К вопросу о точности восстановления параметров линейных динамических моделей с дискретным временем
Автор: Максимов Владимир Петрович
Журнал: Вестник Пермского университета. Серия: Экономика @economics-psu
Рубрика: Экономико-математическое моделирование
Статья в выпуске: 4 т.13, 2018 года.
Бесплатный доступ
Современные методы анализа социально-экономических процессов предполагают использование экономико-математических моделей, среди которых широкое распространение получили динамические модели с дискретным временем. Точность идентификации таких моделей существенно влияет на обоснованность результатов анализа и принимаемых на их основе решений. Исследуется задача о возможности и условиях получения гарантированных оценок точности восстановления параметров линейных динамических моделей с дискретным временем по результатам наблюдений за траекторией с учетом случайных ошибок таких наблюдений, имеющих различную природу (ошибки измерений, ошибки спецификации модели, внешние возмущения). Основное внимание уделяется возможности получения гарантированной оценки точности приближенного восстановления параметров линейных систем с дискретным временем и произвольной, но конечной памятью. Представлен обзор известных подходов и методов построения оценок параметров моделей векторной авторегрессии. В рамках эконометрического подхода все варианты методов построения оценок базируются на весьма сильных предположениях о характере случайных ошибок и возмущений (строгая экзогенность, ортогональность, некоррелированность, нормальная распределенность и т.п.). В таком случае речь может идти только о вариантах интервальных оценок для неизвестных параметров и построении доверительных интервалов, соответствующих заданному уровню доверия. Среди результатов, относящихся к исследованию поставленной задачи с точки зрения теории линейных разностных систем с дискретным временем, выделены работы, потенциально содержащие возможность оценки точности восстановления параметров системы. Однако в исследовании показано, что для всех работ этого направления общей является концепция, в рамках которой оценки находятся в результате решения сложной с точки зрения вычислений экстремальной задачи, что существенно затрудняет получение явных гарантированных оценок точности, выраженных в рамках общих ограничений относительно ошибок наблюдений. Новизну исследования составляют математически обоснованный авторский подход к решению задачи в строгом смысле при минимальных предположениях относительно ошибок наблюдений, в рамках которого сформулирована и доказана соответствующая теорема об оценке точности восстановления параметров, дано описание алгоритма и приведен иллюстрирующий пример. Предложенный подход и алгоритм позволяют решать задачу восстановления параметров динамических моделей по результатам наблюдений за моделируемым процессом с точностью, превосходящей точность обычно используемых процедур метода наименьших квадратов и его обобщений. При этом существенное отличие от известных результатов состоит в том, что в условиях доказанной теоремы точность оценок параметров гарантируется в строгом детерминированном смысле. Перспективы дальнейших исследований в этом направлении связаны с применением разработанного инструментария получения гарантированных оценок к анализу динамических моделей с дискретным и непрерывным временем (гибридные модели), включающих в систему как разностные уравнения с дискретным временем, так и уравнения с непрерывным временем в форме автономных функционально-дифференциальных уравнений. Решение этой задачи позволит добиться новых результатов в области идентификации эффектов последействий при моделировании реальных социально-экономических процессов.
Динамические модели экономики, задачи идентификации, гарантированные оценки, разностные уравнения, системы c дискретным временем, моделирование социально-экономических процессов
Короткий адрес: https://sciup.org/147245704
IDR: 147245704 | DOI: 10.17072/1994-9960-2018-4-502-515
Текст научной статьи К вопросу о точности восстановления параметров линейных динамических моделей с дискретным временем
При изучении и моделировании реальных экономических систем приходится наблюдать не один временной ряд, а некоторую совокупность рядов, описывающих совокупность переменных, – так называемые многомерные временные ряды. Целью анализа многомерных временных рядов является их модельное статистическое описание, при этом имеется в виду, что строится (выбирается) модель, описывающая данные наилучшим образом и позволяющая строить наиболее точные прогнозы. Наиболее популярным видом такого рода моделей являются модели векторной авторегрессии (VAR модели). Принято считать, что регулярное использование и исследование таких моделей началось в 1980 г., когда C.A. Sims [1] предложил VAR модели в качестве альтернативы системам одновременных уравнений. Эти модели, будучи линейными моделями, являются довольно удобным инструментом теоретических и прикладных исследований. Легкость и удобство соответствующих вычислительных процедур стали причиной широкого распространения VAR моделей. В настоящее время описание таких моделей можно найти в стандартных учебниках по временным рядам и эконометрике1.
