Investice do rozvoje vzdělávání

Podobné dokumenty
Lineární a adaptivní zpracování dat. 9. Modely časových řad II.

Lineární a adaptivní zpracování dat. 8. Modely časových řad I.

Analýza a zpracování signálů. 4. Diskrétní systémy,výpočet impulsní odezvy, konvoluce, korelace

Lineární a adaptivní zpracování dat. 11. Adaptivní filtrace a predikce II.

Číslicové filtry. Použití : Analogové x číslicové filtry : Analogové. Číslicové: Separace signálů Restaurace signálů

Lineární a adaptivní zpracovní dat. 4. Lineární filtrace II: FIR, IIR

1 Základy Z-transformace. pro aplikace v oblasti

Lineární a adaptivní zpracovní dat. 5. Lineární filtrace: FIR, IIR

Odhady parametrů polohy a rozptýlení pro často se vyskytující rozdělení dat v laboratoři se vyčíslují podle následujících vztahů:

Analýza a zpracování signálů. 3. Číselné řady, jejich vlastnosti a základní operace, náhodné signály

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY (ČASOVÉ ŘADY)

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

Sekvenční logické obvody(lso)

P2: Statistické zpracování dat

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

odhady parametrů. Jednostranné a oboustranné odhady. Intervalový odhad střední hodnoty, rozptylu, relativní četnosti.

Pravděpodobnost a aplikovaná statistika

3. Lineární diferenciální rovnice úvod do teorie

8. Analýza rozptylu.

Aplikace teorie neuronových sítí

STATISTIKA. Statistika se těší pochybnému vyznamenání tím, že je nejvíce nepochopeným vědním oborem. H. Levinson

Náhodný výběr 1. Náhodný výběr

Lineární a adaptivní zpracování dat. 1. ÚVOD: SIGNÁLY a SYSTÉMY

Fourierova transformace ve zpracování obrazů

12. N á h o d n ý v ý b ě r

základním prvkem teorie křivek v počítačové grafice křivky polynomiální n

3 - Póly, nuly a odezvy

Příklady k přednášce 12 - Frekvenční metody

procesy II Zuzana 1 Katedra pravděpodobnosti a matematické statistiky Univerzita Karlova v Praze

1. Základy měření neelektrických veličin

Při sledování a studiu vlastností náhodných výsledků poznáme charakter. podmínek různé výsledky. Ty odpovídají hodnotám jednotlivých realizací

Lineární a adaptivní zpracování dat. 3. SYSTÉMY a jejich popis ve frekvenční oblasti

Statistika pro metrologii

Matematika 1. Katedra matematiky, Fakulta stavební ČVUT v Praze. středa 10-11:40 posluchárna D / 13. Posloupnosti

14. B o d o v é o d h a d y p a r a m e t r ů

Intervalové odhady parametrů některých rozdělení.

veličiny má stejný řád jako je řád poslední číslice nejistoty. Nejistotu píšeme obvykle jenom jednou

EKONOMETRIE 9. přednáška Zobecněný lineární regresní model

Iterační metody řešení soustav lineárních rovnic

Příklady k přednášce 9 - Zpětná vazba

Analýza a zpracování signálů. 3. Číselné řady, jejich vlastnosti a základní operace, náhodné signály

1. ZÁKLADY VEKTOROVÉ ALGEBRY 1.1. VEKTOROVÝ PROSTOR A JEHO BÁZE

IAJCE Přednáška č. 12

Obsah. 1 Mocninné řady Definice a vlastnosti mocninných řad Rozvoj funkce do mocninné řady Aplikace mocninných řad...

Deskriptivní statistika 1

4. B o d o v é o d h a d y p a r a m e t r ů

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně

Lineární a adaptivní zpracování dat. 1. ÚVOD: SIGNÁLY, ČASOVÉ ŘADY a SYSTÉMY

Fourierova transformace ve zpracování obrazů

ZÁKLADNÍ STATISTICKÉ VÝPOČTY (S VYUŽITÍM EXCELU)

Lineární a adaptivní zpracování dat. 1. ÚVOD: SIGNÁLY, ČASOVÉ ŘADY a SYSTÉMY

jako konstanta nula. Obsahem centrálních limitních vět je tvrzení, že distribuční funkce i=1 X i konvergují za určitých

Petr Šedivý Šedivá matematika

Budeme pokračovat v nahrazování funkce f(x) v okolí bodu a polynomy, tj. hledat vhodné konstanty c n tak, aby bylo pro malá x a. = f (a), f(x) f(a)

Měřící technika - MT úvod

1 POPISNÁ STATISTIKA V PROGRAMU MS EXCEL

13 Popisná statistika

Přijímací řízení akademický rok 2013/2014 Bc. studium Kompletní znění testových otázek matematika

Přijímací řízení akademický rok 2012/2013 Kompletní znění testových otázek matematické myšlení

Pravděpodobnostní modely

Závislost slovních znaků

Základní požadavky a pravidla měření

2. Náhodná veličina. je konečná nebo spočetná množina;

11. přednáška 16. prosince Úvod do komplexní analýzy.

