MODELLI DI SERIE STORICHE

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Transcript MODELLI DI SERIE STORICHE

MODELLI DI SERIE STORICHE Approccio Classico

-

Modelli di composizione: componenti trend ciclo stagionalità comp.accidentale

-

tipi di composizione : 1) 2) additività moltiplicatività 3) misto 1) ipotesi di indipendenza tra le componenti modello additivo Z t  T t  C t  S t  a t 2) non indipendenza tra le componenti modello moltiplicativo Z t  T t  C t  S t  a t 1

Il caso 2) si riduce al caso 1) considerando i log , cioè : log Z t  log T t  log C t  log S t  log a t 3) modello: Z t  T t  S t  C t  a t

pregi

semplicità

difetti

pluralità di soluzioni serie anche corte prima approssimaz.

assunzione modellistica troppo rigida visione settorizzata 2

Modelli stocastici o di Box-Jenkins (approccio moderno post 1925)

1.

2.

3.

Modello autoregressivo (AR) Modello a media mobile (MA) Modello misto (ARMA) 1.

Z t   1 Z t  1   2 Z t  2  ...

  p Z t  p  a t a t  residuo o disturbo  i ( i  1 , ...

, p )  coefficienti AR(p) - modello autoregressivo di ordine p 2.

Media mobile : è una media aritmetica che si sposta, ad ogni iterazione, dall’inizio alla fine della successione di dati.

3

Esempio: MA a tre termini z 1 z 2 z 3 z 4 z 5 .

.

.

z n  2 z n  1 z n zˆ 2  z 1  z 2 3  z 3 zˆ 3  z 2  3 z 3  z 4 zˆ 4  z 3  z 4  z 5 3 zˆ n  1  z n  2  z n  1  z n 3 zˆ t  z t  1  z t  z t  1 3 Può essere: - semplice In generale termini dispari . MA centrata.

- ponderata 4

Modelli a MA: Z t  a t   1 a t  1  ...

  q a t  q  i ( i  1 , ...

, q ) costanti Modello MA(q) di ordine q 3.

Modelli misti Z t   1 Z t  1  ...

  p Z t  p  a t   1 a t  1  ...

  q a t  q Modello ARMA (pq) I modelli Box-Jenkins essendo di tipo stocastico stocastico

processo stocastico

generano un Analizzare una serie empirica con i modelli Box-Jenkins significa scegliere, tra i molti modelli possibili, quello più adatto e stimarne i parametri 2 fasi di analisi: _ identificazione _ stima 5

Operatori, funzioni generatrici, equazioni alle differenze finite

Operatore all’indietro (backward) B Data una sequenza z t  2 , z t  1 , z t , z t  1 , z t  2 l’operatore B serve a trasformare un termine di tale sequenza in uno che lo precede di uno o più posti.

Quindi : B z t  z t  1 oppure B j z t  z t  j Operatore in avanti (forward) F Stessa definizione, salvo che F trasforma in avanti, cioè F z t  z t  1 oppure Ovviamente : F  B  1 F j z t  z t  j 6

Operatore alle differenze finite  .

 

j z t z t

 

z t

   

z t j

 1  1

z t

 

z t

 oppure

z t

j

Ma:  z t  z t  z t  1  z t  B z t 

1  B

z t cioè :   1  B Poi:  2 z t  

 z t

 z t  2 z t  1  z t  2 7

PROCESSO AUTOREGRESSIVO DI ORDINE p AR(p)

z t   1 z t  1   2 z t  2  ...

  p z t  p  disturbo a t (*) Somma ponderata di valori passati z t cui si aggiunge un disturbo calcolato sul valore attuale a t . Riscrivendo la (*) si ha: z t   1 z t  1   2 z t  2  ...

  p z t  p  a t che diviene, con l’operatore B:  1   1 B   2 B 2  ...

  p B p  z t  a t Ponendo la quantità in parentesi uguale a nota anche come

operatore AR(p)

, si ha: 

 

,  z t  a t 8

Nella (*) può essere aggiunta una costante  che misura il livello del processo che, se il processo è stazionario, è uguale alla sua media, quindi in generale AR(p) ha forma: z t     1 z t  1  ...

  p z t  p  a t Le condizioni di stazionarietà del processo si ottengono dalle radici della sua equazione caratteristica, cioè ponendo 

 

 0 , quindi 1   1 B   2 B 2  ...

  p B p  0 Si dimostra (Box & Jenkins) che la stazionarietà di AR(p) si ottiene quando le radici della equazione caratteristica sono in modulo > 1, o in altre parole sono esterne al cerchio di raggio unitario 1 9

Media.

