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Introdução às Séries Temporais Prof. Victor Hugo Prof. Victor Hugo Lachos Lachos Davila Davila AULA: AULA:

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Page 1: Introdução às Séries Temporais - Instituto de Matemática ...hlachos/MaterialSeries.pdf• Corte Transversal: quando os dados observados foram coletados no mesmo ponto do tempo

Introdução às SériesTemporais

Prof. Victor Hugo Prof. Victor Hugo LachosLachos DavilaDavila

AULA:AULA:

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Natureza e Fonte de Dados

Existe 3 tipos de dados disponível para análise:

• Séries Temporais: quando os dados são observados em diferentes instantes do tempo, seja diariamente (preço de ações, relatórios meteorológicos), mensalmente (taxa de desemprego, IPC), trimestralmente (PIB).

• Corte Transversal: quando os dados observados foram coletados no mesmo ponto do tempo (pesquisas de opinião, dados de censos)

• Dados em Painel: Aqui uma unidade em corte transversal é pesquisada ao longo do tempo. (PIB de cada pais sul-americano para o período de 1990 a 2008)

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Exemplos de séries temporais (1)

• O valor esperado é constante• A variância é constante• Simétrica• Não correlacionados entre instantes diferentes

Ruído Branco Gaussiano

independente e identicamente distribuídos (a.a.)

i.i.d ),0(~ 2σNX t

0 3 6 9

12

15

18

21

24

27

30

33

36

39

42

45

48

51

54

57

60

63

66

69

72

75

78

81

84

87

90

93

96

99

-1.41

-0.94

-0.47

0

0.47

0.94

1.41

1.88

2.35

2.82

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Exemplos de séries temporais (2)

Movimento de uma partícula com relação a um ponto

• O valor esperado é constante• A variância não é constante• Simétrica• Correlacionados entre instantes diferentes

Passeio Aleatório

i.i.d ),0(~ 2σNat

ttt aXX ++= −1μ

μ=0

μ=0.2

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y1900m01d01

y1910m01d01

y1920m01d01

y1930m01d01

y1940m01d01

y1950m01d01

y1960m01d01

y1970m01d01

y1980m01d01

y1990m01d01

18900000

21000000

23100000

25200000

27300000

29400000

31500000

33600000

35700000

37800000 A média não é constante

A população espanhola cresceu estritamente de década em década de maneira aparentemente lineal. Tendência crescenteTendência crescente

Exemplos de séries temporais (3)

População da Espanha

y1910m01d01

y1920m01d01

y1930m01d01

y1940m01d01

y1950m01d01

y1960m01d01

y1970m01d01

y1980m01d01

y1990m01d01

1440000

1680000

1920000

2160000

2400000

2640000

2880000

3120000

3360000

3600000

y1920m01d01

y1930m01d01

y1940m01d01

y1950m01d01

y1960m01d01

y1970m01d01

y1980m01d01

y1990m01d01

-2030000

-1740000

-1450000

-1160000

-870000

-580000

-290000

0

290000

580000

870000

Se tomamos a diferença yt - yt-1 pode-se observar as flutuações quanto à velocidade de crescimento.

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As séries de consumo de eletricidade apresentam uma clara tendência positiva que parece acelerar-se no final da série. Por outro lado a série apresenta uma marcada sazonalidadesazonalidade com consumos muito elevados nos meses de inverno devido ao efeito da temperatura.A série parece ter maior dispersão na medida que toma maiores valores.

Se a sazonalidade é estritamente periódica pode eliminar-se da série com um componente determinista.Um truque poderia ser estudar separadamente as séries correspondentes em períodos equivalentes.Outra alternativa é tomar diferenças de ordem apropriado.

91

94

01

03

93

95

02

97

04

96

98

00

92

99

5607008409801120126014001540168018201960

Exemplos de séries temporais (4)

Consumo elétrico

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As séries de número de passageiros por mês em linhas aéreas apresenta sazonalidade com um marcado crescimento onde a variância aumenta na medida que toma maiores valores.

Exemplos de séries temporais (5)

Passageiros em linhas aéreas

HeteroscedasticidadeSe a variância não é constante pode-se normalizar transformando apropriadamente os dados iniciais.

y1980m01d01

y1980m07d01

y1981m01d01

y1981m07d01

y1982m01d01

y1982m07d01

y1983m01d01

y1983m07d01

y1984m01d01

y1984m07d01

y1985m01d01

y1985m07d01

y1986m01d01

y1986m07d01

y1987m01d01

y1987m07d01

y1988m01d01

y1988m07d01

y1989m01d01

y1989m07d01

y1990m01d01

y1990m07d01

y1991m01d01

y1991m07d01

y1992m01d01

104156208260312364416468520572624

y1980m01d01

y1980m07d01

y1981m01d01

y1981m07d01

y1982m01d01

y1982m07d01

y1983m01d01

y1983m07d01

y1984m01d01

y1984m07d01

y1985m01d01

y1985m07d01

y1986m01d01

y1986m07d01

y1987m01d01

y1987m07d01

y1988m01d01

y1988m07d01

y1989m01d01

y1989m07d01

y1990m01d01

y1990m07d01

y1991m01d01

y1991m07d01

y1992m01d01

4.754.945.135.325.515.7

5.896.086.276.46

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Se observa:

• Comportamentos periódicos a nível semanal e a nível anual.• Mudanças de nível. • A influência de efeitos como feriados, pontes, etc.

Exemplos de séries temporais (6)