K čemu slouží regrese?

Pravděpodobnost a aplikovaná statistika

MATEMATIKA PŘÍKLADY K PŘÍJÍMACÍM ZKOUŠKÁM BAKALÁŘSKÉ STUDIUM MGR. RADMILA STOKLASOVÁ, PH.D.

DIFERENCIÁLNÍ POČET FUNKCE JEDNÉ PROMĚNNÉ. 1) Pojem funkce, graf funkce

Parametr populace (populační charakteristika) je číselná charakteristika sledované vlastnosti

6. Posloupnosti a jejich limity, řady

I. Exponenciální funkce Definice: Pro komplexní hodnoty z definujeme exponenciální funkci předpisem. z k k!. ( ) e z = k=0

1.1. Definice Reálným vektorovým prostorem nazýváme množinu V, pro jejíž prvky jsou definovány operace sčítání + :V V V a násobení skalárem : R V V

Matematika I. Název studijního programu. RNDr. Jaroslav Krieg České Budějovice

8. Odhady parametrů rozdělení pravděpodobnosti

n=1 ( Re an ) 2 + ( Im a n ) 2 = 0 Im a n = Im a a n definujeme předpisem: n=1 N a n = a 1 + a a N. n=1

Tržní ceny odrážejí a zahrnují veškeré informace předpokládá se efektivní trh, pro cenu c t tedy platí c t = c t + ε t.

1 Uzavřená Gaussova rovina a její topologie

Odhady parametrů základního souboru. Ing. Michal Dorda, Ph.D.

Matematika I, část II

Seznámíte se s pojmem Riemannova integrálu funkce jedné proměnné a geometrickým významem tohoto integrálu.

NEPARAMETRICKÉ METODY

Matematika 1. Ivana Pultarová Katedra matematiky, Fakulta stavební ČVUT v Praze. středa 10-11:40 posluchárna D Posloupnosti

1.3. POLYNOMY. V této kapitole se dozvíte:

je konvergentní, právě když existuje číslo a R tak, že pro všechna přirozená <. Číslu a říkáme limita posloupnosti ( ) n n 1 n n n

4. Návrh číslicových filtrů s nekonečnou impulzní odezvou

Metody zkoumání závislosti numerických proměnných

Komplexní čísla. Definice komplexních čísel

Základy statistiky. Zpracování pokusných dat Praktické příklady. Kristina Somerlíková

KONEČNĚ ROZDĚLENÁ ZPOŽDĚNÍ. POLYNOMICKY ROZDĚLENÉ ZPOŽDĚNÍ.

Elementární zpracování statistického souboru

PRAVDĚPODOBNOST A STATISTIKA

Diskrétní Fourierova transformace

1. Číselné obory, dělitelnost, výrazy

VYSOCE PŘESNÉ METODY OBRÁBĚNÍ

Abstrakt. Co jsou to komplexní čísla? K čemu se používají? Dá se s nimi dělat

6. FUNKCE A POSLOUPNOSTI

6 Intervalové odhady. spočteme aritmetický průměr, pak tyto průměry se budou chovat jako by pocházely z normálního. nekonečna.

Odhady parametrů 1. Odhady parametrů

z možností, jak tuto veličinu charakterizovat, je určit součet

I. TAYLORŮV POLYNOM ( 1

Transkript:

