Transcript D-AVS2-2011
Analiza vremenskih serija Osnovni pojmovi Slučajan proces i vremenska serija Stacionarnost Osnovni modeli stacionarnih vremenskih serija Autokorelaciona funkcija (obična i parcijalna) Testovi autokorelacije 1 Slučajan proces i vremenska serija Slučajan proces: niz slučajnih promenljivih koje su uređene u odnosu na vreme Uobičajena oznaka: X 1 , X 2 ,... X t ,t 1,2 ,... Vremenska serija: I koncept: jedna realizacija slučajnog procesa II koncept: ne postoji razlika između vremenske serije i slučajnog procesa Termine koristimo kao sinonime: vremenski niz slučajnih promenljivih. 2 Stacionarnost I Stacionarnost vremenske serije: vremenska serija se kreće po prepoznatljivoj putanji tokom vremena Dva koncepta: stroga i slaba stacionarnost Definicija slabe stacionarnosti: 1. E ( X t ) const , t 1,2,... 2. var X t E ( X t ) 2 const , t 1,2,... 3. cov X t , X t k E ( X t )( X t-k ) (k ) k , t 1,2,..., k 1,2,... 3 Stacionarnost II Očekivana vrednost i varijansa slabo stacionarne vremenske serije su invarijantne u odnosu na vreme. Transliranjem u vremenu ove dve veličine se ne menjaju. Kovarijansa između članova vremenske serije zavisi samo od rastojanja (docnje), a ne od vremenskog trenutka. To znači da je za datu docnju k kovarijansa ista: cov X t , X t k const., za datok i t 1,2,... 4 Najjednostavniji primer stacionarne vremenske serije: beli šum (engl. white noise) E( et ) 0 , t 1,2 ,... varet E( et )2 2 const, t 1,2,... covet ,et k E( et et - k ) 0 , t 1,2,..., k 1,2,... 5 Niz nekorelisanih slučajnih promenljivih nulte srednje vrednosti i stabilne varijanse Gausov beli šum E( et ) 0 , t 1,2 ,... varet E( et )2 2 const , t 1,2,... Članovi vremenske serije su nezavisne sl. promenljiv e covet ,et k E( et et-k ) 0 , t 1,2,..., k 1,2,... et : Ν 0 , 2 , t 1,2 ,... 6 Niz nezavisnih slučajnih promenljivih koje su normalno raspodeljene sa nultom srednjom vrednošću i stabilnom varijansom Gausov beli šum: grafički prikaz Generisani Gausov beli sum (et) 3.0 26 2.5 24 2.0 22 Series: et Sample 1 200 Observations 200 Mean Maximum Minimum Std. Dev. 20 1.5 18 1.0 16 0.5 14 0.0 12 -0.5 10 -1.0 8 -1.5 6 4 -2.0 2 -2.5 0 -2 -3.0 25 50 7 75 100 125 150 175 200 -1 0 1 2 3 0.088759 2.758193 -2.604917 0.951387 Osnovni modeli stacionarnih vremenskih serija Autoregresioni modeli (AR) Modeli pokretnih proseka (MA) Autoregresioni modeli pokretnih proseka (ARMA) 8 Opšte forme modela stacionarnih vremenskih serija AR(p) model X t 1X t 1 2 X t 2 ... p X t p et MA(q) model X t et 1et 1 2et 2 ...qet q ARMA(p,q) model X t 1 X t 1 2 X t 2 ... p X t p et 1et 1 2 et 2 ... q et q Parametri modela su: 1 ,2 ,..., p ,1 ,2 ,...,q 9 Primer AR(1) modela Xt=0.7*Xt-1+et Xt=-0.7*Xt-1+et 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 -1 -1 -2 -2 -3 -3 -4 -4 -5 50 100 10 150 200 250 300 350 -5 400 50 100 150 200 250 300 350 400 Primer MA(1) modela Xt=et+0.8et-1 