非線性狀態空間模型與非線性自迴歸模型的聯繫

非線性狀態空間模型

rt=(1α)rt1+αf(Art1+Winut)vt=Woutrt \begin{array}{ll} r_{t} &= (1-\alpha) r_{t-1} + \alpha f(Ar_{t-1} + W_{in}u_{t}) \\ v_{t} &= W_{out} r_{t} \end{array}
其中 rRNr\in R^N 表示狀態, uRdu \in R^d 表示輸入, ARN×N,WinRN×d,f()=tanh()A\in R^{N\times N}, W_{in} \in R^{N\times d} , f (\cdot)= tanh(\cdot) 組成了非線性的狀態轉移方程。

非線性自迴歸模型

vt=g(ut,ut1,,utq+1) v_t = g(u_t, u_{t-1}, \ldots, u_{t-q+1})

兩者的聯繫

在這裏插入圖片描述
若具有如下特殊結構:
A=[OOINpO]N×N A = \left[ \begin{array}{ll} O & O \\ I_{N-p} & O \end{array} \right] _{N\times N}
Win=[WO]N×d,WRp×d W_{in} = \left[ \begin{array}{ll} W \\ O \end{array} \right]_{N\times d} ,\quad W \in R^{p \times d}
假設 α=1,N/p=q\alpha = 1, N/p = q
rt=f([OOINpO]rt1+[WO]ut)=f([Wutrt1,1:Np])=[f(Wut)ff(Wut1))ffq(Wutq+1)] \begin{array}{ll} r_{t} &= f\left(\left[ \begin{array}{ll} O & O \\ I_{N-p} & O \end{array} \right]r_{t-1} + \left[ \begin{array}{ll} W \\ O \end{array} \right]u_{t}\right) \\\\ &=f\left( \left[ \begin{array}{ll} Wu_{t} \\ r_{t-1,1:N-p} \end{array} \right]\right) \\\\ &= \left[ \begin{array}{c} f(Wu_{t}) \\ f\circ f(Wu_{t-1})) \\ \vdots \\ \underbrace{f\circ \cdots\circ f}_{q}(Wu_{t-q+1}) \end{array} \right] \end{array}

rt=f([OOINpO]rt1+[W1Wq]ut)=[f(W1ut)f(f(W1ut1)+W2ut)]=F(ut,ut1,,utq+1) \begin{array}{ll} r_{t} &= f\left(\left[ \begin{array}{ll} O & O \\ I_{N-p} & O \end{array} \right]r_{t-1} + \left[ \begin{array}{c} W_1 \\ \vdots \\ W_q \end{array} \right]u_{t}\right) \\\\ &= \left[ \begin{array}{c} f(W_1u_{t}) \\ f(f(W_1u_{t-1})+W_2u_t) \\ \vdots \end{array} \right] \\\\ &= F(u_t, u_{t-1}, \ldots, u_{t-q+1}) \end{array}
因此
vt=WoutF(ut,ut1,,utq+1)g(ut,ut1,,utq+1) v_t = W_{out} F(u_t, u_{t-1}, \ldots, u_{t-q+1}) \triangleq g(u_t, u_{t-1}, \ldots, u_{t-q+1})
即把狀態空間模型轉化成了自迴歸模型。

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