Venda diária de um jornal em uma bancay2004m01d02

y2004m01d19

y2004m02d05

y2004m02d22

y2004m03d10

y2004m03d27

y2004m04d13

y2004m04d30

y2004m05d17

y2004m06d03

y2004m06d20

y2004m07d07

y2004m07d24

y2004m08d10

y2004m08d27

y2004m09d13

y2004m09d30

y2004m10d17

y2004m11d03

y2004m11d20

y2004m12d07

y2004m12d24

y2005m01d10

y2005m01d27

y2005m02d13

y2005m03d02

y2005m03d19

y2005m04d05

y2005m04d22

y2005m05d09

y2005m05d26

y2005m06d12

y2005m06d29

y2005m07d16

y2005m08d02

y2005m08d19

y2005m09d05

y2005m09d22

y2005m10d09

y2005m10d26

y2005m11d12

y2005m11d29

y2005m12d16

y2006m01d02

y2006m01d19

y2006m02d05

y2006m02d22

y2006m03d11

y2006m03d28

y2006m04d14

y2006m05d01

y2006m05d18

y2006m06d04

y2006m06d21

y2006m07d08

y2006m07d25

y2006m08d11

y2006m08d28

y2006m09d14

y2006m10d01

y2006m10d18

y2006m11d04

0

19

38

57

76

95

114

133

152

171

190

4050

6070

8090

100

110

120

130

y2004m11d15

y2004m11d22

y2004m11d29

y2004m12d06

y2004m12d13

y2004m12d20

y2004m12d27

y2005m01d03

y2005m01d10

y2005m01d17

y2005m01d24

y2005m01d31

y2005m02d07

y2005m02d14

y2005m02d21

y2005m02d28

y2005m03d07

y2005m03d14

y2005m03d21

y2005m03d28

y2005m04d04

y2005m04d11

y2005m04d18

y2005m04d25

y2005m05d02

y2005m05d09

y2005m05d16

y2005m05d23

y2005m05d30

y2005m06d06

y2005m06d13

y2005m06d20

y2005m06d27

y2005m07d04

y2005m07d11

y2005m07d18

y2005m07d25

y2005m08d01

y2005m08d08

0

16

32

48

64

80

96

112

128

144

160

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Efeitos como o começo das promoçõesproduz um resultado em incremento instantãneo das vendas que se transmite com certo decaimento.

Exemplos de séries temporais (7)

Venda de um tipo de produto em uma temporaday2004m07d17

y2004m07d31

y2004m08d14

y2004m08d28

y2004m09d11

y2004m09d25

y2004m10d09

y2004m10d23

y2004m11d06

y2004m11d20

y2004m12d04

y2004m12d18

y2005m01d01

y2005m01d15

y2005m01d29

y2005m02d12

y2005m02d26

y2005m03d12

y2005m03d26

y2005m04d09

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Exemplos de séries temporais (8)

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

-9.8

-4.9

04.9

9.8

14.7

19.624.5

29.4

34.3

39.2

-9.8

-4.9

0

4.9

9.8

14.7

19.6

24.5

29.4

34.3

As séries de temperaturas oscilam em torno de um valor central, (15º máx e 5º mín) mas sistematicamente alguns meses tem valores mais altos que outros. Por exemplo os meses de verão tem valores mais altos que os meses de inverno.

Séries diferentes guardam altas correlações. Também pode-se considerar o problema de modelar ambas simultaneamente, como Séries Temporais Multivariadas.

Temperatura máxima e mínima diária

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Os Zt,, , t=0,1,2,3,.....n, são realizações de xt

Processos Estocásticos

{ }Ttxt ε,

tz

Serie Temporal Observada

Um Processo Estocástico pode ser definido como uma coleção de variáveis aleatórias ordenadas no tempo ,onde T é um conjunto ordenado de índices.

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Conceito de Série Temporal

Def.) Série temporal : Uma serie temporal se considera como a realização de um processo estocástico e que estão ordenadas em intervalos regulares de tempo (cada dia, cada mês, cada ano, etc)

tt zzzzz ,...,,}{ 321

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

-9.8

-4.9

04.9

9.8

14.7

19.624.5

29.4

34.3

39.2

-9.8

-4.9

0

4.9

9.8

14.7

19.6

24.5

29.4

34.3

89-Ene

89-Abr

89-Jul

89-Oct

90-Feb

90-May

90-Ago

90-Dic

91-Mar

91-Jun

91-Sep

92-Ene

92-Abr

92-Jul

92-Nov

93-Feb

93-May

93-Ago

93-Dic

94-Mar

94-Jun

94-Oct

95-Ene

95-Abr

95-Jul

95-Nov

96-Feb

96-May

96-Sep

96-Dic

97-Mar

97-Jun

97-Oct

98-Ene

98-Abr

98-Ago

98-Nov

99-Feb

99-May

99-Sep

99-Dic

00-Mar

00-Jul

00-Oct

01-Ene

01-Abr

01-Ago

01-Nov

02-Feb

02-Jun

02-Sep

02-Dic

03-Mar

03-Jul

03-Oct

04-Ene

04-May

0200400600800100012001400160018002000

0200400600800100012001400160018002000

Os dados de séries temporais geralmente não são independentes, especialmente se os intervalos da amostra são curtos.As observações próximas costumam ser mais parecidas que as mais distantes (p. ej. temperatura diária).

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Caracterização de Processos EstocásticosUm processo estocástico fica caracterizado se definimos a função da distribuição conjunta das variáveis aleatórias (z1,z2,.. zT) para qualquer valor de T. Dizemos que conhecemos a estrutura probabilística de um proceso estocástico quando conhecemos estas distribuições, sem embargo isto requer observar um grande número de realizações que não costumam estar disponíveis quando se trata de séries econômicas.

][ tt zE=μDef.) Função de Médias :proporciona as esperanças das distribuições marginais de zt para cada instante

][2tt zVar=σ

Def.) Função de variâncias do processo proporciona as variâncias em cada instante temporal.

Def.) Função de AutoCovariâncias: descreve a Covariâncias entre duas variáveis do processo em dois instantes quaisquer.

)])([(),(),( jtjtttjtt zzEzzCovjtt +++ −−==+ μμγ

Def.) Função de Autocorrelaçãon: mede a dependência lineal entre os valores do processo no instante t e no instante t+j. Chamaremo coeficiente de correlação de orden (j) a:

jtt

jtt zzCovjtt

+

+=+σσ

ρ),(

),(

o correlograma não é mais que a representação dos coeficientes de autocorrelación em função do atraso j.

Caracterizando o processo

estocástico Zt

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Processos Estocásticos

Tipos de processos estocásticos

00-Ene

00-Nov

01-Sep

02-Jul

03-May

04-Mar

05-Ene

05-Nov

06-Sep

07-Jul

08-May

09-Mar

10-Ene

10-Nov

-0.64-0.48-0.32-0.16

00.160.320.480.640.8

Processos Estacionários

Um processo estocástico Zt é estacionário quando as propriedades estatísticas de qualquer sequência finita z1,z2,.. zk de componentes de Ztsão semelhantes às da sequência z1+h,z2+h,.. zk+hpara qualquer número inteiro h

Processos Não EstacionáriosUm processo estocástico Zt é não estacionário quando as propriedades estatísticas de ao menos uma sequência finita z1,z2,.. zk de componentes de Zt são diferentes das de sequência z1+h,z2+h,.. zk+hpara ao menos um número inteiro h

91

94

01

03

93

95

02

97

04

96

98

00

92

99

5607008409801120126014001540168018201960

Se existe a transformação: Processos Homogêneos de Orden d

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Processos Estocásticos Estacionários

Def.) Processo Estocástico Estacionário em Sentido Estrito : Um processo estocástico Zt é estacionário quando as propriedades estatísticas de qualquer sequência finita z1,z2,.. zk de componentes de Zt são semelhantes às da sequência z1+h,z2+h,.. zk+h para qualquer número inteiro h. Um processo estocástico Zt é estacionário quando a distribuição conjunta de qualquer conjunto de variáveis não se modifica se transferimos as variáveis no tempo.

