Glidande Medelvärde Modell I R

Rörande medelvärden i R. Såvitt jag vet, har R inte en inbyggd funktion för att beräkna glidande medelvärden. Med hjälp av filterfunktionen kan vi dock skriva en kort funktion för att flytta medelvärden. Vi kan då använda funktionen på någon data mav-data eller mav-data, 11 om vi vill ange ett annat antal datapunkter än standard 5-plottningen fungerar som förväntat plott mav-data. Förutom antalet datapunkter över vilka i genomsnitt kan vi också ändra sidor argument för filterfunktionerna sidor 2 använder båda sidor, sidor 1 använder endast tidigare värden. Navigationsnavigeringsnavigeringnavigering. Användning av R för tidsserieanalys. Tidsserieanalys. Denna häfte beskriver hur du använder den statistiska programvaran R för att utföra vissa Enkla analyser som är vanliga vid analys av tidsseriedata. Detta häfte förutsätter att läsaren har viss grundläggande kunskaper om tidsserieanalys och huvudboken i häftet är inte att förklara tidsserieanalys utan att förklara hur t o Utför dessa analyser med R. Om du är ny på tidsserieanalys och vill lära dig mer om några av de begrepp som presenteras här rekommenderar jag starkt Open University-boken Tidsserie produktkod M249 02, tillgänglig från Open University Shop. In denna broschyr kommer jag att använda tidsseriedatasatser som har gjorts tillgängligt av Rob Hyndman i sitt Time Series Data Library på. Om du gillar det här broschyret kan du också kolla in min broschyr på att använda R för biomedicinsk statistik och min broschyr om att använda R för multivariatanalys. Reading Time Series Data. Det första du vill göra för att analysera dina tidsseriedata kommer att vara att läsa in det i R och att plotta tidsserierna Du kan Läs data till R med hjälp av skanningsfunktionen, vilket förutsätter att dina data för successiva tidpunkter ligger i en enkel textfil med en kolumn. Till exempel innehåller filen data om åldern för de efterföljande kungarna i England, som börjar med William the Conqueror origi nal-källan Hipel och Mcleod, 1994. Datasatsen ser ut så här. Bara de första linjerna i filen har visats De tre första raderna innehåller lite kommentar på data, och vi vill ignorera detta när vi läser in data i R Vi kan använda det här genom att använda skiftfunktionen för skanningsfunktionen, som anger hur många rader högst upp i filen som ska ignoreras. För att läsa filen in i R, ignorerar de tre första raderna. Vi skriver i detta fall dödsåldern av 42 på varandra följande kungar i England har lästs in i de variabla kungarna. När du har läst tidsseriedata i R, är nästa steg att lagra data i ett tidsserieobjekt i R, så att du kan använda R s många funktioner För att analysera tidsseriedata För att lagra data i ett tidsserieobjekt använder vi ts-funktionen i R Till exempel, för att lagra data i variabelkungarna som ett tidsseriensobjekt i R, skriver vi. Ibland kan tidsseriedatasatsen Som du har kan ha samlats in med jämna mellanrum som var mindre än ett år, till exempel rikligt, månatligt eller kvartalsvis I det här fallet kan du ange hur många gånger data samlades in per år genom att använda frekvensparametern i ts-funktionen. För månatliga tidsseriedata ställer du in frekvens 12, medan för kvartalsvisa tidsseriedata, dig Set frekvens 4. Du kan också ange det första året som data samlades in och det första intervallet i det året med hjälp av startparametern i ts-funktionen. Om den första datapunkten motsvarar andra kvartalet 1986, så Skulle sätta start c 1986,2. Ett exempel är en datamängd av antalet födelser per månad i New York City, från januari 1946 till december 1959 samlades in ursprungligen av Newton. Dessa data finns i filen. Vi kan läsa in data i R , och lagra det som ett tidsserieobjekt, genom att skriva. På samma sätt innehåller filen månadsförsäljning för en souvenirbutik vid en strandortstad i Queensland, Australien, för januari 1987-december 1993 ursprungliga data från Wheelwright och Hyndman 1998 läs data i nto R genom typing. Plotting Time Series. När du har läst en tidsserie i R, är det vanligtvis att göra ett diagram över tidsseriedata, som du kan göra med funktionen i R. För att t. ex. tidsserier av dödsåldern på 42 på varandra följande kungar i England skriver vi. Vi kan se från tidpunkten att denna tidsserie troligtvis skulle kunna beskrivas med hjälp av en additivmodell, eftersom de slumpmässiga fluktuationerna i data är ungefär konstanta i storlek över time. Likaså, för att plotta tidsserierna för antalet födelser per månad i New York City, skriver vi. Vi kan se från denna tidsserie att det verkar finnas säsongsvariationer i antalet födelser per månad är det en topp varje sommar och en tråg varje vinter Återigen verkar det som om denna tidsserie troligtvis skulle kunna beskrivas med hjälp av en additivmodell, eftersom säsongsvariationerna är ungefär konstanta i storlek över tiden och verkar inte vara beroende av tidssekvensens nivå och de slumpmässiga fluktuationerna verkar också vara ungefär lika med varandra nstant i storlek över tiden. Också, för att plotta tidsserierna för den månatliga försäljningen för souvenirbutiken vid en strandortstad i Queensland, Australien, skriver vi. I detta fall verkar det som om en tillsatsmodell inte är lämplig för att beskriva detta tidsserier, eftersom storleken på säsongsvariationerna och slumpmässiga fluktuationer tycks öka med tidsserien. Således kan vi behöva omvandla tidsserierna för att få en transformerad tidsserie som kan beskrivas med hjälp av en additivmodell för Exempelvis kan vi förvandla tidsserierna genom att beräkna den naturliga loggen för de ursprungliga data. Här kan vi se att storleken på säsongsvariationerna och de slumpmässiga fluktuationerna i de logtransformerade tidsserierna verkar vara ungefär konstanta över tiden och inte Beror på tidsserienivåen Således kan de logtransformerade tidsserierna förmodligen beskrivas med hjälp av en tillsatsmodell. Komponeringstidsserie. Att komponera en tidsreaktion innebär att den separeras i dess sammansatta ko Mponents, som vanligtvis är en trendkomponent och en oregelbunden komponent, och om det är en säsongsbetonad tidsserie, en säsongsbetonad komponent. Komponenterna utan säsongdata. En icke-säsongsbetonad tidsserie består av en trendkomponent och en oregelbunden komponent. serien innebär att man försöker separera tidsserierna i dessa komponenter, det vill säga uppskatta trendkomponenten och den oregelbundna komponenten. För att uppskatta trendkomponenten i en tidsserier utan tidsserier som kan beskrivas med hjälp av en tillsatsmodell är det vanligt att använd en utjämningsmetod, till exempel att