile işlemin davranışı arasındaki bağlantı, polinomların neden kırmızı boğumlu olduklarını gösteren ayrı bir argümanla kolayca yapılır: kök, bir büyüme hızıdır . Bu daha büyüktür sayının çarpımı gerçeğine aşağı gelir açıklama uzunluğu hakkında Sizin noktası piyasaya çıkarılmıştır vb büyüklüğünü artıracak. Bağlamı olsa düşünün: Bir arkadaş ya da aile üyesi bu soruyu rahatça sohbete sorarken soruyor. Cevabınızı birkaç denklemle sınırlar mısınız yoksa onların gerçekten anlamalarına yardımcı olmak için yavaşça genişler misiniz? 1
whuber

4
Başka bir harika cevap. Elimdeki konuyu iyi bir şekilde anlamış olsam bile, yazılarınızı okumaktan sık sık şeyler öğrenirim.
Makro

56

İki işlemi hayal edin :AR(1)

  • İşlem 1:vk=0.5vk1+ϵk1
  • İşlem 2:vk=vk1+ϵk1
  • ϵi den çizilirN(0,1)

İşlem 1, birim kök içermiyor. İşlem 2, bir birim kökü vardır. Bunu Michael'ın cevabına göre karakteristik polinomları hesaplayarak doğrulayabilirsiniz.

Her iki işlemi de sıfırdan başlattığımızı düşünün, yani . Şimdi, pozitif epsilonların "iyi çalışması" olduğunda ne olacağını hayal edin ve her iki sürecin de hayal edin .v1=0v10=5

Sonra ne olur? Dizinin nereye gitmesini bekliyoruz?

Biz bekliyoruz . Bu nedenle, İşlem 1 davasının , , vb olmasını bekliyoruz.ϵi=0v11=2.5v12=1.25v13=0.625

Fakat İşlem 2 için , , vb. .v11=5v12=5v13=5

Dolayısıyla, bir sezgi, bir "iyi / kötü şans koşusu" etrafında bir birim kökü olan bir işlemi ittiğinde, dizilim tarihsel iyi veya kötü şans tarafından "pozisyonda sıkışmış" olur. Hala rastgele değişecek, ancak “geri zorlayacak” bir şey yok. Öte yandan, birim kök olmadığında ve süreç havaya uçmadığında, süreçte eski pozisyona geri dönmesini sağlayacak bir "kuvvet" vardır, ancak rastgele gürültü hala biraz etrafa çarpacaktır. .

"Sıkışan", salınımları içerebilir, basit bir örnek: . Bu, negatif ve negatif olarak ileri geri sekecektir, ancak salınımın sonsuzluğa patlaması ya da sıfıra indirilmesi için önceden belirlenmiş değildir. Daha karmaşık salınım türlerini içeren daha fazla "takılma" şekli elde edebilirsiniz.vk=vk1+ϵk1


iyi cevap Patrick. Kubbe hoş sezgisel argümanlar ama matematiği geçersiz.
Michael Chernick

@Patrick Caldon: Ayrıca harika bir cevap ve çok iyi iltifatlar Michael Chernick'in. Cevabında dediğim gibi, bu "sezgisel matematiksel" açıklama biçimini de seviyorum!
Lucas Reis

11
+1: Winnie the Pooh'dan bahsetmiyor, ancak hiçbiri daha az açıklayıcı.
Wayne

34

olan birinci dereceden otoregresif işlemi düşünün, burada beyaz gürültüdir. Model, aynı zamanda ile ifade edilebilir, tüm 'in olduğu gibi, bir tarafta

Xt=aXt1+et
etX
XtaXt1=et.

Geri vites operatörü kullanarak, modeli kompakt bir şekilde veya eşit olarak olarak yeniden ifade Karakteristik polinom . Bunun a'da (benzersiz) bir kökü vardır . Sonra için sabit bir işlemimiz var ve için patlayıcı bir işlemimiz var. For durağanlığı olan rasgele yürüyüş ve sahip birim kök . Böylece birim kökler durağanlık ve durağanlık arasındaki sınırı oluşturur. BXt=Xt1XtaBXt=et

(1aB)Xt=et.
1axx=1/a|a|<1AR(1)|a|>1AR(1)a=1x=1/1=1AR(1) model (doğrusal karakteristik polinomundan dolayı) onu açıklamak en basit olanıdır.

4
Bu konu hakkında okuduğum herşeyin neden olasılığını göz ardı ettiğini ya da daha genel olarak, karakteristik polinomun bir kökünün özdeş olmadan birim uzunluğa sahip olma olasılığına duyarsız göründüğünü anlamaya çalışıyorum . Belki buna biraz ışık tutabilir misin? a11
whuber

1
Belki de bu sezgiye daha çok odaklanabilirdi, ancak bunun bir aşağı oylamada olduğunu düşünmüyorum. Benim bakış açıma göre, aslında birim kök hakkında oldukça açık ve özlü bir ifade.
gung

1
Bill olduğunu sanmıyorum. Mutlak değerde bir> 1 ise, kök birim çemberinin dışında kalır. Yani bir <-1,> 1 kadar durağan değil. Ünite çemberinin içinde model sabittir. Dışında durağan değil. Birim daire sınırdır. Cevabımı a etrafında mutlak değer işareti koymak gerekirdi. Açıklamam, bulabildiğin kadar basit değil mi? Birisi aslında reddetti!
Michael Chernick

2
@MichaelChernick: Matematiği geçersiz kılan sezgisel cevapların her durumda mümkün olup olmadığını ve sizinki gibi "sezgisel matematiksel" cevapların da harika olup olmadığını gerçekten bilmiyorum! Matematik argümanlarından kaçınmaya çalışmak, bence, sadece istatistiksel kavramı daha iyi anlamak için değil, aynı zamanda matematiksel argümanları daha iyi anlamak için de güçlü bir araçtır! ;)
Lucas Reis

6
Michael @Lucas unutmayın olduğunu OP. :-)
kardinal
Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.