ACF (Autocorrelation Function)

율·2025년 3월 27일

Autocorrelation function은 시계열 데이터에서 시차 (lag, 아래 예시에서는 kk) 만큼 떨어진 두 값 사이의 상관관계를 수치로 나타낸 것이다. 더 정확하게는, 자기공분산을 분산으로 표준화한 값이다.

자기공분산

시계열 데이터 YtY_t의 평균을 Yˉ\bar{Y}라 할 때, 시차 kk의 자기공분산은 다음과 같다.

γ(k)=1N∑t=k+1N(Yt−Yˉ) (Yt−k−Yˉ),\gamma(k) = \frac{1}{N} \sum_{t=k+1}^{N} (Y_t - \bar Y)\,(Y_{t-k} - \bar Y),

이 때 사실은 N−kN-k로 나누는 것이 불편추정량이다. 통계적 추론(표본 공분산 추정)에서는 N−kN-k로 나눈다. NN으로 나누는데,계산이 더 간단하기도 하고, kk가 클 때 표본이 줄어들어 분산이 커지는 문제가 해결되어 ACF 그래프가 덜 요동치게 된다. 그래서 ACF 플롯을 그릴 때에는 NN으로 나눔.

k=0k=0을 대입하면 γ(0)=1N∑t=1N(Yt−Yˉ)2\gamma(0) = \frac{1}{N} \sum_{t=1}^{N} (Y_t - \bar Y)^2이라, 분산과 동일해진다.

γ(0)=Var(Y)\gamma(0) = \mathrm{Var}(Y)

자기상관 함수

ACF는 자기공분산을 분산으로 표준화한 값으로, 항상 -1에서 +1 사이이다.

ρ(k)=γ(k)γ(0).\rho(k) = \frac{\gamma(k)}{\gamma(0)}.

ρ(k)>0\rho(k)>0 이면 양(+)의 상관, ρ(k)<0\rho(k)<0 이면 음(–)의 상관

예시 (Lag = 1)

γ(1)=1N∑t=2N(Yt−Yˉ)(Yt−1−Yˉ),ρ(1)=γ(1)γ(0).\gamma(1) = \frac{1}{N}\sum_{t=2}^N (Y_t - \bar Y)(Y_{t-1} - \bar Y), \quad \rho(1) = \frac{\gamma(1)}{\gamma(0)}.

이 과정을 여러 시차 k=1,2,…k=1,2,\dots에 대해 반복하면 ACF 플롯을 그릴 수 있다.

Partial ACF

PACF at lag kk은 시계열 YtY_t와 Yt−kY_{t-k} 사이의 순수한 상관관계로, 그 사이의 모든 중간 시차(lags 1,2,…,k−11,2,\dots,k-1)가 설명하는 부분을 제거한 후 남는 상관관계다.

PACF를 αk\alpha_k 또는 ϕkk\phi_{kk}로 표기하며, 회귀 잔차 간의 상관관계로 정의할 수 있다:

ϕkk=Corr(Yt−Y^t(k−1),  Yt−k−Y^t−k(k−1)),\phi_{kk} = \mathrm{Corr}\bigl(Y_t - \hat Y_t^{(k-1)},\;Y_{t-k} - \hat Y_{t-k}^{(k-1)}\bigr),

여기서

  • Y^t(k−1)\hat Y_t^{(k-1)}는 시차 11부터 k−1k-1까지를 설명 변수로 한 선형 회귀모형의 예측값
  • Y^t−k(k−1)\hat Y_{t-k}^{(k-1)}도 동일 회귀모형을 적용한 예측값

정상 시계열에서 ACF가 빠르게 사라지는 이유

약한 정상성(Weak Stationarity) 조건

  • 평균이 일정
  • 분산이 일정
  • 자기공분산이 시차 kk에만 의존하며 k→∞k\to\infty일 때 00으로 수렴

가장 간단한 정상 시계열 AR(1) 모형은

Yt=ϕ Yt−1+εt,∣ϕ∣<1Y_t = \phi\,Y_{t-1} + \varepsilon_t,\quad |\phi|<1

이때 자기상관함수(ACF)는 다음과 같이 닫힌 형태(closed‑form)로 구해짐:

ρ(k)=ϕk.\rho(k) = \phi^k.
  • 지수적 감쇠(exponential decay): ∣ϕ∣<1|\phi|<1 이므로 kk가 증가할수록 ϕk\phi^k는 빠르게 0으로 수렴함.

AR(p) 모형 일반화

일반적인 AR(pp) 모형

Yt=ϕ1Yt−1+ϕ2Yt−2+⋯+ϕpYt−p+εtY_t = \phi_1 Y_{t-1} + \phi_2 Y_{t-2} + \cdots + \phi_p Y_{t-p} + \varepsilon_t

에서도 정상성 조건인 모든 근(root)이 단위원(absolute value 1) 바깥에 위치하면(즉, ∣ϕi∣<1|\phi_i|<1을 포함한 복소수 조건) ACF는 역시 지수적(또는 조화적)으로 감쇠함.

Non-Stationary에서 ACF가 천천히 감소하는 이유

가장 단순한 형태의 non-stationary 모델

Yt=Yt−1+εt,εt∼i.i.d.(0,σ2)Y_t = Y_{t-1} + \varepsilon_t,\quad \varepsilon_t\sim\mathrm{i.i.d.}(0,\sigma^2)

이를 풀어 쓰면

Yt=Y0+∑i=1tεi.Y_t = Y_0 + \sum_{i=1}^t \varepsilon_i.

lag kk에 대해

γ(k)=Cov(Yt,Yt−k)=Var(∑i=1t−kεi)=(t−k) σ2.\gamma(k) = \mathrm{Cov}(Y_t,Y_{t-k}) = \mathrm{Var}\Bigl(\sum_{i=1}^{t-k}\varepsilon_i\Bigr) = (t-k)\,\sigma^2.

ACF

ρ(k)=γ(k)γ(0)=(t−k) σ2t σ2=1−kt.\rho(k) = \frac{\gamma(k)}{\gamma(0)} = \frac{(t-k)\,\sigma^2}{t\,\sigma^2} = 1 - \frac{k}{t}.

t≫kt\gg k일 때 ρ(k)≈1\rho(k)\approx1이므로 ACF가 매우 천천히 감소한다. 이는 과거 충격이 누적(accumulation)되어 오래 남기 때문이다.

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보건대학원 뉴비

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