beräkna det enkla rörliga genomsnittsvärdet för tidsserierna. SMA-funktionen i TTR R-paketet kan användas för att släta tidsseriedata med ett enkelt glidande medelvärde. För att använda denna funktion måste vi först installera TTR R-paketet för instruktioner om hur man installerar ett R-paket, se Så här installerar du ett R-paket När du har installerat TTR R-paketet kan du ladda TTR R-paketet genom att skriva. Du kan sedan använda SMA-funktionen till Smidig tidsseriedata För att använda SMA-funktionen måste du ange ordningsvolymen för det enkla glidande medlet, med parametern n Till exempel för att beräkna ett enkelt glidande medelvärde av ordning 5 ställer vi n 5 i SMA-funktionen. För Exempel, som diskuterats ovan, visar tidsserierna för dödsåldern för 42 på varandra följande kungar i England, är icke-säsongsbetonade och kan förmodligen beskrivas med hjälp av en additivmodell, eftersom de slumpmässiga fluktuationerna i data är ungefär konstanta i storlek över tiden. Thus kan vi försöka uppskatta trendkomponenten i denna tidsserie genom utjämning med ett enkelt glidande medelvärde. För att släta tidsserierna med ett enkelt glidande medelvärde av ordning 3, och plotta de släta tidsseriedataen, skriver vi. att vara ganska många slumpmässiga fluktuationer i tidsserierna släta med ett enkelt rörligt medelvärde av order 3 Således, för att uppskatta trendkomponenten mer noggrant, kan vi försöka utjämna data med ett enkelt glidande medelvärde av en högre order. Detta t akes lite försök och fel för att hitta rätt mängd utjämning. Till exempel kan vi försöka använda ett enkelt glidande medelvärde av order 8. Dataen jämnades med ett enkelt glidande medelvärde av order 8 ger en tydligare bild av Trendkomponenten och vi kan se att de engelska kungarna döds ålder har minskat från ca 55 år till ca 38 år under de första 20 kungarnas regeringstid, och sedan ökat efter det till cirka 73 år gammal av Slutet av 40-talets regeringstid i tidsserierna. Komponering av säsongsdata. En säsongsbetonad tidsserie består av en trendkomponent, en säsongsbetonad komponent och en oregelbunden komponent. Avkomponering av tidsserien innebär att tidsserierna separeras i dessa tre komponenter som är , Uppskattning av dessa tre komponenter. För att uppskatta trendkomponenten och säsongskomponenten i en säsongsbetonad tidsserie som kan beskrivas med hjälp av en additivmodell, kan vi använda nedbrytningsfunktionen i R Denna funktion uppskattar trenden, säsongsbetonad, en nd oregelbundna komponenter i en tidsserie som kan beskrivas med hjälp av en additivmodell. Funktionen sönderdelas returnerar ett listobjekt som ett resultat där uppskattningarna av säsongskomponenten, trendkomponenten och den oregelbundna komponenten lagras i namngivna element i listobjekten, Kallas säsongsmässigt, trend och slumpmässigt. För exempel är tidsserierna för antalet födelser per månad i New York City säsongsbetonade med en topp varje sommar och genom varje vinter och kan förmodligen beskrivas med hjälp av ett additiv modell eftersom säsongs - och slumpmässiga fluktuationer tycks vara ungefär konstant i storlek över tiden. För att uppskatta utvecklingen, säsongsbetonade och oregelbundna komponenter i denna tids serie, skriver vi. De beräknade värdena för säsongs-, trend - och oregelbundna komponenter lagras nu i variabler Birthstimeseriescomponents säsongsbetonade, birthstimeseriescomponents trend och birthstimeseriescomponents random Till exempel kan vi skriva ut de uppskattade värdena för säsongsmässiga co Mponent genom att skriva. De beräknade säsongsfaktorerna ges för månaderna januari-december och är desamma för varje år Den största säsongsfaktorn är för juli ca 1 46 och den lägsta är för februari ca -2 08, vilket indikerar att det verkar Att vara en topp i födseln i juli och en födelse i februari varje år. Vi kan plotta den beräknade trenden, säsongsmässiga och oregelbundna komponenter i tidsserierna med hjälp av plotfunktionen, till exempel. Plottet ovan visar den ursprungliga tiden seriens topp, den beräknade trendkomponenten andra uppifrån, den beräknade säsongskomponenten tredje från toppen och den uppskattade oregelbundna komponentbotten. Vi ser att den beräknade trendkomponenten visar en liten minskning från ca 24 1947 till ca 22 år 1948 följt av en Stadigt öka från och med då till cirka 27 år 1959. Säsongsjustering. Om du har en säsongsbetonad tidsserie som kan beskrivas med hjälp av en additivmodell, kan du säsongsmässigt justera tidsserierna genom att beräkna säsongskomponenten, och subtrahera den beräknade säsongskomponenten från de ursprungliga tidsserierna. Vi kan göra detta med uppskattningen av säsongskomponenten beräknad av sönderdelningsfunktionen. Till exempel, säsongsmässigt justera tidsserierna för antalet födelser per månad i New York City, vi kan beräkna säsongskomponenten genom att sönderdela och sedan subtrahera säsongskomponenten från de ursprungliga tidsserierna. Vi kan sedan plotta säsongrensade tidsserier med hjälp av plottfunktionen genom att skriva. Du kan se att säsongsvariationen har tagits bort från säsongsmässigt Justerade tidsserier Den säsongrensade tidsserien innehåller nu bara trendkomponenten och en oregelbunden komponent. Förutsättningar med exponentiell utjämning. Exponentialutjämning kan användas för att göra kortsiktiga prognoser för tidsseriedata. Simple Exponential Smoothing. If du har en tidsserie Som kan beskrivas med hjälp av en tillsatsmodell med konstant nivå och ingen säsonglighet, kan du använda enkel exponentiell utjämning till göra kortsiktiga prognoser. Den enkla exponentiella utjämningsmetoden ger ett sätt att uppskatta nivån vid aktuell tidpunkt. Utjämning styrs av parametern alfa för uppskattningen av nivån vid den aktuella tidpunkten. Värdet av alfa ligger mellan 0 och 1 Värdena på alfa som ligger nära 0 betyder att den lilla vikten placeras på de senaste observationerna när man gör prognoser för framtida värden. Till exempel innehåller filen totalt årligt nedfall i inches för London, från 1813-1912 ursprungliga data från Hipel och McLeod , 1994 Vi kan läsa in data i R och plotta den genom att skriva. Du kan se från plottet att det är ungefär konstant nivå medelvärdet stannar konstant på ca 25 tum. De slumpmässiga fluktuationerna i tidsserierna verkar vara ungefär konstanta i storlek över Tid, så det är nog lämpligt att beskriva data med hjälp av en tillsatsmodell. Således kan vi göra prognoser med enkel exponentiell utjämning. För att göra prognoser med enkel exponentiell utjämning i R kan vi fi ta enkel exponentiell utjämning av prediktiv modell med funktionen HoltWinters i R För