Lieárí systémy a modely časových řad Daiel Schwarz Ivestice do rozvoje vzděláváí

Cíl, motivace Popis a idetifikace systémů Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Cíl, motivace Popis a idetifikace systémů BLACK BOX Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Cíl, motivace Popis a idetifikace systémů z -1 z -1 z -1 z -1 c 1 c 2 c q-1 c q + Aalýza, Simulace, Predikce, Moitorig, Diagostika, Řízeí Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Co ás čeká Systémy obecě a jejich důležité vlastosti. Pricip superpozice, kovoluce, impulsí charakteristika systémů Fourierovy řady, DTFT, frekvečí charakteristika systémů Ztrasformace trasformace, přeosová fukce, ulové body a póly FIR, IIR AR, MA, ARMA a překryvy v termiologii Modely časových řad Boxova-Jekisova metodologie pro tvorbu předpovědí Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ffgf 1. Lieárí systémy 6 Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Systémy: defiice Systém je možiou prvků, které jsou spolu ve vzájemých vztazích a které tvoří určitý celek. vstupí sigál Systém výstupí sigál Za systém považujeme jakoukoli sadu procesů, které ovlivňují povahu sigálu. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Příklad systému Hraový detektor druhá diferece Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Vlastosti systémů vstupí sigál Systém výstupí sigál kauzálí - ekauzálí časově ivariatí - časově proměé liearí - elieárí Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Vlastosti systémů: kauzalita Systém je kauzálí, pokud jeho výstup závisí pouze a miulých a současých vstupích hodotách. Všechy fyzikálí systémy v reálém čase jsou kauzálí, protože čas běží pouze dopředu. Kauzalita se etýká systémů s prostorově závislými proměými. Kauzalita se etýká systémů zpracovávající ahraé sigály. Poz.: derivace sigálu v čase t je přirozeě ekauzálím výpočtem. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Vlastosti systémů: kauzalita kauzálí x ekauzálí kauzálí ekauzálí ekauzálí kauzálí Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Vlastosti systémů: časová ivariatost Neformálě: Systém je časově ivariatí (time ivariat - TI), pokud jeho chováí ezávisí a tom, kolik je zrova hodi. Matematicky: Systém x[] -> y[]ječasově ivariatí, když pro jakýkoli vstupí sigál x[] a jakékoli časové posuutí 0 platí: Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Vlastosti systémů: časová ivariatost časově ivariatí x časově proměé systémy : časově ivariatí časově proměý Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Vlastosti systémů: liearita Lieárí systém je takový systém, v ěmž lze uplatit pricip superpozice. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

LTI systémy Lieárí časově ivariatí systémy (LTI): dispoují elegatími matematickými vztahy mezi jejich vstupy a výstupy. lze určit výstupí odezvu systému a jakýkoli vstup lze také určit vstup systému při pozorováí jeho výstupu Selský rozum: Zám-li odezvu LTI systému a velmi krátký vstupí sigál, mohu pomocí těchto velmi krátkých sigálů seskládat libovolý vstupí sigál a odezvu LTI systému a ěj pak seskládat ze zámé odezvy a velmi krátký sigál. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

LTI systémy lieárí systém Hledáme bázové sigály tak, aby: bylo možé reprezetovat libovolé sigály jako lieárí kombiaci těchto bázových sigálů odezva LTI systémů a tyto bázové sigály byla jedoduchá a zároveň ň aby umožňovala dostatečě č ě hluboký vhled Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Reprezetace DT sigálů jedotkovými impulsy Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Reprezetace DT sigálů jedotkovými impulsy Poz.: Filtračí vlastost Diracovy distribuce (jedotkového impulsu): Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Odezva systému a jedotkový impuls x[] LTI systém y[] Lieárí systém: je odezvou systému a: Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Odezva systému a jedotkový impuls x[] LTI systém y[] Lieárí a časově ivariatí systém s odezvou h[] a jedotkový impuls: Lieárí systémy a modely časových řad kovolučí suma Istitute of Biostatistics ad Aalyses

