數學建模 時間序列分析

時間序列也稱動態序列, 是指將某種現象的指標數值按照時間順序排列而成的數值序列。時間序列分析大致可分成三大部分,分別是描述過去、分析規律和預測未來,時間序列分析中常用的三種模型:季節分解、指數平滑方法和ARIMA模型, 常用Spss軟件對時間序列數據進行建模。

1、時間序列數據

對同一對象在不同時間連續觀察所取得的數據。
例如:
(1)從出生到現在,你的體重的數據(每年生日稱一次)。
(2)中國曆年來GDP的數據。
(3)在某地方每隔一小時測得的溫度數據。

1、時間序列

時間序列也稱動態序列,是指將某種現象的指標數值按照 時間順序排列而成的數值序列。時間序列由兩個組成要素構成: 1、第一個要素是時間要素;年、季度、月、周、日、小時、分鐘、秒2、第二個要素是數值要素。

時間序列根據時間和數值性質的不同,可以分爲時期時間 序列和時點時間序列。 時期序列中,數值要素反映現象在一定時期內發展的結果; 時點序列中,數值要素反映現象在一定時點上的瞬間水平。

2、區分時期和時點時間序列

例如:
(1)從出生到現在,你的體重的數據(每年生日稱一次)。
(2)中國曆年來GDP的數據。
(3)在某地方每隔一小時測得的溫度數據。
(1)和(3)是時點時間序列;(2)是時期時間序列

時期序列可加,時點序列不可加。

時期序列中的觀測值反映現象在一段時期內發展過程的總量,不同時期的觀測值可以相加,相加結果表明現象在更長一段時間內的活動總量; 而時點序列中的觀測值反映現象在某一瞬間上所達到的水平,不同時期的觀測值不能相加,相加結果沒有實際意義。(灰色預測模型裏面有一個累加的過程)

3、時間序列分解

因爲時間序列是某個指標數值長期變化的數值表現,所以時間序列數 值變化背後必然蘊含着數值變換的規律性,這些規律性就是時間序列分析 的切入點。
一般情況下,時間序列的數值變化規律有以下四種:

1、長期趨勢:T

長期趨勢(Secular trend,T)指的是統計指標在相當長的一段時間內,受 到長期趨勢影響因素的影響,表現出持續上升或持續下降的趨勢,通常用 字母T表示。例如,隨着國家經濟的發展,人均收入將逐漸提升;隨着醫學 水平的提高,新生兒死亡率在不斷下降。
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2、季節趨勢:S

季節趨勢(Seasonal Variation,S)是指由於季節的轉變使得指標數值發生週期性變動。這裏的季節是廣義的,一般以月、季、周爲時間單位,不能以年 作單位。例如雪糕和棉衣的銷量都會隨着季節氣溫的變化而週期變化;每年 的長假(五一、十一、春節)都會引起出行人數的大量增加。
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百度指數

3、循環變動

循環變動(Cyclical Variation,C)與季節變動的週期不同,循環變動通常 以若干年爲週期,在曲線圖上表現爲波浪式的週期變動。這種週期變動的特 徵變現爲增加和減少交替出現,但是並不具嚴格規則的週期性連續變動。最 典型的週期案例就是市場經濟的商業週期和的整個國家的經濟週期。
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4、不規則變動:I

不規則變動(Irregular Variation,I)是由某些隨機因素導致的數值變化,這些因素的作用是不可預知和沒有規律性的,可以視爲由於衆多偶然因素對 時間序列造成的影響(在迴歸中又被稱爲擾動項)。
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四種變動與指標數值最終變動的關係可能是疊加關係,也可能是乘積關係。

4、疊加模型和乘積模型

(1)如果四種變動之間是相互獨立的關係,那麼疊加模型可以表示爲:
Y=T+S+C+I

(2)如果四種變動之間存在相互影響關係,那麼應該使用乘積模型:
Y=TSC*I

(1)數據具有周期性時才能使用時間序列分解,例如數據是 月份數據(週期爲12)、季度數據(週期爲4) ,如果是年份數據則 不行。
(2)在具體的時間序列圖上,如果隨着時間的推移,序列的 季節波動變得越來越大,則反映各種變動之間的關係發生變化, 建議使用乘積模型;反之,如果時間序列圖的波動保持恆定, 則可以直接使用疊加模型;當然,如果不存在季節波動,則兩 種分解均可以。

5、替換缺失值的五種方法

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6、時間序列分析

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2、建立時間分析模型

1、指數平滑模型

1、simple模型(只能預測一期)

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關於平滑係數𝛼的選取原則: 1、如果時間序列具有不規則的起伏變化,但長期趨勢接近一個穩定常數,α值一 般較小(取0.05‐0.02之間) 2、如果時間序列具有迅速明顯的變化傾向,則α應該取較大值(取0.3‐0.5) 3、如果時間序列變化緩慢,亦應選較小的值(一般在0.1‐0.4之間)

實際上,Spss的專家建模如果選擇了Simple模型用來估計,那麼軟件會幫我們自動 選取一個適合的平滑係數使得預測誤差最小。

2、線性趨勢模型

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3、阻尼趨勢模型

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4、簡單季節性

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4、溫特加法模型

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5、溫特乘法模型

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2、一元時間序列分析的模型

1、平穩時間序列和白噪聲序列

時間序列的平穩性
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2、差分方程

將某個時間序列變量表示爲該變量的滯後項、時間和其他變量的 函數,這樣的一個函數方程被稱爲差分方程。
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差分方程的齊次部分:只包含該變量自身和它的滯後項的式子。
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3、滯後算子

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4、AR§模型

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5、MA(q)模型

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MA模型和AR模型的關係
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從上面的計算步驟可以看出:我們可以將1階移動平均模型轉換爲無窮階的自回 歸模型,這一性質稱爲移動平均模型的可逆性;類似的,我們在某些條件下(可逆性 條件)也可以將MA(q)模型也轉換爲無窮階的自迴歸過程。

一般地,任何經濟變量的時間序列都可以自迴歸過程來描述。但在模型分析的實 踐中,爲簡化估計參數的工作量,我們當然希望模型當中的參數儘可能地少。於是便 有了引進移動平均過程MA(q)的必要。

6、ARMA(p,q)模型

自迴歸移動平均模型(Autoregressive Moving Average,ARMA),就是設法將自迴歸過程AR和移動平均過程MA結合起來,共同模擬產生既有時間序列樣本數據的那 個隨機過程的模型。
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7、ARIMA(p,d,q)模型

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8、SARIMA(Seasonal ARIMA)模型

到目前爲止,我們只關注非季節性數據和非季節性ARIMA模型。然而,ARIMA 模型也能夠對廣泛的季節數據進行建模。季節性ARIMA模型是通過在ARIMA模型中包含額外的季節性項而生成的,其形 式如下:
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