摘要
经济周期的阶段划分属于聚类问题中特殊的类型,需要对有序的时间序列样本进行分割,而经济周期的有序阶段划分则是研究经济周期相关问题的基础工作。文中构建以国内生产总值(gross domestic product, GDP)和居民消费价格指数(consumer price index, CPI)为基础数据的经济发展指标向量,提出针对经济周期阶段划分的有序样本最优分割算法,并分别选取美国1948年第三季度至2008年第二季度和日本1971年第三季度至2008年第二季度的数据为样本,动态分析算法的精度趋势和最优分割效果,为经济周期的阶段划分提供一种高效、简洁的算法。
在经济社会及科学技术的研究中需要对多指标对象进行分类,把性质相近的对象聚为一类,针对分类对象的不同特征,聚类的方法各异。李珍萍
李稻葵指出,市场经济变化多端,唯一不变的就是其变化的周期
在所有经济周期的相关理论和实践中,经济周期的判断与识别是必不可少的研究内容,对时间序列上经济发展的有序样本进行分段则是非常基础和关键的工作。笔者选取经济发展中的核心指标:国内生产总值(gross domestic product, GDP)和居民消费价格指数(consumer price index, CPI),作为衡量经济增长和通货膨胀的基础指标,构建经济发展指标向量,提出对经济周期发展阶段进行划分的有序样本最优分割算法。并以美国和日本在较长期间的经济发展时间序列样本进行实证研究,为经济周期的划分提供一种方便、有效的算法。
经济周期在不同的时间段,表现出明显的团聚特征,因此,进行经济周期划分须考虑样本的时间顺序。一般的聚类分析方法将各个样本平等看待,任意2个不同时空样本都可能分到一类。但实际经济数据随年段时间不同而出现不同的变化规律,需要对样本在不打乱数据序列顺序的前提下进行分类研究,即需要按时间先后顺序把全部样本分成若干段,因此,笔者引入有序样本最优分割算法。
设有序样本为T,其中每个样本均为m维向量,即m个属性因子(指标)。原始数据资料矩阵为
。 | (1) |
第1步,指标正规化。
为消除不同指标量纲不同造成的数值级别差异,对样本数据作正规化处理,将矩阵中的元素变换为,有
, | (2) |
式中,和分别为个有序样本中属性因子的最大值和最小值。得到正规化矩阵
。 | (3) |
式中,。若有序样本的指标数值均是相同量纲的测度,则可略去第1步,直接执行第2步。
第2步,计算有序类的直径。
若把个有序样本分成类,可能的分类法有种,设某种分类法为,,…,,其中。选取,用类的指标的离差平方和测度该类指标的直径
, | (4) |
式中,,。
加总个指标的直径,计算类直径为
。 | (5) |
数值越小,则类中样本越集中。
第3步,计算有序分类的误差函数。
定义有序分类的误差函数为全部有序类直径总和:
。 | (6) |
当和固定时,越小,表示类内的离差平方和越小,分类越合理。假定使误差函数达到最小的分法是,此时误差函数值为。
第4步,通过递推公式计算。
当时,要找出一个分界线使全部样本分成2类,而是所有可能的分界线中使误差函数达到最小的分法。有
, | (7) |
进而,通过以下计算,递推个有序样本分成类的最优分法:
。 | (8) |
其中,将个有序样本分成类的最优分法,看成个样本分成类的最优分法再与最后个样本形成的第类合并而成。由一直增加到,从中可选择一个最优的,从而形成个样本的最优分法。
第5步,聚类。
由上可知,采用最优分割算法首先要计算,然后分别计算,,…,, ,再进行分类。设为最后一个类的第一个样本号,则:
, | (9) |
。 | (10) |
依次类推,分别找出,,…,,。从而得到有序样本最优分类:
(11) |
第6步,应用有序样本最优分割算法划分经济周期阶段。
美国国民经济研究所(NBER)对经济周期提出2种类型的定义,分别是“古典型经济周期”与“增长型周期”。增长型周期的波动现象比古典型周期常见得多,而且增长型周期与通货膨胀的关系更为密切,如果增长速度超过了长期的增长率,则通货膨胀会上升,而增长速度低于长期的增长率,则通货膨胀会下降。现在NBER正式的做法是只确认经济周期的高点和低点,也就是经济周期的波峰和波谷,而将GDP连续2个季度的负增长作为经济进入衰退的重要标志。因此,在经济周期的识别中,反映经济产出的指标GDP和反映通货膨胀的指标CPI的增速,以及它们的差分,可作为经济周期阶段划分的属性指
。 | (12) |
其中,和为第季度GDP和CPI的增速,和为第季度GDP和CPI增速与上一季度增速的差分,和为第季度GDP和CPI增速与上2个季度增速的差分,为有序样本容量。由于经济发展指标向量中有序样本的指标数值均是百分比的同量纲测度,于是将有序样本最优分割算法,直接应用于经济发展指标向量的时间序列数据构成的矩阵,即可对一国或地区在某一时间段上的经济周期进行分段。
分别以美国和日本的时间序列数据为样本,进行经济周期的阶段划分。鉴于不同国家经济发展的区域特征和数据的获取,选取美国1948年第三季度至2008年第二季度共计60年的240个季度、日本1971年第三季度至2008年第二季度共计37年的148个季度的GDP和CPI样本数据。
选取反映一国经济增长与通胀走势的经济发展指标六维向量的各分量季度数据,在时间年度后标出的A、B、C、D分别表示该年的第一、第二、第三、第四季度。美国1948C~2008B、日本1971C~2008B经济发展指标向量各分量的有序样本走势如

