Анализ временных рядов

Составляющие временного ряда

При анализе временного ряда выделяют три составляющие: тренд, сезонность и шум. Тренд - это общая тенденция, сезонность, как следует из названия - влияния периодичности (день недели, время года и т.д.) и, наконец, шум - это случайные факторы.

Что бы понять отличие этих трёх величин, смоделируем функцию расстояния от земли до луны. Известно, что в среднем луна каждый год отдаляется на 4 см - это тренд, в течение дня луна совершает оборот вокруг земли и расстояние колеблется от ~362600 км до ~405400 км - это сезонность. Шум - это "случайные" факторы, например, влияние других планет. Если мы изобразим сумму этих трёх графиков, то мы получим временной ряд - функцию, показывающую изменение расстояния от земли до луны во времени.

Тренд. Методы сглаживания

Методы сглаживания необходимы для удаления шума из временного ряда. Существуют различные способы сглаживания, основные - это метод скользящей средней и метод экспоненциального сглаживания.

Метод скользящей средней

Идея метода скользящего среднего заключается в смещении точки графика на среднее значение некоторого интервала. В качестве интервала берут нечётное количество участков, например, три - предыдущий, текущий и следующий периоды, находится среднее и принимается в качестве сглаженного значения:

S_i = Σ^k_j=-k(x_i+j)/(2k+1)

У данного метода есть проблема: случайное высокое или низкое значение сильно влияют на скользящую линию. В качестве решения были введены веса. Для распределение веса используют оконные функции, основные оконные функции - это окно Дирихле (прямоугольная функция), В-сплайны, полиномы, синусоидальные и косинусоидальные:

Минусы использования скользящей средней - это сложность вычислений и некорректные данные на концах графика.

Как видно из графика, увеличение n выдаёт более плавную функцию, таким образом нивелируя более мелкие колебания во временном ряду. Обратите внимание, что при сглаживании не имеет значения, совпадает график среднего с графиком данных или нет, целью является построение правильной формы.

Метод экспоненциального сглаживания

Метод экспоненциального сглаживания получил своё название потому, что в сглаженной функции экспоненциально убывает влияние предыдущего периода с неким коэффициентом чувствительности α. Сглаженное значение находится как разница между предыдущим действительным значением и рассчитанным значением:

D'_t = α·D_t-1 + (1-α)·D'_t-1

Коэффициент чувствительности, α, выбирается между 0 и 1, в качестве базиса используют значение 0,3. Если есть достаточная выборка, то коэффициент подбирается путём оптимизации.

Методы прогнозирования

Методы прогнозирования основываются на выявлении тенденции во временном ряду и последующем использовании найденного значения для предсказания будущих значений. В методах прогнозирования выделяют тренд и сезонность, в общем случае, все типы сезонности могут быть найдены последовательными итерациями. Например, при анализе данных за год, можно выделить сезонность времени года, а в оставшемся тренде найти сезонность по дням недели и так далее.

Двойное экспоненциальное сглаживание

Двойное экспоненциальное сглаживание выдаёт сглаженное значение уровня и тенденции.

Внимание! Может возникнуть путаница, метод Хольт-Винтерса отличается терминами: тренд, сезонность и шум соответственно называются уровень, тренд и сезонность.

Smooth - сглаживание, сглаженный уровень на период τ, s_τ, зависит от значения уровня на текущий период (D_τ), тренда за предыдущий период (t_τ-1) и рассчитанного сглаженного значения на предыдущий период (s_τ-1):
s_τ = αD_τ + (1 - α)(s_τ-1 + t_τ-1)

Trend - тенденция, тренд на период τ, t_τ, зависит от рассчитанного сглаженного значения за предыдущий и текущий периоды (s_τ и s_τ-1) и от предыдущей тенденции:
t_τ = β(s_τ-s_τ-1) + (1-β)t_τ-1

Рассчитанные по данным формулам уровень и тренд могут быть использованы в прогнозировании:
D'_τ+h = s_τ + h·t_τ

При расчёте, значения s и t для первого периода назначают s₁ = D₁ и t=0

Метод Хольт-Винтерса

Метод Хольт-Винтерса включает в себя сезонную составляющую, т.е. периодичность. Существуют две разновидности метода - мультипликативный и аддитивный. В отличие от двойного экспоненциального сглаживания, метод Хольт-Винтерса изучает также влияние периодичности.

Общая идея нахождения значений сглаженного уровня, тренда и периодичности заключается в следующем: сглаженный уровень (s - smooth, иногда используют l - level) - это базовый уровень значений, тренд (t - trend) - это показатель скорости роста, разница между сглаженными значениями текущего и предыдущего периода. Для изучения периодичности (p - period), мы разбиваем данные на периоды размером k и выделяем влияние каждого элемента (1,2,...,k) периода на сглаженный уровень.

Для более точных расчётов вводится показатель обратной связи.

В общем понимании, обратная связь - это влияние предыдущих значений на новые: например, когда Вы начинаете говорить, Вы регулируете громкость своего голоса в зависимости от того, что слышат Ваши уши - это и есть обратная связь.

Для начала расчётов, значения s, t и k, в самом простом виде, могут быть выбраны как s_τ = D_τ, t = 0, p = 0.

k - длина выбранного периода:
s_τ = α(D_τ - p_τ-k) + (1 - α)(s_τ-1 + t_τ-1)

С поправкой на предыдущие значения t_τ-k (обратная связь)
t_τ = β(s_τ-s_τ-1) + (1-β)t_τ-1

С поправкой на предыдущие значения p_τ-k (обратная связь)
p_τ = γ(D_τ - s_τ) + (1-γ)p_τ-k

Для прогнозирования используется следующая формула:

x_τ+h = D_τ + ht_τ + p_τ-k+h

Мультипликативный метод Хольт-Винтерса

Мультипликативный метод отличается от аддитивного тем, что параметры, влияющие на периодичность и сглаженный уровень рассчитываются отношением:

p_τ = γ(D_τ/s_τ) + (1-γ)p_τ-k
s_τ = α(D_τ/p_τ-k) + (1 - α)(s_τ-1 + t_τ-1)
t_τ = β(s_τ-s_τ-1) + (1-β)t_τ-1

Для прогнозирования используется следующая формула:

x_τ+h = (D_τ + ht_τ)p_τ-k+h

Метод Хольт-Винтерса в excel

Таблица для скачивания в форматах ods и xls.

Качество прогнозирования

Проверка качества прогнозирования возможна в случае наличия достаточной выборки и является важной проверкой на достоверность прогноза, для проверки и оптимизации значений α, β и γ необходимо построить прогноз на существующие данные, например, если у нас в наличии данные за пять лет и мы хотим предсказать следующий год, то необходимо построить модель на первых четырёх годах, проверить и оптимизировать коэффициенты для минимизации ошибки между прогнозом и данными на 5й год. После оптимизации модель может быть перестроена с учётом последнего периода для повышения точности, далее следует построение прогноза.

Методы оптимизации будут описаны в отдельной статье, ниже представлен пример прогнозирования методом Хольт Винтерса.