One pager Laréq, 2013, vol. 8, no. 18, p. 200 – 218

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One pager Laréq, 2013, vol. 8, no. 18, p. 200 – 218
Théorème de représentation de Granger
Réplication de la preuve d’Engle – Granger (1987)
Jean – Paul K. Tsasa Vangu
Yves Togba Boboy
Laboratoire d’analyse – recherche en économie quantitative
The Granger representation theorem states that an error correction model
can represent any cointegrated series. In this paper, we are interested
in the proof of this result.
Keywords: Co–integration, error correction model, multivariate time series.
Code JEL: C01, C32
Introduction
Nombre de publications Laréq antérieures (One pager) ont porté sur la notion de
corrélation, insistant notamment sur : (i) la distinction entre coefficient de Bravais–
Galton–Pearson et coefficient de corrélation de Spearman (Tsasa, 2012a) ; (ii) la
dérivation du domaine de définition du coefficient BGP (Makambo – Tsasa, 2012) ;
(iii) la perception du coefficient de détermination (Tombola, 2012b & 2012c) ; (iv) le
calcul du coefficient BGP à l’aide du logiciel Eviews (Tombola, 2012a) ; (v) la
corrélation linéaire partielle (Mayemba – Tombola, 2012), (vi) le rapport de
corrélation (Tombola, 2013), (vii) le calcul des coefficients BGP et de Spearman à
l’aide du logiciel R (Lokota – Tsasa, 2012) ou (viii) la dérivation et l’interprétation
géométrique du coefficient de corrélation (Tsasa, 2013a).
Et plus récemment, l’analyse proposée Togba – Tsasa (2013, oct.) s’est intéressé au
traitement de la problématique de la connexion existant entre les modèles de
cointégration et les modèles à correction d’erreur, tout en considérant le théorème de
Granger comme une donnée. S’inscrivant dans la continuation de ces publications,
nous nous proposons dans ce papier de présenter la preuve du théorème en cause.
Cependant, avant d’énoncer et de démontrer ce théorème (section 2), nous
rappelons
préalablement
quelques
concepts
fondamentaux
pour
appréhension de sa dérivation (section 1).
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© 2013 par Laréq. Tous droits réservés. Décembre 2013. Courriel : [email protected]
une
bonne
Jean – Paul K. Tsasa & Yves Togba
[One pager Laréq, 2013, vol. 8, no. 18, p. 200 – 218]
Le théorème de Granger (1987) a été prouvé, à l’origine, par Granger (1981) et
repris plus tard et plus explicitement dans un article publié par Granger et Engel en
1987
1
. D’après ce théorème, toutes les séries cointégrées peuvent être
représentées par un modèle à correction d’erreur. A ce titre, comme le note
Charpentier (2011b), il permet de fournir la synthèse entre deux approches
largement utilisées dans la littérature économétrique récente : d’une part, l’approche
issue de l’idée de concilier des préoccupations de la théorie économique avec
une écriture rigoureuse des équations économétriques ; et d’autre part, l’approche
issue d’une approche purement statistique (boîte noire, black box).
Par ailleurs, il convient de noter que parallèlement à la preuve originale, proposée
notamment par Granger et Engel (1987), on rencontre également d’autres preuves
plus élaborées dans la littérature, comme celles proposées respectivement par
Johansen (1991) et Boswijk (1992).
I. Causalité, Cointégration, Approches VAR et ECM
A l’effet d’introduire les concepts de causalité et de cointégration, intéressons – nous
au graphique ci – dessous. En effet, en observation l’évolution des deux agrégats
d’intérêts, il ressort que ces derniers semblent covarier au passage du temps.
Graphique 1 : Evolution de l’inflation et de l’indice d’activité en RDC
Source : Sur base des données de la Banque Centrale du Congo
[Base des données du Secteur réel, 2013]
1
Sir Clive William John Granger (1934 – 2009), économiste britannique, est co – lauréat, avec
Robert F. Engle (1942 – *), du Prix de la Banque de Suède en sciences économiques en
mémoire d’Alfred Nobel en 2003. On note que R. F. Engle est initiateur des méthodes d'analyse
des séries temporelles économiques avec volatilité saisonnière (méthodes ARCH).