Xt=et-0.8et-1 4 4.0 3.5 3 3.0 2.5 2 2.0 1.5 1 1.0 0 0.5 0.0 -1 -0.5 -1.0 -2 -1.5 -2.0 -3 -2.5 -3.0 -4 -3.5 -5 50 100 11 150 200 250 300 350 400 -4.0 50 100 150 200 250 300 350 400 Uslov stacionarnosti I Relevantan kod AR modela i ARMA modela AR(p) model: X t 1 X t 1 2 X t 2 ... p X t p et X t 1 X t 1 2 X t 2 ... p X t p et AR modelu reda p može se pridružiti karakteristična jednačina oblika: g p 1g p 1 2 g p 2 ... p 0 gde g1, g2,..., gp označavaju rešenja (korene) karakteristične jednačine. Stacionarnost vremenske serije koja je opisana AR(p) modelom zavisi od rešenja karakteristične jednačine g1, g2,..., gp. 12 Uslov stacionarnosti II Može se pokazati da važi sledeća teorema: Ukoliko su svi koreni g1, g2,..., gp po modulu strogo manji od jedan, onda je vremenska serija stacionarna. Ukoliko postoji bar jedan koren gi, i=1, 2,..., p, koji je jednak vrednosti jedan po modulu, dok su drugi koreni strogo manji od jedan po modulu, onda je vremenska serija nestacionarna. Takva vremenska serija se uobičajeno naziva vremenska serija sa jediničnim korenom. Ukoliko postoji bar jedan koren gi, i=1,2,...,p, koji je strogo veći od jedan, dok su drugi strogo manji od jedan po modulu, tada je vremenska serija eksplozivna. To znači da je vremenska serija pod uticajem kumulisanog dejstva trajno rastućeg efekta neočekivanih slučajnih šokova. 13 Uslov stacionarnosti kod AR(1) modela: autoregresioni parametar je strogo manji od jedan, 1 1 X t 1 X t-1 et 1 1 X t-2 et 1 et 12 1 X t-3 et 2 et 1et 1 ... et 1et 1 12et 2 13et 3 ... funkcija impulsnog odziva var (X t ) var et 1et 1 12et 2 13et 3 ... σ 2 1 12 14 16 ... Da bi varijansa bila konacna, neophodno je da vazi 1 1. Tada je : var (X t ) σ 2 1 12 14 16 ... 1 112 14 σ2 . 2 1 1 Obična i parcijalna autokorelaciona funkcija Kako utvrditi koji od modela odgovara datom skupu podataka? Potrebno je da analiziramo korelacionu strukturu podatka. Autokorelacioni koeficijent (obični) na docnji k: rk rk cov( X t , X t k ) , k 1,2 ,... var( X t ) var( X t k ) cov( X t , X t k ) var( X t ) cov( X t , X t k r k 1,k 0 ) var( X t ) r k 1,k 1,2 ,... Niz r1, r2,… predstavlja običnu autokorelacionu funkciju. Grafički prikaz niza r1, r2,… naziva se obični korelogram. EVIEWS oznaka: AC. 15 Obična autokorelaciona funkcija jednostavnih AR i MA modela Model Uslov stacionarnosti Obična autokorelaciona funkcija Beli šum, MA(0) Uvek stacionarna rk=0, k=1,2,… rk=ф1k, k=1,2,… AR(1), 0<ф1<1 Xt=ф1Xt-1+et AR(1), -1<ф1<0 Xt=ф1Xt-1+et MA(1), 0<θ1<1 Xt=et-θ1et-1 MA(1), -1<θ1<0 Xt=et-θ1et-1 16 Opada po eksponencijalnoj putanji 1 1 Uvek stacionarna rk=ф1k, k=1,2,… Opada po oscilatornoj putanji (menja znak za svako k). r1= -θ1/(1+ θ12), rk=0, k=2,3,… r1= -θ1/(1+ θ12), rk=0, k=2,3,… Opšti oblik obične autokorelacione funkcije AR i MA modela Obična autokorelaciona funkcija Model 17 AR(p) Opada tokom vremena eksponencijalnoj, oscilatornoj sinusoidnoj