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2.1 广义非线性模型

现在经济提出的大量广义模型具有理论意义,但不具备实用性。本节通过模型的进一步讨论,提出使用价值更高的模型框架。

假定系统输入为y t ,独立可观测输入向量为 u t 。例如,y t 是政府支出,u t 是相应的分配序列,对应q阶滞后冲击的广义模型就可以表示为:

y t =f( u t u t-1 ,…, u t-q )+ε t (2-1)

函数f具有良好性质时,在0处进行泰勒展开得到:

y t =μ+线性分量+二次分量

+三次分量+…+m次分量

+e t (2-2)

上式的三次项包括所有的u i,t u j,s u k,p 的三元项,i、j、k的取值分别从1到v,t、s、p的取值分别从0到q,每项前都有参数。显然,该定义的参数过多而不便使用。如果限制q阶滞后在1~2阶,v也限制在1~2,再限制项数m,就可得到合适模型。明显特征是如果冲击序列为单一频率(single frequency),即u t =asinθ t +bcosθ t ,那么输出序列包括频率θ与所有的谐频项(harmonics)。如果u t 包含两个频率θ 0 、θ 1 ,y t 就包含频率θ 0 、θ 1 、θ 0 1 、k 0 θ 0 +k 1 θ 1 ,其中k 0 、k 1 是整数。因而,频率分析在非线性模型中要难于线性模型。

对应不可观测的 u t 与独立同分布ε t ,且e t =0,得到此类模型的特例,相应的展开式为

038-1

上式为模型的正规表示。研究y t 的性质需要确定系数b ij 的性质及其势(power)。Wiener(1958)称展开式(2-3)为Volterra序列,Rugh(1981)及其他学者也研究Volterra序列,Priestley(1981)称(2-2)为双Volterra序列。(2-3)是以Wold形式表示的一般非线性形式,即任意二阶平稳序列x t 总能表示为:

038-2

对于独立同分布过程ε t 和序列b j ,上式也成立。

因此, 038-3 和x t 具有相同的均值、方差、自协方差,但两者的更高阶矩的性质可能不一样。

除非省略许多项,不然Volterra序列的展开式太复杂,不易使用。为此,考虑Volterra序列变成非线性平均过程(NLMA)的例子。Robinson(1977)研究了

y t t +αε t-1 +βε t ε t-1

的参数估计及其渐进性质。非线性移动平均模型的实际用处不大,部分原因是不可逆性与难以直接预测,但可用非线性移动平均模型分析特殊序列。例如,Rocke(1982)考虑了下式生成的y t

y t t +b 1 ψ(ε t-1 )+b 2 ψ(ε t-2 )+…

其中,对于任意x>0,存在ϕ(x)≤x,ϕ(-x)=-ϕ(x),ϕ′(0)=1,称其为有限反应模型(limited-response model)。对于微小冲击,该模型与线性ARMA模型相似;对于较大冲击,该模型不如线性外推(linear extrapolation)的反应强烈。相对于正常冲击,如果模型受大冲击影响之后阶数少,就认为该模型更适合用于经济分析。例如,相比投入价格的正常增长,一般更容易接受意外价格的大幅增长。

输入-输出系统和Volterra序列的明显缺陷是没有充分利用有效信息,即没有直接利用滞后因变量。没有上述缺陷的输入-输出模型是“状态仿射模型”(state affine model),可参见Sontag(1977)、Guegan(1987)等。令U t ,r≡(U t ,U t-1 ,…,U t-r )是输入序列及滞后项,考虑模型:

039-2

如果P k ()和Q是U() t,r 的多项式,该系统就可写成状态空间模型:

Z t+1 =F(U t Z t +H(U t

y t =G(U t Z t +I(U t

此时, Z t 是描述t时刻的系统状态特征的状态向量,F、H、G和I都是多项式。在本例中,U t ≡ε t 是独立同分布输入序列,Guegan指出,尽管在实际中不容易使用该模型,但模型的最终表示形式包括双线性模型,且可以满足平稳性与可逆性条件。

Priestly(1980)提出相关的“状态因变量模型”(state-dependent models)的广义模型,Priestly(1988)深入研究了该模型。具体而言,从因果关系开始分析:

y t =h(I t-1 )+ e t

其中,I t :y t-j ,e t-j ,0≤j≤m是信息集,利用一次泰勒展开,得到模型:

040-1

此时,状态变量的向量 Z t 是信息集I t 的函数,从向量ARMA模型生成y t 。展开状态变量时,其系数随时间变化。只有说明状态变量生成过程,才能完成建模工作。为了简化定义,考虑y t 为标量的单变量模型,Priestley建议参数通过下式展开:

040-2

其中,

w t =(ε t -q,ε t-q+1 ,…,y t-p ,…,y t

从而 w 包含p+q个元素。同样地,

040-3

040-4

定义

040-5

该式为所有方程元素α、β、γ组成的向量,最后需要确定的模型为:

B t+1 = B t + V t+1 (2-4)

V t 是独立矩阵随机变量过程。从而得到状态因变量模型,可用卡尔曼算法估计模型。

相关的模型是Tjøstheim(1986)介绍的“双随机过程”(doubly stochastic models)。例如,考虑自回归模型:

y t =∑θ jt y t-j t (2-5)

其中,对于任意j,θ jt 都是随机过程,且一般与ε t 独立。θ jt 的不同生成机制导致不同形式的模型。一般模型是简单移动平均过程或自回归过程的平稳模型,而特殊模型可以是θ jt =m j +e jt 的随机参数模型,此处的m是常数,e jt 是独立同分布序列,可参见Nichols和Quinn(1982)。此类模型为不完全动态模型,但能有效解决异方差问题。还有一个特例是 041-1 时,概率为p;而 041-2 时,概率为1-p。{ θ t }是具有两种状态的向量马尔科夫链,也可以超过两种状态。Tyssedal和Tjostheim(1988)称具有上述性质的(2-5)为突变自回归模型(suddenly changing autoregressive(SCAR))。Karlsen和Tjostheim(1990)讨论了突变自回归模型的性质,尤其是参数的估计值。

本质上,以上讨论的状态仿射模型、状态因变量模型、双随机模型三种广义模型都是线性AR模型或者ARMA模型,只是导入不同形式的时变参数而形成非线性模型。存在平稳性、可逆性的理论结论,但没有多大的实际用处。非线性自回归(包括门限自回归模型)、双线性模型的简单模型都是广义模型的特例或扩展形式。下面特别讨论简单模型的多变量形式,第7章将进一步讨论一般的广义模型。 rO9gF3kEO1v9jZho4I01gE9wyvIFgRKvLDOPuSkMI1bDlzWfqDiJ90sRp8FYB9+h

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