series de tiempo - capitulo 1

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Page 1: Series de Tiempo - Capitulo 1

Exploración de patrones de datos y selección de la técnica de pronóstico Series de tiempo

Mgr. José Luis Morales Rocha

Page 2: Series de Tiempo - Capitulo 1

Mgr. José Luis Morales Rocha

1

Exploración de patrones de datos y

selección de la técnica de

pronóstico

Series de tiempo

La generación de un pronóstico preciso y útil implica dos consideraciones básicas:

La primera consiste en reunir datos que sean aplicables para la tarea de

pronóstico y que contengan información que pueda producir pronósticos precisos.

El segundo factor es seleccionar una técnica de pronostico que utilice al máximo

la información contenida en los datos y los patrones que estos presentan.

Componentes de las series de tiempo

Una serie de tiempo consta de datos que reúnen, registran u observan sobre

incrementos sucesivos de tiempo.

Tendencia de una serie de tiempo

Es el componente de largo plazo que representa el crecimiento o disminución en la

serie sobre un periodo amplio.

Componente cíclico

Es la fluctuación en forma de onda alrededor de la tendencia.

Componente estacional

Es un patrón de cambio que se repite así mismo año tras año.

Componente aleatorio

Mide la variabilidad de las series de tiempo después de retirar los otros componentes.

Exploración de patrones mediante el análisis de correlación

Cuando se mide una variable a través del tiempo, con frecuencia esta correlacionada

consiga misma cuando se desfasa uno o más periodos. Esta correlación se mide

mediante e coeficiente de auto correlación.

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Autocorrelación

Es la correlación existente entre una variable que es desfasada uno o más periodos y

la misma variable de la serie de tiempo.

Los patrones de datos que incluyen componentes como tendencia, estacionalidad e

irregularidad se pueden estudiar usando el enfoque de análisis de correlación.

Para el cálculo del coeficiente de autocorrelación de primer orden (r1) o la

correlación entre Yt y Yt-1 está dado por:

∑ ( )( )

∑ ( )

Dónde:

: Coeficiente de autocorrelación de primer orden

: Media de los valores de la serie

: Observación en el periodo t

: Observación en el periodo anterior o en el periodo t-1

Para el cálculo del coeficiente de autocorrelación de orden k; (rk) entre Yt y Yt-1,

está dado por:

∑ ( )( )

∑ ( )

Por ejemplo, Harry Vilca reunió datos sobre el número de videocaseteras que

vendió el año pasado. Los datos se presentan en la siguiente tabla:

Periodo t

Mes Datos

originales Yt

Y desfasada un periodo

Yt-1

Y desfasada dos periodos

Yt-1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Setiembre Octubre Noviembre Diciembre

123 130 125 138 145 142 141 146 147 157 150 160

123 130 125 138 145 142 141 146 147 157 150

123 130 125 138 145 142 141 146 147 157

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Mgr. José Luis Morales Rocha

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Calcular el coeficiente de autocorrelación de primer y segundo orden.

Solución

Periodo t

Yt Yt-1 Yt - Yt-1 - (Yt - )2 (Yt - ) (Yt-1 - )

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

123 130 125 138 145 142 141 146 147 157 150 160

- 123 130 125 138 145 142 141 146 147 157 150

-19 -12 -17 -4 3 0 -1 4 5 15 8 18

-19 -12 -17 -4 3 0 -1 4 5 15 8

361 144 289 16 9 0 1

16 25

225 64

324

- 228 204 68 -12 0 0 -4 20 75

120 144

1704 0 -18 1474 843

Existe alguna correlación en esta serie de tiempo desfasada un periodo. Esto significa

que las ventas sucesivas de videocasetes están de alguna manera relacionadas una

con otra.

∑ ( )( )

∑ ( )

Existe una autocorrelación moderada en esta serie de tiempo desfasada en dos

periodos.

Por consiguiente, utilizaremos el programa Eviews para poder visualizar las

autocorrelaciones en varias desfases de tiempo.

Correlograma

Es una herramienta grafica que se emplea, para exhibir las autocorrelaciones para

varios desfases en una serie de tiempo. Para nuestro ejemplo se muestran en el

siguiente esquema:

Page 5: Series de Tiempo - Capitulo 1

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4

Los coeficientes de autocorrelación para diferentes periodos desfasados de una

variable se pueden utilizar en una serie de tiempo de datos para identificar lo

siguiente:

¿Los datos son aleatorios?