),...,,(),...,( hkhjhikji xxxFxxxF +++=

Def.) Processo Estocástico Estacionário em Sentido Débil : Quando os momentos de primeira e segunda ordem do processo são constantes e a Covariância entre duas variáveis depende somente de sua separação no tempo

2,1,0),(),()(

)(2

±±==+=−=

=

kkttkttxVar

xE

k

t

t

γγγσ

μ

00-Ene

00-Nov

01-Sep

02-Jul

03-May

04-Mar

05-Ene

05-Nov

06-Sep

07-Jul

08-May

09-Mar

10-Ene

10-Nov

-0.64-0.48-0.32-0.16

00.160.320.480.640.8

Nota: Quando um processo éestacionário as propriedades

estatísticas se simplificam notavelmente e sua

caracterização é mais simples

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Exemplos de Processos Estocásticos EstacionáriosProcesso Ruído Branco. ARIMA(0,0,0)

tt az =

Processo Homogêneo de orden 1. ARIMA(p,0,0)

Proceso Homogéneo de Orden 1. ARIMA(0,1,0)tt az =∇

Processo Autoregressivo de orden (p).ARIMA(p,0,0)

tptptt azzz +++= −φφ ..1

Processo Média Móvel de ordem (q).ARIMA(0,0,q)

qtqttt aaaz −− +++= θθ ..11

Processo ARIMA(p,0,q)

qtqttptptt aaazzz −−−− ++++++= θθφφ .... 1111

CaracterizaçãoMédia de Amostra

Matriz de Covariâncias

Autocorrelações

Tz

zT

t tt∑ == 1ˆ

∑ += − −−=T

kt kttt zzzzT 1

)ˆ)(ˆ(1γ̂

okkr γγ ˆˆ=

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Estimação dos momentos de Processos EstacionáriosDada uma série temporal Zt nosso objetivo é construir um modelo estatístico que capture toda a informação estatística sistemática contida em essa série. Se consideramos Zt como uma realização de um processo estocástico podemos obter estimativas de seus momentos de amostras tal que:

Def.) Estimador Média de amostra: é um estimador centrado da média populacional.

Tz

zT

t tt∑ == 1ˆ

μ=)ˆ( tzE

Def.) Estimador das Covariânçias de orden k quando a média populacional é desconhecida. É um estimador enviesado da autocovariâncias populacionais mas têm menores erros quadráticos de estimação que o estimador com média conhecida. Garante que a matriz de covariâncias seja sempre definida positiva.

∑ += − −−=T

kt kttk zzzzT 1

)ˆ)(ˆ(1γ̂

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

−−

021

201

110

ˆˆˆ

ˆˆˆˆˆˆ

~

γγγ

γγγγγγ

L

MOMM

L

L

kk

k

k

k

∑ += − −−−

=T

kt kttk zzkT 1

))((1~ μμγMédia ConhecidaMédia Desconhecida:

Def.) Estimador da matriz de covariâncias:

Def.) Estimador das autocorrelações de orden k:

okkr γγ ˆˆ= Onde é a variância do proceso oγ̂

Caracterização

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A ponte entre os padrões de regularidade e os conceitos probabilísticos é transformar o reconhecimento intuitivo de padrões em informação estatística sistemática para ser utilizada na modelação.

Def.) Modelação Empírica: Usando modelos estatísticos descrevem-se fenômenos estocásticos observáveis

},,),({ xxxf ℜ∈Θ∈=Φ θθ

-2 -1 0 1 20

0.10.20.30.40.50.60.70.8

00.10.20.30.40.50.60.70.8

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

30

60

90

120

150

0

30

60

90

120

150

0101

0201

0301

0401

0501

0601

0701

0801

0901

1001

2

3

4

56

7

89

10

1112

2

3

4

56

7

89

10

1112

tzzzz ,...,, 321

Padrão de regularidade:

Histograma

Série Temporal:

tt atfz += ),( βonde f(t,B) é uma função conhecida determinista do tempo que depende de um vetor de parâmetros B e at é uma sequência de variáveis aleatórias independentes de média zero e variância constante.

Conceito de Modelação Empírica

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Modelo Lineal

1. Modelo estocástico: A presença de término de error faz que a relação entre a variável endógena e a explicativa seja estocástica.

2. O modelo que relaciona as variáveis endógena e explicativa é lineal nos coeficientes beta.

3. Os coeficientes beta são constantes no tempo.4. Existe uma relação causal desde as variáveis explicativas até as variáveis

endógenas.5. As variáveis x são linealmente independentes. 6. As variáveis x são deterministas.

),0(...),( 2211

at

tkkott

RBaaxxxatfz

σβββββ

>−+++++=+=

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Estimador Mínimos Quadrados Ordinários

+=∂∂

=⇒=∂

+−=∂

′∂=

∂∂

+−=

+−=′=

−=−=

∴+=

defXXSR

yXXXSR

XXyXaaSR

XXyXyySR

XXyXyyaaSR

Xyyya

RBaaXy

tt

tt

tttt

ttttt

atttt

''

2

'1'

''''

'''''

'''''

ˆˆ)ˆ(

)(ˆ0ˆ)ˆ(

ˆˆˆ2ˆˆˆ

ˆ)ˆ(

)ˆˆˆ2(min)ˆ(min

ˆˆˆ2ˆˆ)ˆ(

ˆˆˆ

),0(

βββ

βββ

βββββ

β

ββββ

ββββ

β

σβ

ββ

Parâmetros desconhecidosdo meu modelo beta e sigma

XB

y at=Y-XB

Page 21: Introdução às Séries Temporais - Instituto de Matemática ...hlachos/MaterialSeries.pdf• Corte Transversal: quando os dados observados foram coletados no mesmo ponto do tempo

Propriedades do Estimador MCO

Se E(at)=0T então o estimador MCO é insesgado e E(β)=β

1'21'2'1'

1'''1'1'''1'

'1'

'1''1'

'1''1'

)()()()()ˆ(

)(][)(])()[()ˆ()]ˆ)(ˆ[())]ˆ(ˆ))(ˆ(ˆ[()ˆ(

)(ˆ

][)(])([)ˆ(

)()()(ˆ

−−−

−−−−

−−

−−

==

==

−−=−−=

=−

=+=+=

+==

XXXXXIXXXVar

XXXaaEXXXXXXaaXXXEVarEEEEVar

aXXX

aEXXXaXXXEE

aXXXXyXXX

aTa

tttt

t

tt

t

σσβ

β

βββββββββββ

ββββ

ββ

))(,ˆ( 1'2 −∴ XXN aσββ

2'

2'

2 )ˆ(ˆ att

att

a kTaa

EEkT

aaσσσ =⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=−

=

É necessário um estimador da variância, se demonstra que:

Page 22: Introdução às Séries Temporais - Instituto de Matemática ...hlachos/MaterialSeries.pdf• Corte Transversal: quando os dados observados foram coletados no mesmo ponto do tempo

Os métodos atuais de análises de séries temporais entende-se melhor se connhecemos as limitações de outros métodos mais simples desenvolvidos para solucionar o problema da predição.