Se z   t  0 , nel caso del modello completo: E

 

t ...

  E    ...

 1  z t  1  p  z t  p   p  E  z  t  1   p E 

 

t  1 E

 

t   2   2 a t z t  2   E

 

t  2  Siccome E E   t  1 t    1 E

 

t  1   2   E ...

 

t  2 ....

   p  e  E t  0 Quindi E   t  1   1    2  ...

 p Ovviamente nel modello ridotto in cui   0 E

 

t  0 10

Autocovarianza  

E k

  2

E

z t z t

 2

z t z t

 

k k

    

E

...

 1 

E z t

  1 

p z t

k z t

p

 

z t

k

 

E

a t z t

k

 Ma per k > 0 E

z t  k a k

 0 , quindi:  k   1  k  1   2  k  2  ...

 p  k  p k = 1,2,..p

Varianza: analogamente si dimostra che var   0   1  1   2  2  ...

 p  p   a 2 Le  k di AR(p) sono in numero infinito; per i valori di j > p si può ricorrere alla forma:  j   1  j  1   2  j  2  ...

 p  j  p Che è nota come

equazione di Yule-Walker

11

Tale relazione consente di : 1. conosciuto un certo AR(p), cioè una volta noti i  i , si possono calcolare le autocov.

teoriche corrispondenti; 2. se non si conoscono i  i si possono stimare sostituendo ai valori teorici delle autocov.

 k i corrispondenti valori campionari c i ottenuti dalla serie storica osservata.

Autocorrelazione Dividendo  k  0 si ha:  k   1  k  1   2  k  2  ...

  p  k  p k = 1,2,3,… In cui partendo da  0  1 si ottengono in forma ricorsiva tutti i coefficienti di 12 autocorrelazione teorica.

Ovviamente vale quanto detto in 1. e 2.

Correlogramma Dalla  k si vede come il corr. di AR(p) è costituito da infiniti termini.

Si dimostra che tali termini, a seconda dei valori dei parametri, tendono a zero monotonicamente oppure con oscillazioni.

Casi particolari.

AR(1) z t   1 z t  1  a t Il valore della serie al tempo t è pari ad una frazione del valore precedente aumentato (algebricamente) dell’errore a t .

13

Es: supponiamo  1  0 , 5 Allora graficamente: .

z t z 1 z 2  0 , 5 z 1  a 2 a 2 0 , 5 z 1 1 0 , 5 z 2  a 3 2 z 3  0 , 5 z 2  a 3 t 3 a t  v .

c .

, E   t  0

innovazione

Stazionarietà Dal caso generale, siccome dell’equazione caratteristica, cioè 

 

 1   1  0 le radici sono esterne al cerchio unitario, allora : AR(1) è stazionario se e solo se  1  1 14

Media Se E

 

t  0 allora E

 

t  0 Varianza Dalle relazioni di  k e  0  1   a 2  2  0 di AR(p) si ricava da cui risulta che, siccome  2  1 , cioè   1  0  0 , come rilevato per la condizione di stazionarietà.

allora Autocovarianza Si dimostra (Nelson, Piccolo) che  k  1   2 a  2  k 15

che utilizzando la relazione per  0 diviene:  k   0  k Autocorrelazione  k   k 1 Correlogramma A seconda del segno di  si ha: 1   0   0 0  1 Autocorrelazione parziale Si dimostra (Kendall) che  k k   1 0   1 k k   1 1 16

Non stazionarietà La stazionarietà si ha per Se  1  1 allora z t  1  1  z t  1  a t Random Walk (non stazion. omogenea (*)) Se  1  1 allora il processo assume un andamento esplosivo tipo reazione nucleare.