putanji. MA(q) r1≠0, r2≠0,..., rq≠0, rk=0 za k>q. Jednaka je nuli za docnje veće od reda modela. po ili Parcijalna autokorelaciona funkcija Stepen korelisanosti između Xt i Xt-k smo merili na osnovu običnog autokorelacionog koeficijenta na docnji k. Autokorelacioni koeficijent na docnji k može biti pod uticajem korelisanosti Xt i Xt-k sa članovima vremenske serije na docnjama između vremenskih trenutaka t i t-k (Xt-1, Xt-2,…,Xt-k+1). Eliminacijom uticaja Xt-1, Xt-2,…, Xt-k+1 dobija se pokazatelj čiste korelisanosti između Xt i Xt-k , koji se naziva parcijalni autokorelacioni koeficijent. Ovaj koeficijent na docnji k označava se sa kk. Niz 11 22, ... predstavlja parcijalnu autokorelacionu funkciju. Grafički prikaz niza 11 22, ... naziva se parcijalni korelogram. EVIEWS oznaka: PAC. 18 Parcijalna autokorelaciona funkcija (definicija na osnovu regresione analize) 1. X t ocenjujemo u funkciji od X t 1 , X t 2 ,..., X t k 1 Xˆ t je deo X t koji sadrzi uticaj X t 1 , X t 2 ,..., X t k 1 X t Xˆ t je deo X t koji ne sadrzi uticaj X t 1 , X t 2 ,..., X t k 1. 2. X t k ocenjujemo u funkciji od X t 1 , X t 2 ,..., X t k 1 Xˆ t k je deo X t k koji obuhvata dejstvo X t 1 , X t 2 ,..., X t k 1 X t k Xˆ t k je deo X t k iz koga je iskljucen uticaj X t 1 , X t 2 ,..., X t k 1. 3. Parcijalni autokorela cioni koeficijen t na docnji k definise se kao obicni autokorela cioni koeficijen t izmedju X t Xˆ t i X t k Xˆ t k : kk 19 cov X t Xˆ t , X t k Xˆ t k , k 1,2,... ˆ ˆ var X t X t var X t k X t k Parcijalna autokorelaciona funkcija jednostavnih AR i MA modela Model Dodatni opis Parcijalna autokorelaciona funkcija Beli šum, MA(0) Nekorelisan proces kk=0, k=1,2,… AR(1), 0<ф1<1 Xt=ф1Xt-1+et Izmedju Xt i Xt-1nema dodatnog uticaja 11=r1=1 ,k=1 kk=0, k=2,3,... Poseduje AR reprezentaciju beskonačnog reda. Opada tokom vremena eksponencijalnoj putanji. po Opada tokom vremena oscilatornoj putanji. po AR(1), -1<ф1<0 Xt=ф1Xt-1+et MA(1), 0<θ1<1 Xt=et-θ1et-1 MA(1), -1<θ1<0 Xt=et-θ1et-1 20 11=r1 =1, k=1 kk=0, k=2,3,... Opšti oblik obične i parcijalne autokorelacione funkcije AR i MA modela Model Obična autokorelaciona funkcija Parcijalna autokorelaciona funkcija AR(p) Opada tokom vremena po eksponencijalnoj, oscilatornoj ili sinusoidnoj putanji 11≠0, 22≠0,..., pp≠0, kk=0 za k>p. Jednaka je nuli za docnje veće od reda modela MA(q) r1≠0, r2≠0,..., rq≠0, rk=0 za k>q. Jednaka je nuli za docnje veće od reda modela Opada tokom vremena po eksponencijalnoj, oscilatornoj ili sinusoidnoj putanji 21 Testovi autokorelacije u vremenskoj seriji 1. Da li postoji autokorelacija na tačno određenoj docnji k? H0: rk=0, H1: rk≠0 ili (H0: kk=0, H1: kk≠0) 2. Da li postoji autokorelacija na svim docnjama zaključno do m? H0: r1= r2 =...