ANALÝZA ČASOVÝCH ŘAD
Radka Vokřálová
Ústav matematiky a statistiky Masarykova univerzita, Brno
Seminář z finanční matematiky
Analýza časových řad březen 2013 1/27
Obsah
Q Náhodné procesy
• Časové řady
• Popis časových řad
Q Klasická dekompozice časových řad
• Modelování trendu
Q Box-Jenkinsonova metodologie
• Odhady v ARMA procesech
• Autokorelační funkce
Q Spektrálni analýza časových řad
• Spektrální hustota
• Odhady spektrálni hustoty
Analýza časových řad
Náhodné procesy Časové řady
Náhodné procesy
• Náhodný proces je reálnou funkcí dvou proměnných -elementárního jevu a jedné reálné proměnné, kterou obvykle bývá čas. Značení {Y(u,í),weíl,íeT}azkráceně {Yt,t e T}.
• Náhodný proces, kde indexová množina T = Z nebo je T c Z, se nazývá proces s diskrétním časem nebo náhodná posloupnost nebo také časová řada.
• Příklady náhodných procesů v ekonomice
• Změny poptávky po určitém výrobku
• Analýza vývoje kurzu akcií na burze
• Objem zemědělské produkce
Analýza časových řad březen 2013 3/27
Náhodné procesy Popis časových řad
Popis časových řad
• Časové řady lze popsat pomocí tzv. aditivního modelu:
Yt = Trt + Szt + et (1)
nebo multiplikativního modelu: Yt = Trt ■ Szt ■ et, který se ovšem může logaritmováním transformovat na aditivní model.
• Jednotlivé složky jsou
Trt - trend, který odráží dlouhodobé působení vlivů
• Szt - sezónní složka, která popisuje periodické změny, např. vliv ročních období
• et - náhodné fluktuace (kolísání), které modeluje vlivy, které působí nepravidelně
Analýza časových řad březen 2013 4/27
Klasická dekompozice časových řad
I. Klasická dekompozice časových řad
• Mezi základní přístupy analýzy časových řad patří klasická dekompozice, která je založena na regresní analýze. Vychází
z předpokladu, že náhodný proces, který generuje časovou řadu, je závislý pouze na čase.
• Jednotlivá pozorování se obvykle považují za navzájem nekorelovaná, tj. {et,t e Z} se chápe jako bílý šum s nulovou střední hodnotou a varianční maticí (C(£j,£j))™1=
• Dekompozicí rozumíme rozklad na deterministickou a stochastickou (náhodnou) složku, kde deterministickou složku ještě dále rozkládáme na sezónní složku a trend.
Analýza časových řad březen 2013 5/27
Klasická dekompozice časových řad
Modelovaní trendu
I. Klasická dekompozice časových řad
MODELOVÁNÍ TRENDU
• Trend v časové řadě představuje tendenci dlouhodobého vývoje sledovaného ukazatele v čase. V rámci ekonomického využití časových řad je trend nejdůležitější složkou, která nás zajímá jak z hlediska současného stavu, tak i predikce budoucího vývoje.
• Klasická dekompozice trend modeluje pomocí regresních modelů, kde se do trendu obvykle zahrnují i cyklické složky s periodou.
• Ke stanovení trendů lze v závislosti na typu a charakteru náhodného kolísání použít dva různé přístupy:
O Parametrický přístup, který předpokládá určitý typ rozdělení,
obvykle pak normální rozdělení bílého šumu Q Neparametrický přístup, kam patří různé metody založené na
jádrových odhadech
Analýza časových řad březen 2013 6/27
Klasická dekompozice časových řad
Modelovaní trendu
I. Klasická dekompozice časových řad
MODELY GLOBÁLNÍHO TRENDU
• Regresní modely dále můžeme rozdělit na modely globálního trendu a modely postupného lokálního trendu.
• U modelu globálního trendu, uvažujeme časovou řadu {Yt, í g T} a n pozorování této řady v časových okamžicích íi < t2 < ... < tn. Předpokládáme, že jednotlivá pozorování v čase u vyhovují modelu
Yti = f(ti)+ei, i = l,...,n (2)
kde f (t i) je neznámá trendová funkce vybraná z předem dané třídy funkcí, tj. jedná se o parametrický přístup.