(*) considerando successivi sostanzialmente uguali.

intervalli temporali questi hanno dei componenti 17

Random walk stazionarietà non omogenea z t  t  1  a t z t  Stazionario 0 , 35 z t  1  a t z t Esplosivo  1 , 2 z t  1  a t 18

t 0 1 10 20 a t -1 -1,6 -0,4 1,3 -0,4 0,7 1,2 0,4 0,9 -0,1 -0,3 -0,1 0,2 -0,6 -0,4 -0,4 -0,9 0,0 0,3 -1,6 -0,4 -0,8 -0,1 0,0 1,2 -0,1 0,4 -0,8 -0,2 0,8 z t 0,5 -1,4 -0,96 0,92 -0,03 0,68 1,47 0,99 1,29 0,42 -0,13 -0,15 0,14 -0,54 -0,62 -0,64 -1,16 -0,46 0,11 -1,55 -1,02 -1,21 -0,58 -0,23 1,11 0,34 0,54 -0,58 -0,43 0,63 t 30 31 40 50 60 a t -1,2 0,3 0,6 1,5 -0,9 -0,3 -0,4 -1,2 1,0 -1,3 0,4 0,0 0,5 2,1 -0,5 2,1 0,4 0,8 0,6 0,1 0,4 0,5 -0,4 3,3 0,4 -0,1 1,4 1,1 -3,7 -1,1 -0,1 z t -0,95 -0,08 0,57 1,73 -0,21 -0,38 -0,55 -1,42 0,43 -1,13 -0,05 -0,02 0,49 2,29 0,41 2,26 1,30 1,32 1,13 0,55 0,62 0,75 0,1 3,26 1,7 0,58 1,63 1,75 -3,0 -2,3 -1,02 Simula zione AR(1) 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 1 11 21 31 41 51 61

t

19

k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10  k 0,4 0,16 0,064 0,0256 0,01024 0,0041 0,00164 0,0007 0,0003 0,0001 r k 0,486 0,341 0,281 0,029 -0,011 -0,149 -0,002 0,054 0,095 0,066 E

 

t  0 ; molto vicini z  0 , 17 non vicini oscilla 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1 -0,2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10  k 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1 -0,2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 r k 20

Processo autoregressivo di 2° ordine

z t   1 z t  1   2 z t  2  a t  1 ,  2  parametri , a t  N  0 ,  a 2  su t Stazionarietà Le radici dell’equazione caratteristica devono essere esterne al cerchio unitario.

Equazione caratteristica   1   1 B   2 B 2  0 Si dimostra condizione si che per devono soddisfare verificare, tale come vedremo poco sotto (correlogramma) le seguenti disuguaglianze       1 2 2     1   2 1    1 1 1 21

Le disuguaglianze individuano nel piano  1 ,  2 la seguente regione triangolare: 1 0  2 -2 -1 0  1 2 Media Modello completo (con costante  E

 

t E

 

t      1    1 E

 

t  1 E

 

t  1    2  2 E z t  2  E a t E

 

t 2 )  1   1    2 Si può facilmente dimostrare che z t *  z t  siccome: E

 

t z t *  , cioè gli scarti dalla media, z t   1   1   2 Sono anch’essi AR(2), senza costante 22

Varianza Piccolo (1970) ha dimostrato che  0  1  2   1  1    1  1  0  1     2  2  2  2  1  0  

a

2 varianza autocov.

lag 1,2 e che…… k > 2 ,  k è ottenibile dalla usuale relazione di Yule-Walker  k   1  k  1   2  k  2 autocov. gen.

Quindi:  1   1   1  2  2   1  1   2  j   1  j  1   2  j  2 autocorr.

23

Correlogramma Essendo l’eq. cartesiana di 2° grado, infatti: 1   1 B   2 B 2  0 Il correlogramma può assumere forme più numerose di AR(1), perché le radici possono essere: • reali e disuguali • reali e coincidenti • complesse e coniugate.

La forma del correlogramma dipende dai valori assunti dalle soluzioni dell’equazione Caratteristica.

Box & Jenkins hanno dimostrato che in caso di radici reali si ha: andamenti smorzati 24

In caso di radici complesse: andamenti sinusoidali smorzati Autocorrelazione parziale Box & Jenkins dimostrano che:  1 1   1 ,  2 2   1 2     1 2 1 2 ,  k k  0 Questi due soli valori hanno andamenti diversi a seconda che le radici siano reali o complesse 25