Класс моделей динамики с дискретным временем и постоянными параметрами (коэффициентами) является одним из наиболее популярных как в теоретических, так и в прикладных исследованиях. В линейном случае такая модель имеет вид системы разностных уравнений: pq y=S Bjyt-.j+S Dkut -k + ft+£t, t=1’-’ T, (1)
. j = 1 k = 1
где векторная переменная y = col ( yl ,..., yn ) (набор эндогенных переменных) описывает наблюдаемое состояние моделируемой системы в моменты времени t ; u = col ( ul,...,ur ) - набор экзогенных (в том числе управляющих) переменных, предыстория всех переменных считается заданной: y ( % ) = ^ ( % ), и ( % ) = И £ ), если % < 0. Основная причина наибольшей распространенности моделей (1) – детально разработанная теория оценивания параметров таких моделей.
Модели вида (1) систематически использовались компанией «ПРОГНОЗ» [2] при разработке информационноаналитических систем. Следует отметить, что в более общем случае неавтономных моделей проблемы их идентификации исследуются в монографии [3]. Основная идея предлагаемого здесь подхода состоит в выделении подмножества моделей со специальными свойствами. Полученные результаты позволяют исследовать так называемые индексы развития динамических процессов и предложить строгие определения понятий спада и подъема.
Подчеркнем, что модель (1) в стандартной эконометрической интерпретации является моделью наблюдений: каждое y содержит случайное возмущение ^ , включающее в себя все возможные неучтенные факторы влияния на фазовую переменную. По этой причине модель (1) дает описание реального процесса в стохастическом смысле, а все эконометрические оценки параметров и выводы на основе построенной модели носят статистический характер. Такие оценки и выводы базируются на довольно сильных предположениях относительно случайной составляющей £ t . Кроме того, разработанные методы применимы, как правило, только к случаю, когда последовательность { yt }, t = 1,2,... (случайный временной ряд) обладает свойством стационарности в сильном смысле, что обеспечивается соответствующими предположениями относительно матриц B [4; 5; 6]. Отдельно отметим работу [7], в которой подробно обсуждаются обобщения задачи аппроксимации финитных последовательностей (временных рядов) решениями разностных уравнений с полностью или частично неизвестными коэффициентами, а также работу [8], где дается теоретическое обоснование сходимости одного итерационного метода восстановления коэффициентов, использующего подход, предлагаемый в [7].
В заключение отметим, что после обзора наиболее значимых отечественных и зарубежных работ по идентификации линейных моделей мы предлагаем рассмотреть линейную детерминированную систему, все компоненты вектора состояний которой доступны наблюдению в конечном числе моментов времени с некоторой погрешностью. Природа этой погрешности неизвестна, и мы не делаем об этом никаких предположений, ограничиваясь только информацией о ее величине: все компоненты погрешности ограничены известными константами. На основе теоремы об обратном операторе формулируется и доказывается утверждение о гарантированной оценке точности приближенных значений коэффициентов модели (этот результат анонсирован без доказательства в кратком сообщении [9]).
Доказанная теорема может найти применение при идентификации линейных гибридных функционально-дифференциальных систем [10‒12], которые позволяют моделировать реальные процессы с учетом эффектов последействий, характерных для развития сложных социальноэкономических систем.
Методы и процедуры построения оценок параметров линейных динами- ческих моделей
В этом разделе мы останавливаемся только на анализе работ и результатов, имею- щих отношение к алгоритмам и процедурам построения приближенных значений параметров линейных разностных систем.
Систематическое и глубокое исследование проблем идентификации указанного класса систем предпринято в цикле работ [13–21]. В этих работах обсуждаются и исследуются различные постановки задач идентификации, варианты постановок экстремальных задач, развивающих идеи классического метода наименьших квадратов, предлагаются методы и алгоритмы нахождения оценок коэффициентов, исследуется сходимость соответствующих итерационных методов, обсуждаются приемы, ускоряющие сходимость. Результаты этих работ имеют высокий потенциал практического использования. В связи с этим особо отметим работу [14], в которой решается задача восстановления параметров однородной линейной модели динамики генной сети. Ряд прикладных аспектов рассмотрен также в [22]. Результаты экспериментов, представленные в [22], показали высокую устойчивость вариационного метода оценки параметров уравнений по отношению к помехам [8; 23; 24; 25].