Analýza časových řad březen 2013 7/27
Klasická dekompozice časových řad Modelovaní trendu
MODELY GLOBÁLNÍHO TRENDU
Regresní model trendu
• Předpokládáme, že trendová funkce je určena konečným počtem parametru
f (t) =Po+/31i(i),.. -,0 = 1-a Neznámé parametry (3 odhadneme pomocí metody nejmenších čtverců (MNČ), kde platí
3 = (X'X)_1X'Y (4)
Analýza časových řad březen 2013 8/27
Klasická dekompozice časových řad
Modelovaní trendu
MODELY GLOBÁLNÍHO TRENDU
Regresní model trendu
• Příkladem trendové funkce, která vede na lineární regresní model, je tzv. polynomický trend
/(*) = /30 + /31t + --- + /3píp (5)
kde kromě neznámých parametrů (3 musíme ještě určit vhodný stupeň polynomu p.
• Pro odhad stupně polynomu můžeme využít různé metody. Například metodu „od nejnižšího stupně k nejvyššímu", penalizační metodu nebo Akaikeovo informační kritérium. Viz. [1, str. 66]
Analýza časových řad březen 2013 9/27
Klasická dekompozice časových řad
Modelovaní trendu
Ukázka časové řady
Počty zemřelých osob po dopravním úrazu v CR v letech 1980-2005
1700 j-1-1-1-1-
1985 1990 1995 2000 2005
Vstupní data spolu s polynomickým trendem 6. řádu.
Analýza časových řad
12013 10/27
Klasická dekompozice časových řad
Modelování trendu
I. Klasická dekompozice časových řad
MODELY LOKÁLNÍHO POSTUPNÉHO TRENDU
• Hlavní myšlenka lokální metody nejmenších čtverců spočívá v tom, že provedeme odhad trendu Trt polynomem na lokálním intervalu
(t-s,t + s)
na rozdíl od klasické metody, kdy trend odhadujeme polynomem na celém intervalu možných hodnot parametru t.
« Parametr s > 0 se nazývá šířka vyhlazovacího okénka a jeho vhodná volba hraje při odhadu důležitou roli.
Analýza časových řad březen 2013 11/27
Klasická dekompozice časových řad
Modelování trendu
I. Klasická dekompozice časových řad
MODELY LOKÁLNÍHO POSTUPNÉHO TRENDU
Lokální metoda nejmenších čtverců se někdy nazývá klouzavá polynomická metoda, protože kolem bodu t, v němž má být trend odhadnut, je umístěno vyhlazovací okénko a odhad trendu se mění (pohybuje) spolu s t.
• Uvnitř intervalu aproximujeme trend polynomem stupně m
m
Q{x) = YlPÁt)(x-t)J (6)
j=0
a neznámé koeficienty /3,(t) odhadujeme metodou nejmenších čtverců (případně váženou MNČ), tyto koeficienty budou pro každé t jiné.
Analýza časových řad březen 2013 12/27
Klasická dekompozice časových řad
Modelování trendu
I. Klasická dekompozice časových řad
MODELY LOKÁLNÍHO POSTUPNÉHO TRENDU
• Různé metody, které jsou založené na lokální metodě nejmenších čverců, jsou například - klouzavé průměry, jednoduché klouzavé průměry, centrované klouzavé průměry
• Dále například modely exponenciálního vyrovnávání vychází z lokální vážené metody nejmenších čtverců, kde jednotlivým údajům v časové řadě jsou přiřazeny rozdílné váhy, které směrem do minulosti exponenciálně klesají.
Analýza časových řad březen 2013 13/27
Box-Jenkinsonova metodologie
II. Box-Jenkinsonova metodologie
• Box-Jenkinsonova metodologie na rozdíl od klasické dekompozice předpokládá, že všechny složky časové řady tj. trend i cyklická složka, mají náhodný charakter. A jejím těžištěm je korelační analýza.
