spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 z π 0 sy (ω)dω, ciže...
TRANSCRIPT
![Page 1: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/1.jpg)
Spektrálna analýzaBeáta Stehlíková
Časové rady, FMFI UK, 2013/2014
Spektrálna analýza – p.1/29
![Page 2: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/2.jpg)
Motivácia
• Príklad o pocte cestujúcich aerolinkami:
• Podobne napr. mesacné dáta nezamestnanosti,kvartálne dáta HDP, ...
• Nie vždy tam však musí byt’ takto jasná perióda
Spektrálna analýza – p.2/29
![Page 3: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/3.jpg)
Motivácia
• Slnecné škvrny:
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2042428/Best-auroras-seen-Britain-
thanks-huge-solar-flares.htmlSpektrálna analýza – p.3/29
![Page 4: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/4.jpg)
Motivácia
• Slnecné škvrny:
http://solarscience.msfc.nasa.gov/SunspotCycle.shtml
Spektrálna analýza – p.4/29
![Page 5: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/5.jpg)
Motivácia
• Slnecné škvrny - graf z dlhšieho obdobia:
Dáta zo stránkyhttp://solarscience.msfc.nasa.gov/SunspotCycle.shtml
• Otázka:Ako urcit’ periódu?
Spektrálna analýza – p.5/29
![Page 6: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/6.jpg)
Spektrum
• Postupnost’{γj}∞j=−∞→ vytvárajúca funkcia
g(z) =
∞∑
j=−∞
γjzj
• Stacionárny procesY s autokovarianciami{γj}∞j=−∞
→ spektrum
sY (ω) =1
2πg(e−iω) =
1
2π
∞∑
j=−∞
γje−iωj,
kdei je imaginárna jednotka.
Spektrálna analýza – p.6/29
![Page 7: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/7.jpg)
Vlastnosti spektra
• SpektrumsY (ω):⋄ dá sa napísat’ v tvare:
sY (ω) =1
2π
[
γ0 + 2
∞∑
j=1
γj cos(ωj)
]
⋄ nadobúda reálne hodnoty⋄ je párna funkcia⋄ je periodická funkcia s periódou2π
→ stací nám poznat’ hodnoty spektra medzi0 aπ
• Dá sa dokázat’, žesY (ω) ≥ 0 [Fuller, 1976]
Spektrálna analýza – p.7/29
![Page 8: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/8.jpg)
Spektrum a disperzia
• Výpocet autokovariancií zo spektra:
γk =
∫ π
−π
sY (ω)eiωkdω
• Prek = 0 dostaneme:γ0 =∫ π
−πsY (ω)dω, a ked’že
spektrum je párna funkcia:
γ0 = 2
∫ π
0
sY (ω)dω,
ciže disperziaγ0 je dvojnásobkom plochy podspektrom na intervale[0, π]
• Z priebehu spektra teda vidíme,ktoré frekvencienajviac prispievajú k disperzii procesu- tie, kde máspektrum vysokú funkcnú hodnotu
Spektrálna analýza – p.8/29
![Page 9: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/9.jpg)
Odhad spektra - výberový periodogram
• Máme dátay1, . . . yT → chceme z nich odhadnút’spektrumcasového radu
• Prvá myšlienka:nahradíme autokovariancie v definíciispektra výberovými autokovarianciami, taktodostaneme- výberový periodogram:
sy(ω) =1
2π
T−1∑
j=−T+1
γje−iωj =
1
2π
[
γ0 + 2
T−1∑
j=1
γj cos(ωj)
]
• Nevýhody:⋄ odhady majú vel’kú disperziu⋄ presnost’ sa nezlepšuje so zvyšujúcim sa poctom
dát (lebo odhadujeme stále viac autokovariancií)→ potrebujeme iný odhad spektra
Spektrálna analýza – p.9/29
![Page 10: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/10.jpg)
Odhad spektra - výberový periodogram
• Nevýhody - podrobnejšie:⋄ [Fuller, 1976]: pre vel’ký rozsah výberu má podiel2sy(ω)sY (ω)
približneχ2(2) rozdelenie a tieto podiely súpre rôzneω približne nezávislé
⋄ E[χ2(2)] = 2, a teda
E[sy(ω)] ∼ sY (ω)
- to je OK⋄ Ale 95 percentný interval spol’ahlivosti preχ2(2) je(0.05, 7.4) a teda IS pre spektrum je
(0.025sy(ω), 3.7sy(ω))
- príliš širokýSpektrálna analýza – p.10/29
![Page 11: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/11.jpg)
Odhad spektra - vylepšenie
• Idea: ak sú blízke hodnoty frekvencií, majú podobnéhodnoty spektra→ za odhad spektra pre danúfrekvenciu zoberieme váženýpriemer hodnôtvýberového periodogramusy z okolitých frekvencií:
sY (ωj) =
h∑
m=−h
κ(ωj+m, ωj)sy(ωj+m)(1)
kde⋄ ωj = 2πj/T
⋄ konštantah udáva pocet okolitých frekvencií, ktoréberieme do úvahy pri výpocte odhadu (nazýva sabandwidth)
⋄ funkciaκ urcujeváhy, s ktorými tieto frekvencievstupujú do odhadu (v súcte dávajú 1)
Spektrálna analýza – p.11/29
![Page 12: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/12.jpg)
Príklad 1: simulované dáta a postup v R
• Pripomemne si AR(2) proces s periodickýmcharakterom:
xt = 1.4xt−1 − 0.85xt−2 + ut
• Vieme:⋄ korelácie splnajú diferencnú rovnicu
ρ(t)− 1.4ρ(t− 1) + 0.85ρ(t− 2) = 0,