Métodos Tradicionais

Modelo com Tendência Determinista

tt atz ++= 1βμ

Modelo com Sazonalidade Cíclica Determinista

tt awtBwtsenAz +++= )cos(.)(.μ

Modelo de Ajuste de Múltiplos Ciclos Deterministas

t

k

jjj

k

jjjt atwBtwsenAz +++= ∑∑

== 11)cos()(μ

Page 23: Introdução às Séries Temporais - Instituto de Matemática ...hlachos/MaterialSeries.pdf• Corte Transversal: quando os dados observados foram coletados no mesmo ponto do tempo

Modelo com Tendências Deterministas: Zt=bo+b1t+at

91

92

93

94

95

96

97

98

99

00

01

02

03

299000322000345000368000391000414000437000460000483000506000

91

92

93

94

95

96

97

98

99

00

01

02

03

-24000-19200-14400-9600-4800

048009600

1440019200

tott atatfz ++=+= 1),( βββ

Parâmetros Estimados

Name Value StDs TStudent RefuseProbB0 cte 265093.5 8403.6 31.5 6.49E-13B1 trend 17745.6 1058.8 16.8 1.09E-09

R2 0.955771Desv. Est. 14283.3717

Dada a série de consumo elétrico anual procedemos a representar-lo mediante um modelo estatístico consistente em umaconstante, uma tendência dependente do tempo e uma variável aleatória de média zero e variância constante. Nosso objetivo é realizar uma previsão de demanda de consumo para o ano seguinte.

tzt 6.177455.265093ˆ +=Modelo de Tendência Lineal

Para isto realizamos uma regressão lineal com os seguintes resultados

O modelo dá umgrande ajuste !?!

ErrosMUITO ALTOS

Os resíduos contém claramente informação, fato que nos leva a concluir que o modelo está mal especificado.

ttt zza ˆˆ −=

A variância nãoé constante!

Page 24: Introdução às Séries Temporais - Instituto de Matemática ...hlachos/MaterialSeries.pdf• Corte Transversal: quando os dados observados foram coletados no mesmo ponto do tempo

Um modelo para a temperatura média diária é uma estrutura harmônica no tempo da forma

onde• μ é uma constante (nível) • A e B dão os desvios com respeito a μ

• é a frequência ( T = 365 dias , T=12, T=52)

Modelo com sazonalidade cíclica

tt attsenz +++= )cos(B)(A ωωμ

Value StDs TStudent RefuseProbμ 7.82323835 0.06754142 115.828749 0A -2.57632028 0.09547423 -26.9844582 0B -4.14312321 0.09556174 -43.3554605 0

Tπω 2=

Realizamos uma regressão lineal com os seguintes resultados

Os resíduos são grandes e têmuma certa estrutura sazonal

Page 25: Introdução às Séries Temporais - Instituto de Matemática ...hlachos/MaterialSeries.pdf• Corte Transversal: quando os dados observados foram coletados no mesmo ponto do tempo

Uma função periódica pode descompor-se como uma superposição de funções harmônicasde distintas frequências e amplitudes

onde• μ é uma constante (nível) • Aj e Bj dão os desvios com respeito a μ

• são as frequências ( T = 365 días )

Modelo com múltiplos ciclos de Fourier

t

k

jjj

k

jjjt attsenz +++= ∑∑

== 11

)cos(B)(A ωωμ

2/,...,2,1,2 TnnT == πω

O ajuste é melhor

Page 26: Introdução às Séries Temporais - Instituto de Matemática ...hlachos/MaterialSeries.pdf• Corte Transversal: quando os dados observados foram coletados no mesmo ponto do tempo

A Sazonalidade das séries econômicas pode a vezes ser representada com ciclos de Fourier

Normalmente as séries apresentam tendências não constantes e padrões estacionaisirregulares:

Limitações dos métodos deterministas

O padrão estacional éconstante ao largo

dos anos no consumo elétrico

1992m05d01

1992m06d01

1992m07d01

1992m08d01

1992m09d01

1992m10d01

1992m11d01

1992m12d01

1993m01d01

1993m02d01

1993m03d01

1993m04d01

1993m05d01

1993m06d01

1993m07d01

1993m08d01

1993m09d01

1993m10d01

1993m11d01

1993m12d01

1994m01d01

1994m02d01

1994m03d01

1994m04d01

1994m05d01

1994m06d01

1994m07d01

1994m08d01

1994m09d01

1994m10d01

1994m11d01

1994m12d01

1995m01d01

1995m02d01

1995m03d01

1995m04d01

1995m05d01

1995m06d01

1995m07d01

1995m08d01

1995m09d01

1995m10d01

1995m11d01

1995m12d01

1996m01d01

1996m02d01

1996m03d01

1996m04d01

1996m05d01

1996m06d01

1996m07d01

1996m08d01

1996m09d01

1996m10d01

1996m11d01

1996m12d01

1997m01d01

1997m02d01

1997m03d01

1997m04d01

1997m05d01

1997m06d01

1997m07d01

1997m08d01

1997m09d01

1997m10d01

1997m11d01

1997m12d01

1998m01d01

1998m02d01

1998m03d01

4 9 8 0 0

5 8 1 0 0

6 6 4 0 0

7 4 7 0 0

8 3 0 0 0

9 1 3 0 0

9 9 6 0 0

1 0 7 9 0 0

1 1 6 2 0 0

1 2 4 5 0 0

Ainda que apresenteestacionalidade não

se ajusta bem aosciclos de Fourier

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91

92

93

94

95

96

97

98

99

00

01

02

03

315000336000357000378000399000420000441000462000483000504000

91/01

98/07

97/01

92/07

94/01

95/07

01/01

99/07

04/01

02/07

91/07

93/01

94/07

96/01

99/01

97/07

04/07

03/01

01/07

00/01

92/01

93/07

98/01

95/01

96/07

03/07

02/01

00/07

2100024500280003150035000385004200045500490005250056000

92

93

95

97

99

01

03

6710.4

6715.2

6720

6724.8

6729.6

6734.4

6739.2

6744

6748.8

6753.6

91

94

01

03

93

95

02

97

04

96

98

00

92

99

5607008409801120126014001540168018201960

Tipos de períodosA agregação nos dados sempre conduz a perda de informação. Sempre que seja possível se deve construir modelos sobre séries temporais com a maior profundidade de desagregação.

