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시계열 4장

Shared on March 19, 2026

Frequency Domain in Time Series Analysis

개요

  • 주파수 영역은 시계열 데이터를 주기성(주기, 주파수)과 관련된 관점에서 해석한다.
  • **주기(Period)**와 **주파수(Frequency)**는 서로 역수 관계이며, 주기적이거나 반주기적인 데이터(사이클릭/펜타주기적)를 식별하고 분석한다.
  • 주파수 영역에서 스펙트럼스펙트럴 밀도를 정의하고, 이를 추정·평활화·필터링하는 방법을 학습한다.

핵심 개념

용어정의
주기(Period)함수 (g(t))가 (p>0)일 때 (g(t)=g(t+kp))가 되는 최소의 (p).
주파수(Frequency)주기의 역수 (f = 1/p); 단위 시간당 주기 횟수.
사이클릭 데이터완전한 주기성을 만족하지 않지만 반복되는 패턴(예: 태양 흑점, 로그-린크스).
스펙트럼시계열의 공분산 함수와 관련된 주파수 함수.
스펙트럴 밀도스펙트럼을 (2\pi)로 나눈 값; 주파수에 따른 에너지 분포.
나이퀴스트 주파수샘플링 주기의 반, (f_{\text{Nyq}} = 0.5) (단위: 샘플/시간).
Parzen 윈도우샘플 스펙트럴 밀도를 부드럽게 하기 위한 윈도우 함수.
로그 스케일스펙트럴 밀도를 로그 변환해 큰 주파수와 작은 주파수의 차이를 완화.
필터데이터의 특정 주파수 범위를 통과시키거나 차단(저역, 고역, 대역통과, 대역멈춤).
Butterworth 필터매끄러운 컷오프 특성을 가진 저역/고역 필터.

상세 노트

1. 주기와 주파수

  • 주기는 (p), 주파수는 (f = 1/p).
  • 예시: 태양 흑점 데이터 평균 주기 11년 → 주파수 (0.09) (주기 11년/년).
  • 주기가 2일 때 가장 높은 관측 가능한 주파수는 (f_{\text{Nyq}} = 0.5).

2. 스펙트럼과 스펙트럴 밀도

  • 정의:
    [ S_X(f) = \sum_{k=-\infty}^{\infty}\gamma_k e^{-i2\pi fk} ] 여기서 (\gamma_k)는 공분산, (\rho_k)는 상관계수.
  • 특성:
    • (\rho_k)가 알려지면 (S_X(f)) 계산 가능.
    • (S_X(f))가 알려지면 (\rho_k) 복원 가능.
  • 나이퀴스트 주파수: 샘플링이 (f_{\text{Nyq}} = 0.5) 이하에서만 유효.
  • 예시: 두 개의 주파수(0.04, 0.125, 0.25)를 가진 합성 사인파의 스펙트럴 밀도는 각각의 피크가 나타남.

3. 샘플 스펙트럴 밀도와 부드럽게 하기

  • 실제 데이터는 제한된 길이 (n) 이므로 무한합을 계산할 수 없음.
  • 샘플 공분산 (\hat{\rho}_k)를 사용해 샘플 스펙트럴 밀도를 추정.
  • Parzen 윈도우를 적용해 스펙트럴 밀도 부드럽게:
    • 윈도우 길이 (M) 보통 (M = 2n) 사용.
    • (M)가 크면 부드러움이 증가하지만 해상도가 감소.
  • 로그 스케일 사용 이유: 주파수 피크 간 차이가 크면 비주얼화가 어려움. 로그 변환으로 작은 피크도 눈에 띄게 함.

4. 필터링과 스무딩

  • 저역 필터: 고주파 잡음 제거 (예: 이동평균).
  • 고역 필터: 저주파 변동 제거 (예: 차분).
  • 대역통과/대역멈춤 필터: 특정 주파수 범위만 통과/차단.
  • Butterworth 필터:
    • 저역: 컷오프 주파수 이하 통과, 그 이상 차단.
    • 고역: 반대.
    • 매끄러운 전이 특성으로 차분보다 효과적.

5. 실습 및 코드

  • R 예시: spec.pgram() 또는 spec.ar()를 사용해 스펙트럴 밀도 추정.
  • Parzen 윈도우 구현 시 parzen() 함수 사용.
  • Butterworth 필터butter() + filter() (R) 혹은 scipy.signal.butter (Python) 활용.

6. 주요 학습 포인트

주파수 영역 분석은 시계열의 주기적 구조를 파악하고, 잡음과 신호를 분리하며, 모델링 전 단계에서 데이터의 특성을 이해하는 데 핵심적이다.

  • 주기와 주파수의 관계를 명확히 이해.
  • 스펙트럼과 스펙트럴 밀도의 정의 및 상호 변환.
  • 샘플 스펙트럴 밀도 추정 시 윈도우와 부드럽게 하는 기법 선택.
  • 필터 종류와 목적에 따라 적절한 필터 설계.
  • 로그 스케일을 활용해 시각화 효과 극대화.

주파수 영역에서의 분석은 시계열 모델링(AR, MA, ARIMA 등) 전에 데이터의 구조를 파악하고, 모델 선택 및 파라미터 추정에 큰 도움을 준다.

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