LTI systémy: kovoluce x[] LTI systém y[] IMPULSNÍ CHARAKTERISTIKA SYSTÉMU Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Periodické sigály a LTI systémy Fourierova reprezetace diskrétích sigálů x[] periodický sigál se základí periodou N. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Periodické sigály a LTI systémy zesíleí amplituda fáze LTI systém evytváří ové frekvečí složky, ale pouze zesiluje ebo potlačuje frekvečí kompoety existující ve vstupím sigálu. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Periodické sigály a LTI systémy Frekvečí charakteristika: G(ω) = je periodická fukce vyjádřea Fourierovou řadou s koeficiety h. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Frekvečí charakteristika PŘÍKLAD: vyhlazovací systém Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Z trasformace z je komplexí proměá. ejčastěji uvažujeme jedostraou trasformaci: sumace od =0. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Z trasformace - vlastosti Liearita: Posu: Útlum: Kovoluce: Subst: m=-i Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Z trasformace přeosová fukce pro platí, že H(z) = H(jω) Přeosová (systémová) fukce vyjadřuje a jedotkové kružici z =1 frekvečí charakteristiku diskrétí soustavy. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Z trasformace přeosová fukce Přeosová (systémová) fukce vyjadřuje a jedotkové kružici z =1 kmitočtovou charakteristiku diskrétí soustavy. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Z trasformace přeosová fukce H(z) vyjádřeá pomocí racioálě lomeé fukce: b i.z -i a i.z -i, A=b 0 /a 0. z i p i jsou NULY racioálě lomeé fukce jsou PÓLY racioálě lomeé fukce Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Z trasformace přeosová fukce A. vzdáleosti mezi bodem ωt a jedotkové kružici a NULAMI přeosové fukce. r vzdáleosti mezi bodem ωt a kružici i a PÓLY přeosové fukce. A zesíleí systému Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Z trasformace přeosová fukce vzdáleosti mezi bodem ωt a jedotkové kružici a NULAMI přeosové fukce. r vzdáleosti mezi bodem ωt a kružici a PÓLY přeosové fukce.. A Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Z trasformace přeosová fukce Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Popis diskrétí soustavy s Z-trasformací Mějme LTI systém s přeosovou fukcí ve tvaru racioálě lomeé fukce: b i.z -i a i.z -i i kde A = a 0 /b 0, z i jsou uly a p i jsou póly racioálě lomeé fukce. M a b i.z -i i.z -i y = b. x a. y L i i i= 0 i= 1 i i zpětá Z-trasformace, věta o liearitě a posuu, a 0 =1. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Popis diskrétí soustavy s Z-trasformací y M L = b i. x i i= 0 i= 1 a i. y i Iterpretace rovice: diskrétí soustava / systém uchovává v paměti starší vzorky vstupího i výstupího sigálu. Klouzavý průměr MA Autoregresí čle AR Ovlivňuje rychlost odezvy, charakter jejího zaikáí, stabilitu soustavy. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Popis diskrétí soustavy s Z-trasformací y M L = b i. x i i= 0 i= 1 a i. y i Realizace soustavy / filtru / programu přímou formou: Zpožděí o jede vzorek b 0 b 1 b 2 b M-1 b M -a L -a L-11 -a 1 Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Systémy s koečou impulsí charakteristikou FIR fiite impulse respose M L b. x i i i= 0 i= 1 y = a. y i i pouze čle MA (movig average) erekurziví realizace (většiou, ale emusí vždy) Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Systémy s koečou impulsí charakteristikou FIR PŘÍKLAD: hraový detektor h [] = { δ [ 1 ] 2δ [] + δ [ + 1] } -1 0 1 FIR PŘÍKLAD: vyhlazovací systém Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Systémy s koečou impulsí charakteristikou Systémy s koečou impulsí charakteristikou FIR fiite impulse respose b i.z -k M 1 = + = + + + + = 0 1 1 2 2 1 1 0........ k k k M M x b x b x b x b x b y Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Systémy s ekoečou impulsí charakteristikou IIR ifiite impulse respose Autoregresí čle AR y M L = b. x i i i= 0 i= 1 a i. y i Klouzavý průměr MA vždy rekurziví realizace Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Systémy s ekoečou impulsí charakteristikou IIR PŘÍKLAD: vyhlazovací systém z -1 H(z) = az/(z-a). Pro a>1 je filtr estabilí. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Systémy s ekoečou impulsí charakteristikou IIR : - vyžadují alespoň jedu zpětovazebí smyčku, jsou vždy rekurziví -přeosová fukce = podíl polyomů Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Termiologie: IIR, FIR, MA, AR y M L = b. x i i i= 0 i= 1 a i. y i FIR filtry: a i =0, pro všecha i. Ozačováy také jako movig average ebo all-zero filtry. IIR filtry: a i <>0, pro alespoň ň jedo i. Zahrují: autoregresiví (AR) filtry movig-average, autoregresiví (ARMA) filtry AR filtry: b i =0, kromě b 0. Výstup závisí pouze a aktuálí hodotě a vstupu a a koečém počtu starších vzorků výstupího sigálu. Ozačováy Oačováy také jako: all-pole, purely recursive, autoregressive Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Termiologie: IIR, FIR, MA, AR y M L = b. x i i i= 0 i= 1 a i. y i FIR filtry: a i =0, pro všecha i. Ozačováy také jako movig average ebo all-zero filtry. IIR filtry: a i <>0, pro alespoň ň jedo i. Zahrují: autoregresiví (AR) filtry movig-average, autoregresiví (ARMA) filtry ARMA filtry: a i, b i eulové Ozačováy také jako: pole-zero, ero, autoregressive, movig-average Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Termiologie: IIR, FIR, MA, AR y M L = b. x i i i= 0 i= 1 a i. y i DOPORUČENÍ: pro filtry a lieárí systémy používat ozačeí FIR, IIR ozačeí AR, MA, ARMA používat pro popis či modely stochastických procesů, které geerují data áhodé povahy Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ffgf 2. Modely časových řad 46 Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Časové řady Defiice časové řady: uspořádaá posloupost hodot závislé proměé měřeé v ekvidistatích časových itervalech. 355 350 koce trace CO 2 345 340 335 330 325 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 čas Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Sigály vs. časové řady 1-D DISKRÉTNÍ SIGNÁLY ČASOVÉ ŘADY Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Časové řady Defiice časové řady: uspořádaá posloupost hodot závislé proměé měřeé v ekvidistatích časových itervalech. Využití modelů časových řad je dvojí: 1. porozuměí procesu, který vyprodukoval pozorovaá data 2. předpovídáí budoucích hodot, případě i jejich ovlivňováí -> řízeí Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Stacioarita Stacioarita je obvyklým předpokladem většiy techik aalýzy časových řad. Defiice stacioárího procesu: jedá se o áhodý proces jehož rozděleí pravděpodobosti p se v čase eměí. V důsledku toho se eměí ai parametry jeho pravděpodobostí fukce (apř. středí hodota, rozptyl). Autokorelačí fukce stacioárího procesu závisí pouze a rozdílu svých argumetů. Předpokladem stacioarity rozumějme ty časové řady či sigály, které jsou bez tredu, mají s měícím se časem stejý rozptyl a stejou podobu autokorelačí fukce. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Stacioarita V případě estacioárích časových řad lze provést: 1. diferecováí dx i = x i -x i-1 2. odstraěí tredu odečteím proložeého polyomu 3. stabilizace rozptylu logaritmizací čtverce řady. 355 350 kocetrace CO 2 345 340 335 330 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 325 čas Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Stacioarita V případě estacioárích časových řad lze provést: 1. diferecováí dx i = x i -x i-1 2. odstraěí tredu odečteím proložeého polyomu 3. stabilizace rozptylu logaritmizací čtverce řady. 2.5 2 1.5 dife erece kocetra ace CO 2 1 0.5 0-0.5-1 -1.5-2 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988-2.5 čas Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Stacioarita