t 0 1 10 20 a t -1 -1,6 -0,4 1,3 -0,4 0,7 1,2 0,4 0,9 -0,1 -0,3 -0,1 0,2 -0,6 -0,4 -0,4 -0,9 0,0 0,3 -1,6 -0,4 -0,8 -0,1 0,0 1,2 -0,1 0,4 -0,8 -0,2 0,8 z t 0,5 0,5 -0,6 1,76 -1,576 1,998 -0,314 0,988 0,244 -0,048 0,039 -0,133 0,288 -0,799 0,137 -0,642 -0,488 0,164 0,495 0,104 -0,363 -0,561 0,164 -0,211 1,359 -0,957 1,246 -1,738 1,092 -0,203 t 30 31 40 50 60 a t -1,2 0,3 0,6 1,5 -0,9 -0,3 -0,4 -1,2 1,0 -1,3 0,4 0,0 0,5 2,1 -0,5 2,1 0,4 0,8 0,6 0,1 0,4 0,5 -0,4 3,3 0,4 -0,1 1,4 1,1 -3,7 -1,1 -0,1 z t -0,861 0,776 -0,038 1,678 -1,915 1,185 -1,494 -0,067 1,339 -2,116 1,938 -1,586 1,84 -1,329 0,661 1,439 -0,331 1,285 -0,237 0,499 0,054 0,568 -0,73 3,852 -2,057 1,904 -0,154 1,574 -4,675 2,02 -2,247 4 3 2 1 0 -1 1 -2 10 19 28 37 46 55

t

26

Simulazione di un AR(2) z t   0 , 6 z t  1  0 , 2 z t  2  a t partenza z 0  z 1  0 , 5 Condizioni di stazionarietà:  1  2   2   1  1  0 , 2     0 1 0 , 8 , 4   1 1

si si si

z t è quindi stazionario.

Utilizzando scarti normali standardizzati si ottengono i valori tabulati con il relativo andamento grafico.

Poi, utilizzando le relazioni viste per  1 ,  2 ,  k Si calcoli la funzione di autocorrelazione e k dai valori simulati la 27 campionaria.

1 2 3 4 5 k  k -0,75 0,65 -0,56 0,45 -0,38 r k -0,68 0,52 -0,24 0,22 -0,15 k 6 7 8 9 10  k 0,32 -0,27 0,22 0,19 0,16 r k 0,01 0,10 -0,17 0,18 -0,15 Correlogrammi  k r k Autocorrelazione parziale  1 1   0 , 75 ;  2 2  0 , 2 r 1 1   0 , 674 ; r 2 2  0 , 095 28

PROCESSO A MEDIA MOBILE MA(q) Il processo MA(q) è solamente costituito da un numero finito di q termini, cioè: z t  a t   1 a t  1  ...

  q a t  q Introducendo l’operatore B si ha: z t   1   1 B   2 B 2  ...

  q B q  a t che diviene: z t  

 

a t Dove     1   1 B   2 B 2  ...

  q B q Denota il cosiddetto operatore MA(q).

29

Stazionarietà Siccome l’operatore MA(q) è una serie finita, non esistono particolari restrizioni per assicurare la stazionarietà Invertibilità (vedi dopo per maggior dettaglio) Un MA(q) è invertibile quando le radici dell’equazione caratteristica     1   1 B   2 B 2  ...

  q B q  0 sono esterne al cerchio unitario.

Media Se le a t hanno media nulla, è nulla pure la media del processo, quindi: E

 

t  0 30

Autocovarianza, varianza e autocorrelazione Tenendo conto delle relazioni già viste per il processo lineare si ha:  k      0  k   1  k  1   2  k  2 per  k ...

 q  q  q  k   a 2 con k = 1,2,…,q.

Da cui la varianza:  0   1   1 2   2 2  ...

  q 2   a 2 e quindi la autocorrelazione:  k     0  k  1   1   k 1 2   ...

...

   q  q 2  q  k per ; k  1 , 2 ,..., k  q q Se i valori  i

i  1 , 2 , ...

k

sono noti, oppure stimati, si possono ricavare i parametri  i .

Ovviamente essendo non lineare la relazione

Si noti che siccome indipendenti da  k ,  0 ,  k sono t , MA(q), come prima visto, è sempre stazionario.

Invertibilità di AR(p) e invertibilità di MA(q)

Condizione di invertibilità Tale condizione è molto importante soprattutto a proposito dei modelli MA(q), dal momento che questi ultimi, a differenza degli AR(p), sono caratterizzati dal problema della molteplicità dei modelli.