Poca Información

Page 28: Introdução às Séries Temporais - Instituto de Matemática ...hlachos/MaterialSeries.pdf• Corte Transversal: quando os dados observados foram coletados no mesmo ponto do tempo

Objetivo da análise das Séries TemporaisO objetivo da análise de uma série temporal consiste em elaborar um modelo estatístico que descreva adequadamente a procedência de dita série, de maneira que as implicações teóricas do modelo resultem compatíveis com as pautas de amostras observadas nas séries temporais. Depois o modelo elaborado a partir da série temporal pode ser utilizado para prever a evolução futura da série ou explicar a relação entre os distintos componentes do modelo.

89-Ene

89-Abr

89-Jul

89-Oct

90-Feb

90-May

90-Ago

90-Dic

91-Mar

91-Jun

91-Sep

92-Ene

92-Abr

92-Jul

92-Nov

93-Feb

93-May

93-Ago

93-Dic

94-Mar

94-Jun

94-Oct

95-Ene

95-Abr

95-Jul

95-Nov

96-Feb

96-May

96-Sep

96-Dic

97-Mar

97-Jun

97-Oct

98-Ene

98-Abr

98-Ago

98-Nov

99-Feb

99-May

99-Sep

99-Dic

00-Mar

00-Jul

00-Oct

01-Ene

01-Abr

01-Ago

01-Nov

02-Feb

02-Jun

02-Sep

02-Dic

03-Mar

03-Jul

03-Oct

04-Ene

04-May

0200400600800100012001400160018002000

0200400600800100012001400160018002000

][ tt zE=μ

][2tt zVar=σ

jtt

jtt zzCovjtt

+

+=+σσ

ρ),(

),(

2*Sigma-2*Sigma

10 20 30-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

tot atz ++= 1ββ

tt awtRsenz +++= )( θμ

ttp

p

tq

qt

azBB

aBBz

=−−−

−−−=

)...1(

)...1(

1

1

φφ

θθ

tt az += μ

Pautas de Amostras Modelo Estatístico Prever, Descrever

05

06

07

08

09

09

10

11

12

-0.78-0.52-0.26

00.260.520.781.04

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Modelo de séries temporais univariantes

ttt aBBFXT

)()()(

ϕθ

+=

( ) ttt aFXTBB

=−)()()(

θϕ

Rui

do B

lanc

o

-2.75

-2.2

-1.65

-1.1

-0.55

0

0.55

1.1

1.65

2.2

ObservaçõesFiltro

(fatores externos)Ruído ou Noise

(fatores estruturais)

i

tit FBF ∑= )(α

Construção do modelo91

94

01

03

93

95

02

97

04

96

98

00

92

99

5607008409801120126014001540168018201960

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Operadores: Diferença, Retardo, Inverso

Para poder operar com processos estacionários definimos os siguientes operadores

Uma propriedade importante dos processos estacionários é que os processos obtidos através das combinações lineares dos processos estacionários são também estacionários. Ou seja se Zt é estacionário então o processo é também estacionário.1−−= ttt zzw

Def.) Operador Retardo: um operador linear que aplicado a uma função temporal proporciona a essa função retardada um período. Em particular se aplicamos o operador a uma série temporal obtenemos a mesma série retardada um período.

)1()( −= tftBf

1−= tt zzB

22112

21

11

)1(

..

−−

−−

−−=−−

==

===

tttt

ktttk

ttt

zzzzBB

zBzBzB

zaBzaBazB

φφφφ

μμ

Def.) Operador Diferença: é o operador polinômico (1-B). O resultado de aplicar o operador diferença a uma série Zt com T observações é obter uma nova série com T-1 observações através

1)1()1(

−−=−=∇−=∇

tttt zzzBzB

sttts

ts

ttttt

zzzBz

zzzBBzBz

−−

−=−=∇

+−=+−=−=∇

)1(

2)21()1( 21222

Def.) Operadores Inversos: Verificam a propriedade que o produto por o operador inicial é a unidade. (pe. o inverso do operador retardo é o operador adiantado )

11

1

=== +

BFzzBzF ttt

1)()()1()1(

)1(....)1(11

10

22

==−−

−==++−−

−−

=∑BBBB

zBzBzBB titi

ii

t

φφφφ

φφφφ

Operadores

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91

94

97

01

04

93

96

99

03

00

92

95

98

02

-5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

55000

Operador B move a série para a direita!

A série Wtcontinua tendo

estrutura

Aplicando, à série de consumo elétrico em períodos mensais, os distintos operadores teremos que:

44

−= tt zzB A série transformada têm a mesma tendência e estrutura estacional que a série original.

tt zBw )1( −= A série diferença regular é estacionária em média mas apresenta estrutura estacional.

tt zBS )1( 12−= A série diferença estacional é estacionária em média e não apresenta estrutura estacional.

Perdem-se 12 obvs.

Aplicação de Operadores

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2*Sigma-2*Sigma

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

-3 -2 -1 0 1 2 3

250500750

1000125015001750200022502500

2*Sigma-2*Sigma

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

Processo Ruído Branco. ARIMA(0,0,0)

Def.) Processo Ruído Branco: é um processo estocástico onde todas as variáveis aleatórias seguem uma distribuição normal de média zero, variância constante e as covariâncias são nulas.

tt az =0)( =tzE

0),( =−ktt zzCov

2)( σ=tzVar

ACF

PACF

Hist. 90

93

96

00

03

92

95

98

05

02

99

91

94

97

01

04

-3

-2

-1

0

1

2

3

Nota: Um processo ruído branco é estacionário em média e variância.

Processo

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PROCESSOS ESTACIONÁRIOSAutorregressivos AR(p)

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Processos Autorregressivos AR(1). ARIMA(1,0,0)

)1/()( 1φ−= czE t

)1( 21

2

0 φσγ−

= a

Def.) Proceso Autorregressivo AR(1) : é um processo estocástico {zt} que estabelece uma dependência linear sobre o primeiro retardo da variável. Dizemos que uma série Zt segue um processo autorregressivo de primeira ordem se foi gerada por:

...

~~

33

22

1

11

−−−

+++=

+=

tttt

ttt

aaaa

azz

φφφ

φtt

tt

azazB)1/(1~

~)1(

1

1

φφ

−==−

Onde –1< <1 é uma constante a determinar, at é um processo ruído branco e .1φ czz tt −=~

Def.) Função de Médias de AR(1) :Tomando esperanças de Zt e dado que E(Zt) = E(Zt-1)=cts posto que o processo é estacionário temos que

já que 2222azz σσφσ +=0

)()()(

11

11

11

>=+=

+=

−−−−

kazEzzEzzE

azz

kk

tkttkttkt

ttt

γφγφ

φmultiplicado Zt-k e tomando esperanças onde E(at)=0

que é a solução da equação em diferenças com

por tanto a função de autocorrelação tende a zero com uma rápidez que depende de quanto maior seja, menor será o decrescimento, a condição de estacionariedade nos garante que a função de autocorrelação converge.

