Characterizing time series: when Granger causality triggers complex networks

Abstract一个新方法:将granger 随机和网络(Cau-CN)结合,在时域和频域刻画含有噪声的时序特性。

该方法能捕捉很短的时序的动态和潜在特性。

GC是给定两个时序x,y,如果y的历史值有助于预测x未来值 in some plausible statistical sense,则y is a cause of x in Granger sense。

GC用来探究复杂系统中不同元素之间的connections 和 causalities。

三个度量:the average path length (APL), the average vertex strength (AVS) and the average clustering coefficient (ACC)

Method 计算AR里的GC

1.Causal complex network construction

将n个观测点的时序{x[q](q=1...n),

step1,将时序平均分成m份时序子集,{x_j(t)=x[t+(j-1)floor「n/m」]}

j=1...m, t= 1...floor [n/m], piece number和子集长度为超参。

step2,定义每个时序子集对应Cau-CN里的一个顶点,记为(V,W)_j. V是网络里面m个顶点的集合。 W是权重。 j=t,表示时域,j=f,表示频域。


2.Network measures—a static characterization

一旦Cau-CN(V,W)_j在时域和频域上构建,会计算权重分布和上述三个测量。

1.AVS:网络所有顶点的平均强度,顶点 i 强度被定义为s_i^{tot}=s_i^{in}+s_i^{out},顶点 i 的度被定义为d_i^{tot}=d_i^{in}+d_i^{out}

2.APL:代价最小时的所有顶点的平均路径长。

3.ACC:表示顶点的拓扑临近点之间的连接值,相对于所有网络顶点可能的最大值的平均比例。


2.3Artificial neural networks—a dynamic characterization

除了上面三种静态测量,通过观察具有上述加权连接矩阵的离散时间人工神经网络(DANN)的动力学,设计了另一种区分方法。

Example

1. non-chaos vs. chaos

2. low-freq vs. high freq

3. health vs. arrhythmia

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