Invertibilità per AR(p)

 1   1 B   2 B 2  ...

  p B p  z t  a t Invertendo si ha: z t  1 1   1 B   2 B 2  ...

  p B p a t 32

Sviluppando in serie il rapporto evidenziato in rosso si ha: 1   B   2 B 2  ...

per cui: z t   1   B   2 B 2  ...

 a t che altro non è (come vedremo fra poco) se non un MA (  .

) Quindi: un AR(p) è sempre trasformabile in un MA (  ) .

Invertibilità di MA(q)

 z t

 

 a t Sviluppando in serie Quindi:  1    1   1  1  B  1  B  2   2 B 2 B 2   ...

...

 z t  a t che è un AR (  ) 33

Il processo MA(q) si dice allora invertibile se i pesi  i formano una serie convergente e questo si ottiene se e solo se le radici di    sono esterne al cerchio unitario.

La condizione di invertibilità, pertanto, ha per i processi MA(q) la stessa importanza che ha la condizione di stazionarietà per i processi AR(p).

Processo MA(1)

z t  a t   a t  1 Stazionarietà Media: Varianza se  0 E

 

t   1    0 2 anche:  

a

2 E

 

t  0 Autocovarianza sempre  1     a 2 ;  k  0 , k  1 34

Autocorrelazione  1    1 0   1    2 ; 

k

 0 ,

k

 1 Correlogramma 1  k 1  k k -1 -1 k Una sola ordinata positiva o negativa, a seconda del segno di  .

35

Invertibilità Si considerino parametro  due MA(1), e un altro con 1  uno , cioè: z t  a t   a t  1 e z t   a t  1  a t  1 Calcoliamo  k  1 . Si ha:    1   2 ;  1   1 1  1   2    1   2 con Quindi i due processi, pur diversi, hanno la stessa  , k quindi esiste molteplicità di modelli.

un problema di Per risolverlo si consideri: a t  z t   z t  1   2 z t  2  ...

a t   z t   1  z  t  1  1  2 z t   2  ...

36

Ricorrendo all’operatore B si ha: a t   1   B   2 B 2  ...

 z t a t   1  1  B  1  2 B 2  ...

z t  Se   1 la prima serie converge, mentre la seconda no.

Allora se   1 si dice che la prima serie è invertibile, mentre la seconda non lo è.

Quindi la condizione   1 assicura l’esistenza di un unico modello MA(1).

Tale condizione equivale a dire che le radici della equazione caratteristica: 1   B  0 siano esterne al cerchio unitario.

37

Autocorrelazione parziale Box & Jenkins dimostrano che  k k   1   k   1 2   k   1  2  , k  1 , 2 , 3 Da cui si vede come i coefficienti di autocorrelazione parziale hanno un andamento smorzato, anche con oscillazioni di segno.

Processo MA(2)

z t  a t   1 a t  1   2 a t  2 Stazionarietà Invertibilità sempre stazionario Il processo è invertibile se le radici dell’equazione caratteristica 1   1

B

  2

B

2  0 sono in valore assoluto maggiori di uno.

38

Si dimostra che tale condizione si verifica se:       2 2 1     1   1 2    1 1 1 che individuano il seguente triangolo isoscele -2  2 0 -1  1 Media Se E

 

t  0 anche E

 

t  0 2 39

Varianza, autocovarianza, autocorrelazione  0   1   1 2   2 2   a 2  1     1   1  2   a 2  2    2  a 2  k  0  1  1    1   1 2  1  2   2 2  2  1    1 2  2   2 2  k  0 Radici reali  1  0  1  0 correlo gramma Radici complesse  1  0  1  0 40

Autocorrelazione parziale formale in Anderson Radici reali: espressione Radici complesse: 41

Principio di dualità tra AR(p) e MA(q)

1) MA AR Stazionarietà incondizionata Le radici dell’eq.     0 devono essere esterne al cerchio unitario invertibilità Le radici dell’eq.   0 devono essere esterne al cerchio unitario incondizionata 2) Un AR(p) può essere sempre espresso come una media mobile di infiniti termini, cioè MA (  ) Un MA(q) può essere espresso, se invertibile, come un processo autoregressivo infinito, cioè AR (  ) .

3) un I coefficienti di autocorrelazione totale  k di MA(r ) si comportano analogamente ai coeff. di autocorrelazione parziale  k k di un 42 AR(r ).

