Сингулярно-спектральний аналіз

Аналіз сингулярного спектру (англ. Singular spectrum analysis, SSA), також «Гусениця» — метод аналізу часових рядів, що базується на перетворенні одновимірного часового ряду на багатовимірний і подальший його сингулярний розклад. При правильному використанні метод дозволяє розділити часовий ряд на тренд, періодичні компоненти і випадковий шум.

Розділення часового ряду на тренд, осцилюючі компоненти і шум

Опис базового методу

У найбільш розповсюдженому варіанті алгоритму, вхідними даними є одномірний часовий ряд ${\displaystyle F_{N}}$, де ${\displaystyle N}$ — довжина ряду. SSA складається з чотирьох етапів: 1. Перетворення одновимірних даних на багатовимірні, або вкладання (англ. embedding). Оберемо число ${\displaystyle 2\leq L<N}$, ширину вікна. Нехай ${\displaystyle K=N-L+1}$. Побудуємо матрицю розміру ${\displaystyle L\times K}$, наступним чином: перший стовпчик складають елементи ряду з ${\displaystyle f_{1}}$ по ${\displaystyle f_{L}}$. Другий — ${\displaystyle f_{2}}$ по ${\displaystyle f_{L+1}}$, і так до К-того стовпця, у який входять елементи від ${\displaystyle f_{K}}$ по ${\displaystyle f_{N}}$.

${\displaystyle \mathbf {X} ={\begin{bmatrix}f_{1}&f_{2}&f_{3}&\ldots &f_{K}\\f_{2}&f_{3}&f_{4}&\ldots &f_{K+1}\\f_{3}&f_{4}&f_{5}&\ldots &f_{K+2}\\\vdots &\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\f_{L}&f_{L+1}&f_{L+2}&\ldots &f_{N}\\\end{bmatrix}},}$

Матриця ${\displaystyle \mathbf {X} }$ називається траєкторною матрицею. Усі елементи, що лежать на діагоналях, паралельних побічній є рівними, тобто така матриця є ганкелевою.

2. Сингулярний розклад траєкторної матриці. Нехай ${\displaystyle \mathbf {S} =\mathbf {X} \mathbf {X} ^{T}}$, матриця розмірності ${\displaystyle L\times L}$. Тоді, позначимо власні числа матриці ${\displaystyle \mathbf {S} }$ як ${\displaystyle \lambda _{1},\lambda _{2},...,\lambda _{L}}$, а власні вектори як ${\displaystyle U_{1},U_{2},...,U_{L}}$. Якщо ${\displaystyle d}$ — це кількість ненульових власних чисел, то можна визначити ${\displaystyle d}$ факторних векторів

${\displaystyle V_{i}={\frac {\mathbf {X} ^{T}U_{i}}{\sqrt {\lambda _{i}}}}}$

Тоді траєкторну матрицю можна представити у вигляді

${\displaystyle \mathbf {X} =\mathbf {X} _{1}+\mathbf {X} _{2}+\ldots +\mathbf {X} _{d}=\sum _{i=1}^{d}{\sqrt {\lambda _{i}}}U_{i}V_{i}^{T}}$

Сукупність деякого власного числа ${\displaystyle \lambda _{i}}$ а також власного і факторного векторів що йому відповідають, називається власною трійкою (англ. eigentriple)

3. Групування. Усі власні трійки розбиваються на ${\displaystyle m}$ груп що не перетинаються, які позначаються як ${\displaystyle I_{1},I_{2},...,I_{m}}$. Матриці що входять до кожної групи складаються: нехай ${\displaystyle I}$ це деяка група, в яку входять ${\displaystyle p}$ різних власних трійок, тоді

${\displaystyle \mathbf {X} _{I}=\mathbf {X} _{i_{1}}+\mathbf {X} _{i_{2}}+...+\mathbf {X} _{i_{p}}}$

Групування є найбільш нетривіальною частиною метода. Критерієм правильності його виконання є те, що результуючи матриці, що отримуються сумацією всіх матриць всередині групи, є близькими до ганкелевих, тобто, значення на їх діагоналях, паралельних побіжним є рівними або хоча б близькими. Складові часового ряда, які можливо виділити таким чином, називаються розділимими.