att använda HoltWinters för enkel exponentiell utjämning måste vi ställa in parametrarna Beta FALSE och gamma FALSE i HoltWinters-funktionen, beta - och gamma-parametrarna används för Holts exponentiella utjämning eller Holt - Winters exponentiell utjämning, som beskrivs nedan. HoltWinters-funktionen returnerar en listvariabel, som innehåller flera namngivna element. Till exempel, för att använda enkel exponentiell utjämning för att göra prognoser för tidsserierna av årliga nederbörd i London, skriver vi. HoltWinters berättar att det uppskattade värdet för alfaparametern är cirka 0 024 Detta är väldigt nära noll och berättar att prognoserna är baserade på både senaste och färre senaste observationer, även om det läggs lite mer vikt på de senaste observationerna. Som standard, HoltWinters Gör bara prognoser för samma tidsperiod som omfattas av våra ursprungliga tidsserier. I det här fallet inkluderade vår ursprungliga tidsserie rainfa ll för London från 1813-1912, så prognoserna är också för 1813-1912.I exemplet ovan har vi lagrat resultatet av HoltWinters-funktionen i radeneriesprognoserna för listvariabler. Prognoserna från HoltWinters lagras i ett namngivna element i detta Listvariabeln kallad monterad så att vi kan få sina värden genom att skriva. Vi kan plotta de ursprungliga tidsserierna mot prognoserna genom att skriva. Plottet visar de ursprungliga tidsserierna i svart och prognoserna som en röd linje Prognosens tidsserie är mycket mjukare än tidsserierna för de ursprungliga uppgifterna här. Som ett mått på prognosens noggrannhet kan vi beräkna summan av kvadratfel för prognosfel, det vill säga prognosfel för den tidsperiod som omfattas av vår ursprungliga tidsserie Summa av kvadratera fel sparas i ett namngivet element i radeneriesforecasts listrutiner som kallas SSE, så vi kan få sitt värde genom att skriva. Det är här summan av kvadratfel är 1828 855.Det är vanligt i enkelt ex ponentialutjämning för att använda det första värdet i tidsserierna som initialvärdet för nivån. Till exempel i tidsserierna för nederbörd i London är det första värdet 23 56 tum för nederbörd 1813 Du kan ange initialvärdet för nivån i HoltWinters-funktionen med hjälp av parametern Till exempel, för att göra prognoser med det ursprungliga värdet av nivån som ställts till 23 56 skriver vi. Som förklaras ovan, gör HoltWinters som standard bara prognoser för den tidsperiod som omfattas av de ursprungliga uppgifterna, vilket Är 1813-1912 för regnskurets tidsserie Vi kan göra prognoser för ytterligare tidspunkter genom att använda funktionen i R-prospektpaketet För att använda funktionen behöver vi först installera prognospaketet R för instruktioner om hur man installerar ett R-paket, se Så här installerar du ett R-paket. När du har installerat prognospaketet R, kan du ladda prognos R-paketet genom att skriva. När du använder funktionen, som den första argumentet, skickar du den den prediktiva modellen som du har alre Ady monterad med HoltWinters-funktionen Till exempel när det gäller regnskurstidsserie lagrade vi den prediktiva modellen som gjordes med HoltWinters i variabla rainseriesforecasts. Du anger hur många ytterligare tidspunkter du vill göra prognoser för genom att använda h-parametern i För Exempel, för att göra en prognos om nederbörd för åren 1814-1820 8 fler år använder vi typ. Funktionen ger dig prognosen för ett år, ett 80 förutsägelsesintervall för prognosen och ett 95 förutsägelsesintervall för prognosen. Till exempel, Det prognostiserade nederbördet för 1920 är cirka 24 68 tum, med ett 95 förutsägelsesintervall på 16 24, 33 11. För att plotta förutsägelserna som görs av vi kan använda funktionen. Här prognoserna för 1913-1920 ritas som en blå linje, den 80 förutsägelsesintervall som ett orange skuggat område och 95-prediktionsintervallet som ett gult skuggat område. Prognosfelen beräknas som de observerade värdena minus förutsagda värden för varje tidpunkt Vi kan bara beräkna prognosfelet s för tidsperioden som omfattas av våra ursprungliga tidsserier, som är 1813-1912 för regnskyddsdata Som nämnts ovan är ett mått på noggrannheten i den prediktiva modellen summan av kvadratfel SSE för prognosprognosen fel. Proverfelproblemen lagras i de angivna elementresidenterna i listvariabeln returnerad av Om den prediktiva modellen inte kan förbättras, borde det inte finnas några korrelationer mellan prognosfel för successiva förutsägelser. Med andra ord, om det finns samband mellan prognosfel för successiva förutsägelser är det troligt att de enkla exponentiella utjämningsprognoserna kan förbättras med en annan prognosteknik. För att ta reda på om så är fallet kan vi få ett korrelogram av prognosfelen för lags 1-20 Vi kan beräkna ett korrelogram av prognosfel med acf-funktionen i R För att ange den maximala fördröjningen som vi vill titta på använder vi parametern i acf. For exempel beräknar vi en korrel ram av proverna för prognosprognos för Londons nedgångsdata för lags 1-20, skriver vi. Du kan se från provkorrelogrammet att autokorrelationen vid lag 3 bara rör betydningsgränserna För att testa om det finns betydande bevis för icke - - Zero korrelationer vid lags 1-20, kan vi utföra ett Ljung-Box-test Detta kan göras i R med funktionen Den maximala fördröjningen som vi vill titta på specificeras med hjälp av lagsparametern i funktionen Till exempel till testa om det finns autokorrelationer utan noll vid lags 1-20, för prognosfel för Londons regndata, skriver vi. Här är Ljung-Box-teststatistiken 17 4 och p-värdet är 0 6, så Det finns lite tecken på icke-noll autokorrelationer i prognosfelen vid lags 1-20. För att vara säker på att den prediktiva modellen inte kan förbättras, är det också en bra idé att kontrollera om prognosfel normalt distribueras med medelvärde noll och konstant varians För att kontrollera om prognosfel ha vi konstant varians kan vi göra en tidpunkt för prognosfel. Projektfelet visar att prognosfel i proverna verkar ha ungefär konstant varians över tiden, även om storleken på fluktuationerna i början av tidsserierna 1820-1830 kan vara något mindre än vid senare tidpunkter, t. ex. 1840-1850. För att kontrollera om prognosfel normalt distribueras med medelvärde noll kan vi avbilda ett histogram av prognosfel med en överlagrad normal kurva som har medelvärde noll och samma standardavvikelse som fördelningen av prognosfel För att göra detta kan vi definiera en R-funktion plotForecastErrors nedan. Du måste kopiera funktionen ovan till R för att kunna använda den. Du kan sedan använda plotForecastErrors för att plotta ett histogram med överlagrade Normal kurva för prognosfel för