201
202
Théorème de représentation de Granger – Engle
Réplication de la preuve d’Engle – Granger (1987)
Ainsi, pour extraire les interdépendances qui existeraient dans les mouvements de
ces
deux
chroniques,
nous
introduisons
dans
l’analyse
quelques
concepts
économétriques caractéristiques, notamment ceux de causalité et de cointégration.
I.1. Causalité
A l’origine, on retrouve la formalisation de la notion de causalité en physique,
notamment dans les travaux d’Isaac Newton sur la force motrice (cause) et le
changement de mouvement (effet). Dans cette optique, la notion de causalité traduit
un principe d’après lequel, si un phénomène est la cause d’un autre phénomène,
nommé "effet", alors ce dernier ne peut pas précéder la cause. Cependant, sa
définition conceptuelle remonte aux discours d’Aristote le stagirite ou de David Hume
(Tsasa, 2013c, p.7).
Transposé en économie, cette notion revêt une connotation technique spécifique. En
effet, si une variable causait une autre variable, alors nécessairement les deux
variables doivent être corrélées :
A l’inverse, il ne suffit pas que deux variables soient corrélées, pour qu’il ait causalité
(corrélation n’est pas causalité).
Ainsi, la notion de causalité introduite par Wiener (1956) et Granger (1969) apparait
comme le soubassement de l’analyse de relations dynamiques entre les séries
chronologiques (Tsasa, 2013c, p.7). Bien que formellement définie, elle demeure un
sujet à plusieurs controverses parmi les économistes [Sargent (1977) ; Zellner
(1978, 1988)]. Et de ce fait, son étude doit être abordée avec précaution.
Comme dans Charpentier (2011b), considérons un couple
des processus
aléatoires, et notons par :
la loi de
au temps
conditionnellement aux observations passées. Alors, si
l’on se proposait d’interroger la relation pouvant exister entre les chroniques
il y a lieu de distinguer deux cas possibles : (i) l’un où les processus
indépendantes ;
(ii)
l’autre
où
ils
seraient
indépendants l’un à l’autre, il vient que :
dépendants.
Si
et
et
et
seraient
étaient
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En conséquence :
En prenant la log – espérance de la relation
on obtient :
Dès lors, on peut introduire la notion de dépendance, en se servant de la définition
de l’information de Kullback – Leibler (1951) :
L’information de Kullback – Leibler est généralement utilisée pour mesurer un écart
entre deux fonctions de densité. Cependant, elle n’est pas une distance au sens
topologique car ne vérifiant pas les propriétés de symétrie et d’inégalité triangulaire.
Par ailleurs, elle est définie positive, et donc :
avec égalité si et seulement si
presque partout.
Aussi, il sied de noter que :
On peut à présent, établir une équivalence entre indépendance et covariance dans le
cas d’une distribution gaussienne (Cf. Tsasa, 2012b). Ainsi, en considérant que :
il y a lieu d’écrire :
où
et
avec
et
203
Théorème de représentation de Granger – Engle
Réplication de la preuve d’Engle – Granger (1987)
204
En prenant le logarithme de la relation
on définit après réaménagement des
termes, la loi du rapport contenu dans la loi de Kullback – Leibler :
In fine, en multipliant la relation
par deux, on obtient quatre composantes
principales telles que :

;

;

;

Plus formellement, on a :
Considérons à présent, deux suite
et
et
correspondant au passé des processus
respectifs telles que :
et
En effet, au sens de Granger1 (1969) :

cause
au temps
si et seulement si :
Et en parallèle,

1
cause instantanément
au temps
si et seulement si :
Notons au passage que l’économiste américain Christopher Sims (co – lauréat du prix Nobel
d’économie en 2011, avec Thomas Sargent) avait également proposé une approche alternative
de détection de causalité. Voir Tsasa (2013b).
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I.2. Cointégration
Au – delà du concept de causalité tel qu’introduit par Granger (1969), Engle et
Newbold (1974) se sont intéressé à la notion de cointégration. En effet, la
cointégration permet de détecter la relation de long terme entre plusieurs variables.