Отметим, что авторы работ [24; 25] изучают также асимптотические по количеству наблюдений статистические аспекты соответствующей вариационной задачи для случая гауссовских случайных ошибок в элементах исходной последовательности наблюдений. Статистическая состоятельность оценок, полученных вариационным методом, установлена в [25].
В работе1 рассматриваются VAR модели, в которых не предполагается го-москедастичность инноваций. Проводится сравнительный анализ процедур стандартного МНК ( OLS ), обобщенного МНК ( GLS ) и адаптивного МНК ( ALS ). В частности, отмечается, что GLS требует знаний о структуре ковариационной матрицы, зависящей от времени. А при применении ALS неизвестная ковариационная матрица оценивается с помощью ядерного сглаживания с использованием внешнего произведения остатков, полученных после применения OLS . Выводится асимптотическое распределение предлагаемых оценок и исследуются их свойства. Оценки ALS оказываются асимптотически эквивалентными оценкам «недоступного» варианта GLS оценок. На основе этих результатов предлагаются тесты на непостоянство инновационных возмущений и версии инструментов коррекции. Теоретические результаты иллюстрируются примером с использованием макроэкономических данных США.
В работе2 рассматривается VAR модель в стандартных предположениях. В случае ее устойчивости модель приводится к форме со скользящими средними. Дается анализ связанных с этой моделью параметров и характеристик – динамических мультипликаторов, передаточной функции, импульсной функции отклика – и обсуждаются актуальные проблемы идентификации моделей указанного класса и их применения при анализе реальных экономических процессов.
В работе [26] описывается методология оценки коэффициентов, тестирования гипотез о спецификации и проведения сценарных экспериментов с VAR моделями межстранового взаимодействия. Используется байесовский подход, построение импульсного отклика и сценарное прогнозирование производятся с использованием процедур метода Монте-Карло. Приводятся результаты, полученные применительно к странам «Большой семерки» (G7).
В работе [27] предлагается процедура оценивания глобальных VAR моделей ( GVAR ), которая приводит к состоятельным и асимптотически нормальным оценкам параметров. При этом формулируются простые в вычислительном плане условия, гарантирующие устойчивость модели. Эта процедура иллюстрируется примерами оценок, как на примере модельных данных, так и с применением реальной статистической информации. Следует подчеркнуть, что в постановке, принятой автором, вопрос о гарантированной оценке точности получаемых результатов не ставится и не решается.
Отметим, что подробное описание программного комплекса, ориентированного на идентификацию VAR моделей, дается в работе J.H. Kim 1.
Остановимся теперь на основных результатах работы [28] по методам робастного оценивания VAR моделей. Актуальность этих результатов определяется тем обстоятельством, что параметры VAR моделей обычно оцениваются с помощью вариантов МНК и оказываются очень чувствительными по отношению к единичным выбросам (значительным случайным ошибкам) наблюдений. В работе предлагается новая процедура оценивания, которая представляет собой многомерное обобщение взвешенного МНК.
Так, типичная K-мерная модель авторегрессии порядка p имеет вид
Y = v + BY _, +BY,+...+BpY_p +U,, (2) в которой ошибки U считаются независимыми и одинаково распределенными с плотностью вероятностей вида f (x) = g(XT^ 1 x)
JU^ ’ (det(£))1/2 , где – положительно определенная мат- рица (матрица рассеяния), g – положительная функция. Если существуют вторые моменты случайной величины U , то пропорциональна ковариационной матрице случайных ошибок.
Такая модель обычно оценивается методом наименьших квадратов, который чрезвычайно чувствителен по отношению к возможным выбросам в наблюдениях, поэтому актуальной является задача разработки робастного оценивания для указанного класса моделей. Предположим, имеются наблюдения y , t = 1- p ,..., T . Вводя обозначения
X t = (1, Y Li ,..., Y^ )', B = ( v , B i ,..., B p )', где (•/- символ транспонирования, можно записать (2) в виде
Yt B Xt Ut , или, вводя матрицы
X = ( X1,..., Xt )', Y = (Y.,y, Yt )', в форме стандартной множественной регрессии
Y =X BUU .