regnskyddsprognoserna. Plot visar att fördelningen av prognosfel centreras ungefär noll och är mer eller mindre normalt fördelad, även om det verkar vara något snett t O rätten i jämförelse med en normal kurva Den rätta skeden är dock relativt liten och det är så troligt att prognosfel normalt fördelas med medelvärde. Ljung-Box-testet visade att det finns få tecken på autokorrelationer utan noll i prognosfelen i proverna och fördelningen av prognosfel verkar normalt fördelas med medelvärdet. Detta föreslår att den enkla exponentiella utjämningsmetoden ger en adekvärd prediktiv modell för nedbörd i London, vilket förmodligen inte kan förbättras. Vidare antas de antaganden som 80 och 95 förutsägelser intervall baserades på att det inte finns några autokorrelationer i prognosfel och prognosfel fördelas normalt med medelvärde noll och konstant varians är förmodligen giltig. Höjd s Exponentiell utjämning. Om du har en tidsserie som kan beskrivas Med hjälp av en additivmodell med ökande eller minskande trend och ingen säsonglighet, kan du använda Holt s exponentiella utjämning för att göra kortvarig rm-prognoser. Haltens exponentiella utjämning uppskattar nivån och lutningen vid nuvarande tidpunkt. Utjämning styrs av två parametrar, alfa, för uppskattning av nivån vid den aktuella tidpunkten och beta för uppskattningen av höjden b av trenden komponent vid aktuell tidpunkt Som med enkel exponentiell utjämning har parametrarna alfa och beta värden mellan 0 och 1 och värden som ligger nära 0 betyder att den lilla vikten placeras på de senaste observationerna när man gör prognoser för framtida värden. Exempel på en tidsserie som förmodligen kan beskrivas med hjälp av en tillsatsmodell med en trend och ingen säsongsmässighet är tidsserierna för den årliga diametern hos kvinnors kjolar vid kanten, från 1866 till 1911. Data finns i filens ursprungliga data från Hipel och McLeod, 1994. Vi kan läsa in och plotta data i R genom att skriva. Vi kan se från diagrammet att det var en ökning av håldiametern från ca 600 år 1866 till ca 1050 år 1880, och att därefter Ameter minskade till ca 520 år 1911. För att göra prognoser kan vi passa en prediktiv modell med HoltWinters-funktionen i R För att använda HoltWinters för Holt s exponentiell utjämning måste vi ställa in parametern gamma FALSE gamma-parametern används för Holt-Winters Exponentiell utjämning, som beskrivs nedan. Till exempel, för att använda Holts exponentiella utjämning för att passa en prediktiv modell för kjolkroppsdiameter, skriver vi. Det uppskattade värdet av alfa är 0 84, och betet är 1 00 Dessa är båda höga oss att både uppskattningen av nuvärdet av nivån och höjden b av trendkomponenten baseras huvudsakligen på mycket nya observationer i tidsserierna. Detta ger god intuitiv känsla, eftersom nivån och höjden av tidsserierna Båda förändras ganska mycket över tiden Värdet av summan av kvadratfel för prognosfel är 16954. Vi kan plotta de ursprungliga tidsserierna som en svart linje med de prognostiserade värdena som en röd linje ovanpå av det, genom att skriva. Vi kan se fr om bilden att proverna för prover överensstämmer ganska bra med de observerade värdena, även om de tenderar att ligga bakom de observerade värdena lite. Om du vill kan du ange initialvärdena för nivån och höjden b av trenden komponent genom att använda och argumentera för HoltWinters-funktionen Det är vanligt att ställa in initialvärdet för nivån till det första värdet i tidsserien 608 för kjoldatan och det ursprungliga värdet av lutningen till det andra värdet minus det första värdet 9 för kjoldata För att exempelvis passa en prediktiv modell till kjolens hemdata med hjälp av Holts exponentiella utjämning med initialvärden på 608 för nivån och 9 för höjden b i trendkomponenten skriver vi. Som för enkel exponentiell Utjämning, kan vi göra prognoser för framtida tider som inte täcks av de ursprungliga tidsserierna genom att använda funktionen i prognospaketet. Exempelvis var vår tidsserieinformation för kjolar i 1866-1911, så vi kan göra förutsägelser 1912-1930 19 Mer Datapunkter och plottar dem, genom att skriva. Prognoserna visas som en blå linje med de 80 prediktionsintervallen som ett orange skuggat område och de 95 prediktionsintervallerna som ett gult skuggat område. För enkel exponentiell utjämning kan vi kolla huruvida den prediktiva modellen skulle kunna förbättras genom att kontrollera om prognosfel i prover visar autokorrelationer utan noll vid lags 1-20. Till exempel kan vi göra ett korrelogram för skirt-hemdata och genomföra Ljung-Box-testet , Genom att skriva. Här visar korrelogramet att provautokorrelationen för proverna för prognosfel vid lag 5 överstiger signifikansgränserna. Vi förväntar oss emellertid att en av 20 autokorrelationer för de första tjugo lagsna överskrider de 95 signifikansgränserna av en slump Ensam Faktum är att p-värdet är 0 47 när vi utför Ljung-Box-testet, vilket indikerar att det finns få tecken på autokorrelationer utan noll i prognosfelen vid lags 1-20.As för enkel exponentiell utjämning , vi borde Kontrollera även att prognosfel har konstant varians över tiden och distribueras normalt med medelvärde. Vi kan göra detta genom att göra en tidpunkt för prognosfel och ett histogram av fördelningen av prognosfel med en överlagrad normal kurva. av prognosfel visar att prognosfelen har ungefär konstant varians över tiden. Histogrammet för prognosfel visar att det är troligt att prognosfel normalt fördelas med medelvärde och konstant varians. Därför visar Ljung-Box-testet att det finns lite Bevis för autokorrelationer i prognosfel medan tidsplanen och histogrammet av prognosfel visar att det är troligt att prognosfel normalt fördelas med medelvärde noll och konstant varians. Därför kan vi dra slutsatsen att Holts exponentiella utjämning ger en adekvärd prediktiv modell För kjolklaffdiametrar, som förmodligen inte kan förbättras. Dessutom betyder det att antagandena att 80 och 95 förutsägelser intervaller baserade på är förmodligen giltiga. Hål-Winters exponentiell utjämning. Om du har en tidsserie som kan beskrivas med en additiv modell med ökande eller minskande trend och säsonglighet, kan du använda Holt-Winters exponentiella utjämning för att göra kortvariga Termisk prognos. Holt-Winters exponentiell utjämning uppskattar nivån, höjden och säsongskomponenten vid nuvarande tidpunkt. Utjämning styrs av tre parametrar alfa, beta och gamma för uppskattningar av nivå, höjning b av trendkomponenten och Säsongskomponent vid aktuell tidpunkt Parametrarna alfa, beta och gamma har alla värden mellan 0 och 1 och värden som är nära 0 betyder att relativt