Autocorrelation Function and Cross-correlation Function: Revealing the Correlations in Different Time Series

发布时间: 2024-09-15 18:04:39 阅读量: 16 订阅数: 46
# Autocorrelation Function and Cross-correlation Function: Unveiling the Association Between Different Time Series ## 1. Concepts and Theoretical Foundations of Autocorrelation and Cross-correlation Functions ### 1.1 Autocorrelation Function The Autocorrelation Function (ACF) measures the correlation between observations at specific time intervals within a time series. It is defined as: ``` ACF(k) = Cov(X_t, X_{t+k}) / Var(X_t) ``` where: - `X_t` is the observation of the time series at time `t` - `k` is the time interval - `Cov()` is the covariance - `Var()` is the variance The range of values for the ACF is [-1, 1]. Positive values indicate positive correlation, negative values indicate negative correlation, and 0 indicates no correlation. ## 2. Calculation Methods for Autocorrelation and Cross-correlation Functions ### 2.1 Calculation of Autocorrelation Function **Definition:** The Autocorrelation Function (ACF) measures the correlation between an observation and itself at different time lags within a time series. It is defined as: ``` ρ(k) = Cov(X_t, X_{t+k}) / Var(X_t) ``` where: - ρ(k) is the autocorrelation coefficient at lag k - X_t is the observation of the time series at time t - Cov(X_t, X_{t+k}) is the covariance between X_t and X_{t+k} - Var(X_t) is the variance of X_t **Calculation Method:** The autocorrelation function can be calculated using the following steps: 1. Calculate the mean of the time series: μ = (1/N) ΣX_t 2. Calculate the variance of the time series: σ^2 = (1/N) Σ(X_t - μ)^2 3. Calculate the covariance at different lags k: Cov(X_t, X_{t+k}) = (1/N) Σ(X_t - μ)(X_{t+k} - μ) 4. Calculate the autocorrelation coefficient: ρ(k) = Cov(X_t, X_{t+k}) / σ^2 **Code Block:** ```python import numpy as np def autocorr(x, k): """Calculate the autocorrelation function. Parameters: x: Time series k: Lag Returns: The autocorrelation coefficient at lag k """ mean = np.mean(x) var = np.var(x) cov = np.cov(x, np.roll(x, k))[0, 1] return cov / var ``` **Logical Analysis:** This code block implements the calculation of the autocorrelation function. It first calculates the mean and variance of the time series. Then, it uses the `np.cov()` function to calculate the covariance of the time series with itself at lag k. Finally, it divides the covariance by the variance to obtain the autocorrelation coefficient. ### 2.2 Calculation of Cross-correlation Function **Definition:** The Cross-correlation Function (CCF) measures the correlation between observations in two time series at different time lags. It is defined as: ``` ρ_{XY}(k) = Cov(X_t, Y_{t+k}) / (σ_X σ_Y) ``` where: - ρ_{XY}(k) is the cross-correlation coefficient at lag k - X_t is the observation of time series X at time t - Y_{t+k} is the observation of time series Y at time t+k - Cov(X_t, Y_{t+k}) is the covariance between X_t and Y_{t+k} - σ_X is the standard deviation of time series X - σ_Y is the standard deviation of time series Y **Calculation Method:** The cross-correlation function can be calculated using the following steps: 1. Calculate the means of the two time series: μ_X = (1/N) ΣX_t, μ_Y = (1/N) ΣY_t 2. Calculate the standard deviations of the two time series: σ_X = (1/N) Σ(X_t - μ_X)^2, σ_Y = (1/N) Σ(Y_t - μ_Y)^2 3. Calculate the covariance at different lags k: Cov(X_t, Y_{t+k}) = (1/N) Σ(X_t - μ_X)(Y_{t+k} - μ_Y) 4. Calculate the cross-correlation coefficient: ρ_{XY}(k) = Cov(X_t, Y_{t+k}) / (σ_X σ_Y) **Code Block:** ```python import numpy as np def crosscorr(x, y, k): """Calculate the cross-correlation function. Parameters: x: Time series X y: Time series Y k: Lag Returns: The cross-correlation coefficient at lag k """ mean_x = np.mean(x) mean_y = np.mean(y) std_x = np.std(x) std_y = np.std(y) cov = np.cov(x, np.roll(y, k))[0, 1] return cov / (std_x * std_y) ``` **Logical Analysis:** This code block implements the calculation of the cross-correlation function. I
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