Отсюда сразу получаем оценку параметров
2 B LS =( X'X f X'Y и оценку матрицы :
^LS
=(Yk
МНК оценки матрицы B и находятся под сильным влиянием упомянутых выбросов, что приводит к сильно смещенным оценкам и ошибочным прогнозам. Выбросы могут иметь различный характер. Наиболее известны так называемые инновационные и аддитивные выбросы. В контексте VAR моделей наблюдение Y называется инновационным выбросом, если соответствующая ошибка в уравнении (3) является «загрязненной». Благодаря динамической структуре модели инновационный выброс будет воздействовать и на последующие наблюдения. С другой стороны, наблюдение Y называется аддитивным выбросом, если только само это значение оказывается «загрязненным». Хотя адди- тивный выброс является изолированным, он может все-таки приводить к смещению оценок параметров модели. Один из способов преодоления проблем выбросов связан с применением специальных робастных процедур оценивания, включающих обнаружение и удаление выбросов. Многомерность VAR моделей усугубляет проблему обнаружения выбросов по сравнению с ситуацией одномерных временных рядов, поэтому соответствующие процедуры должны быть ориентированы на применение в многомерной ситуации.
Два метода построения робастных оценок для многомерных временных рядов были предложены в работе [29]: Minimum Volume Ellipsoid ( MVE) и Minimum Covariance Determinant ( MCD ). Второй метод дает теоретически более высокую степень состоятельности, поэтому ограничимся кратким описанием этого метода. Пусть имеется n наблюдений Zn = {( х(, y );
i = 1, . .. , n}. MCD оценка - это LS оценка, вычисленная на подвыборке из h наблюдений, соответствующая минимальному значению определителя ковариационной матрицы остатков. Для этого метода быстрые алгоритмы вычисления оценок разработаны в [30]. В работе [31] представлен эквивалентный вариант, связанный с оценкой усеченного метода наименьших квадратов ( Least Trimmed Squares , LTS). Пусть Hh = { м с {1, . . . , n }| #
# M = h}} — совокупность всех подмножеств с числом элементов h.
В принятых обозначениях оценка многомерного LTS определяется равен- ством
^ . *
B mlts ( Z n ) = Bh ( H ) .
H h = argmin M^H det Ё LS ( M ).
В работе [31] показано, что эта оценка может быть определена эквивалентным образом с помощью равенства
h
B MLTS arg min d 2 ) ( B ,2),
B ,E:detE=1 s =i
где d(,)(B ,S)< d(2)( B ,S)<...< d(„)(B ,S) - упо- рядоченная последовательность расстояний Махаланобиса, dt ( b ,£) = ((Y-b'x S^y-bX ))1/2.
В работе [32] предложен вариант, в рамках которого при суммировании в (3) вводятся весовые коэффициенты, дающие при условии удачного подбора более точный результат. К сожалению, вопрос о целесообразном выборе весовых коэффициентов остается открытым. Некоторые соображения по этому поводу можно найти в работе [33].
В работе [28] предлагается новый метод оценивания VAR моделей, а именно многомерный взвешенный метод наименьших квадратов. Как было показано в [33; 34] для одномерного случая, этот вариант метода дает лучшие результаты, чем метод урезанных наименьших квадратов. Естественно ожидать, что этот эффект сохранится и в многомерном случае. Предлагаемая модификация может оказаться полезной для получения более устойчивых результатов и в других областях, в частности применительно к дискриминантному анализу и кластерному анализу.
Для всех цитированных работ общей является концепция, в рамках которой оценки находятся в результате решения сложной с точки зрения вычислений экстремальной задачи, что существенно затрудняет получение явных гарантирован- ных оценок точности, выраженных в рамках общих ограничений относительно ошибок наблюдений.
Построение гарантированных оценок линейных динамических моде- лей
с дискретным временем
Вернемся к модели (1). Принципиальный момент здесь -гипотеза о постоянстве па- раметров модели. Подчеркнем, что модель (1) в стандартной эконометрической интерпретации является моделью наблюде- ний: каждое yt содержит случайное воз мущение £t, включающее в себя все возможные неучтенные факторы влияния на фазовую переменную. По этой причине модель (1) дает описание реального процесса в стохастическом смысле, а все эконометрические оценки параметров и выво- ды на основе построенной модели носят статистический характер.