liten vikt placeras på de senaste observationerna när man gör prognoser för framtida värden . Ett exempel på en tidsserie som förmodligen kan beskrivas med hjälp av en additivmodell med trend och säsongsmässighet är tidsserien av loggen med månadsförsäljning för souveniren Shoppa på en beach resort town i Queensland, Australien diskuteras ovan. För att göra prognoser kan vi passa en prediktiv modell med funktionen HoltWinters. Till exempel, för att passa en prediktiv modell för loggen i månadsförsäljningen i souvenirbutiken skriver vi. De uppskattade värdena för alfa, beta och gamma är 0 41, 0 00 respektive 0 96. Värdet av alfa 0 41 är relativt lågt vilket indikerar att uppskattningen av nivån vid den aktuella tidpunkten är baserad på både senaste observationer och några observationer i det avlägsna förflutet Värdet av beta är 0 00, vilket indikerar att uppskattningen av höjden b av trendkomponenten inte uppdateras över tidsserierna och istället sätts lika med det ursprungliga värdet. Detta ger en god intuitiv känsla, eftersom nivån förändras ganska lite över tidsserien men höjden b av trendkomponenten förblir ungefär densamma. I motsats härtill är värdet av gamma 0 96 högt vilket indikerar att uppskattningen av säsongskomponenten vid den aktuella tidpunkten är bara ba Sed på mycket nya observationer. Som för enkel exponentiell utjämning och Holt s exponentiell utjämning kan vi plotta de ursprungliga tidsserierna som en svart linje med de prognostiserade värdena som en röd linje ovanpå. Vi ser från handlingen att Holt - Winters exponentiella metod är mycket framgångsrik när det gäller att förutsäga säsongstopparna, vilket uppträder ungefär i november varje år. För att göra prognoser för framtida tider som inte ingår i de ursprungliga tidsserierna använder vi funktionen i prognospaketet. Till exempel ursprungliga uppgifterna för Souvenirförsäljningen är från januari 1987 till december 1993 Om vi ​​ville göra prognoser för januari 1994 till december 1998 48 månader, och räkna prognoserna skulle vi skriva. Prognoserna visas som en blå linje och orange och gul skuggade Områdena visar respektive 80 respektive 95 prediktionsintervaller. Vi kan undersöka huruvida den prediktiva modellen kan förbättras genom att kontrollera om prognosfel i prover visar autokorrelationer utan noll vid lags 1-20, genom att gör ett korrelogram och utför Ljung-Box-testet. Korrelogrammet visar att autokorrelationerna för prognosfel inte överstiger signifikansgränserna för lags 1-20 Dessutom är p-värdet för Ljung-Box-testet 0 6 , vilket indikerar att det finns få tecken på autokorrelationer utan noll vid lags 1-20. Vi kan kontrollera om prognosfelen har konstant varians över tiden och distribueras normalt med medel noll genom att göra en tidsplan av prognosfelen och en histogram med överlagrad normal kurva. Från tidsplanen förefaller det troligt att prognosfelen har konstant varians över tiden. Från prognosfelns histogram verkar det troligt att prognosfel normalt fördelas med medelvärdet. Därför finns det lite bevis Av autokorrelation vid lags 1-20 för prognosfel och prognosfel verkar normalt fördelas med medelvärde noll och konstant varians över tiden Detta föreslår att Holt-Winters exponentiella smoothi Ng tillhandahåller en adekvärd förutsägbar modell av försäljningsförteckningen i souvenirbutiken, som förmodligen inte kan förbättras. Vidare är antagandena som förutsägelserna baserades på, troligen giltiga. ARIMA-modeller. Exponentiella utjämningsmetoder är användbara för att göra prognoser, och Gör inga antaganden om korrelationerna mellan successiva värden i tidsserierna. Om du vill göra prognosintervaller för prognoser gjorda med exponentiella utjämningsmetoder kräver förutsägelsesintervallerna att prognosfelen är okorrelerade och distribueras vanligtvis med medel noll och konstant varians. While exponential smoothing methods do not make any assumptions about correlations between successive values of the time series, in some cases you can make a better predictive model by taking correlations in the data into account Autoregressive Integrated Moving Average ARIMA models include an explicit statistical model for the irregular component of a time series, that allows for non-zero autocorrelations in the irregular component. Differencing a Time Series. ARIMA models are defined for stationary time series Therefore, if you start off with a non-stationary time series, you will first need to difference the time series until you obtain a stationary time series If you have to difference the time series d times to obtain a stationary series, then you have an ARIMA p, d,q model, where d is the order of differencing used. You can difference a time series using the diff function in R For example, the time series of the annual diameter of women s skirts at the hem, from 1866 to 1911 is not stationary in mean, as the level changes a lot over time. We can difference the time series which we stored in skirtsseries , see above once, and plot the differenced series, by typing. The resulting time series of first differences above does not appear to be stationary in mean Therefore, we can difference the time series twice, to see if that gives us a stationary ti me series. Formal tests for stationarity. Formal tests for stationarity called unit root tests are available in the fUnitRoots package, available on CRAN, but will not be discussed here. The time series of second differences above does appear to be stationary in mean and variance, as the level of the series stays roughly constant over time, and the variance of the series appears roughly constant over time Thus, it appears that we need to difference the time series of the diameter of skirts twice in order to achieve a stationary series. If you need to difference your original time series data d times in order to obtain a stationary time series, this means that you can use an ARIMA p, d,q model for your time series, where d is the order of differencing used For example, for the time series of the diameter of women s skirts, we had to difference the time series twice, and so the order of differencing d is 2 This means that you can use an ARIMA p,2,q model for your time series The next step is to figure out the values of p and q for the ARIMA model. Another example is the time series of the age of death of the successive kings of England see above. From the time plot above , we can see that the time series is not stationary in mean To calculate the time series of first differences, and plot it, we type. The time series of first differences appears to be stationary in mean