I coefficienti  k k di un MA(r) si comportano in modo analogo ai coefficienti  k di un AR(r) Esempi:  k AR(1)  k MA(1)  k k  k k  k AR(2)  k MA(2)  k k  k k 43

Processo ARMA(pq)

AR ( p )  z t   1 z t  1  ...

  p z t  p  a t (*) residuo o “innovazione”  N  0 ,  2  , indipend.

Se a t non segue tali ipotesi, ma invece si comporta come una media mobile di ordine q e quindi risulta: a t   1 a t  1  ...

  q a t  q Sostituendo in (*) si ha: z t   1 z t  1  ...

  p z t  p  ( )  a t   1 a t  1  ...

  q a t  q che è un processo misto autoregressivo di ordine p, con media mobile di ordine q, cioè un ARMA(pq).

44

Usando l’operatore B si ottiene:  z t     a t dove   1   1 B   2 B 2  ...

  p B p 

 

 1   1 B   2 B 2  ...

  q B q Stazionarietà Per la condizione di stazionarietà della componente AR(p), le radici dell’equazione 

 

 1   1 B  ...

  p B p  0 devono essere esterne al cerchio unitario.

Invertibilità Analogamente, per MA(q) le radici di 

 

 1   1 B  ...

  q B q  0 devono anch’esse essere esterne al cerchio unitario.

45

Media Se ARMA(pq) è completo, cioè è presente anche una costante  : E   t      1 E E   t    t  1  1 E    t  1 ...

  ...

 p  E  q   t  p E    t  q da cui: E

 

t  1   1   ...

  p Per cui se   0 , E

 

t  0 Autocovarianza Si indichi con  z a a t , quindi:  z a la covarianza tra  E

 

z t  k  z



a t  a

 

z t e 46

Moltiplicando ( ) per z t  k media, si ha: e considerando la  k   1  k  1  ...

 p  k  p   q  z a

k  q

  z a ,   1  z a

k  1 ( )

 k  q Siccome z t  k dipende dai valori fino a j = t-k , segue che: a j generati E  a E  a t t z t  j z t  j     0 0 , j  0 , j  0 Quindi se k>q le  a z  0 relazione ( ) si riduce a: e allora la  k   1  k  1   2  k  2  ...

  p  k  p 47

Varianza per k=0  0   1  1  ...

 p  p   a 2   1  z a   q  z a Autocorrelazione  k   1  k  1   2  k  2  ...

  p  k  p  ...

Autocorrelazione parziale Se ARMA(pq) è invertibile, a t   

   

z t Siccome la serie 1 

 

è infinita, anche l’autocorrelazione parziale è infinita, con un andamento simile all’autocorrelazione parziale di un MA(q).

48

Modelli Box & Jenkins per serie non stazionarie in media (modelli ARIMA)

Quando le condizioni di stazionarietà richieste per i modelli BJ non sono presenti si possono avere due forme di non stazionarietà: quella esplosiva quella omogenea Si ha la prima quando almeno una radice dell’equazione caratteristica è in modulo < 1.

Si ha la seconda quando almeno una delle radici dell’equazione caratteristica è unitaria (cioè sul cerchio di raggio unitario).

I fenomeni socio-economici ben difficilmente presentano non stazionarietà esplosiva, limitandosi a forme omogenee, così dette perché a parte variazioni nel livello e/o nell’andamento di fondo (trend), la serie è di tipo stazionario.

49

In altri termini la serie non è temporaneamente costante nel suo livello medio, ma comunque tende a disporsi stabilmente intorno a tale livello medio.

Trasformazioni stazionarizzanti

.

Una serie storica in cui è presente una non stazionarietà omogenea è facilmente trasformabile in una di tipo stazionario prendendo un adeguato differenze successive.

numero di Esempio: z t non stazion.

omogenea  z t  z t  z t  1 stazion.

50

Un possibile modo di rappresentare una serie storica non stazion. omogenea è introdurre in un modello ARMA(pq) un operatore alle differenze finite di ordine opportuno.

Integrando le componenti AR(p) e MA(q) con la componente I(d) si ha il modello ARIMA(p,d,q).

Per definire formalmente tale modello si deve prima definire l’operatore autoregressivo generalizzato     1   1 B   2 B 2  ...

 p  d B p  d che è un polinomiale di grado p+d con d radici uguali ad 1 e le altre p radici maggiori di 1.

Pertanto: 

  

1  

1  r 1 r 1 B B

 1 

 1 r 2  r 2 B 2 ,   1  B 2 ,   1  r p r p  d B p  d B p

 1  B

d  51

Questo perché d radici sono unitarie.