Принципиальное отличие рассматриваемой в этом разделе задачи состоит в следующем. Мы рассматриваем линейную детерминированную систему, все компоненты вектора состояний которой доступны наблюдению в конечном числе моментов времени с некоторой погрешностью. Природа этой погрешности неизвестна, и мы не делаем об этом никаких предположений, ограничиваясь только информацией о ее величине: все компоненты погрешности ограничены известными константами. На основе теоремы об обратном операторе мы формулируем и доказываем теорему о гарантированной оценке точности приближенных значений коэффициентов модели. Доказательство носит конструктивный характер и приводит к алгоритму получения упомянутых коэффициентов и соответствующей оценки их точности. Этот результат может найти применение при приближенной идентификации линейных гибридных функционально дифференциальных систем [10-12].
Рассмотрим линейную модель, описывающую динамику текущего состояния xt g Rn изучаемой системы:
Xt = AX, - 1 + A 2 X, - 2 + - + ApXt - p + ft , t = 1,..., T . (4)
Матрицы A, , i = 1,..., p размерности n x n неизвестны и должны быть приближенно вычислены на основе приближенных значений компонент состояния и приближенных значений внешнего возмущения f , полученных в моменты времени t = 1,..., T . При этом предполагается, что для упомянутых погрешностей известна лишь оценка сверху по абсолютной величине:
если zit -измерение t -й компоненты xit вектора xt, то
I z it - x it ^ ^ t , i = 1,.•., n , и аналогично для g.t -измерения i -й компоненты fit вектора ft имеем
1 g it - ftt ^ П i = V- n .
Эти предположения касаются также начального состояния x и предыстории x_ и..., xb . Примем естественное ограничение относительно числа точек наблюдения: T > np . В последовательности состояний системы выделим отрезок, начинающийся в момент t = k и содержащий np элементов. Введем матричные обозначения для всей совокупности используемой в дальнейшем информации:
Хк = ( X k ’ X k +1 , ..., X k + pn -1 ) ’
A = ( A 1 , A 2 ,.. |
., A p ) , |
||
( X xk - 1 |
Xk ... |
Xt Xk + pn - 2 |
|
Xk = |
Xk - 2 ... |
Xk - 1 •.. |
Xk + pn - 3 ... |
1 Xk - p |
Xk - ( p - 1) |
k + pn - ( p - 1) J |
F k = ( f k , f k + ! ,..., f k + pn - 1 ) .
В этих обозначениях имеем систему X( = AXk + Fk с квадратной (np x np) - матрицей . При точных измерениях и обратимости матрицы Xk матрица А может быть вычислена точно: А = (хк - Fk)Д-. При этом результат не зависит от k. По условиям задачи эта возможность не реализуется. Для приближенного вычисления А можно воспользоваться доступной информацией, а именно матрицами
z z k - 1 |
z k ... |
z k + pn - 2 |
|
*k = |
z k - 2 |
z k - 1 ... |
z k + pn - 3 ■ ... |
4 z k - p |
z k - ( p - 1) |
z k + pn - ( p - 1) j |
Z k ( z k , z k + 1 ,..., z k + pn - 1 ) ,
Gk = ( g k , g k + 1 ,•••, g k + pn - 1 ) .
Для построения приближения Ak, соответствующего фиксированному k , можно воспользоваться системой
Z k = ДА + G k . (5)
Для получения оценки погрешности такого приближения введем соответствующие линейные нормированные пространства. Пусть Rn np — линейное пространство
(n x np) -матриц H = {htj }t=1,. ,n, j=1,...,np с нормой || H || Rn x np = max^ n {£ -| h. |} . Норму линейного оператора в этом пространстве (оператора умножения справа на (np x np) -матрицу) обозначим символом
II-II x
R n × np → n × np .
Пусть Ξ – множество таких значений k , для которых матрица обратима.
Рассмотрим случай, когда Ξ – непустое множество. Для k ∈ Ξ имеем 4 = ( zk - G k ) 41.
Отметим, что при каждом k ∈Ξ полученное приближение имеет свою погрешность. Далее сформулируем условия, при которых разность - оценивается по норме пространства Rn×np и можно сделать выбор в пользу наиболее точного результата.