and variance, and so an ARIMA p,1,q model is probably appropriate for the time series of the age of death of the kings of England By taking the time series of first differences, we have removed the trend component of the time series of the ages at death of the kings, and are left with an irregular component We can now examine whether there are correlations between successive terms of this irregular component if so, this could help us to make a predictive model for the ages at death of the kings. Selecting a Candidate ARIMA Model. If your time series is stationary, or if you have transformed it to a stationary ti me series by differencing d times, the next step is to select the appropriate ARIMA model, which means finding the values of most appropriate values of p and q for an ARIMA p, d,q model To do this, you usually need to examine the correlogram and partial correlogram of the stationary time series. To plot a correlogram and partial correlogram, we can use the acf and pacf functions in R, respectively To get the actual values of the autocorrelations and partial autocorrelations, we set plot FALSE in the acf and pacf functions. Example of the Ages at Death of the Kings of England. For example, to plot the correlogram for lags 1-20 of the once differenced time series of the ages at death of the kings of England, and to get the values of the autocorrelations, we type. We see from the correlogram that the autocorrelation at lag 1 -0 360 exceeds the significance bounds, but all other autocorrelations between lags 1-20 do not exceed the significance bounds. To plot the partial correlogram for lags 1-2 0 for the once differenced time series of the ages at death of the English kings, and get the values of the partial autocorrelations, we use the pacf function, by typing. The partial correlogram shows that the partial autocorrelations at lags 1, 2 and 3 exceed the significance bounds, are negative, and are slowly decreasing in magnitude with increasing lag lag 1 -0 360, lag 2 -0 335, lag 3 -0 321 The partial autocorrelations tail off to zero after lag 3.Since the correlogram is zero after lag 1, and the partial correlogram tails off to zero after lag 3, this means that the following ARMA autoregressive moving average models are possible for the time series of first differences. an ARMA 3,0 model, that is, an autoregressive model of order p 3, since the partial autocorrelogram is zero after lag 3, and the autocorrelogram tails off to zero although perhaps too abruptly for this model to be appropriate. an ARMA 0,1 model, that is, a moving average model of order q 1, since the autocorrelogra m is zero after lag 1 and the partial autocorrelogram tails off to zero. an ARMA p, q model, that is, a mixed model with p and q greater than 0, since the autocorrelogram and partial correlogram tail off to zero although the correlogram probably tails off to zero too abruptly for this model to be appropriate. We use the principle of parsimony to decide which model is best that is, we assume that the model with the fewest parameters is best The ARMA 3,0 model has 3 parameters, the ARMA 0,1 model has 1 parameter, and the ARMA p, q model has at least 2 parameters Therefore, the ARMA 0,1 model is taken as the best model. An ARMA 0,1 model is a moving average model of order 1, or MA 1 model This model can be written as Xt - mu Zt - theta Zt-1 , where Xt is the stationary time series we are studying the first differenced series of ages at death of English kings , mu is the mean of time series Xt, Zt is white noise with mean zero and constant variance, and theta is a parameter that can be estimate d. A MA moving average model is usually used to model a time series that shows short-term dependencies between successive observations Intuitively, it makes good sense that a MA model can be used to describe the irregular component in the time series of ages at death of English kings, as we might expect the age at death of a particular English king to have some effect on the ages at death of the next king or two, but not much effect on the ages at death of kings that reign much longer after that. Shortcut the function. The function can be used to find the appropriate ARIMA model, eg type library forecast , then The output says an appropriate model is ARIMA 0,1,1.Since an ARMA 0,1 model with p 0, q 1 is taken to be the best candidate model for the time series of first differences of the ages at death of English kings, then the original time series of the ages of death can be modelled using an ARIMA 0,1,1 model with p 0, d 1, q 1, where d is the order of differencing required. Example of the Volcanic Dust Veil in the Northern Hemisphere. Let s take another example of selecting an appropriate ARIMA model The file file contains data on the volcanic dust veil index in the northern hemisphere, from 1500-1969 original data from Hipel and Mcleod, 1994 This is a measure of the impact of volcanic eruptions release of dust and aerosols into the environment We can read it into R and make a time plot by typing. From the time plot, it appears that the random fluctuations in the time series are roughly constant in size over time, so an additive model is probably appropriate for describing this time series. Furthermore, the time series appears to be stationary in mean and variance, as its level and variance appear to be roughly constant over time Therefore, we do not need to difference this series in order to fit an ARIMA model, but can fit an ARIMA model to the original series the order of differencing required, d, is zero here. We can now plot a correlogram and partial correlogram for la gs 1-20 to investigate what ARIMA model to use. We see from the correlogram that the autocorrelations for lags 1, 2 and 3 exceed the significance bounds, and that the autocorrelations tail off to zero after lag 3 The autocorrelations for lags 1, 2, 3 are positive, and decrease in magnitude with increasing lag lag 1 0 666, lag 2 0 374, lag 3 0 162.The autocorrelation for lags 19 and 20 exceed the significance bounds too, but it is likely that this is due to chance, since they just exceed the significance bounds especially for lag 19 , the autocorrelations for lags 4-18 do not exceed the signifiance bounds, and we would expect 1 in 20 lags to exceed the 95 significance bounds by chance alone. From the partial autocorrelogram, we see that the partial autocorrelation at lag 1 is positive and exceeds the significance bounds 0 666 , while the partial autocorrelation at lag 2 is negative and also exceeds the significance bounds -0 126 The partial autocorrelations