¿Los datos tienen una tendencia (no estacionaria)?

¿Los datos son estacionarios?

Los datos son estacionales?

1. Si una serie es aleatoria; la correlación entre Yt y Yt-1 es cercana a cero y los

valores sucesivos de la serie de tiempo no guardan relación entre sí.

2. Si una serie tiene tendencia, Yt y Yt-1 están altamente correlacionados y es

típico que los coeficientes de autocorrelación sean diferentes de cero de manera

significativa para varios de los primeros periodos de desfasamiento y caigan

gradualmente hacia cero al incrementarse el número de periodos.

3. Si una serie tiene un patrón estacional, se presentara un coeficiente de

autocorrelación significativo en el periodo de desfasamiento correspondiente:

cuatro en los datos trimestrales o doce en los mensuales.

4. Si una series es estacionaria, es aquella cuyas propiedades estadísticas

básicas, como la media y la varianza permanecen constantes en el tiempo. Se dice

que una serie que no presenta crecimiento o declinaron es estacionaria. Los

coeficientes de autocorrelación de datos estacionarios caen a cero después del

segundo o tercer periodo de desfasamiento.

Cuando la serie es aleatoria

A un nivel de confianza, se puede considerar aleatoria una muestra, si los coeficientes

de autocorrelación calculados se encuentran todos dentro del intervalo producido por

la siguiente ecuación:

√ (1)

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Dónde:

Z: Es el valor normal estándar para un novel de confianza dado.

n: Número de observaciones en la serie.

Prueba de hipótesis para determinar si una serie es aleatoria

El estadístico de prueba está dado por:

Ejemplo, Se tiene una serie con 30 observaciones:

Periodo t Yt Periodo t Yt Periodo t Yt

1 646 11 707 21 173

2 477 12 709 22 145

3 560 13 39 23 674

4 688 14 164 24 533

5 892 15 30 25 67

6 386 16 708 26 296

7 747 17 379 27 838

8 533 18 458 28 242

9 127 19 590 29 717

10 54 20 766 30 196

Al graficar las observaciones, observamos que los datos son aleatorios.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

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

NUM

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6

Por lo tanto, podemos observar que las muestras son aleatorias, entonces hallamos

los valores de la ecuación (1).

√ {

Podemos concluir que si un coeficiente de autocorrelación es menor que -0.353 ó

mayor que 0.353, entonces se rechaza la hipótesis nula, en caso contrario no

rechazarla (rechazar H0 si rk <-0.353 ó rk >0.353). Para ello hallamos el Correlograma

como se muestra a continuación:

Las dos líneas de los puntos paralelas al eje vertical son los límites de confianza al

95% (<-0.353 y 0.353), se verifican 16 periodos de desfase y todos los coeficientes de

autocorrelación se ubican dentro de estos límites. Por consiguiente se determinar

que la serie es aleatoria.

Cuando la serie tiene tendencia

Si una serie tiene tendencia, existe una relación significativa entre los valores

sucesivos de la serie de tiempo. Es típico que los coeficientes de autocorrelación sean

significativamente diferentes de cero para varios de los primeros periodos de

desfasamiento y caigan después gradualmente hacia cero al incrementarse el número

de periodos.

Una serie estacionaria es aquella cuyas propiedades estadísticas básicas, como la

media, la varianza, permanecen constantes en el tiempo. Se dice que una serie que no

presenta crecimiento o declinación es estacionaria. Una serie que tiene una tendencia

se dice que es no estacionaria.

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En estas series se deben quitar la tendencia antes de realizar cualquier análisis

posterior, como su uso en los procedimientos de Box-Jenkins.

Por ejemplo, A Alberto Mendoza un analisite se le asigna la tarea de pronosticas las

ventas del 2010. Alberto reúne los datos de 1974 a 2009, como se muestra en la tabla

siguiente:

AÑO VENTAS DE

ROPA Yt

AÑO VENTAS DE

ROPA Yt

1974 3307

1992 12306

1975 3556

1993 13101

1976 3601

1994 13639

1977 3721

1995 14950

1978 4036

1996 17224

1979 4134

1997 17946

1980 4268

1998 17514

1981 4578

1999 25195

1982 4093

2000 27357

1983 5716

2001 30020

1984 6357

2002 35883

1985 6769

2003 38828

1986 7296

2004 40715

1987 8178

2005 44282

1988 8844

2006 48440

1989 9251

2007 52251

1990 10006

2008 53794

1991 10991

2009 55972

2010 57242

Estos datos se grafican en la serie de tiempo siguiente:

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Luego determina el Correlograma utilizando el software Eviews.