Для формулировки теоремы о гарантированной оценке точности восстановления параметров системы (4) введем следующие обозначения:
Wk = { w k }^n = Z ", k eE ;
pn
^ k = maxf S | w k |} ; % = max £ ;
l = 1,..., n = 1,..., n
J = 1
n = max n ; A k = pn ^^ k ;
E 0 { k e E • A k < 1} ; V k 11 Zk Gk 1 1 R n * np ;
0 k = (1 — A k ) - 1 A k ^ k ( pn ( ^ + n ) + V ) + S k pn ( % + n )■
Теорема . Пусть множество Eo непусто. Тогда существует приближение A * к матрице Л , для которого имеет место оценка погрешности
6* =ЦА - А\\ np < min{ 0 k } . (6)
k eE 0
Матрица А определяется равен ством
Л • = ( Zk 0 - G k . ) C.
k 0 = argmin{ 0 k }.
k eE 0
Доказательство. Воспользуемся известной теоремой об обратном операторе (см. [35, с. 99]). В силу этой теоремы, обратимость одного из двух линейных ограниченных операторов L , L , действующих в банаховом пространстве X, скажем для определенности, Lo, влечет обратимость другого, если A =|| L - L01| • || L0-11|< 1. При этом имеет место оценка k -L-1^ (1 -A)-1A ||L--1||. (7)
Получим в этих условиях оценку для разности решений уравнений x и x 0 уравнений Lx = f и L x = f соответственно:
|| x - x - || < || L f - L - f JR L"1 f -
J - 1 - 1 r r-1 - 1 r r-1
- L 0 J + L0 J - L 0 J 0 || < || L J - L0 J W +
+ || L - 1 f - L - f 0 || < || L -1 - L - 1 || • || f || +
+ || L - 1|| • || f - f ) ll < ll L ’1 - L - 1|| • || f -
-
- f 0 + f -H + 1| L - 1|| • || f - f Ж L -1 - L - 1|| • || f -
- -f)|| + ||L“1 - L^Hf-|| + ||L-1|H| f - f,|h (8)
С учетом оценки (7) получаем окончательно
|| x - x - || < (1 -A ) - 1 A || L - 1||(| | f - f - || +
+ || f 0||) + || L - 1|H| f - f - || . (9)
Подчеркнем одну особенность этой оценки, которая будет использована ниже. Правая часть неравенства (9) выражена в терминах, касающихся только характеристик оператора L - 1 правой части f0 и отклонений || L - L o ||. || f - f 0 || . При использовании оценки знание оператора L и правой части f не требуется.
Покажем, что условия теоремы об обратном операторе выполнены и оценка (8) принимает вид (6) при некотором k ∈Ξ. Заметим сначала, что матричная норма, определенная равенством для ςk , согласована с введенной нормой в пространстве
Rn × np . Это следует непосредственно из неравенств (индекс k для краткости опускаем) pn pn
pn pn pnpn
-
< ma x { 2 E | av 11 w jm } < max{ E | ay | E | w m } < l 1,..., n l 1,..., n
j =1 m=1 j=1
-
< ma x{ E | a ij | max { E | wm |}} <
-
l = 1,..., n J J = 1,..., pn
-
J =1
-
< m ax{ E | a ij |} • max { E | WJm |} .
-
l=1,...,n J =1,...,pn
J=1
В рассматриваемом случае роль оператора L играет оператор умножения справа на матрицу Z , а роль оператора L ‒ оператор умножения справа на матрицу . Оценим разность этих операторов с учетом предположений о погрешности наблюдений:
II Xk - Zk ||Rn X pn^ X pn < Pn max{ £ } < Pn ^ . R ^ R = 1,..., n
После умножения на gk правой части этого неравенства получаем А^. . Таким образом, на множестве Но выполняется основное условие теоремы об обратном операторе. Для получения оценки (6) остается заметить, что для аналога || f - f || имеем
II ( Z k - G k ) - ( Xk - F k )|| R n * pn =
= |( Zk - Xk ) - ( G k - F k )|| r „ * pH <
2.31 0.82
A = ,
-
1 ^ 0.71 - 0.10/
f = 0, x^ 0 = 5, x 2 0 = 10 , для возмущения последовательных десяти состояний были использованы псевдослучайные числа с равномерным на отрезке[–0.01, 0.01] распределением:
для первой компоненты состояния –0.001451606618, –0.003577786134, –0.003127338526, –0.000514877128, 0.00116917438, 0.00493507661, –0.009358755558, 0.00445948244, 0.00208611228, 0.00491160075;
для второй компоненты состояния 0.00902107060, –0.007070273856, –0.006888184730, –0.001412146526, 0.00050857022, –0.004547987820, –0.005604798012, 0.00351965868, 0.00690947019, 0.00352941577.