tail off to zero after lag 2.Si nce the correlogram tails off to zero after lag 3, and the partial correlogram is zero after lag 2, the following ARMA models are possible for the time series. an ARMA 2,0 model, since the partial autocorrelogram is zero after lag 2, and the correlogram tails off to zero after lag 3, and the partial correlogram is zero after lag 2.an ARMA 0,3 model, since the autocorrelogram is zero after lag 3, and the partial correlogram tails off to zero although perhaps too abruptly for this model to be appropriate. an ARMA p, q mixed model, since the correlogram and partial correlogram tail off to zero although the partial correlogram perhaps tails off too abruptly for this model to be appropriate. Shortcut the function. Again, we can use to find an appropriate model, by typing , which gives us ARIMA 1,0,2 , which has 3 parameters However, different criteria can be used to select a model see help page If we use the bic criterion, which penalises the number of parameters, we get ARIMA 2,0,0 , which is A RMA 2,0 bic. The ARMA 2,0 model has 2 parameters, the ARMA 0,3 model has 3 parameters, and the ARMA p, q model has at least 2 parameters Therefore, using the principle of parsimony, the ARMA 2,0 model and ARMA p, q model are equally good candidate models. An ARMA 2,0 model is an autoregressive model of order 2, or AR 2 model This model can be written as Xt - mu Beta1 Xt-1 - mu Beta2 Xt-2 - mu Zt, where Xt is the stationary time series we are studying the time series of volcanic dust veil index , mu is the mean of time series Xt, Beta1 and Beta2 are parameters to be estimated, and Zt is white noise with mean zero and constant variance. An AR autoregressive model is usually used to model a time series which shows longer term dependencies between successive observations Intuitively, it makes sense that an AR model could be used to describe the time series of volcanic dust veil index, as we would expect volcanic dust and aerosol levels in one year to affect those in much later years, since the dust and aerosols are unlikely to disappear quickly. If an ARMA 2,0 model with p 2, q 0 is used to model the time series of volcanic dust veil index, it would mean that an ARIMA 2,0,0 model can be used with p 2, d 0, q 0, where d is the order of differencing required Similarly, if an ARMA p, q mixed model is used, where p and q are both greater than zero, than an ARIMA p,0,q model can be used. Forecasting Using an ARIMA Model. Once you have selected the best candidate ARIMA p, d,q model for your time series data, you can estimate the parameters of that ARIMA model, and use that as a predictive model for making forecasts for future values of your time series. You can estimate the parameters of an ARIMA p, d,q model using the arima function in R. Example of the Ages at Death of the Kings of England. For example, we discussed above that an ARIMA 0,1,1 model seems a plausible model for the ages at deaths of the kings of England You can specify the values of p, d and q in the ARIMA model by using th e order argument of the arima function in R To fit an ARIMA p, d,q model to this time series which we stored in the variable kingstimeseries , see above , we type. As mentioned above, if we are fitting an ARIMA 0,1,1 model to our time series, it means we are fitting an an ARMA 0,1 model to the time series of first differences An ARMA 0,1 model can be written Xt - mu Zt - theta Zt-1 , where theta is a parameter to be estimated From the output of the arima R function above , the estimated value of theta given as ma1 in the R output is -0 7218 in the case of the ARIMA 0,1,1 model fitted to the time series of ages at death of kings. Specifying the confidence level for prediction intervals. You can specify the confidence level for prediction intervals in by using the level argument For example, to get a 99 5 prediction interval, we would type h 5, level c 99 5.We can then use the ARIMA model to make forecasts for future values of the time series, using the function in the forecast R package For example, to forecast the ages at death of the next five English kings, we type. The original time series for the English kings includes the ages at death of 42 English kings The function gives us a forecast of the age of death of the next five English kings kings 43-47 , as well as 80 and 95 prediction intervals for those predictions The age of death of the 42nd English king was 56 years the last observed value in our time series , and the ARIMA model gives the forecasted age at death of the next five kings as 67 8 years. We can plot the observed ages of death for the first 42 kings, as well as the ages that would be predicted for these 42 kings and for the next 5 kings using our ARIMA 0,1,1 model, by typing. As in the case of exponential smoothing models, it is a good idea to investigate whether the forecast errors of an ARIMA model are normally distributed with mean zero and constant variance, and whether the are correlations between successive forecast errors. For example, we can make a correlogram of the forecast errors for our ARIMA 0,1,1 model for the ages at death of kings, and perform the Ljung-Box test for lags 1-20, by typing. Since the correlogram shows that none of the sample autocorrelations for lags 1-20 exceed the significance bounds, and the p-value for the Ljung-Box test is 0 9, we can conclude that there is very little evidence for non-zero autocorrelations in the forecast errors at lags 1-20.To investigate whether the forecast errors are normally distributed with mean zero and constant variance, we can make a time plot and histogram with overlaid normal curve of the forecast errors. The time plot of the in-sample forecast errors shows that the variance of the forecast errors seems to be roughly constant over time though perhaps there is slightly higher variance for the second half of the time series The histogram of the time series shows that the forecast errors are roughly normally distributed and the mean seems to be close to zero Therefore, it is pl ausible that the forecast errors are normally distributed with mean zero and constant variance. Since successive forecast errors do not seem to be correlated, and the forecast errors seem to be normally distributed with mean zero and constant variance, the ARIMA 0,1,1 does seem to provide an adequate predictive model for the ages at death of English kings. Example of the Volcanic Dust Veil in the Northern Hemisphere. We discussed above that an appropriate ARIMA model for the time series of volcanic dust veil index may be an ARIMA 