(الف-۱۷)
تقریب مرتبه اول تیلور برای معادله بالا به صورت زیر بدست می آید:
(الف-۱۸)
توجه شود که مدل اکنون بر حسب خطی است چرا که ، ، ، ، و همگی ثابت هستند. با توجه به این که شکل لگاریتمی معادله فوق در وضعیت پایدار برقرار است، میتوان عبارت تقریب زده شده را سادهتر نوشت:
(الف-۱۹)
فرض تلویحی که در نظر میگیریم این است که به اندازه کافی نزدیک وضعیت پایدار باقی میمانیم که بتوان از بسط تیلور مرتبه ۲ و بالاتر صرفنظر کرد.
پیوست ب
مدلهای حالت فضا و فیلتر کالمن
ب-۱- مدلهای حالت فضا و فیلتر کالمن[۳۵۱]
مدلهای حالت- فضا مدلهایی هستند که در آنها یک بخش قابل مشاهده و بخش دیگر غیرقابل مشاهده است. مدلهای حالت- فضا برای تمامی مدلها قابل بحث است. مدلهای DSGE در حالت کلی یک مدل حالت- فضا یا فیلتر کالمن هستند. به دلیل اینکه اولاً عبارتهای انتظاری میتوانند غیرقابل مشاهده باشند و ثانیاً برخی از متغیرهای توضیحی نیز میتوانند غیرقابل مشاهده باشند مثل موجودی سرمایه[۳۵۲].
فیلتر کالمن دو مرحله دارد:
-
- پیش بینی؛
-
- بهنگامسازی.
هدف در اینجا تخمین یک فیلتر کالمن به دو روش بیزین و حداکثر راستنمایی است.
برخی نویسندگان، معرفی فیلتر کالمن [۳۵۳](KF) توسط ریچارد کالمن[۳۵۴] را در سال ۱۹۶۰، یکی از بزرگترین یافتهها در تاریخ تئوریهای برآورد آماری در قرن بیستم میدانند. از آن زمان تاکنون فیلتر کالمن در زمینههای بسیاری، از جمله در کنترل و پیشبینی سیستمهای دینامیکی کاربرد داشته است. همچنین از فیلتر کالمن برای محاسبهی دقیق و پیشبینی نمونههایی با حجم محدود مدلهای تک متغیره و چند متغیره، مدلهای انتقال مارکف[۳۵۵] و مدلهای با ضرایب متغیر[۳۵۶] و … استفاده میشود.
به طور خلاصه فیلتر کالمن یک الگوریتم برگشتی[۳۵۷] پردازش داده است، که حالت[۳۵۸] یک سیستم دینامیک خطی آشوبناک[۳۵۹] را برآورد میکند. وقتی در مورد حالت یک سیستم صحبت میکنیم، منظور یک بردار n عضوی از متغیرها است که بعضی از خواص مورد نظر یک سیستم را توصیف میکند.
سیستمهای پویا را معمولاً میتوان به صورت حالت- فضا نمایش داد. دو مزیت مهم در ارائه یک سیستم پویا بدین شکل وجود دارد. اول اینکه مدل حالت- فضا این امکان را میدهد که متغیرهای غیرقابل مشاهده که به متغیرهای حالت معروف هستند را در مدل وارد کرد و آن مدل را برآورد نمود. مزیت دوم اینکه مدلهای حالت- فضا با یک الگوریتم برگشتی به نام فیلتر کالمن برآورد میشوند. مدلهای حالت فضا را میتوان در قالب مدلهایی پارامتر متغیر در طول زمان نیز ارائه نمود. حالت- فضا در ادبیات اقتصادسنجی در مدلسازی متغیرهای غیرقابل مشاهده مثل انتظارات عقلائی، خطاهای اندازهگیری، درآمد دائمی، مؤلفههای غیرقابل مشاهده دورهای و روند نرخ بیکاری طبیعی و … نیز بکار میرود.
برای معرفی مدلهای حالت- فضا سیستم معادلات زیر را در نظر بگیرید:
(ب-۱)
(ب-۲)
که در آن یک بردار ( ) از متغیرهای مشاهده شده در زمان و بردار ( ) از متغیرهای غیرقابل مشاهده که به بردار حالت معروف است، میباشند. ، و ماتریس پارامترها به ترتیب با ابعاد ( )، و هستند و بردار متغیرهای برو نزا یا از قبل تعیین شده میباشد. معادله اول به معادله حالت یا انتقال و معادله دوم به معادله مشاهدات یا اندازهگیری معروف است. بردار ( ) و بردار ( )، بردار نوفه سفید هستند، به طوری که:
(ب-۳)
(ب-۴)
که در آن و به ترتیب ماتریسهایی به ابعاد ( ) و ( ) هستند. توزیعهای و در تمام وقفههای زمانی غیر همبسته است یعنی:
(ب-۵)
همچنین فرض میشود که با مقادیر تحقق یافته و نا همبسته است، یعنی:
(ب-۶)
(ب-۷)
با توجه به معادله حالت (ب-۱) میتوان را به صورت ترکیب خطی از ( ) نوشت:
(ب-۸)
بنابراین از معادله (ب-۶) و (ب-۳) نتیجه میشود که با تأخیرهای زمانی با همبسته است؛ یعنی:
(ب-۹)
به طور مشابه داریم:
(ب-۱۰)
(ب-۱۱)
(ب-۱۲)
ب-۲- فروض فیلتر کالمن
ب-۲-۱- سیستم دینامیک خطی[۳۶۰]
فیلتر کالمن فرض میکند که حالت سیستم و اندازهگیریها با یک سیستم پویای خطی توضیح داده میشوند و چنانچه مسئله غیرخطی بود با تکنیکهای خطی سازی، آن را خطی میکنیم. معادله حالت توضیح میدهد که حالت درست سیستم طی زمان چگونه نمو پیدا میکند. در فیلتر کالمن فرض می شود حالت سیستم طبق یک معادله خطی مثل معادله (ب-۱) نمو پیدا میکند که در آن، حالت یک سیستم، ، در زمان بستگی به حالت آن در یک دوره قبل، و جمله اختلال دارد. در معادله اندازهگیری[۳۶۱] ، مشاهدات در زمان به صورت خطی به حالت سیستم بستگی دارد.
در معادله (ب-۱) حالت در زمان به دیگر حالتها و اندازهگیریها، با فرض اینکه داده شده، بستگی ندارد. همچنین در معادله (ب-۳) اندازه با فرض اینکه داده شده است، بستگی به دیگر حالتها و اندازهگیریها ندارد.
ب-۲-۲- مشخصات آشوب[۳۶۲]
فیلتر کالمن فرض میکند که جزء اخلال در معادله حالت و معادله مشاهدات سیستم همگی متغیرهای مستقل، با میانگین صفر، نوفه سفید و دارای توزیع احتمالی نرمال هستند. علاوه بر این فرض میشود که حالت اولیه سیستم در زمان مستقل و دارای توزیع نرمال است.
چند مثال از ارائه یک سیستم پویا به صورت حالت- فضا
مثال اول- یک فرایند تک متغیره ذیل را در نظر بگیرید:
این فرایند را میتوان به صورت مدل حالت- فضای زیر نوشت:
معادله حالت ( ):
معادله مشاهدات ( ):
در این فرایند داریم:
، ،
، ، ، ، ، و