В этом примере общая оценка сверху для модуля погрешности наблюдений составляет 0.01. В процессе вычислений все матрицы Zk, k = 1,...,10 оказались обратимыми, что позволило найти приближения Ak, k = 1,...,10 . Наилучшую гарантированную оценку погрешности дает матрица
( 2.309915668 0.817672385 Л
^ 0.7096748133 - 0.0994980712J .
При этом гарантированная оценка погрешности £* по введенной норме про странства R2x2 составляет 0.01072151360. В приведенных числовых значениях все цифры верные (система Maple, с помощью которой производились вычисления, позволяет точно производить арифметические операции над рациональными числами). Следует отметить, что результат, полученный с помощью стандартного метода наименьших квадратов на том же наборе исходных данных, представляет собой матрицу
~ ( 2.385031259 0.5424549044
.А =
^ 0.7646269870 - 0.3029516038
При этом оценка ставляет 0.3525765550.
погрешности со-
Таким образом, в рамках предлага- емого подхода появляется возможность повышения точности восстановления па- раметров динамической модели с дискрет- ным временем.
Заключение
Результаты применения эконометрического подхода, представленные в обзоре, не дают решения задачи о гарантированных оцен- ках точности восстановления параметров динамической модели. Мы исходим из других предположений относительно характеристик возмущений наблюдаемых значений. В условиях доказанной теоремы требования к точности наблюдений описываются в терминах верхних оценок абсолютных значений погрешностей. Использование известной теоремы об обратном операторе и конструктивный характер доказательства приводят к алгоритму построения гарантированных оценок точности восстановления параметров модели и, таким образом, открывают возможность повышения надежности вычисляемых по модели прогнозных значений моделируемого процесса.
Перспективы дальнейших исследований в этом направлении связаны с возможным расширением класса рассматриваемых моделей. Одним из таких расши- рений является актуальный класс динамических моделей с дискретным и непрерывным временем (гибридные модели), включающих в систему как разностные уравнения с дискретным временем, так и уравнения с непрерывным временем в форме автономных функционально-дифференциальных уравнений. Последние позволяют учитывать при моделировании реальных процессов эффекты последействия, характерные, в частности, для процессов экономической динамики. Распространение предлагаемого подхода на актуальные гибридные экономико-математические модели приведет к повышению адекватности моделей, лежащих в основе современного инструментария анализа социальноэкономических процессов, что позволит повысить обоснованность выводов и принимаемых решений.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (договор № 02.G25.31.0039) и Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 18-01-0032).
Список литературы К вопросу о точности восстановления параметров линейных динамических моделей с дискретным временем
- Sims C.A. Macroeconomics and reality // Econometrica. 1980. Vol. 48. № 1. Р. 1-48.
- Андрианов Д.Л. и др. Целевое управление процессами социально-экономического развития субъектов Российской Федерации: моделирование, информационное, математическое и инструментальное обеспечение. Пермь: Перм. гос. ун-т, 2008. 239 c.
- Фурасов В.Д. Моделирование плохоформализуемых процессов. М.: Академия, 1997.223 с.
- Абакумова Ю.Г. Применение моделей векторной авторегрессии для исследования процентного канала трансмиссионного механизма монетарной политики Республики Беларусь // Экономика и управление. 2011. № 2 (26). С. 88-94.
- Алберт А. Регрессия, псевдоинверсия и рекуррентное оценивание. Пер. с англ. М.: Наука, 1977. 224 c.
- Аоки М. Введение в методы оптимизации. Пер. с англ. М.: Наука, 1977. 334 c.
- Ахиезер Н.И. Классическая проблема моментов и некоторые вопросы анализа, связанные с нею. М.: Физматгиз, 1961. 314 c.
- Будянов В.П., Егоршин А.О. Сглаживание сигналов и оценивание динамических параметров с помощью ЦВМ // Автометрия. 1973. Т. 1. С. 78-82.
- Максимов В.П. О гарантированной оценке восстановления коэффициентов линейной разностной системы // Известия вузов. Математика. 2015. № 10. С. 72-75.
- Максимов В.П., Чадов А.Л. Гибридные модели в задачах экономической динамики // Вестник Пермского университета. Серия: Экономика. 2011. № 2 (9). С. 13-23.