V případě estacioárích časových řad lze provést: 1. diferecováí dx i = x i -x i-1 2. odstraěí tredu odečteím proložeého polyomu 3. stabilizace rozptylu logaritmizací čtverce řady. 355 350 y = 1.5*x - 2.5e+003 data 1 liear 4 3 2 kocetrace CO 2 345 340 335 res sidua kocetrace CO 2 1 0-1 -2 330-3 -4 325 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 čas 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988-5 čas Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Sezóost Sezóí složka popisuje periodické změy v sigálu či časové řadě. Je-li sezóí složka v datech přítoma, musí být zahruta do modelu. Detekce periodické složky pomocí: sezóí vizualizace v případě, že periodu složky záme autokorelačí fukce sigálu spektra sigálu 355 350 trace CO 2 koce 345 340 335 330 325 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 čas Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Sezóost Sezóí složka popisuje periodické změy v sigálu či časové řadě. Je-li sezóí složka v datech přítoma, musí být zahruta do modelu. Detekce periodické složky pomocí: sezóí vizualizace v případě, že periodu složky záme autokorelačí fukce sigálu spektra sigálu 355 1 350 0.8 trace CO 2 kocet 345 340 335 acf 0.6 0.4 330 0.2 325 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 čas Lieárí systémy a modely časových řad 0-200 -100 0 100 200 zpožděí Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Sezóost Sezóí složka popisuje periodické změy v sigálu či časové řadě. Je-li sezóí složka v datech přítoma, musí být zahruta do modelu. Detekce periodické složky pomocí: sezóí vizualizace v případě, že periodu složky záme autokorelačí fukce sigálu spektra sigálu 4 800 cetrace CO 2 residua ko 2 0-2 -4 acf 600 400 200 0-200 -400-6 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 čas Lieárí systémy a modely časových řad -600-200 -100 0 100 200 zpožděí Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Sezóost Sezóí složka popisuje periodické změy v sigálu či časové řadě. Je-li sezóí složka v datech přítoma, musí být zahruta do modelu. Detekce periodické složky pomocí: sezóí vizualizace v případě, že periodu složky záme autokorelačí fukce sigálu spektra sigálu 4 1 cetrace CO 2 2 0 acf 0.5 0 residua ko -2-4 -0.5-6 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 čas Lieárí systémy a modely časových řad -1-40 -20 0 20 40 zpožděí Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Sezóost Sezóí složka popisuje periodické změy v sigálu či časové řadě. Je-li sezóí složka v datech přítoma, musí být zahruta do modelu. Detekce periodické složky pomocí: sezóí vizualizace v případě, že periodu složky záme autokorelačí fukce sigálu spektra sigálu perioda 12 měsíců perioda 6 měsíců Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Modely časových řad Jakoukoli stacioárí časovou řadu či sigál s áhodou složkou geeruje stochastický proces, kterému lze přiřadit jede z těchto modelů: čistě rekursiví model erekursiví model s klouzavým průměrem kombiovaý model bílý šum AR autoregressive MA movig average ARMA ν Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Bílý šum Náhodý proces ozačujeme za bílý šum, pokud jeho středí hodota a autokorelačí fukce splňují tyto podmíky: Diracova distribuce = Ε ν t = 0 μ ν R νν { ()}, N0 = Ε ν t1 ν t2 = δ t 2 ( t t ) { ( ) ( )} ( ). 1, 2 1 t2 t) w(t 0.6 0.4 0.2 0-0.2-0.4-0.6 0 20 40 60 80 100 t Lieárí systémy a modely časových řad Rww(t1 1,t2) 1000 800 600 400 200 0-200 -100-50 0 50 100 t1-t2 Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Autoregresí (AR) model x = a x + a x +... + a x 1 1 2 2 p p + ν x časová řada / sigál ν bílý šum p řád AR modelu a i parametry modelu x kocetrace CO 2 355 350 345 340 335 ν + z -1 z -1 z -1 Odhad parametrů a 1 a 2 a p 330 x 325 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 čas Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