Sa formalisation est notamment due à Engle et Granger (1987), puis plus tard par
Johansen (1991, 1995).
Notons que la notion de cointégration implique implicitement celle d’intégration, qu’il
convient de rappeler très brièvement. Soit
que
est une chronique intégrée d’ordre
tel
alors :
serait une série non stationnaire et
où
et
stationnaire,
est un opérateur de retard tel que
Ainsi, pour :
on dira que
et
est stationnaire ou intégrée d’ordre 0 et on note :
intégré d’ordre
:
Admettons, à présent, un vecteur des chroniques
est différenciée
tel que chacune de composantes
fois avant de devenir stationnaire. La combinaison
peut être :
(i) soit stationnaire (dans ce cas, leurs tendances se neutralisent), soit intégrée
d’ordre
avec
et
Ainsi, les composantes du vecteur
seront cointégrées Granger (1981), Granger –
Weiss (1983), Engle – Granger (1987) si : (i) toutes les composantes de
intégrées d’ordre
; (ii) il existe un vecteur
est intégrée d’ordre
sont
tel que
On note ainsi :
ou encore
avec
le vecteur de cointégration. Au – delà de la restriction de linéarité, il sied de
noter qu’à ce jour, certaines études s’intéressent à la cointégration non linéaire.
Cette extension fera l’objet de nos publications ultérieures.
La littérature économétrique distingue différentes techniques permettant de tester la
cointégration parmi lesquelles, on note l’algorithme de Granger – Engel (1987) et les
approches de Johansen (1988, 1991), le test de Stock – Watson (1988) ou encore le
test de Phillips – Ouliaris (1990).
205
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Théorème de représentation de Granger – Engle
Réplication de la preuve d’Engle – Granger (1987)
I.3. Approches VAR et ECM
Alors que le modèle VAR a été proposé par Christopher Sims, celui à correction
d’erreur fut introduit en économie par David Hendry notamment. La différence entre
les deux approches réside foncièrement au niveau du caractère stationnaire ou non
des chroniques considérées.
L’approche
de
modélisation
basée
sur
la
représentation
du
processus
correspond à une description de l’évolution de l’économie
à partir de la dynamique comportementale d’un ensemble de variables linéairement
dépendantes des observations passées.
Réaménageons les notations et considérons deux processus stationnaires
et
dépendant de leurs valeurs passées et de leurs valeurs présentes et passées croisées
respectives.
Soit
le nombre de retards caractérisant un processus
forme structurelle la représentation
avec
tel qu’on a sous la
suivante :
des bruits blancs non corrélés.
Sous une forme matricielle, les relations
et
s’écrivent comme suit :
où
A partir de la relation
d’un processus
il y a lieu de dériver la forme réduite de la représentation
généralement utilisée pour les analyses empiriques. Ainsi, en
pré – multipliant la relation
et donc :
avec
par
on obtient :
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Contrairement aux relations
et
plus directement lié à celui de
dans la relation
le niveau de
n’est
sauf pour ses valeurs passées. De
l’expression matricielle de la représentation du processus
pour un vecteur de
variables peut s’écrire comme :
où
En se servant de l’opérateur et le polynôme de retard, la relation
devient :
et finalement :
où
est une matrice unité ;
un opérateur de retard ;
le polynôme de retard et
un bruit blanc.
Une fois que le problème lié à la détermination du nombre optimal de lag est bien
traité, il est possible d’estimer le modèle
dérivé précédemment, soit par la
méthode des moindres carrés ordinaires, soit par la méthode du maximum de
vraisemblance.
Considérons à présent, deux processus non stationnaires
et
Si ces derniers
est le vecteur de cointégration, alors l’approche
va consister à
sont cointégrés d’ordre 1, soit :
tels que
une décomposition telle que :
où
et
sont deux composantes stationnaires ;
avec :
En généralisant l’expression
on obtient ainsi :
Comme explicité dans Greene (2001, p. 968), le modèle à correction d’erreur permet
de décrire la variation de
autour de sa tendance de long terme en fonction d’un
ensemble de facteurs exogènes stationnaires
de la variation de
et de
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Théorème de représentation de Granger – Engle
Réplication de la preuve d’Engle – Granger (1987)
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autour de leur tendance de long terme, et de la correction d’erreur
qui est l’erreur d’équilibre dans le modèle de cointégration.