Al examinarlo nota que las autocorrelaciones para los primeros 7 periodos de

desfasamiento son significativamente diferentes de cero y que estos valores

gradualmente caen a cero. Por lo tanto Alberto determina que los datos tienen

tendencia.

0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

VENTAS

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Alberto sabe que la serie debe diferenciarse para quitar la tendencia y crear una serie

estacionaria. Primero realiza la diferenciación de los datos mediante el Eviews y

desarrolla un Correlograma similar al siguiente:

En este Correlograma se aprecia que el coeficiente de autocorrelación para el periodo

de desfasamiento 3, es significativamente diferente de cero y que los dos primeros

coeficientes y el cuarto están cerca de ser significativos. Después del tercer desfase el

patrón decae gradualmente a cero.

Cuando la serie es estacional

Si una serie es estacional, un patrón se repite a si mismo en forma regular durante un

intervalo particular (por lo regular un año), y se presentaran coeficientes de

autocorrelación significativos en el periodo de desfasamiento correspondiente. Si se

analizan datos trimestrales, aparecerá un coeficiente de autocorrelación significativo

en el periodo de desfasamiento 4. Si los datos se analizan mensualmente, aparecerá

un coeficiente de autocorrelación significativo en el periodo 12. Es decir Enero se

correlacionada con otros eneros, febrero con otros febreros, etc. Por ejemplo

mostramos a continuación una serie estacional.

VENTAS POR TRIMESTRES (2001 – 2010)

AÑO FISCAL

DICIEMBRE 31

MARZO 31

JUNIO 31

SETIEMBRE 31

2001 147.60 251.80 273.10 249.10

2002 139.30 221.20 260.20 259.50

2003 140.50 245.50 298.80 287.00

2004 168.80 322.60 393.50 404.30

2005 259.70 401.10 464.60 479.70

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10

2006 264.40 402.60 411.30 385.90

2007 232.70 309.20 310.70 293.00

2008 205.10 234.40 285.40 258.70

2009 193.20 263.70 292.50 315.20

2010 178.30 274.50 295.40 311.80

Graficando la serie:

El Correlograma es el siguiente:

100

150

200

250

300

350

400

450

500

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

VENTAS

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11

Se observa que en periodo 4 de desfasamiento, los coeficientes de autocorrelación son

significativamente diferentes de cero (0.733 > 0.31), por lo que se concluye que las

ventas son estacionales en una base trimestral.

Selección de una técnica de pronóstico

Se deben de considerar algunas preguntas antes de decidir sobre la técnica de

pronóstico más adecuada para un problema en particular:

1. ¿Por qué se requiere un pronóstico?

2. ¿Quién utilizará el pronóstico?

3. ¿Cuáles son las características de los datos disponibles?

4. ¿Qué espacio de tiempo se pronosticará?

5. ¿Cuáles son los requerimientos mínimos de datos?

6. ¿Cuál es la precisión deseada?

7. ¿Cuál será el costo del pronóstico?

Para una buena selección de la técnica de pronóstico adecuada, el pronosticador

deberá hacer lo siguiente:

1. Definir la naturaleza del problema

2. Explicar la naturaleza de los datos bajo investigación

3. Describir las capacidades y limitaciones de las técnicas de pronósticos

potencialmente útiles.

4. Desarrollar algunos criterios predeterminados sobre los cuales se pueda tomar la

decisión de selección.

Un factor importante que influye en la selección de una técnica de pronostico consiste

en la identificación y comprensión de patrones históricos en los datos. Si se pueden

reconocer patrones de tendencia, cíclicos o estacionales, entonces se pueden

seleccionar las técnicas con la capacidad de utilizar eficazmente estos patrones.

Técnicas de pronóstico para datos estacionales

Varias técnicas que se podrían considerar al pronosticar en series estacionales son los

métodos no formales, los métodos de promedio simple y los métodos móviles,

atenuación exponencial y de Box-Jenkins.