• Výhodou této metody je její flexibilita a to, že se rychle adaptuje na změnu v charakteru modelovaného procesu.
9 Nevýhodou bývá požadavek na dostatečně dlouhé realizace
časové řady. Ztrácí se také možnost jednoduché interpretace výsledných modelů.
Analýza časových řad březen 2013 14/27
Box-Je n k i n so nova metodologie
II. Box-Jenkinsonova metodologie
• V dalším předpokládejme, že náhodná posloupnost {Yt,t e Z} je stacionární, centrovaná a druhého řádu, tj. je stacionární ve střední hodnotě, která je rovna nule, je kovariančně stacionární, a má konečné druhé momenty.
• Základní modelová schémata:
• Autoregresní procesy AR(p)
• Procesy klouzavých průměrů MA(q)
• Případně kombinace předchozích, ARMA(p, q)
a ARMA proces řádu p, q je definovám vztahem
Yt - tpxYt-!-----^PpYt-p = St + OlSt-l + • • • + QqSt-q, (7)
kde st ~ WN(0,al)
Analýza časových řad březen 2013 15 / 27
Box-Jenkinsonova metodologie
Odhady v ARMA procesech
Odhady v ARMA procesech
• Určení vhodného ARMA(p, q) modelu pro danou realizaci stacionárního procesu v sobě zahrnuje
O výběr řádu modelu paq, tj. provedení identifikace modelu
Q odhad parametrů ipi,..., ipp, 9i,..., 9q a erf O ověření vhodnosti modelu.
• Před provedením identifikace modelu se doporučuje vykreslit graf řady a pokud by byla střední hodnota nenulová, tak provést centrování řady.
• Představu o struktuře studovaného procesu získáme na základě zkoumání průběhu odhadnuté autokorelační funkce (ACF) a odhadnuté parciální autokorelační funkce (PACF).
Analýza časových řad březen 2013 16/27
Box-Jenkinsonova metodologie Autokorelační funkce
Autokorelační funkce
• Na základě teoretických výpočtů známe základní vlastnosti ACF a PACF v procesech AR, M A a ARMA
• AR proces
• ACF funkce exponenciálně klesá k nule pro t ->• oo a PACF pro
t > k0, kde k0 je tzv. identifikační faktor, se výrazně neliší od nuly
• M A proces
• Chování ACF a PACF je opačné oproti funkcím v AR procesu « ARMA proces
• ACF i PACF exponenciálně klesají k nule pro t ->• oo, ovšem nelze určit identifikační bod, od kterého by se některá z korelačních funkcí výrazně lišila od nuly.
Analýza časových řad březen 2013 17/27
Box-Je n k i n so nova metodologie Autokorelační funkce
Příklad AR(p) procesu
y, = o,5yt_i + o,2yt_2 + et,
£t~JV(0,l),
50 100 150 200 250
Simulovaná data pro kauzální AR{2) proces.
Odhad ACF : p{t)
Odhad P ACF : S(t)
ít lihli,
IľJJIil'ii'"
I0 20 30 40 50 0 10 20 30
Odhady ACF a PACF pro simulovaná data z AR{2) procesu.
Analýza časových řad
Box-Jenkinsonova metodologie Autokorelační funkce
Příklad MA(q) procesu
Yt = tt- 0,5«,_i - 0,2et_2, Et ~ N(0,1),
4|-1-r
0 50 100 150 200 250 300
Simulovaná data pro invertibilní MA(2) proces. Odhad ACF: p(ť) ^ Odhad PACF: S(i)
0.5 0.5
0 10 20 30 40 50 ' 0 10 20 30 40 50
Odhady ACF a PACF pro simulovaná data z MA{2) procesu.
Analýza časových řad
březen
Box-Jenkinsonova metodologie Autokorelační funkce
Příklad ARMA(p, q) procesu
y, = 0,5y,_i + 0,2Yt-2 + e« - 0,4e,_1 + 0,3e,_2, st ~ JV(0,1),
0 50 100 150 200 250 300
Simulovaná data pro invertibilní ARMA(2,2) proces.