Il suit donc qu’il existe un lien entre les modèles de cointégration et les modèles à
correction d’erreur. Les résultats qui seront établis dans la section deuxième
permettront de mettre en toute rigueur, cette connexion en évidence.
II. Théorème de représentation de Granger
Le théorème de représentation de Granger (1987) établit un lien entre la
cointégration et le modèle à correction d’erreur. L’intérêt de ce théorème réside en
ce qu’il fournit des conditions testables sur les propriétés statistiques et dynamiques
des variables susceptibles de justifier la formalisation typique des modèles à
correction d'erreur initiée par David Hendry. Nous répliquons dans cette section,
l’énoncé originel de ce théorème, ainsi que sa démonstration.
Considérons pour ce faire, une représentation (décomposition) multivariée de Wold1
telle que :
où
désigne l’opérateur de retard ; et
un bruit blanc.
Théorème de représentation (Engel – Granger, 1987). Si
cointégrant de dimension
rang cointégrant
(i)
(ii)
donné par l’expression
est un vecteur
avec
de
alors :
est de rang
il existe une représentation ARMA vectorielle :
avec
de rang 1,
matrice log polynomiale telle que
est
fini et
Quand
il
vient
que
l’expression
autorégressive.
(iii)
3
il existe
Voir Tsasa (2013d).
matrices
de rang
tel que :
(25)
est
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(iv)
il existe une représentation à correction d’erreur avec
vecteurs des variables aléatoires stationnaires :
avec
(v)
le vecteur
où
est donné par :
désigne une matrice log polynomiale de dimension
donnée par
rang
(vi)
si
avec tous les éléments de
,
finis tel que
et
une
représentation
autorégressive
vectorielle
possible, alors il existe une forme donnée par
et,
et
finie
et
est
avec
correspondant à deux matrices polynomiales
finies.
La démonstration de ce théorème requiert préalablement la preuve du lemme sur le
déterminant et l’adjoint d’une matrice polynomiale singulière.
Lemme. Soit
une matrice polynomiale à valeurs finies de dimension
telle que
avec
pour tout
Alors, la matrice
peut être décomposée suivant le principe de calcul défini dans la
décomposition de Beveridge et Nelson :
avec :
et
.
Si
, alors :
(i)
avec
d’ordre fini ;
(ii)
où
désigne une matrice unité de dimension
et
est
fini.
Dans ce cadre, il sied de noter que l’expression d’ordre fini de
comme :
peut s’écrire
209
Théorème de représentation de Granger – Engle
Réplication de la preuve d’Engle – Granger (1987)
210
Et que par ailleurs, l’approche de décomposition de Beveridge – Nelson est
considérée comme acquise1.
Preuve. Afin de prouver ce lemme, considérons une représentation
d’ordre fini
écrit comme suit :
tel que le déterminant de
Le terme
représente la somme de produits de nombres finis de
en vient que
de
peut s’écrire sous une puissance polynomiale en
est à valeurs finies. Et donc, chaque
:
De ce fait, il
comprend au moins un terme
et de
Dès lors, tout produit avec un nombre de termes
de
supérieur ne peut
qu’être nul, car il s’agira d’un déterminant d'une sous – matrice d'ordre plus grand
que le rang de
Par conséquent, les seuls termes non nuls possibles auront
plus de termes de
et seront ainsi associés aux puissances
le premier cas possible où le terme
Modifions l’équation
ou plus de
ou
Ainsi,
est non nul est bien
en ajoutant des termes
et
dans le membre à droite.
