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Summary Full study guide for Time Series Models

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2025/2026

This document is a complete rewrite of all the material covered in Time Series models, but explained in an intuitive way including visualizations which show what methods are doing. It also contains extensive derivations of proofs and filters, such that you can understand what is actually going on

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Voorbeeld van de inhoud

TSM 2025-2026 Full Study Guide 1



Time Series Models: Full Study Guide
Weeks 1–6



Contents


I Week 1: Local Level Model & Signal Extraction 2

1 The Big Picture: How Everything Connects 2

2 From Regression to State Space 2
2.1 Signal + Noise: The Regression Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 Why the LRM Fails for the Nile Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.3 Deterministic vs. Stochastic Time-Varying Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.4 Course Outlook: Three Model Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3 The Local Level Model 3
3.1 Model Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3.2 Signal-to-Noise Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3.3 Properties: LLM as ARIMA(0,1,1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.4 Initialization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.5 Unconditional Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4 The Kalman Filter 6
4.1 Theory: Filtering vs. Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4.2 The KF Recursion for the LLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4.3 Building the KF Step by Step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.4 Key Insight: Prediction Error Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.5 Worked Example 1: Nile Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.6 Worked Example 2: General Model (Exam Style) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.7 Performance and Steady State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.8 Weight Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

5 The Kalman Smoother 11
5.1 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
5.2 The KS Recursion for the LLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.3 Why Does Future Data Help? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.4 Building the KS Step by Step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5.5 Comparing KF and KS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.6 KS Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

6 Missing Observations and Forecasting 18
6.1 Missing Observations Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
6.2 Forecasting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6.3 Worked Example: Missing Observation with Mixed Initialization (Exam Style) . . . 19

7 Parameter Estimation by Maximum Likelihood 19
7.1 Why the Likelihood Is Directly Visible from the KF . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
7.2 Diffuse Log-Likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
7.3 Estimation Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

,TSM 2025-2026 Full Study Guide 2


8 Multivariate Normal Conditional Expectation 22
8.1 Lemma I: Conditioning on One Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
8.2 Lemma II: Sequential Conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
8.3 Connection to the Kalman Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
8.4 Exam Recipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
8.5 Worked Example (2025 MC.9 Format) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
8.6 Practice Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

9 Signal Extraction: Which Method for Which Goal? 25


II Week 2: Linear Gaussian Models 27

10 The Big Picture: From LLM to Linear Gaussian Models 27

11 The Linear Gaussian Model 27
11.1 Model Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
11.2 State versus Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

12 Example Models in State Space Form 28
12.1 Example 1: Local Level Model (Recap) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
12.2 Example 2: AR(1) + Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
12.3 Example 3: Local Linear Trend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
12.4 Example 4: Time-Varying Linear Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
12.5 Example 5: ARIMA Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

13 General Kalman Filter 32
13.1 The KF Recursion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
13.2 Initialisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
13.3 Missing Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
13.4 Forecasting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
13.5 Multivariate Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

14 Proving the Kalman Filter 37
14.1 Lemma I: Conditional Mean and Variance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
14.2 Lemma II: Updating with New Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
14.3 Proof Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
14.4 Full Proof: General LGM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
14.5 Alternative: Scalar LLM Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

15 General Kalman Smoother 42
15.1 KS Recursion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
15.2 Derivation of the KS Recursion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
15.3 Disturbance Smoother . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

16 Maximum Likelihood and the Diffuse Log-Likelihood 47
16.1 Log-Likelihood via Prediction Error Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
16.2 Diffuse Log-Likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

17 Residual Diagnostics 48
17.1 Standardised Residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48


III Week 3: Simulation Smoothing, Nonlinear Gaussian Models & SV 49

,TSM 2025-2026 Full Study Guide 3


18 The Big Picture: From Linear to Nonlinear 49

19 Nonlinear Functions of the State 50
19.1 Linear vs. Nonlinear Signal Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
19.2 The Problem with Nonlinear Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
19.3 Monte Carlo Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
19.4 The Smoothed Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

20 Lemma III 53
20.1 Intuition and Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
20.2 Proof of Lemma III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

21 Simulation Smoothing 56
21.1 Applying Lemma III to the State Space Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
21.2 Notation Convention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
21.3 The Unconditional Simulation Step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
21.4 The Full Simulation Smoothing Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

22 The Nonlinear Gaussian Model (nLGM) 58
22.1 Forms of Nonlinearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
22.2 Example: UK Visits Abroad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

23 Taylor Expansion and Linearization 59
23.1 Formal Taylor Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
23.2 The Linearized Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

24 Extended Kalman Filter and Smoother 61
24.1 Parameter Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

25 The Stochastic Volatility Model and QML 63
25.1 Model Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
25.2 Can We Use the EKF for the SV-Model? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
25.3 Data Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
25.4 Quasi Maximum Likelihood (QML) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
25.5 The Approximating LGM for QML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65


IV Week 4: Nonlinear Non-Gaussian Models & Mode Estimation 66

26 The Big Picture: From Gaussian to Non-Gaussian 66

27 The Nonlinear Non-Gaussian Model 67
27.1 Model Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
27.2 Running Example: Boat Race Wins (Bernoulli) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
27.3 How the Pieces Fit Together . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
27.4 Why Is the State Equation Still Gaussian? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
27.5 The Three Model Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

28 Example Models: The Exponential Family 71
28.1 The Exponential Family of Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
28.2 Example 1: Poisson Model (Count Data) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
28.3 Example 2: Binary/Bernoulli Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
28.4 Example 3: Three Special Cases of nLnGMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

, TSM 2025-2026 Full Study Guide 4


29 Stacked Form Notation 74
29.1 Starting Point: The Per-Period Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
29.2 Step 1: Stack the Observations and Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
29.3 Step 2: The Signal Equation θ = d + Zα . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
29.4 Step 3: The State Distribution α ∼ N (c, Γ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
29.5 Step 4: The Observation Equation and the Complete Stacked Model . . . . . . . . . 76
29.6 Key Densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
29.7 LGM Properties in Stacked Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

30 The Inference Pipeline 78

31 Mode Estimation 86
31.1 The Goal: Why Target the Mode? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
31.2 The LGM Mode: A Closed-Form Template . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
31.3 Newton-Raphson Meets Bayes’ Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
31.4 The Surrogate LGM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
31.5 The Mode Estimation Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
31.6 Two Outputs: The Mode and the Gaussian Approximation . . . . . . . . . . . . . . 97

32 Importance Sampling 98
32.1 Why Importance Sampling? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
32.2 Signal Extraction: From Weighted Samples to Posterior Quantities . . . . . . . . . . 101
32.3 Prediction: Assembling the Time-Domain Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
32.4 The SPDK Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
32.5 The Four Densities: Known vs Unknown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

33 Signal Extraction Methods: The Full Picture 105
33.1 The Eight Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
33.2 Decision Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
33.3 When to Use What: Summary Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106


V Week 5: Importance Sampling, Parameter Estimation & Bootstrap Filter107

34 Week 4 Recap: Where We Left Off 107
34.1 The nLnGM Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
34.2 The Five-Step Inference Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
34.3 W4 to W5 Bridge: What We Have vs. What We Need . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
34.4 What Week 5 Adds and Why It Matters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

35 The Big Picture: Completing the Inference Toolbox 108
35.1 The Signal Extraction Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

36 The Importance Sampling Problem 109
36.1 What We Want . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
36.2 Why Direct Computation Fails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

37 The SPDK Importance Density 110
37.1 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
37.2 The Six Densities and Their Roles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

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