Suponha que especificamos um modelo simples de AR (1), com todas as propriedades usuais,
yt=βyt−1+ut
Denote a covariância teórica do termo de erro como
γj≡E(utut−j)
Se pudéssemos observar o termo do erro, a autocorrelação da amostra do termo de erro é definida como
ρ~j≡γ~jγ~0
Onde
γ~j≡1n∑t=j+1nutut−j,j=0,1,2...
Mas, na prática, não observamos o termo de erro. Portanto, a autocorrelação da amostra relacionada ao termo do erro será estimada usando os resíduos da estimativa, conforme
γ^j≡1n∑t=j+1nu^tu^t−j,j=0,1,2...
A estatística Q de Box-Pierce (a Ljung-Box Q é apenas uma versão em escala assintoticamente neutra) é
QBP=n∑j=1pρ^2j=∑j=1p[n−−√ρ^j]2→d???χ2(p)
Nossa questão é exatamente se pode ser dito ter asymptotically uma distribuição qui-quadrado (sob a hipótese nula de não autocorellation no termo de erro) neste modelo.
Para que isso aconteça, todos e todos de √QBP
deve ser assintoticamente padrão normal. Uma maneira de verificar isso é examinar se√n−−√ρ^jtem a mesma distribuição assintótica como√n−−√ρ^ (que é construído usando os erros verdadeiros e, portanto, tem o comportamento assintótico desejado sob o nulo).n−−√ρ~
Nós temos isso
u^t=yt−β^yt−1=ut−(β^−β)yt−1
onde β é um estimador consistente. entãoβ^
γ^j≡1n∑t=j+1n[ut−(β^−β)yt−1][ut−j−(β^−β)yt−j−1]
=γ~j−1n∑t=j+1n(β^−β)[utyt−j−1+ut−jyt−1]+1n∑t=j+1n(β^−β)2yt−1yt−j−1
A amostra é considerada estacionária e ergódica e supõe-se que existam momentos até a ordem desejada. Desde o é consistente, isso é suficiente para as duas somas para ir para zero. Então concluímosβ^
γ^j→pγ~j
Isso implica que
ρ^j→pρ~j→pρj
Mas isso não garante automaticamente que converge para √n−−√ρ^jn−−√ρ~j (na distribuição) (pense que o teorema do mapeamento contínuo não se aplica aqui porque a transformação aplicada às variáveis aleatórias depende de ). Para que isso aconteça, precisamosn
n−−√γ^j→dn−−√γ~j
(o denominador til ou hat - convergirá para a variação do termo de erro em ambos os casos, portanto é neutro para o nosso problema).γ0
Nós temos
n−−√γ^j=n−−√γ~j−1n∑t=j+1nn−−√(β^−β)[utyt−j−1+ut−jyt−1]+1n∑t=j+1nn−−√(β^−β)2yt−1yt−j−1
Portanto, a pergunta é: faça essas duas somas, multiplicadas agora por , vá a zero em probabilidade, para que fiquemos com √n−−√n−−√γ^j=n−−√γ~j assintoticamente?
Para a segunda soma, temos
1n∑t=j+1nn−−√(β^−β)2yt−1yt−j−1=1n∑t=j+1n[n−−√(β^−β)][(β^−β)yt−1yt−j−1]
Desde [n−−√(β^−β)] converges to a random variable, and β^ is consistent, this will go to zero.
For the first sum, here too we have that [n−−√(β^−β)] converges to a random variable, and so we have that
1n∑t=j+1n[utyt−j−1+ut−jyt−1]→pE[utyt−j−1]+E[ut−jyt−1]
The first expected value, E[utyt−j−1] is zero by the assumptions of the standard AR(1) model. But the second expected value is not, since the dependent variable depends on past errors.
So n−−√ρ^j won't have the same asymptotic distribution as n−−√ρ~j. But the asymptotic distribution of the latter is standard Normal, which is the one leading to a chi-squared distribution when squaring the r.v.
Therefore we conclude, that in a pure time series model, the Box-Pierce Q and the Ljung-Box Q statistic cannot be said to have an asymptotic chi-square distribution, so the test loses its asymptotic justification.
This happens because the right-hand side variable (here the lag of the dependent variable) by design is not strictly exogenous to the error term, and we have found that such strict exogeneity is required for the BP/LB Q-statistic to have the postulated asymptotic distribution.
Here the right-hand-side variable is only "predetermined", and the Breusch-Pagan test is then valid. (for the full set of conditions required for an asymptotically valid test, see Hayashi 2000, p. 146-149).