ktorá má všeobecné riešenieρ(t) = 0.922t(c1 cos(0.709t) + c2 sin(0.709t))
⋄ sínus a kosínus vo všeobecnom riešení:cos(kt), sin(kt)→ perióda2π
k= 8.862 ≈ 9
Spektrálna analýza – p.12/29
![Page 13: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/13.jpg)
Príklad 1: simulované dáta a postup v R
• Vygenerovaný priebeh:
Spektrálna analýza – p.13/29
![Page 14: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/14.jpg)
Príklad 1: simulované dáta a postup v R
• Vygenerovaný priebeh - kratšícasový interval (lepšievidíme periódu):
Spektrálna analýza – p.14/29
![Page 15: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/15.jpg)
Príklad 1: simulované dáta a postup v R
• Odhad spektra v R-ku:
⋄ výberový periodogram:spectrum(x, log="no")
⋄ zhladený výberový periodogram:spectrum(x, kernel("daniell"), log="no")
spectrum(x, kernel("modified.daniell"), log="no")⋄ iné škálovanie x-ovej osi: od0 do1/2 (namiesto do
π/2); takto:perióda = 1/frekvencia)
Spektrálna analýza – p.15/29
![Page 16: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/16.jpg)
Príklad 1: simulované dáta a postup v R
• Výberový periodogram:spectrum(x, log="no")
Spektrálna analýza – p.16/29
![Page 17: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/17.jpg)
Príklad 1: simulované dáta a postup v R
• Zhladený periodogram:spectrum(x, kernel("daniell"), log="no")
Spektrálna analýza – p.17/29
![Page 18: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/18.jpg)
Príklad 1: simulované dáta a postup v R
• Zhladený periodogram:spectrum(x, kernel("modified.daniell"), log="no")
Spektrálna analýza – p.18/29
![Page 19: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/19.jpg)
Príklad 1: simulované dáta a postup v R
• Pripomenme si:
• Nájdeme maximum a zodpovedajúcu periódu:
Spektrálna analýza – p.19/29
![Page 20: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/20.jpg)
Príklad 2: slnecné škvrny
• Priebeh dát:sun=read.table("sun.txt")plot(ts(sun),frequency=12,start=c(1749,1))
Spektrálna analýza – p.20/29
![Page 21: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/21.jpg)
Príklad 2: slnecné škvrny
• Odhad spektra:spectrum(sun, kernel("modified.daniell"), log="no")
Spektrálna analýza – p.21/29
![Page 22: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/22.jpg)
Príklad 2: slnecné škvrny
• Odhad spektra - výrez:plot(sp$freq[1:100], sp$spec[1:100], type="l")
Spektrálna analýza – p.22/29
![Page 23: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/23.jpg)
Príklad 2: slnecné škvrny
• Nájdeme maximum odhadnutého spektra a periódu:
• Text zo stránky:
http://solarscience.msfc.nasa.gov/SunspotCycle.shtml
Spektrálna analýza – p.23/29
![Page 24: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/24.jpg)
Príklad 3: odhad spektra AR procesmi
• Dáta modelujeme AR procesom
• Spektrum odhadneme ako spektrum získaného ARprocesu
• V R-ku pre slnecné škvrny:sp2=spectrum(ts(sun),method="ar", log="no")
Spektrálna analýza – p.24/29
![Page 25: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/25.jpg)
Príklad 3: odhad spektra AR procesmi
• Výrez:
Spektrálna analýza – p.25/29
![Page 26: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/26.jpg)
Príklad 3: odhad spektra AR procesmi
• Nájdenie maxima:
• CVI CENIE:⋄ Nájdite explicitné vyjadrenie pre spektrum AR
procesu. Nakreslite konkrétny príkad pre proces skomplexnými korenmi.
⋄ Nakreslite spektrum bieleho šumu.
Spektrálna analýza – p.26/29
![Page 27: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/27.jpg)
Poznámky k R-ku
• Pri prvom postupe (zhladený výberový periodogram):⋄ Z dát sa odstráni lineárny trend.⋄ Ak majú dátacasovú štruktúru, zachová pri
výpocte frekvencie a periódy.
• PRÍKLAD : cestujúci aerolinkami⋄ v R-ku:
data(AirPassengers)x=AirPassengers
⋄ takto nacítané dáta už majúcasovú štrktúru:jednotkacasu = rok, frekvencia dát = 12
Spektrálna analýza – p.27/29
![Page 28: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/28.jpg)
Poznámky k R-ku
Spektrálna analýza – p.28/29
![Page 29: Spektrálna analýza · 2013-11-18 · spektrum je párna funkcia: γ0=2 Z π 0 sY (ω)dω, ciže disperziaˇ γ0je dvojnásobkom plochy pod spektrom na intervale [0,π] • Z priebehu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041805/5e54192ae0f4a378cb63622c/html5/thumbnails/29.jpg)
Poznámky k R-ku
Pre porovnanie, bez špeciálnejcasovej štruktúry:
Spektrálna analýza – p.29/29