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平稳时间序列快速机器精度谱似然

研究问题
如何快速且高精度地近似平稳时间序列的协方差矩阵及谱域似然,并理解传统 Whittle 类近似何时可能明显失准?
方法与思路
作者将分段光滑谱生成的对称 Toeplitz 矩阵在傅里叶域近似为对角加低秩形式,并用振荡积分渐近展开解释该结构。
材料陈述的贡献
摘要称,算法以 O(n log n) 时间实现机器精度近似;所示特定实例中,秩二修正将对数似然精度从三位提高至十四位。
阅读关注点
应核对谱的光滑性要求、低秩大小与容差关系、复杂度成立条件,以及机器精度保证和特定数值例子的适用范围。
阅读边界
这是 arXiv 预印本,同行评审或期刊接收未获核实;摘要未给出完整误差条件,特定实例的精度提升不能推广至全部模型。

原文摘要

We provide in this work an algorithm for approximating a very broad class of symmetric Toeplitz matrices to machine precision in $\mathcal{O}(n \log n)$ time with applications to fitting time series models. In particular, for a symmetric Toeplitz matrix $\mathbfΣ$ with values $\mathbfΣ_{j,k} = h_{|j-k|} = \int_{-1/2}^{1/2} e^{2 πi |j-k| ω} S(ω) \mathrm{d} ω$ where $S(ω)$ is piecewise smooth, we give an approximation $\mathbf{\mathcal{F}} \mathbfΣ \mathbf{\mathcal{F}}^H \approx \mathbf{D} + \mathbf{U} \mathbf{V}^H$, where $\mathbf{\mathcal{F}}$ is the DFT matrix, $\mathbf{D}$ is diagonal, and the matrices $\mathbf{U}$ and $\mathbf{V}$ are in $\mathbb{C}^{n \times r}$ with $r \ll n$. Studying these matrices in the context of time series, we offer a theoretical explanation of this structure and connect it to existing spectral-domain approximation frameworks. We then give a complete discussion of the numerical method for assembling the approximation and demonstrate its efficiency for improving Whittle-type likelihood approximations, including dramatic examples where a correction of rank $r = 2$ to the standard Whittle approximation increases the accuracy of the log-likelihood approximation from $3$ to $14$ digits for a matrix $\mathbfΣ \in \mathbb{R}^{10^5 \times 10^5}$. The method and analysis of this work applies well beyond time series analysis, providing an algorithm for extremely accurate solutions to linear systems with a wide variety of symmetric Toeplitz matrices whose entries are generated by a piecewise smooth $S(ω)$. The analysis employed here largely depends on asymptotic expansions of oscillatory integrals, and also provides a new perspective on when existing spectral-domain approximation methods for Gaussian log-likelihoods can be particularly problematic.

笔记与分组