10 =ρ11 ≥= kkk φρ

Def.) Função de Autocovariâncias de AR(1) : se obtém como

Def.) Função de Autocorrelação de AR(1) : dividindo a função de autocovariâncias pela variância do processo

11 −= kk ρφρ

μφμ 1+= cjá que onde )1( 1φμ −=c

onde

Processo

Caracterização

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Processos Autorregressivos AR(1). ARIMA(1,0,0)

01

04

00

06

03

05

02

-200-100

0100200300400500600700

01

04

00

06

03

05

02

-300-200

-1000

100200

300400

tt azB =− )9.01(

2*Sigma-2*Sigma

10 20 30-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

tt azB =+ )9.01(

kk 9.0=ρ k

k )9.0(−=ρ

ACFACF

Decrescimento lento exponencial em direção ao zero comparâmetro positivo

Valores próximos tem comportamentos similares e exibem acentuada tendência que se reflexa na ACF

A série tende a oscilar e se reflexa na função de autocorrelação que muda de sinal.

2*Sigma-2*Sigma

10 20 30-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

Vamos a representar duas realizações de um processo AR(1) com distintos valores do parâmetro e suas funções de autocorrelação teóricas.

Alternância de sinal

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2*Sigma

-2*Sigma

10 20 30-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

92

93

94

95

96

97

98

99

00

01

02

03

8100108001350016200189002160024300270002970032400

91

92

93

94

95

96

97

98

99

00

01

02

03

315000336000357000378000399000420000441000462000483000504000

2*Sigma

-2*Sigma

10 20 30-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

A série de consumo elétrico em períodos anuais é claramente não estacionária, com um primeiro valor do correlograma muitopróximo que indica a necessidade de tomar uma primeira diferença regular.

A série de consumo uma vez diferenciada não apresenta uma tendência clara e o correlograma apresenta valores positivos que se amortizam com rapidez, o que nos sugere a existência de um processo autorregressivo de ordem1

Por tanto o modelo estatístico proposto para representar o comportamento da série consumo elétrico em períodos anuais é

tt

ttttt

azBzBwaww

=∇−−=+= −

)1()1(

1

11

φφ

Consumo Elétrico Anual AR(1)

ACF

ACF

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2*Sigma

-2*Sigma

10 20 30-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

102

98

94

03

99

95

00

96

01

97

-9600-6400-3200

0320064009600

128001600019200

Dada a série de consumo elétrico em períodos mensais procedemos a representar-la através de um modelo estatísticoconsistente em uma diferença regular e um processo autorregressivo de orden 1 tal que:

tt azB =∇− )1( 1φRealizando uma estimativa por máxima verisimilitude

01

97

93

03

02

98

94

99

95

00

96

323000342000361000380000399000418000437000456000475000494000513000

Name Value StDs TStudent RefuseProbRegularAR 0.88149 0.17150 5.13991 0.00061

547794.5150.8814901.881490ˆ 11 =−= −+ ttt zzz R2Coeficient 0.471662StandardError 11451.6037

tt azBB =−− )1)(88149.01(Predição de um período para frente é

0)( =taE

0),( =−ktt aaCov

2)( σ=taVar

Pouco ajuste !?!

Nota: O R2 é baixo mas o erro padrão émenor que no modelo com tendênciadeterminista.

ACF

Não apresentanenhuma estrutura

Consumo Elétrico Anual AR(1)

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Função de Autocorrelação Parcial

tkktkktkt

tttt

ttt

zzz

zzzzz

.11

.2222121

,1111

.......

...

ηαα

ηααηα

+++=

++=

+=

−−

−−

),(...

...

1111

1111

tt

tktktkt

tktktt

vuCorrvzzz

uzzz+++=+++=

+−−−−

+−−−

γγββ

Determinar a ordem de um processo autorregressivo a partir de sua função de autocorrelação é difícil ao ser uma mescla de decrescimentos exponenciais e sinusoidais, que se amortizam ao avançar o retardo e não apresenta rasgos fácilmente identificáveis para determinar a ordem do processo. Para resolver este problema introduz-se a função de autocorrelação parcial.

Def.) Coeficiente de Autocorrelação Parcial de ordem k. é o coeficiente de correlação entre observações separadas k períodos quando eliminamos a dependência produzida pelos valores intermediários.

Se elimina de Zt o efeito Zt-1, Zt-2,…, Zt-k+1

Se elimina de Zt o efeito Zt-1, Zt-2,…, Zt-k+1

Coeficiente de autocorrelação de ordem k

Processo

Esta definição é análoga a de coeficiente de correlação parcial da regressão múltipla.

A sequência de coeficientes αii proporciona a função de autocorrelação parcial (PACF)

Em um processo AR(p) a PACF teráos p primeiros coeficientes distintos de zero.

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PROCESSOS ESTACIONÁRIOSAutorregressivos AR(2)

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Processos Autorregressivos AR(2). ARIMA(1,0,0)

)1/()( 21 φφ −−= czE t

)1)(1)(1()1(

221212

22

02

1120220

210

12011

φφφφφσφ

γσγφφγφγφγ

γφγφγ

−+−−+−

=+++=

+=

aa

Def.) Processo Autorregressivo AR(2) : é um processo estocástico {zt} que estabelece uma dependência linear sobre o primeiro e segundo retardo da variável. Diremos que uma série Zt segue um processo autorregressivo de segunda ordem se foi gerada por:

tttt azzz ++= −− 2211~~~ φφ tt azBB =−− ~)1( 2

21 φφOnde , são duas constantes a determinar, at é um processo ruído branco e .1φ czz tt −=~

Def.) Função de Médias de AR(2) :Tomando esperanças de Zt e dado que E(Zt) = E(Zt-1)=cts posto que o processo é estacionário temos que

1)()()()(

2211

2211

2211

≥+=++=

++=

−−

−−−−−−

−−

kazEzzEzzEzzE

azzz

kkk

tkttkttkttkt

tttt

γφγφγφφ

φφ multiplicado Zt-k e tomando esperanças onde E(at)=0 temos

22

21

22

11 1

2,1

1 φφ

φρ

φφ

ρ +−

==−

== kk

Def.) Função de Autocovariâncias de AR(2) : se obtém como

Def.) Função de Autocorrelação de AR(2) : dividindo a função de autocovariâncias pela variância do processo