2,0,0 model To fit an ARIMA 2,0,0 model to this time series, we can type. As mentioned above, an ARIMA 2,0,0 model can be written as written as Xt - mu Beta1 Xt-1 - mu Beta2 Xt-2 - mu Zt, where Beta1 and Beta2 are parameters to be estimated The output of the arima function tells us that Beta1 and Beta2 are estimated as 0 7533 and -0 1268 here given as ar1 and ar2 in the output of arima. Now we have fitted the ARIMA 2,0,0 model, we can use the model to predict futur e values of the volcanic dust veil index The original data includes the years 1500-1969 To make predictions for the years 1970-2000 31 more years , we type. We can plot the original time series, and the forecasted values, by typing. One worrying thing is that the model has predicted negative values for the volcanic dust veil index, but this variable can only have positive values The reason is that the arima and functions don t know that the variable can only take positive values Clearly, this is not a very desirable feature of our current predictive model. Again, we should investigate whether the forecast errors seem to be correlated, and whether they are normally distributed with mean zero and constant variance To check for correlations between successive forecast errors, we can make a correlogram and use the Ljung-Box test. The correlogram shows that the sample autocorrelation at lag 20 exceeds the significance bounds However, this is probably due to chance, since we would expect one out of 20 sample autocorrelations to exceed the 95 significance bounds Furthermore, the p-value for the Ljung-Box test is 0 2, indicating that there is little evidence for non-zero autocorrelations in the forecast errors for lags 1-20.To check whether the forecast errors are normally distributed with mean zero and constant variance, we make a time plot of the forecast errors, and a histogram. The time plot of forecast errors shows that the forecast errors seem to have roughly constant variance over time However, the time series of forecast errors seems to have a negative mean, rather than a zero mean We can confirm this by calculating the mean forecast error, which turns out to be about -0 22.The histogram of forecast errors above shows that although the mean value of the forecast errors is negative, the distribution of forecast errors is skewed to the right compared to a normal curve Therefore, it seems that we cannot comfortably conclude that the forecast errors are normally distributed with mean zero and constant variance Thus, it is likely that our ARIMA 2,0,0 model for the time series of volcanic dust veil index is not the best model that we could make, and could almost definitely be improved upon. Links and Further Reading. Here are some links for further reading. For a more in-depth introduction to R, a good online tutorial is available on the Kickstarting R website. There is another nice slightly more in-depth tutorial to R available on the Introduction to R website. You can find a list of R packages for analysing time series data on the CRAN Time Series Task View webpage. To learn about time series analysis, I would highly recommend the book Time series product code M249 02 by the Open University, available from the Open University Shop. There are two books available in the Use R series on using R for time series analyses, the first is Introductory Time Series with R by Cowpertwait and Metcalfe, and the second is Analysis of Integrated and Cointegrated Time Series wit h R by Pfaff. I am grateful to Professor Rob Hyndman for kindly allowing me to use the time series data sets from his Time Series Data Library TSDL in the examples in this booklet. Many of the examples in this booklet are inspired by examples in the excellent Open University book, Time series product code M249 02 , available from the Open University Shop. Thank you to Ravi Aranke for bringing to my attention, and Maurice Omane-Adjepong for bringing unit root tests to my attention, and Christian Seubert for noticing a small bug in plotForecastErrors Thank you for other comments to Antoine Binard and Bill Johnston. I will be grateful if you will send me Avril Coghlan corrections or suggestions for improvements to my email address alc sanger ac uk.8 4 Moving average models. Rather than use past values of the forecast variable in a regression, a moving average model uses past forecast errors in a regression-like model. Yc et theta e theta e prickar theta e. where et is white noise Vi hänvisar till detta som en MA q modell Naturligtvis observerar vi inte värdena på et, så det är inte riktigt regression i vanligt bemärkande. Notera att varje värdet på yt kan betraktas som ett vägat glidande medelvärde av de senaste prognosfelen. Flyttande genomsnittsmodeller ska emellertid inte förväxlas med glidande medelutjämning som vi diskuterat i Kapitel 6 En glidande genomsnittsmodell används för att prognosera framtida värden samtidigt som den glider i genomsnittlig utjämning används för att uppskatta trendcykeln för tidigare värden. Figur 8 6 Två exempel på data från rörliga genomsnittsmodeller med olika parametrar Vänster MA 1 med yt 20 och 0 8e t-1 Höger MA 2 med ytet - e t-1 0 8e t-2 I båda fallen är et normalt distribuerat vitt brus med medelvärde noll och varians en. Figur 8 6 visar vissa data från en MA 1-modell och en MA 2-modell. Ändring av parametrarna theta1, prickar, thetaq resulterar i olika tidsseriemönster Liksom med autoregressiva modeller, variansen av Felperioden et kommer bara att ändra seriens skala, inte mönstren. Det är möjligt att skriva en stationär AR p-modell som en MA infty-modell. Exempelvis kan vi använda en upprepad substitution för en AR 1-modell. Start yt phi1y och phi1 phi1y et phi1 2y phi1 e et phi1 3y phi1 2e phi1 e et text end. Provided -1 phi1 1 blir värdet av phi1 k mindre när k blir större Så småningom erhåller vi. Yt och phi1 e phi1 2 e phi1 3 e cdots. an MA infty process. The omvända resultat hålls om vi lägger några begränsningar på MA parametrarna. Då MA-modellen kallas invertibel Det vill säga att vi kan skriva någon inverterbar MA q-process som En AR infty process. Invertible modeller är inte bara för att möjliggöra för oss att konvertera från MA modeller till AR-modeller. De har också vissa matematiska egenskaper som gör dem enklare att använda i praktiken. Invertibilitetsbegränsningarna liknar stationaritetsbegränsningarna. För en MA 1 Modell -1 theta1 1.För en MA 2-modell -1 theta2 1, theta2 theta1 -1, theta1-theta2 1.Mera komplicerade förhållanden håller på för q ge3 Igen kommer R att ta hand om dessa hinder vid beräkning av modellerna.