Técnicas de pronóstico para datos con una tendencia

Las técnicas a considerar al pronosticar series con tendencia son promedio móvil

lineal, atenuación exponencial lineal de Brown, atenuación exponencial lineal de

Holt, atenuación exponencial cuadrática de Brown, regresión simple, modelo de

Gompertz, curvas de crecimiento y modelos exponenciales.

Técnicas de pronóstico para datos con estacionalidad

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Las técnicas a considerar al pronosticar series estacionales son descomposición

clásica, Census II, atenuación exponencial de Winter, regresión múltiple de series de

tiempo y métodos de Box-Jenkins.

Técnicas de pronóstico para series cíclicas

Las técnicas a considerar al pronosticar series cíclicas son descomposición clásica, los

indicadores económicos, los modelos econométricos, la regresión múltiple y métodos

de Box-Jenkins.

Medición del error en el pronóstico

Existen diferentes métodos para medir los errores generados por una técnica

particular de pronóstico, que consiste en determinar la diferencia entre los valores

observados y los valores de pronósticos, que a menudo son llamados residuales.

Residual

Un residual es la diferencia entre un valor real y su valor de pronóstico. Para

determinar el error residual de cada periodo de pronóstico, se utiliza la siguiente

formula:

En donde:

: Error del pronóstico en el periodo t

: Valor real en el periodo t

: Valor del pronóstico en el periodo t

Métodos para calcular el error de pronóstico

1. Desviación absoluta media (DAM) Mide la precisión de un pronóstico mediante el promedio de la magnitud de los

errores de pronóstico (valores absolutos de cada error). La DAM es de gran

utilidad cuando se desea medir el error de pronóstico en las mismas unidades de

la serie original. Se calcula de la siguiente manera:

∑ | |

2. Error medio cuadrado (EMC) Este enfoque penaliza los errores mayores de pronóstico ya que eleva cada uno al

cuadrado. En ocasiones es preferible una técnica que produzca errores moderados

a otra que por lo regular tenga errores pequeños, pero que ocasionalmente arroje

algunos en extremos grandes. La ecuación muestra el cálculo del EMC:

Page 14: Series de Tiempo - Capitulo 1

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∑ ( )

3. Porcentaje de error medio absoluto (PEMA) En ocasiones resulta más útil calcular los errores de pronóstico en términos de

porcentaje y no en cantidades. El PEMA proporciona una indicación de que tan

grandes son los errores de pronóstico comparados con los valores reales de la

serie. La ecuación muestra el cálculo de la PEMA.

| |

4. Porcentaje medio de error (PME) A veces resulta necesario determinar si un método de pronostico está sesgado

(pronostico consistente alto o bajo). Si un enfoque de pronóstico no está sesgado

el PME producirá un porcentaje cercano a cero. Si el resultado es un porcentaje

negativo grande, el método de pronóstico está sobrestimado de manera

consistente. Si el resultado es un porcentaje positivo grande, el método de

pronóstico está subestimado en forma consistente. Está dado por:

( )

En el siguiente ejemplo se presenta datos del número de clientes diarios que

requieren trabajos de reparación Yt y un pronóstico de estos datos. La técnica de

pronóstico utiliza el número de clientes atendidos en el periodo anterior, como

pronostico del periodo actual.

Periodos t

Datos Yt

Clientes

Pronostico del error

| | (| | ⁄ ) ( ⁄ )

1 2 3 4 5 6 7 8 9

58 54 60 55 62 62 65 63 70

- 58 54 60 55 62 62 65 63

- -4 6 -5 7 0 3 -2 7

- 4 6 5 7 0 3 2 7

- 16 36 25 49 0 9 4

49

- 7.4

10.0 9.1 11.3 0.0 4.6 3.2

10.0

- -7.4 10.0 -9.1 11.3 0.0 4.6 -3.2 10.0

12 34 188 55.6 16.2

Los cálculos para evaluar este modelo mediante DAM, EMC, PEMA y PME se

muestran en la tabla y en las siguientes formulas:

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14

∑ | |

∑ ( )

| |

( )

En conclusión tenemos que:

La DAM indica que cada pronostico esta desviado en un promedio de 4.3 clientes.

El EMC indica de 23.5 y el PEMA de 6.95% se compararan con el EMC y PEMA de

cualquier otro modelo empleado para pronosticar estos datos. Por último, un bajo

PME de 2.03% indica que la técnica no está desviada; ya que su valor es cercano a

cero, la técnica no sobrestima ni subestima en forma consistente el numero diario

de clientes atendidos.