Après manipulation, et connaissant que la première possibilité de
non nul est
on
obtient :
où :
avec :
On établit ainsi le premier résultat du lemme. Dérivons à présent le deuxième
résultat. Considérons pour ce faire, l’adjointe de
puissance en
L’adjointe
:
est une matrice comprenant des éléments ayant de déterminants d’ordre
Par transposition du résultat obtenu dans
arguments de
1
exprimée en fonction de la série
Cf. Tsasa (2013e).
sont identiquement nuls.
il vient que le
premiers
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Ainsi :
En pré – multipliant les membres de l’équation
après manipulation la relation
Puisque
et
donc
par
et
on obtient
telle que :
sont finis, et que :
sera également fini.
Ainsi, l’expression
peut donc s’écrire :
Etant donné que le produit d’une matrice par ses adjoints donne un déterminant :
par
et
et par
on a:
on obtient :
En substituant l’expression
dérive ainsi l’expression
dans
et en considérant la relation
on
:
En vertu du résultat obtenu dans la première partie de la preuve du lemme, on
établit ainsi :
avec :
et donc :
211
212
Théorème de représentation de Granger – Engle
Réplication de la preuve d’Engle – Granger (1987)
Et par ailleurs :
avec :
En considérant à présent
et connaissant
l’expression dérivée dans
peut dès lors s’écrire :
Par
Par
on a :
on sait que :
d’où :
Par
on sait que :
d’où :
et donc :
En égalisant les puissances, on a :
Il ressort que
entièrement dans l’espace de colonne nulle de la matrice
se trouve
qui est de rang
Ainsi, on a que :
Si
alors :
avec
comme premier terme dans l’expression de
tel que :
Prouvons à présent le théorème de représentation d’Engle – Granger. Comme dans
l’expression
supposons l’existence d’une représentation de Granger pour un
vecteur de variables aléatoires
cointégrées. Et soit
le vecteur cointégrant tel
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que :
est une chronique purement non déterministe, stationnaire et de
dimension
En multipliant
Pour
il vient que
fois la représentation
cointégrant. Par conséquent,
dans
il suit que :
Un vecteur avec cette propriété ne peut qu’être
doit être de rang
avec un espace nulle
contenant tous les vecteurs cointégrants. Aussi, il vient que
une représentation
La proposition
Puisque
inversible, et en particulier :
est établie en utilisant le lemme 1. Considérons :
est de plein rang et égale à
pour
La proposition 3 du théorème découle du fait que
trouve dans l’espace nul de
que
ne peut qu’être
Puisque
son inverse est
est de plein entre
tel que :
et
et se
engendre cet espace nulle, alors il vient
peut être écrit comme une combinaison linéaire des vecteurs cointégrants :
Proposition 4. En réaménageant la structure autorégressive de l’assertion
il vient
que :
Puisque :
on a que :
La proposition 5 résulte directement de la représentation de Wold. En effet, la
définition de la cointégration implique que le processus
soit stationnaire et
inversible. Ainsi, en réécrivant la représentation à correction d’erreur avec :
où
et en la pré – multipliant par
on établit que :
213
214
Théorème de représentation de Granger – Engle
Réplication de la preuve d’Engle – Granger (1987)
Pour que ce résultat soit équivalent à une représentation
stationnaire, la
représentation autorégressive doit être inversible. Cela implique donc que :
Par ailleurs, sil venait que le déterminant soit nul, alors il doit avoir au moins une
racine unité, et si le déterminant était négatif, alors pour une valeur de
comprise
entre 1 et 0, on aura que :
ce qui implique l’existence d’une racine à l’intérieur du cercle unité.
En reprenant le même développement, cependant avec
on établit ainsi la
proposition 6 du théorème.
En effet, de manière intuitive, si l’on considérait une version simplifiée de la
représentation
il suit que le passage de la forme autorégressive :
à la forme moyenne mobile :
se fait par inversion du polynôme
:
Cependant, puisque par cette opération, la cointégration entraîne la perte de rang
des matrices
et
il vient que l’inversion directe de
n’est plus possible.
Ainsi, le théorème de Granger (1987) offre une possibilité d’effectuer ce passage :
passage entre la représentation
et la représentation
d’un modèle.
In fine, dans une publication ultérieure, notre attention sera portée sur une
formulation alternative du théorème de Granger (1987) proposée par l’économètre
danois Johansen en 1991.
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