- Максимов В.П., Чадов А.Л. Об одном классе управлений для функционально-дифференциальной непрерывно-дискретной системы // Известия вузов. Математика. 2012. № 9. С. 71-75.
- Chadov A., Maksimov V. Linear boundary value problems and control problems for a class of Functional Differential Equations and discrete times // Functional Differential Equations. 2012. Vol. 19. № 1- 2. P. 45-58.
- Демиденко В.Г. Восстановление коэффициентов систем линейных разностных уравнений // Вестник НГУ. Серия: Математика, механика, информатика. 2010. Т. 10, вып. 2. C. 45-53.
- Демиденко В.Г. Восстановление параметров однородной линейной модели динамики генной сети // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Математика, механика, информатика. 2008. Т. 8, вып. 3. С. 51-59.
- Егоршин А.О. Вычислительные замкнутые методы идентификации линейных объектов // Оптимальные и самонастраивающиеся системы. Новосибирск: ИАиЭ СО АН СССР, 1971. С. 40-53.
- Егоршин А.О. Метод наименьших квадратов и быстрые алгоритмы идентификации и фильтрации (метод ВИ) // Автометрия. 1988. Т. 1. С. 30-42.
- Егоршин А.О. Об одном способе оценки коэффициентов моделирующих уравнений для последовательностей // Сибирский журнал индустриальной математики. 2000. Т. 3, № 2. С. 78-96.
- Егоршин А.О. Идентификация стационарных моделей в унитарном пространстве // Автоматика и телемеханика. 2004. Т. 65 (12). С. 29-48.
- Егоршин А.О. Об отслеживании параметров экстремума в вариационной задаче идентификации // Вестник НГУ. Серия: Математика, механика, информатика. 2011. Т. 11, вып. 3. С. 95-114.
- Егоршин А.О. О дискретизации линейных дифференциальных уравнений // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. 2012. Вып. 14. С. 59-72.
- Егоршин А.О. Об одной оптимизационной задаче моделирования и идентификации динамического процесса // Методы оптимизации и их приложения: труды XI Байкальской междунар. школы-семинара. Иркутск, 1997. С. 73-77.
- Egorshin A.O. On optimal identification and modeling problem // Identification and System Parameter Estimation: Proceedings IV IFAC Symp. Tbilisi, 1976. Amsterdam; New York; Oxford: North- Holland Publ. Co., 1978. Vol. 3. P. 2143-2154.
- Будянов В.П., Егоршин А.О., Филиппова Н.П. О прямом подходе к задаче идентификации// Автометрия. 1976. Т. 2. С. 10-23.
- Aoki M., Yue P.C. On a priori error estimates of some identification methods // IEEE Trans. Automat. Control. 1970. Vol. AC-15, № 5. P. 541-548.
- Aoki M., Yue P.C. On certain convergence questions in system identification // SIAM Journal Control. 1970. Vol. 8, № 2. P. 239-256.
- Canova F., Ciccarelli M. Estimating multi-country VAR models // ECB Working Paper Series. 2006. № 603. URL: http://ssrn.com/abstract_id=890987 (дата обращения: 12.02.2018).
- Mutl J. Consistent estimation of global VAR models // Economics Series. 2009. № 234. P. 1-34.
- Jonáš P. Robust estimation of the VAR Model // WDS'09 Proceedings of Contributed Papers.2009. Part I. P. 143-147.
- Rousseeuw P.J., Leroy A.M. Robust regression and outlier detection. New York, Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore: John Wiley & Sons, 1987. 346 p.
- Rousseeuw P.J., Van Driessen K. A fast algorithm for the minimum covariance determinant estimator // Technometrics. 1999. Vol. 41. № 3. Р. 212-223.
- Agulló J., Croux C., Van Aelst S. The multivariate least-trimmed squares estimator // Journal of Multivariate Analysis. 2008. Vol. 99. Iss. 3. P. 311-338.
- Višek J.A. Regression with high breakdown point // ROBUST. 2000. P. 324-356.
- Măs´ıček L. Diagnostika a senzitivita robustn´ıch model°u, PhD thesis, 2004. 103 p.
- Jurczyk T. High breakdown point estimation in regression // WDS'08 Proceedings of Contributed Papers. 2008. Part I. P. 94-99.
- Хатсон В., Пим Дж. Приложения функционального анализа и теории операторов. Пер. с англ. М.: Мир, 1983. 431 c.