12211 ≥+= −− kkkk ρφρφρ

onde

Processo

Caracterização

1111

21

21

2

<+<−<<−

φφφφφVariância do processo: para que seja positiva têm-se que

cumprir que os parâmetros do processo estejam na região:

iicomo ρρ =−

kkk GAGAk 22113 +=≥ ρpara para ,para

Resolver a Equação em diferenças

Page 41: Introdução às Séries Temporais - Instituto de Matemática ...hlachos/MaterialSeries.pdf• Corte Transversal: quando os dados observados foram coletados no mesmo ponto do tempo

Equação em diferenças para um AR(2)

kkk

kkk

tttt

tt

AAkAAk

AA

XXXX

GG

GG

X

XX

azzzazBGBG

8.04.051.04.0

4.011.0

8.04.091.0110

8.04.0

12.132.0)8.01)(4.01(

8.04.0

25.15.264.0

4.02.164.0

32.042.12.1

012.132.0

32.02.1)1)(1(

21

21

21

221

12

11

2

2

21

21

+−=

+==+==+=

+−=−−

==

==

±=

×−±=

=+−

+−==−−

−−

−−

ρ

ρ

Resolver a Equação em diferenças

Função de Autocorrelação para o processo AR(2)

t

t

tt

tttt

tt

aBB

BBz

BBB

BBB

aBB

z

azzzazBB

...)8.08.01(

...)4.04.01(

...8.08.01)8.01(

1

...4.04.01)4.01(

1)8.01)(4.01(

132.02.1

)8.01)(4.01(

22

22

22

22

21

+++

+++=

+++=−

+++=−

−−=

+−==−−

−−

Expressão do processo AR(2) como soma de inovações

Page 42: Introdução às Séries Temporais - Instituto de Matemática ...hlachos/MaterialSeries.pdf• Corte Transversal: quando os dados observados foram coletados no mesmo ponto do tempo

Raízes Reaistt azBB =−− )2.06.01( 2

Processos Autorregressivos AR(2)

Raízes Reaistt azBB =−+ )2.06.01( 2

zero a partir do

segundo retardo

Sinal Distinto

ACF

PACF

ACF

PACF

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PROCESSOS ESTACIONÁRIOSMédia Móvel MA(q)

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Processo Média Móvel MA(1). ARIMA(0,0,1)Def.) Processo Média Móvel MA(1): é um processo estocástico {zt} gerado pela combinação linear das duas últimas inovações.

tt

ttt

aBzaaz)1(~

~

1

11

θθ

−=−= − )(~...)1()( 22

110

1 ∞=+++==∑∞

=

ARazBBzBzB tti

tii

t θθθπ

onde –1< <1 é uma constante a determinar, at é um processo ruído branco e .1θ czz tt −=~

{ }BFFBB

FBBBB

aBaaz

aa

a

tttt

12

112

112

1211

)1()1)(1()(

)()()()()(

)(

θθθσθθσγ

ψψψψσγ

ψθ

−++−=−−=

==

=−=−

Def.) Função de Autocovariâncias de MA(1) : se obtém como

Def.) Função de Autocorrelação de MA(1) : dividindo a função de autocovariâncias pela variância do processo.

Processo

Caracterização

Representação infinita com coeficientes que decrescem em progressãogeométrica, somente é possível a representação se

⎪⎩

⎪⎨

≥=−=

+=

20

)1(2

11

21

20

kk

a

a

γσθγ

θσγ

⎩⎨⎧

>=+−=10

)1( 2111

kkρθθρ

Por tanto o correlograma do processo terá unicamente um valor distinto de zero no primeiroretardo.

Def.) Função de Autocorrelação Parcial de MA(1) : utilizando as equações de Yule-Walker comy depois de manipulações algébricas obtemos que (Box-Cox 70)

}1/{}1{ 121

211

+−−−= kkkk θθθφ

Por tanto a função está dominada por um decrescimento exponencial que dependerádo valor de . Quando é positivo a função é negativa e é negativo a funçãoalterna de sinal.

)1( 2111 θθρ +−=

10 >= kkρ

1θ 1θ

11 <θ

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2*Sigma-2*Sigma

5 10 15 20-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

Processos Média Móvel MA(1). ARIMA(0,0,1)

tt aBz )99.01( −=

PACFPACF

Decrescimento lento exponencial em direção a zero comparâmetro positivo

Vamos representar duas realizações de um processo MA(1) com distintos valores de parâmetro e suas funcões teóricas de autocorrelação simples e parcial.

Alternância de sinal com parâmetro negativo

2*Sigma-2*Sigma

5 10 15 20-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

2*Sigma

-2*Sigma

5 10 15 20-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

2*Sigma-2*Sigma

5 10 15 20-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

-0.4999747)1( 2111 =+−= θθρ 0.49997475)1( 2

111 =+−= θθρACF ACF

kkk 1|| θφ <}1/{}1{ 12

12

11+−−−= kk

kk θθθφ

tt aBz )99.01( +=11 −−= ttt aaz θ 11 −−= ttt aaz θ

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Ordem ARIMA(1,d,0) ARIMA(0,d,1)

comportamento ACF decai exponencialmente

comportamento PACF Decaimento exponencial

regiao de admisibilidade

Ordem ARIMA(2,d,0) ARIMA(0,d,2)

comportamento ACF

Misturas de exponenciais e ondas senóides amortecidas

comportamento PACF

Misturas de exponenciais e ondas senóides amortecidas

região de admisibilidade

Ordem

comportamento ACF

comportamento PACF

região de admisibilidade

ARIMA(1,d,1)Decai exponencialmente após o lag 1

Decai exponencialmente após o lag 1

011 ≠φ01 ≠ρ

011 ≠φ

01 ≠ρ02 ≠ρ

022 ≠φ

11 <<− φ 11 <<− θ

11

11

12

12

2

<+<−<<−

φφφφφ

1111

12

12

2

<+<−<<−

θθθθθ

11

11

<<−

<<−

θ

φ

Comportamento das ACF e PACF de um processoARIMA(p,d,q)

Page 47: Introdução às Séries Temporais - Instituto de Matemática ...hlachos/MaterialSeries.pdf• Corte Transversal: quando os dados observados foram coletados no mesmo ponto do tempo

Processos Estocásticos Não EstacionáriosDef.) Processo Estocástico Não Estacionário : Um processo estocástico Zt é não estacionário quando as propriedadesestatísticas de ao menos uma sequência finita z1,z2,.. zk de componentes de Zt são diferentes das da secuencia z1+h,z2+h,.. zk+h para ao menos um número inteiro h.Um processo estocástico Zt é não estacionário quando a distribuição conjunta de qualquier conjunto de variáveis se modifica se modificamos as variáveis no tempo.

