Введение

Феномен в лингвистике и анализе данных. Долговременная зависимость (LRD), также называемая долгой памятью или долгой устойчивостью, – это явление, которое может возникать при анализе пространственных или временных рядов данных. Оно связано со скоростью убывания статистической зависимости между двумя точками при увеличении временного интервала или пространственного расстояния между ними. Явление обычно считается обладающим долговременной зависимостью, если зависимость убывает медленнее, чем экспоненциально, как правило, по степенному закону. LRD часто связана с самоподобными процессами или полями. LRD применяется в различных областях, таких как моделирование интернет-трафика, эконометрика, гидрология, лингвистика и науки о Земле. Для различных контекстов и целей используются различные математические определения LRD.

Краткосрочная зависимость против долгосрочной зависимости

Одним из способов характеристики стационарных процессов с зависимостью на короткие и длинные дистанции является использование функций автоковариантности. Для процесса с зависимостью на короткий диапазон связь между значениями в разные моменты времени быстро ослабевает с увеличением разницы во времени. Либо автоковариантность обнуляется после определенного лага, либо в конечном итоге демонстрирует экспоненциальный спад. В случае LRD (зависимости на длинные дистанции) наблюдается гораздо более сильная связь. Спа́д функции автоковариантности подчиняется степенному закону и, следовательно, происходит медленнее, чем экспоненциальный. Другой способ характеристики зависимости на короткие и длинные дистанции – рассмотрение дисперсии частичных сумм последовательных значений. Для зависимости на короткий диапазон дисперсия обычно растет пропорционально числу слагаемых. Что касается LRD, дисперсия частичной суммы возрастает быстрее, часто по степенному закону с показателем, превышающим 1. Для изучения этого поведения используется нормированный размах. Этот аспект зависимости на длинные дистанции важен при проектировании плотин на реках для управления водными ресурсами, где суммирование соответствует общему притоку воды в плотину за длительный период. Оба вышеупомянутых способа математически связаны между собой, но не являются единственными способами определения LRD. В случае, когда автоковариантность процесса не существует (например, при тяжелых хвостах распределения), необходимо искать другие способы определения LRD, что часто делается с помощью самоподобных процессов. Параметр Херста H является мерой степени зависимости на длинные дистанции во временном ряду (хотя он имеет иное значение в контексте самоподобных процессов). H принимает значения от 0 до 1. Значение 0,5 указывает на отсутствие зависимости на длинные дистанции. Чем ближе H к 1, тем выше степень устойчивости или зависимости на длинные дистанции. H меньше 0,5 соответствует антиперсистентности, которая, будучи противоположностью LRD, указывает на сильную отрицательную корреляцию, приводящую к резким колебаниям процесса.

Связь с самоподобными процессами

Для стационарной последовательности LRD частичная сумма, рассматриваемая как процесс, индексируемый количеством членов после соответствующего масштабирования, является самоподобным процессом с асимптотически стационарными приращениями, наиболее типичным примером которого является дробное броуновское движение. И наоборот, для самоподобного процесса со стационарными приращениями и индексом Херста H > 0.5 его приращения (последовательные разности процесса) представляют собой стационарную последовательность LRD. Это также справедливо, если последовательность имеет короткую дальность зависимости, но в этом случае самоподобный процесс, получаемый из частичной суммы, может быть только броуновским движением (H = 0.5).

Модели

Среди стохастических моделей, используемых для анализа долгосрочных зависимостей, популярными являются авторегрессионные фракционно-интегрированные модели скользящего среднего, которые определены для дискретных временных процессов, в то время как в непрерывных моделях времени можно исходить из фракционного броуновского движения.