= rm =0, H1: Bar jedan od autokorelacionih koeficijenata je različit od nule. 22 Testovi autokorelacije u vremenskoj seriji II Ocena običnog/parcijalnog autokorelacionog koef. Uzorak obima T : X 1 , X 2 ,..., X T , X aritmetick a sredina T ( X t X )( X t k X ) rˆ k t k 1 T (Xt X ) , k 1,..., T 1 2 t 1 1. rˆ k je pristrasna, ali konzistentna ocena (pod dovoljno opstim uslovima za stacionarn u vremensk u seriju) 2. Pod pretpostavkom da ne postoji korelacija na docnji k ( r k 0 ) za dovoljno veliko T vazi : 1 T rˆ k : N 0, z rˆ k 0 1 T rˆ k T : N0,1 P - 1.96 rˆ k T 1.96 0.95 P - 1.96/ T rˆ k 1.96 / T 0.95 Navedena svojstva vaze i za ocenu ˆ . kk 23 Da li postoji značajna autokorelacija na docnji k? (H0: rk=0, H1: rk≠0) hipoteze H0: rk=0 se testira protiv alternativne H1: rk≠0, tako što se proverava da li je ocena običnog autokorelacionog koeficijenta na docnji k element intervala [-1.96/√T, 1.96/√T]. Nulta hipoteza se ne može odbaciti ako je: Validnost rˆ k - 1.96/ T , 1.96/ T Nulta hipoteza se odbacuje za nivo značajnosti 5% ako je: rˆ k - 1.96/ T , 1.96/ T 24 Da li postoji značajna autokorelacija na docnji k? (H0: kk=0, H1: kk≠0) hipoteze H0: kk=0 se testira protiv alternativne H1: kk≠0 tako što se proverava da li je ocena parcijalnog autokorelacionog koeficijenta na docnji k element intervala [-1.96/√T, 1.96/√T]. Nulta hipoteza se ne može odbaciti ako je: Validnost ˆkk - 1.96/ T , 1.96/ T Nulta hipoteza se odbacuje za nivo značajnosti 5% ako je: ˆkk - 1.96/ T , 1.96/ T 25 Da li postoji značajna autokorelacija zaključno sa docnjom m? (H0: r1= r2 =...= rm =0, H1: H0 nije tačna) Box-Pierce-ova, BP(m), i Box-Ljung-ova, BLj(m), test-statistika: BP ( m ) T m i 1 rˆ i 2 : m2 m BLj ( m ) Q( m ) T ( T 2 ) rˆ i 2 i 1 T Nulta hipoteza se odbacuje uz nivo značajnosti 5% i : m2 ako je Q(m) veće od korespondirajuće kritične vrednosti hi-kvadrat raspodele sa m stepeni slobode (χ2m) i nivo značajnosti 5%. ako je korespondirajuća p-vrednost manja od 5%. Broj m se definiše kao funkcija od T: 26 T , 2 T , ln(T ) Testovi autokorelacije: važna napomena Svi navedeni testovi mogu se koristiti u klasičnom regresionom modeliranju kada se proverava kvalitet ocenjenog modela. Testovi se primenjuju na vremensku seriju reziduala. Broj stepeni slobode u primeni BP i BLj test-statistika je razlika između broja ocenjenih običnih autokorelacionih koeficijenata (m) i broja ocenjenih parametara modela. 27 Primer 1 (naredna 4 slajda) Sledeća tabela sadrži podatke o 12 opservacija vremenske serije. Oceniti obične autokorelacione koeficijente na docnjama 1 i 2. Izračunati standardne greške ocena autokorelacionih koeficijenata na docnjama 1 i 2. Testirati značajnost prva dva obična autokorelaciona koeficijenta. 