Optimizing time series models via point-wise loss functions (e.g., MSE) relying on a flawed point-wise independent and identically distributed (i.i.d.) assumption that disregards the causal temporal structure, an issue with growing awareness yet lacking formal theoretical grounding. Focusing on the core independence issue under covariance stationarity, this paper aims to provide a first-principles analysis of the Expectation of Optimization Bias (EOB), formalizing it information-theoretically as the discrepancy between the true joint distribution and its flawed i.i.d. counterpart. Our analysis reveals a fundamental paradigm paradox: the more deterministic and structured the time series, the more severe the bias by point-wise loss function. We derive the first closed-form quantification for the non-deterministic EOB across linear and non-linear systems, and prove EOB is an intrinsic data property, governed exclusively by sequence length and our proposed Structural Signal-to-Noise Ratio (SSNR). This theoretical diagnosis motivates our principled debiasing program that eliminates the bias through sequence length reduction and structural orthogonalization. We present a concrete solution that simultaneously achieves both principles via DFT or DWT. Furthermore, a novel harmonized $\ell_p$ norm framework is proposed to rectify gradient pathologies of high-variance series. Extensive experiments validate EOB Theory's generality and the superior performance of debiasing program.


翻译:通过逐点损失函数(如均方误差)优化时间序列模型,依赖于一个存在缺陷的逐点独立同分布假设,该假设忽视了因果时间结构。这一问题虽日益受到关注,但缺乏正式的理论基础。本文聚焦于协方差平稳性下的核心独立性问题,旨在对优化偏差期望进行第一性原理分析,将其信息论形式化为真实联合分布与其有缺陷的独立同分布对应分布之间的差异。我们的分析揭示了一个根本性的范式悖论:时间序列的确定性越强、结构越清晰,逐点损失函数导致的偏差就越严重。我们首次推导了线性和非线性系统中非确定性优化偏差期望的闭式量化表达式,并证明优化偏差期望是一种内在的数据属性,完全由序列长度和我们提出的结构信噪比决定。这一理论诊断启发了我们的原则性去偏方案,该方案通过序列长度缩减和结构正交化来消除偏差。我们提出了一种具体解决方案,通过离散傅里叶变换或离散小波变换同时实现这两个原则。此外,我们提出了一种新颖的调和$\ell_p$范数框架,以纠正高方差序列的梯度病态问题。大量实验验证了优化偏差期望理论的普适性以及去偏方案的优越性能。

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