(MA) model s klouzavým průměrem x = ν + cν ν... c ν 1 + c + + 1 2 2 q q x časová řada / sigál ν bílý šum q řád MA modelu μ středí hodota áhodého procesu kocetrace CO 2 c i parametry modelu 355 ν z -1 z -1 z -1 z -1 350 345 340 335 330 x 325 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 čas Odhad parametrů c 1 c 2 c q-1 c q + x Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA model ARMA(p, q) kombiuje AR(p) a MA(q) modely. x = a x 1 1 cν 1 + a 2 x cν 2 1 2 2 +... + a p... c ν q x p q + ν Boxova-Jekisoova metodologie zahruje: idetifikaci modelu, Určeí řádů odhad modelu, p, q validaci modelu. Výpočet parametrů a i, c i Kotrola rozložeí residuí Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA model: idetifikace 1. Je časová řada / sigál stacioárí? 2. Vykazuje časová řada / sigál sezóost? ANO NE zjištěí periody T, zahrutí čleu AR(T) ebo MA(T) do modelu, případě sezóí diferece ARIMA (autoregressive itegrated movig average model) Idetifikace, odhad, validace ARMA modelu a diferecovaých datech a ásledá úprava modelu. Př. model AR(2): y = -0.406y -1-0.146y -2-0.00521 = x -x -1 x -x -1 =-0406(x -1 -x -2 )-0.164(x -2 -x -3 )-0.00521 x =0.594x -1 +0.242x -2 +0.164x -3-0.00521 00521 Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA model: idetifikace Určeí řádů p a q a) a základě zkušeosti a experimetováí b) spektrum: každé výrazé maximum v rozsahu <0,f vz /2> vyžaduje jede pár pólů, což zvyšuje řád o 2. c) kritéria a základě autokorelačí fukce (ACF) a parciálí autokorelačí fukce (PACF) Srováváí teoretických průběhů ACF, PACF procesů zámých řádů s ACF, PACF aměřeých řad / sigálů Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA model: idetifikace Příklad: AR(1) proces x x + ax 1 ax = ν = ν ax 1 = = ν = ν a aν ν + x z -1 -a 1 ( ν 1 ax 2 ) = 2 + ( a) ν 1 +... + ( a) ( ν ax ) 1 2 1 0 1.5 a=-0.9 2 a=+0.9 1 0.5 1 x() 0 x() 0-0.5-1 -1-1.5 0 50 100 150-2 0 50 100 150 Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA model: idetifikace Příklad: AR(1) proces x x + ax 1 = ν ax = ν ax 1 = a <1: E = ν = ν { x } a aν ( ν 1 ax 2 ) = 2 + ( a) ν 1 +... + ( a) ( ν ax ) 1 2 1 ( a) = 1 = μ ν 1+ a, 1 μ ν 1+ a μ { } { 2} 2 ν D x = E x μ =, R xx 0 2 σ 1 a ( ) { } k k E x x = ( a). = k 2 Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA model: idetifikace Příklad: AR(1) proces x + ax = ν ( ) = { } ( ) k 1 R k E x x = a. ax xx = k 1 0.8 a=+0.9 a=-0.9 0.6 0.4 0.2 Rxx(k k) 0-0.2-0.4-0.6-0.8-1 0 5 10 15 20 25 30 k Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA model: idetifikace Tvar ACF Expoeciála klesající k ule. Změy kladých a záporých hodot, postupý pokles k ule. Jede ebo ěkolik vrcholů, zbytek zaedbatelý, ulový. Průběh klesající až po ěkolika zpožděích Vše zaedbatelé, ulové Vysoké hodoty ve stejých itervalech Neklesá k ule Model AR(p) model. Pro určeí p se vychází z PACF. MA model. Řád odpovídá hodotě zpožděí, od které je ACF ulová. ARMA Data jsou áhodá. Zahrout AR čle s řádem odpovídajícím í periodě. Nejedá se o stacioárí řadu / sigál. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA model: idetifikace 355 350 y = 1.5*x - 2.5e+003 data 1 liear 4 3 2 1 0.5 kocetrace CO 2 345 340 335 residua kocetrace CO 2 1 0-1 -2 acf 0 330-3 -4-0.5 325 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 čas -5 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988-1 čas -40-20 0 20 40 zpožděí Perioda 12 vzorků Zbývá idetifikovat ještě esezóí kompoety sigálu / řady. Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA model: idetifikace Zbývá idetifikovat ještě esezóí kompoety sigálu / řady. Sezóí diferecováí: e 1000 sezóí diferece ad detredovaou řadou 800 600 400 200 ) d12(rx()) 0-200 -400-600 -800 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988-1000 čas Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA model: idetifikace Zbývá idetifikovat ještě esezóí kompoety sigálu / řady. Sezóí diferecováí: e 1 Výběrová ACF sezóě diferecovaé řady 0.8 0.6 0.4 0.2 Rxx 0-0.2-0.4-0.6-0.8 0 50 100 150-1 k Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA model: idetifikace Zbývá idetifikovat ještě esezóí kompoety sigálu / řady. Sezóí diferecováí: e Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA model ARMA model ARMA(p, q) kombiuje AR(p) a MA(q) modely. q q p p c c c x a x a a x x + + + + = ν ν ν ν...... 2 2 1 1 2 2 1 1 Odhad parametrů modelu q q 2 2 1 1 p -iteračí algoritmy: - elieárí metoda ejmeších čtverců - odhad a základě maximálí věrohodosti (MLE) odhad a základě maximálí věrohodosti (MLE) Vhodější tvar rovice (pro SW ástroje): c c c x a x a a x x + + + + = + + + + ν ν ν ν q q p p c c c x a x a a x x + + + + = + + + + ν ν ν ν...... 2 2 1 1 2 2 1 1 Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA model ARMA(p, q) kombiuje AR(p) a MA(q) modely. x = a x 1 1 cν 1 + a 2 x cν 2 1 2 2 +... + a p... c ν q x p q + ν Odhad parametrů modelu -iteračí algoritmy: - elieárí metoda ejmeších čtverců - odhad a základě maximálí věrohodosti (MLE) Výsledý AR(2) model (pro detredovaá a sezóě diferecovaá data) x + 1.745 x + 0. 