28 t Xt Xt X Xt 1 X X t 2 X 1 13 -3 -- -- 2 16 0 -3 -- 3 18 2 0 -3 4 14 -2 2 0 5 11 -5 -2 2 6 10 -6 -5 -2 7 8 -8 -6 -5 8 16 0 -8 -6 9 20 4 0 -8 10 20 4 4 0 11 24 8 4 4 12 22 6 8 4 T=12 Zbir:192 Zbir:0 29 X t X 2 Xt X Xt 1 X Xt X Xt 2 X 1 9 -- -- 2 0 0 -- 3 4 0 -6 4 4 -4 0 5 25 10 -10 6 36 30 12 7 64 48 40 8 0 0 0 9 16 0 -32 10 16 16 0 11 64 32 32 12 36 48 24 T=12 Zbir: 274 Zbir: 180 Zbir: 60 30 Ocene autokorelacionih koeficijenata: 12 ˆ1 r t 2 X t X X t 1 X 12 t 1 12 ˆ2 r t 3 X t X t 2 X X t 2 X 12 X t 1 X t X 2 180 0.657 274 60 0.219 274 I s rˆ 0.289 1 1 1 2 ˆ 2 ˆ s r1 s r 2 0.083 T 12 II s rˆ 2 0.289 31 Ocena autokorelacionog koeficijenta 0.657 0.219 Standardna greška ocene 0.289 0.289 Interval poverenja (95% verovatnoća) Nulta hipoteza Ispitivanje validnosti H0 Zaključak 32 (-1.96*0.289, 1.96*0.289); (-0.566;0.566) H0: ρ1=0 H0: ρ2=0 0.657 0.566 0.219 0.566 H0 se odbacuje. H0 se ne odbacuje. Primer 2 I Na osnovu 164 podataka vremenske serije nulte srednje vrednosti i stabilne varijanse ocenjeni su sledeći autokorelacioni koeficijenti (redom na docnjama od 1 do 10): -0.009; 0.456; -0.069; -0.040; -0.073; -0.049; -0.062; -0.059; 0.045; -0.038. Da li se može smatrati da je vremenska serija proces beli šum? 33 Primer 2 II Vremenska serija nulte srednje vrednosti i stabilne varijanse je proces beli šum ukoliko njeni članovi nisu korelisani: autokorelacioni koeficijenti na docnjama različitim od nule su jednaki nula. Potrebno je proveriti valjanost nulte hipoteze H0: ρk=0, protiv alternativne H1: ρk≠0, k=1,2,...10. Ukoliko se nulta hipoteza ne može odbaciti ni za jednu od prvih deset docnji, tada u vremenskoj seriji ne postoji značajna autokorelacija. To sugeriše adekvatnost belog šuma. Odgovarajući interval poverenja sa verovatnoćom 95% je rˆ 2 0.456 0.153;0.153 Zaključujemo da vremenska serija nije beli šum. 0.153;0.153 34 Primer 3: analiza korelacione strukture osnovne inflacije privrede Srbije, 2002:1-2008:3 (T=75) I Docnja (k) 1 2 3 4 5 6 7 8 Ocena običnog autokorel.koeficijenta 0.493 0.355 0.338 0.275 0.101 0.166 0.127 0.025 Značajna korelacija DA DA DA DA NE NE NE NE Interval poverenja sa verovatnoćom 0.95 [-0.23;0.23] 35 Primer 3: analiza korelacione strukture osnovne inflacije privrede Srbije, 2002:1-2008:3 (T=75) II Docnja (k) 1 2 3 4 5 6 7 8 Ocena parcijalnog autokorel. koeficijenta 0.493 0.148 0.157 0.047 -0.145 0.117 -0.010 -0.078 Značajna korelacija DA NE NE NE NE NE NE NE Interval poverenja sa verovatnoćom 0.95 [-0.23;0.23] Zaključak: ovu seriju verovatno treba modelirati na osnovu AR(1) forme. 36 Primer 3: analiza korelacione strukture osnovne inflacije privrede Srbije, 2002:1-2008:3 III Autokorelacioni koeficijenti vremenske serije reziduala iz AR(1) modela ukazuju na to da je ocenjenim modelom obuhvaćena autokorelacija u seriji osnovne inflacije .025 .020 .015 Ocena običnog autokorel.koeficijenta. Docnja 1 2 3 4 5 6 7 8 -0.059 0.033 0.145 0.174 -0.120 0.113 0.091 -0.129 .010 .005 .015 .000 .010 -.005 -.010 .005 .000 -.005 -.010 -.015 Interval poverenja sa verovatnoćom 0.95 [-0.23;0.23]. 37 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Reziduali Stvarno kretanje osnovne inflacije Kretanje osnovne inflacije ocenjeno prema AR(1) modelu (ocena AR(1) parametra 0.49)