Odhad ACF: p(t) ^ Odhad PACF ■ a(t)
0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50
Odhady ACF a PACF pro simulovaná data z ARMA(2,2) procesu.
-n-HT
Analýza časových řad
březen 2013
Spektrální analýza časových řad
III. Spektrální analýza časových řad
• Klasická dekompozice a Box-Jenkinsonova metodologie jsou základní přístupy k analýze časových řad v časové doméně. Ve spektrální doméně patří mezi základní přístupy spektrální analýza, která je založena na Fourierově analýze.
• Spektrální analýza časových řad předpokládá, že lze časovou řadu vyjádřit pomocí funkcí sin(x) a cos(x) o rozličných amplitudách a frekvencích. Stěžejním faktorem zde není časová proměnná, ale faktor frekvenční.
• Vhodná při srovnávání chování několika řad, kdy můžeme porovnat řady v rámci jednotlivých frekvencí.
Analýza časových řad březen 2013 21 /27
Spektrální analýza časových řad
III. Spektrální analýza časových řad
• Předpokládejme opět, že náhodná posloupnost {Yt,t e Z} je stacionární, centrovaná a druhého řádu, tj. je stacionární ve střední hodnotě, která je rovna nule, je kovariančně stacionární, a má konečné druhé momenty.
• Důležitou vlastností stacionární náhodné posloupnosti je vlastnost, že její autokovarianční funkci lze vyjádřit jako nespočetný součet harmonických funkcí s různými amplitudami a frekvencemi.
Analýza časových řad březen 2013 22/27
Spektrální analýza časových řad Spektrální hustota
III. Spektrální analýza časových řad
Spektrální hustota
• Podle Herglotzovy věty [1, str. 28] známe spektrální rozklad autokovarianční funkce stacionární posloupnosti
7(í) = ľ eitxdF(X), (8)
J — 7t
kde funkce F(X) se nazývá spektrální distribuční funkce a je-li absolutně spojitá, pak existuje taková funkce /(A), že pro náhodné stacionární posloupnosti platí
F(X) = ŕ f(x)dx (9)
J — 7t
a funkce /(A) se pak nazývá spektrální hustota.
Analýza časových řad březen 2013 23 / 27
Spektrální analýza časových řad Spektrální hustota
III. Spektrální analýza časových řad
Spektrální hustota
• Existuje-li spektrální hustota, pak můžeme psát
7(í) = f euxf(X)dX
9 Pomocí Fourierovy transformace lze pak vyjádřit spektrální hustotu pomocí autokovarianční funkce
oo
= ^ E e"ťíA7(t)
2tt
t— — OO
Analýza časových řad březen 2013
Spektrální analýza časových řad Odhady spektrální hustoty
Spektrální hustota
Odhady spektrální hustoty
• PERIODOGRAM
• Periodogram je funkce definovaná pro n pozorování náhodné posloupnosti vztahem
ín(w) = i
te
t=i
(12)
In{uj) se dá považovat za empirický odhad spektrální hustoty,
který je asymptoticky nestranným odhadem, ovšem není konzistentním - jeho rozptyl nekonverguje k nule, pokud vzrůstá délka posloupnosti pozorování.
Díky svým vlastnostem je užitečným prostředkem pro vyhledávání významných periodických složek v časové řadě.
4 □ ► ► 4 -š ► 4 -š ► -š "O^O
Analýza časových řad březen 2013 251 27
Spektrální analýza časových řad Odhady spektrální hustoty
%i [1] FORBELSKÁ, Marie. Stochastické modelování
jednorozměrných časových řad. Brno: Masarykova univerzita, 2009.
% [2] KRIŠTOF, Aleš. Nové metody a přístupy k analýze a prognóze ekonomických časových řad. Praha, 2006. Disertační práce. Česká zemědělská univerzita v Praze.
Analýza časových řad březen 2013 26/27
Spektrální analýza časových řad Odhady spektrální hustoty
Děkuji za pozornost.
Analýza časových řad