8745 x 1 2 = ν Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA modely Validace modelu x + 1.745 x 1 + 0. 8745 x 2 = ν -Zpěté ověřeí předpokladů kladeých a áhodé chyby, tj. aalýza residuí 1000 800 600 400 sezóí diferece ad detredovaou řadou RESIDUA = CHYBY PREDIKCE )) d12(rx( 200 0-200 -400-600 - Residua by měla představovat bílý šum. -800-1000 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 čas Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA modely Validace modelu AR(2) x + 1.745 x 1 + 0. 8745 x 2 1 = ν Validace modelu AR(4) x + 2.943 x 1 + 3.765 x 2 + 2.494 x 3 + 0. 728 x 4 = ν Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA modely Validace modelu AR(2) x + 1.745 x 1 + 0. 8745 x 2 1 = ν Validace modelu ARMA(4,4) x + 2.345 x 1 + 2.581 x 2 + 1.645 x 3 + 0.5163 x 4 = = ν 3.789 ν 1 + 5.397 ν 2 3.425 ν 3 + 0. 8168 ν 4 Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA modely Posouzeí kvality předpovídáí - aplikace modelu a řadu zkráceou o m pozorováí, -předpověď hodot x -m+1, x -m+2,,x - porováí x + 1.745 x 1 + 0. 8745 x 2 y1. (1-step pred) = ν 800 600 dat; measured arx2; fit: 82.14% 400 200 0 y1model: AR(2) -200 Horizot predikce: 1-400 Shoda: 82.1 % -600-800 -1000 20 40 60 80 100 120 140 Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA modely Posouzeí kvality předpovídáí - aplikace modelu a řadu zkráceou o m pozorováí, -předpověď hodot x -m+1, x -m+2,,x - porováí x + 1.745 x 1 + 0. 8745 x 2 y1. (5-step pred) = ν 800 600 dat; measured arx2; fit: -0.8268% y1 400 200 0-200 -400-600 -800 Model: AR(2) Horizot predikce: 5 Shoda: < 1 % 20 40 60 80 100 120 140 Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA modely Posouzeí kvality předpovídáí - aplikace modelu a řadu zkráceou o m pozorováí, -předpověď hodot x -m+1, x -m+2,,x - porováí x + 2.943 x 1 + 3.765 x 2 + 2.494 x 3 + 0. 728 x 4 = ν y1. (1-step pred) 800 600 dat; measured arx4; fit: 91.95% 400 200 0 y1model: AR(4) -200 Horizot predikce: 1-400 Shoda: 92.0 % -600-800 20 40 60 80 100 120 140 Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA modely Posouzeí kvality předpovídáí - aplikace modelu a řadu zkráceou o m pozorováí, -předpověď hodot x -m+1, x -m+2,,x - porováí x + 2.943 x 1 + 3.765 x 2 + 2.494 x 3 + 0. 728 x 4 = ν y1. (5-step pred) 800 600 dat; measured arx4; fit: 3.26% y1 400 200 0-200 -400-600 -800 Model: AR(4) Horizot predikce: 5 Shoda: 3.3 % 20 40 60 80 100 120 140 Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA modely Posouzeí kvality předpovídáí - aplikace modelu a řadu zkráceou o m pozorováí, -předpověď hodot x -m+1, x -m+2,,x - porováí x = ν + 2.345 3.789 x 1 ν + 1 2.581 + 5.397 x 2 ν 2 y1. (1-step pred) + 1.645 x 3.425 3 ν + 3 0.5163 + 0.8168 x 4 ν = 4 800 dat; measured amx44; fit: 98.55% 600 400 200 y1model: 0 ARMA(4,4) -200 Horizot predikce: 1-400 Shoda: 98.6 % -600-800 20 40 60 80 100 120 140 Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ARMA modely Posouzeí kvality předpovídáí - aplikace modelu a řadu zkráceou o m pozorováí, -předpověď hodot x -m+1, x -m+2,,x - porováí x = ν + 2.345 3.789 x 1 ν + 1 2.581 + 5.397 x 2 ν + 1.645 2 y1. (5-step pred) x 3.425 3 ν + 3 0.5163 + 0.8168 x 4 ν = 4 800 600 dat; measured amx44; fit: 23.86% y1 400 200 0-200 -400-600 -800 Model: ARMA(4,4) Horizot predikce: 5 Shoda: 23.9 % 20 40 60 80 100 120 140 Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

LTI systém a jeho popis y = x 1.745 y 1 0. 8745 y 2 x + y z -1 z -1-1.7-0.9 40 Magitude (db) 20 0-20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Normalized Frequecy ( π rad/sample) 200 Phase (degrees) 100 0-100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-200 Normalized Frequecy ( π rad/sample) Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

Shrutí Popis a idetifikace systémů a procesů z -1 z -1 z -1 z -1 c 1 c 2 c q-1 c q + Aalýza, Simulace, Predikce, Moitorig, Diagostika, Řízeí Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses

ffgf INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ 5. letí škola Matematické biologie je podporováa projektem ESF č. CZ.1.07/2.2.00/07.0318 VÍCEOBOROVÁ INOVACE STUDIA MATEMATICKÉ BIOLOGIE Otázky? 87 Lieárí systémy a modely časových řad Istitute of Biostatistics ad Aalyses