4. Усереднення, або ганкелізація. Оскільки рідко можливо створити справді ганкелеві матриці у попередньому етапі, у кожній з матриць ${\displaystyle \mathbf {X} _{I}}$, всі значення, що лежать на діагоналях, паралельних побічній, усереднюються:

${\displaystyle {\widetilde {x_{1,1}}}=x_{1,1}}$;

${\displaystyle {\widetilde {x_{1,2}}}={\widetilde {x_{2,1}}}={\frac {x_{1,2}+x_{2,1}}{2}}}$;

${\displaystyle {\widetilde {x_{1,3}}}={\widetilde {x_{2,2}}}={\widetilde {x_{3,1}}}={\frac {x_{1,3}+x_{2,2}+x_{3,1}}{3}}...}$

Отримана в результаті усереднення матриця буде ганкелевою, як і оригінальна траєкторна матриця ${\displaystyle \mathbf {X} }$. Кожній з цих матриць можна поставити у відповідність деякий часовий ряд ${\displaystyle {\widetilde {F_{N}^{(i)}}}}$ (за тим самим принципом, як з часового ряду була отримана траєкторна матриця). Отримані ${\displaystyle m}$ часових рядів у сумі будуть давати оригінальний часовий ряд:

${\displaystyle F_{N}={\widetilde {F_{N}^{(1)}}}+{\widetilde {F_{N}^{(2)}}}+...+{\widetilde {F_{N}^{(m)}}}}$

Компоненти, які є результатом роботи алгоритму можуть бути розподілені на три типи: тренд (нестаціонарна частина серії, монотонно зростаюча або спадаюча компонента, іноді з окремими піками — загалом, межа між трендом і періодичними компонентами з дуже довгим періодом є розмитою), періодичні компоненти (такі компоненти не обов'язково є гармонійними коливаннями, і можуть мати довільну форму, а іноді — амплітудну або частотну модуляцію, тобто, їх розмах або період може повільно збільшуватися або зменшуватися з часом, в останньому випадку такі компоненти називають квазіперіодичними), і шум (аперіодичні, хаотичні, швидкозмінні компоненти, що мають близьку до нуля коваріацію).

Перед використанням методу, для коректного порівняння різних компонент, дані зазвичай ^[en] — віднімають середнє значення і ділять на середньоквадратичне відхилення.

Принцип роботи

Метод є ідейно близьким до методу головних компонент: у просторі траєкторних матриць він шукає ортогональний базис, за яким можна розкласти матрицю на незалежні компоненти. Сингулярний розклад дозволяє знайти такий базис, і крім того, має важливу особливість: серед всіх матриць рангу r (де r є меншим ніж ранг траєкторної матриці), матриця, що дорівнює сумі перших r матриць з сингулярного розкладу буде найближчою до оригінальної матриці (в сенсі, норма Фробеніуса різниць цих матриць буде найменшою).

Розділюваність компонент

Розділюваність (англ. separability) є дуже важливою концепцією для розуміння ефективності методу. Тільки якщо компоненти ряду є розділюваними, SSA зможе їх коректно виділити. Існує два різних типи розділюваності, слабка і сильна. Нехай є ряд ${\displaystyle F_{N}}$ що складається з двох компонент, ${\displaystyle F_{N}^{(1)}}$ і ${\displaystyle F_{N}^{(2)}}$. Тоді ці компонентами називаються слабко розділюваними, якщо усі підряди довжини L першого ряду є ортогональними усім підрядам довжини L другого ряду, і те саме щодо підрядів довжини ${\displaystyle K}$ (тобто ${\displaystyle N-L-1}$). Або, що те саме, кожен з стовпців траєкторної матриці першого ряду є ортогональним кожному стовпцю другого ряду (і те саме щодо рядків траєкторних матриць).

Додатковою умовою сильної розділюваності є те, що множини власних значень матриць ${\displaystyle \mathbf {S_{1}} }$ і ${\displaystyle \mathbf {S_{2}} }$ не перетинаються.

Якщо усі власні значення траєкторної матриці є унікальними (тобто, не повторюються), то визначення сильної і слабкої розділюваності є однаковими.

Існує необхідна, але не достатня умова розділюваності, яка називається w-ортогональність. Нехай ${\displaystyle L^{*}=min(L,K),K^{*}=max(L,K)}$. Визначимо ваговий вектор

${\displaystyle w_{i}={\begin{cases}i,&{\mbox{if }}1\leq i<L^{*}\\L^{*},&{\mbox{if }}L^{*}<i\leq K^{*}\\N-i,&{\mbox{if }}K^{*}<i\end{cases}}}$

Якщо представити ${\displaystyle w}$ як ряд, він буде мати трапецієвидну форму. Також, визначимо зважений добуток часових рядів як:

${\displaystyle (F^{(1)},F^{(2)})_{w}=\sum _{i=1}^{N}w_{i}f_{i}^{(1)}f_{i}^{(2)}}$

Ряди ${\displaystyle F^{(1)}}$ і ${\displaystyle F^{(2)}}$ називаються w-ортогональними, якщо ${\displaystyle (F^{(1)},F^{(2)})_{w}=0}$.