图1 美国经济发展指标向量走势(1948C~2008B)
Fig. 1 The trend of the vector of economic development indicators in America (1948C~2008B)

图2 日本经济发展指标向量走势(1971C~2008B)
Fig. 2 The trend of the vector of economic development indicators in Japan (1971C~2008B)
从美国1948C~2008B的240个季度、日本1971C~2008B的148个季度时间序列的经济增长与通胀走势图看,展现出2个明显的特征:①GDP和CPI的增长以及GDP和CPI较上一季度、上2个季度的增速变化6个指标数据具有明显的簇团现象。②6个指标走势具有周期特性。美国经济增长走势,大致出现了20~30个波峰;日本经济增长走势,大致出现了10~15个波峰。比较日本和美国可直观地看出:日本经济增长和通货膨胀的差分值波动较激烈,其调整频次相对较高。
基于美国1948C~2008B、日本1971C~2008B的季度经济增长和通货膨胀走势数据,采用经济周期的有序样本最优分割递推算法,对两国分别进行经济周期分段。为观察算法执行中判断经济周期的精确性,分别计算:①将个有序样本数据分成类()的最优误差函数值;②类与类的最优误差函数值差分;③单位类最优误差函数值;④单位类最优误差函数值差分。美国1948C~2008B的240个季度()和日本1971C~2008B的148个季度()的有序样本最优分割精度趋势如


图3 美国、日本经济周期的有序样本最优分割精度趋势图
Fig. 3 Optimal segmentation accuracy trend for ordered samples of economic cycles in America and Japan
从
从
美国、日本经济周期的有序样本最优分割结果趋势图表明该算法从客观数据出发,可以较精确地把握经济周期分段,从中寻找经济周期轮换的可能时点。
1948C~2008B的240个季度间,美国经济增长和通货膨胀走势大致出现了20~30个波峰,将此期间的240个有序样本最优分割成40~60个期间段,对于分析美国经济周期具有一定的合理性。将这240个季度,依次记1948C、1948D、1949A、…、2008B为1、2、3、…、240,采用有序样本最优分割算法将240个季度分成40~60个类的经济期间段,如

图4 美国经济周期的有序样本最优分割结果(40~60类)
Fig. 4 Optimal segmentation results of ordered samples in America economic cycles (40~60 categories)
从美国60年间经济周期最优分割结果图可看出,第55个季度对应的1961年4季度之前,分割时段较密,大约2~4个季度为一段;之后至第72个季度对应的1966年2季度前后,出现1年半左右小幅震荡的经济平稳期;大约至第144个季度对应的1984年2季度约18年的时间中,大致1~2年分为一段;之后至第168个季度对应的1990年2季度附近,经历6年左右的经济平稳期;之后18年左右的时间中,以大时段的相对平稳为主要特征,在大时段中蕴含着幅度不大的几个1年左右的经济涨(落)期。
1971~2008年148个季度日本经济增长和通货膨胀走势大致出现了10~15个波峰,采用有序样本最优分割算法将148个季度分割成20~30个类的经济期间段,如

图5 日本经济周期的有序样本最优分割结果(20~30类)
Fig. 5 Optimal segmentation results of ordered samples in Japan economic cycles (20 to 30 categories)
从日本37年间经济周期最优分割结果图可看出,第18个季度对应的1975年4季度之前,分割时段较密,除1972年一年左右的一个增长时段外,大致1~2个季度为一段;之后至第42个季度对应的1981年4季度前后,大致1~2年为一段;到第64个季度对应的1987年2季度前后,出现5年左右小幅震荡的经济平稳期;大约至第103个季度对应的1997年1季度10年左右的时间中,大致2~3年分为一段;之后至第126个季度对应的2002年4季度附近,大致1年左右为一段;之后6年左右的时间中,以大时段的相对平稳为主要特征。
从美国与日本的经济周期分段结果的比较看出,两国的经济发展阶段划分存在一致性,比如上世纪80年代双方都是大致1~2年分为一段;也有一定的发展阶段滞后期,比如在上世纪70年代前后经济发展的调整中,日本所表现的经济发展相对较密阶段与美国存在一定的滞后期。总体上,美、日两国经济发展的阶段性时期以一致性为主要特征。
针对经济周期阶段划分的有序性,构建以GDP和CPI为基础数据的六维经济发展指标向量,提出有序样本最优分割递推算法,对美国20世纪中叶和日本20世纪70年代以来长期限季度样本数据进行分段。对美、日两国的有序样本最优分割精度趋势分析表明:分类越密,类中聚集度越高;分类数增加,细分的趋势一致性越明显。从美、日两国有序样本最优分割时段分析看,两国的经济发展阶段以时期一致性为主要特征,只有极少数的阶段存在一定的时期滞后性。该算法从客观数据出发,可以较精确地把握经济周期分段,从中寻找经济周期轮换的可能时点。根据经济周期理论,可基于中国经济增长、通货膨胀和变化数据,采用有序样本最优分割技术对中国经济周期进行划分,进一步研究在经济周期的不同阶段,投资资本市场的资产配置问题,对市场的监管者和投资者均具有参考价值。
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