55
Обработка нескольких временных рядов методом
главных компонент
Методом главных компонент можно обрабатывать и совокупности
взаимосвязанных временных рядов. В этом случае информация представляется в
виде матрицы, в которой объектами являются отсчеты, например, годы, а
признаками служат исследуемые временные ряды. После обработки полученной
матрицы методом главных компонент большая часть информации оказывается
сосредоточенной в первых компонентах. Любую из компонент можно
анализировать как новый временной ряд.
Так как каждая компонента отражает существующую по какой-либо причине
общность временных рядов, постоянную, временную или даже случайную,
и не коррелируют между собой. Первая компонента имеет максимально возможную
из всех линейных комбинаций дисперсию, вторая - максимально возможную из всех
линейных комбинаций, ортогональных первой, и так далее.
Так как каждая из полученных компонент, в свою очередь, является новым
временным рядом, то ее поведение можно исследовать в зависимости от любой
другой компоненты, получая фазовые портреты. В последнем случае каждое
состояние представляется точкой на плоскости, образованной соответствующей
парой компонент, и состояния соединяются последовательно (например,
сплайнами), образуя траекторию процесса в проекции на плоскость данных
компонент.
Кроме того, компоненты имеет смысл использовать в качестве предикторов,
так как за каждой компонентой предположительно стоит порождающая ее
самостоятельная и статистически независимая от других причина (Ефимов и др., 1988).
В исследования по динамике численности животных фазовые портреты с
Т=1 впервые применил Моран (Уильямсон, 1975). Более сложный случай
рассмотрен в работе (Schaffer, 1984). С помощью компьютерной графики
исследовалась траектория (х,, .х,.,, x^J заготовок шкур канадской рыси в трехмерном
пространстве, где / выбиралось таким образом, чтобы выйти за пределы значимой
корреляции между х, и х,.,. Многомерная траектория (х,, х,./, ... , х,л) динамики
заготовок шкурок водяной полевки и ее представление в виде фазового портрета с
помощью метода главных компонент впервые рассмотрены нами в публикациях
(Ефимов, Галактионов, 1982, 1983; Галактионов и др., 1987) и монографиях (Ефимов
и др., 1988) и (Бобрецов и др., 2000).
Очевидно, что сфера применения метода выходит далеко за пределы
динамики численности животных и он может быть применен к временным рядам
любой природы. Однако история его появления достаточно запутана. Первыми
публикациями, относящимися к этому методу, считаются статьи (Colebrook, 1978;
Broomhead, King, 1986а, 1986b). Однако его идеи неоднократно и независимо
появлялись (и появляются до сих пор) в различных областях знаний, связанных с
обработкой временных рядов. Один из обзоров публикаций на эту тему можно
найти в сборнике (Главные компоненты ... , 1997). Имеются две монографии:
элементарное введение в метод (Eisner, Tsonis, 1996) и содержащая его
теоретическое обоснование книга (Golyandina et а!, 2001).