),...,,(),...,( hkhjhikji xxxFxxxF +++≠

Nota:A maioria das séries reaissão não estacionárias e seu nível

médio varia com o tempo, semembargo podem converter-se emestacionárias tomando diferenças

89-Ene

89-Abr

89-Jul

89-Oct

90-Feb

90-May

90-Ago

90-Dic

91-Mar

91-Jun

91-Sep

92-Ene

92-Abr

92-Jul

92-Nov

93-Feb

93-May

93-Ago

93-Dic

94-Mar

94-Jun

94-Oct

95-Ene

95-Abr

95-Jul

95-Nov

96-Feb

96-May

96-Sep

96-Dic

97-Mar

97-Jun

97-Oct

98-Ene

98-Abr

98-Ago

98-Nov

99-Feb

99-May

99-Sep

99-Dic

00-Mar

00-Jul

00-Oct

01-Ene

01-Abr

01-Ago

01-Nov

02-Feb

02-Jun

02-Sep

02-Dic

03-Mar

03-Jul

03-Oct

04-Ene

04-May

0200400600800100012001400160018002000

0200400600800100012001400160018002000

Se o nível da série não é estável no tempo podendo ter tendência crescente oudecrescente diremos que a série não é estacionária em média.

μ≠)( txE2)( σ≠txVar

),(),( kttktt +≠− γγSe a variância ou as covariâncias variam com o tempo diremos que a série não éestacionária nas covariâncias.

Def.) Processo Integrado de Ordem h- I(h): quando ao diferenciar-lo h vezes se obtém um processo estacionário. Sãoprocessos não estacionários unicamente em média e têm a propriedade de converter-se em estacionários tomando umadiferença. Um processo estacionário é sempre I(0) .

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Processos Estocásticos Não EstacionáriosPasseio Aleatório. ARIMA(0,1,0)

tt azB =− )1(

Processo Alisamento Exponencial Simples. IMA(1,1).

Proceso Homogéneo de Orden 1. ARIMA(0,1,0)tt aBzB )1()1( 1θ−=−

Processos Integrados ARIMA(p,d,q)

Processos de Memória Longa

Processo ARFIMA(p,d,q)

tq

qtdp

p aBBzBBB )...1(~)1)(...1( 11 θθφφ −−−=−−−−

5.05.0)1( <<−=− dazB ttd

5.05.0)()( <<−=∇ daBzB tqtd

p φθ

Page 49: Introdução às Séries Temporais - Instituto de Matemática ...hlachos/MaterialSeries.pdf• Corte Transversal: quando os dados observados foram coletados no mesmo ponto do tempo

99

91

94

01

03

93

95

02

97

04

96

98

00

92

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

2*Sigma-2*Sigma

10 20 30-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

2*Sigma-2*Sigma

10 20 30-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

Passeio Aleatório. ARIMA(0,1,0)Def.) Passeio aleatório :é um processo estocástico cujas primeiras diferenças formam um processo ruídobranco.

ttt

tt

azzaz+=

=∇

−1

0)( =tzE

)(),( 2 ktzzCov aktt −=− σtzVar at

2)( σ=

A variância cresce com o tempo

ACF

PACF

Hist.

0 25 50 75 100

100200300400500

Diminuiçãomuito lenta

Valor próximo a 1

Para el gráfico se ha generado un paseo aleatorio mediante una serie aleatoria en fechado diario de media cero y varianza la unidad.

Processo

Page 50: Introdução às Séries Temporais - Instituto de Matemática ...hlachos/MaterialSeries.pdf• Corte Transversal: quando os dados observados foram coletados no mesmo ponto do tempo

90

91

91

91

92

92

92

93

93

93

94

94

94

95

95

95

96

96

96

97

97

97

98

98

98

99

99

99

00

00

00

01

01

01

02

02

02

03

03

030

2500

5000

7500

10000

12500

2*Sigma-2*Sigma

10 20 30-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

2*Sigma-2*Sigma

10 20 30-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

Série do IBEX-35

ACF

PACFA variância do modelo não é

constante

A série de cotizações do IBEX_35 em períodos diários é um processo não estacionário em média e em variância. Semembargo no correlograma se aprecia uma estrutura muito parecida ao correlograma de um passeio aleatório, o que nos leva a propor esta estrutura como modelo para representar a cotização da bolsa.

ttt

tt

aIbexIbexaIbex

+==∇

−1353535

Uma vez tomada a diferença regular (1-B) observamos que a série é estacionária em média nu=0 mas não assim em variânciaque apresenta períodos de muita instabilidade. Uma representação mais adequada do processo deveria introduzir a variância do erro como variável explicativa (p.e.modelo GARCH), por tanto não podemos concluir que o IBEX35 seja um passeio aleatório.

0)( =taE2)( ataVar σ≠

At não é um passeioaleatório

0),( ≠−ktt aaCov

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Def.) Processos autorregressivos integrados de média móvel ARIMA(pd,q) : É um processoARMA que possui uma ou várias raízes unidade no operador.

Processo Integrado ARIMA(p,d,q)

onde at é um processo ruído branco com μ−= tt zz~Sendo p a ordem da parte autorregressiva , q a ordem da parte média móvel e d o número de raízes unitárias. O processochama-se integrado porque zt obtém-se como soma infinita de wt. Por exemplo se

tqtd

p

tq

qtdp

p

aBzB

aBBzBBB

)(~)(

)...1(~)1)(...1( 11

θφ

θθφφ

=∇

−−−=−−−−

Processo

∑ −∞=− =+++=−=

−=t

j tttt

tt

wwBBBwBz

zBw

...)1()1(~

~)1(321

)...1()(

)...1()(

1

1

qqq

ppp

BBB

BBB

θθθ

φφφ

−−−=

−−−= como a equação característica do processo autorregressivo

Os obtém-se igualando os coeficientes em B desta expressão

Definimos

Duas representações alternativas do processo ARIMA como 1.) Soma de Inovações:

2.) Soma de valores passados:

)()()(

)(~)()()(...

)...1()1)(()(

)()(

2211

1

1

BBB

aBzBMAaBaaaz

BBBBB

MAaBaaz

qdp

tqtdp

ttttt

dpdp

dpdp

ti ititt

θψϕ

θϕψψψ

ϕϕφϕ

ψψ

=

=

∞=+++=

−−−=−=

∞=+=

+

+

−−

+++

= −∑

)()()(

)(~)(

)()(1

BBB

aBzB

ARazzzB

qdp

tqtdp

ti ititt

πθϕ

θϕ

ππ

=

=

∞=+=

+

+

= −∑

Os obtém-se igualando os coeficientes em B desta expressão. iπ