Хоча w-ортогональність не є достатньою умовою для роздільності, вона є необхідною — якщо два ряди не w-ортогональні, тоді вони і не розділювані. При цьому, ця умова є обчислювано простою, тому вона досить широко застосовується.

Два гармонічні періодичні ряди є розділюваними, якщо їх періоди у ціле число разів менші за розмірності траєкторної матриці: ${\displaystyle T_{1}=L/m_{1}=K/p_{1};T_{2}=L/m_{2}=K/p_{2}}$.

Зазвичай повна розділюваність є недосяжною, тому на практиці від даних очікується наближена розділюваність. Існує кілька метрик, якими можливо її виміряти:

• Максимальна кореляція. Ортогональність двох векторів можна розуміти як нульову кореляцію між їх компонентами. Тому максимальне абсолютне значення кореляції серед усіх пар підрядів довжини L i K (де один член пари взятий з першого ряду, а другий — з другого) є мірою неортогональності (чим ближча вона до нуля, тим краще).
• Зважена кореляція (англ. w-correlation), яка є оцінкою близькості до w-ортогональності, і визначається як:

${\displaystyle \rho _{12}^{(w)}={\frac {(F^{(1)},F^{(2)})_{w}}{(F^{(1)},F^{(1)})_{w}*(F^{(2)},F^{(2)})_{w}}}}$

Чим ближчий він до нуля, тим більш близькими до ортогональності є два ряди.

Вибір параметрів моделі

Загалом, базовий SSA має лише два параметри. Перший — числовий, довжина вікна. Другий — методологічний, спосіб групування.

Довжину вікна зазвичай обирають достатньо великою, оскільки вона має бути більшою, ніж можливі періоди коливання компонентів ряду, проте не більшою ніж ${\displaystyle N/2}$. Нормальною практикою є ${\displaystyle L>N/4}$. Якщо ми очікуємо, що ряд містить компоненту деякого періоду, то є сенс взяти L кратним цьому періоду.

Пошук методу групування є більш широкою задачею. Існує кілька емпіричних вказівок на те, як групувати компоненти:

• На діаграмі власних значень, ${\displaystyle (log(\lambda _{i}),i)}$ компоненти що відносяться до шуму виглядають як довгий і плавно спадаючий хвіст. Такі компоненти зазвичай достатньо сильно w-корельовані між собою.
• Періодичним компонентам часто відповідають два близьких власних значення, або одне значення, якщо це пилкоподібна компонента (кожне наступне значення змінює знак відносно попереднього)
• Найбільшим власним значенням відповідають найбільш значущі компоненти — зазвичай це тренд.

Примітки

1. Golyandina,Nekrutkin,Zhigljavsky, 2001, с. 30.
2. Golyandina,Nekrutkin,Zhigljavsky, 2001, с. 28.
3. Golyandina,Nekrutkin,Zhigljavsky, 2001, с. 32.
4. Golyandina,Nekrutkin,Zhigljavsky, 2001, с. 34.
5. Golyandina,Nekrutkin,Zhigljavsky, 2001, с. 36.
6. Golyandina,Nekrutkin,Zhigljavsky, 2001, с. 46.
7. Elsner,Tsonis, 1996, с. 67.
8. Golyandina,Nekrutkin,Zhigljavsky, 2001, с. 57.
9. Golyandina,Nekrutkin,Zhigljavsky, 2001, с. 58.
10. Elsner,Tsonis, 1996, с. 57.
11. A Brief Introduction to Singular Spectrum Analysis
12. Golyandina,Nekrutkin,Zhigljavsky, 2001, с. 79.

Література

• N. Golyandina, V. Nekrutkin, and A. Zhigljavsky. Analysis of Time Series Structure: SSA and Related Techniques. — Boca Raton : CRC Press, 2001. — 260 с. — .
• James B. Elsner, Anastasios A. Tsonis. Singular Spectrum Analysis. A New Tool in Time Series Analysis. — New-York : Plenum Press, 1996. — 164 с. — .