I fattori della parte destra dell’equazione meno l’ultimo sono niente altro che l’operatore  di un AR(p) stazionario.

Quindi:        1  B  d Cioè: 

 

z t  

 

1  B

d z t    d z t   a t * che scritto per esteso diviene: z t   z t  1  ...

  p  d z t  p  d   a t   a t  1  ...

  q a t  q 52

Pertanto se w t   d z t La * diviene: 

 

w t  

 

a t che altro non è se non un ARMA sulle differenze di ordine d dei valori z t .

Quindi sostituendo  d z t con w t il processo ARIMA(p,d,q) sulla variabile z t riduce ad un ARMA(pq) sulla variabile Allora il processo non stazionario    w t .

si esprimibile come combinazione del processo stazionario differenze  d    

1  e dell’operatore alle B

d .

è Tale combinazione determina il processo integrato ARIMA(p,d,q) che pertanto è parte di una classe di processi più ampia di quelli ARMA che da essa discendono.

53

La terminologia “integrato” deriva poi dalla seguente notazione: siccome abbiamo definito w t  z t  z t  1 ed evidentemente z t   z t  z t  1   z t  1  z t  2   ...

Allora: z t  w t  w t  1  w t  2  ...

cioè la serie z t risulta essere la somma di tutte “le variazioni“ del fenomeno fino al tempo t compreso.

Ciò determina, in analogia con le funzioni continue, una sorta di integrazione sulla variabile w t .

Il processo ARIMA(p,d,q) è poi caratterizzato dall’essere di tipo “omogeneo”, indipendente cioè dal livello assunto da z t .

54

Si aggiunga infatti nel modello che esprime z t una costante arbitraria a tutti i termini fino a quello di ordine t-1 ; in altri termini: z t  

z  t p  1   z  t  p c

  c  1  

 

z

z t t  1  2   c c

 

z

  a t t  2   c

 

 ...

  1 a t  1  ...

  q a t  q z t che è come dire:   z t  1  a t   1  z t  1  z t  2   ...

  p  z t  p   1 a t  1  ...

  q a t  q  z t  p  1    c Cioè con l’aumento di tutti i termini della costante c, anche Quindi una z t serie risulta aumentato di c.

non stazionaria ma omogenea si comporta come una serie stazionaria, poiché il suo andamento è indipendente dal livello della serie.

55

Casi particolari di ARIMA(p,d,q)

Assegnando valori particolari ai parametri si determinano applicativo.

casi di notevole interesse caso completo ARIMA(1,1,1) Modello:

1   1 B

 z t 

1   1 B

a t riscrivibile come

1   1 B

w t 

1   1 B

a t Il grafico che segue è relativo ad una configurazione simulata con  1  0 , 8 e  1  0 , 4 ; la riproduzione di configurazioni empiriche di carattere socio-economico è abbastanza evidente.

56

z t t Caso incompleto ARIMA(1,1,0) ARI Modello

1   1 B

 z t  a t Una rappresentazione simulata, con   0 , 3 mostra anch’essa l’aderenza a possibili configurazioni empiriche.

57

caso incompleto ARIMA(0,1,1) IMA Modello  z t 

1   1 B

a t  1  0 , 6 caso incompleto con costante Se in un ARIMA(p,d,q) le differenze prime: w t  z t  z t  1 sono stazionarie, la presenza di una costante in AR provoca una media diversa da 0 data da: E   t  1   1    2  ...

  p 58

Se  0 ciò significa che la media delle differenze prime tende a crescere o a decrescere.

Quindi la costante introduce un trend crescente o decrescente Modello ARIMA(1,1,1) con parametri  1  1 , 3  1  .

0 , 8 Ponendo nella * : w t    d z t w t  

 

a t   0 , 5 e 59

Che è un ARMA applicato alle differenze di ordine d degli z t medesimi.

, invece che ai valori z t In altri termini, sostituendo  d z t con w t il processo ARIMA(p,d,q) sulla variabile z t , si riduce ad un processo ARMA(p,q) applicato alla variabile w t .

In questo modo il processo non stazionario è espresso in funzione stazionario differenze finite     d  dell’operatore

e dell’operatore alle 1  B .

d Ovviamente la classe di modelli ARIMA(p,d,q), essendo ancor più generale di quella ARMA, include gli stessi.

60