Tag Archives: forecast

Prédire ou Prévoir, réflexions (probablement) personnelles

Il y a quelques années, j’avais fait un billet où je m’énervais contre une phrase que j’avais entendu (“l’homme qui avait prédit la crise). Le point de départ était surtout un énervement lié au fait que beaucoup de journalistes vivent avec des oeillères (par exemple en associant “économiste” à “type à la télé qui parle d’économie“), et ne connaissent pas la diversité de la communauté des économistes (surtout que la pluralité n’est pas vraiment une vertue présente dans les grands médias, la manière dont sont présentés les différents candidats à la future élection présidentielle peut en être une illustration). Mais je m’écarte…. en fait, un de mes points portait sur l’utilisation du terme “prédit“.

Avec un peu de recul, je ne sais pas si la langue française à changé depuis, mais j’aurais envie de revenir sur ma distinction entre “prévoir” et “prédire“. Prévoir et prédire ont deux racines latines distinctes, prévoir venant du latin praevidere, et prédire de praedicere. Beaucoup notent que “prédire” a longtemps eu le sens de “prophétiser“, où l’annonce (de ce qui doit arriver) est souvent d’inspiration divine. En anglais, c’est presque plus compliqué (car il y a plus de synonymes) mais la même confusion existe. On peut retrouver “foretell” construit sur “fore” et “tell” (qui est à relier à une notion de prémonition), “forespell” construit sur “fore” et “spell” (on retroue la notion de sort, proche du néerlandais “voorspellen”), “foresee” construit sur “fore” et “see”, ou encore  “forecast“, dont on reparlera très bientôt. A côté de ces mots, construits sur le préfixe “fore”, il existe le mot “predict“, tiré du latin praedicere, construit sur “prae” ‎(avant, que l’on retrouvé dans “pré” en français) et “dicere” ‎(dire). Comme le note le dictionnaire, “predicted” a un sens proche de “foretold” mais “without the mystical flavour”. Bref, “prédit” a longtemps eu une connotation mystique, divine.

Pourtant, les deux semblent parfois être interchangeables. Au point que fin 2006, Le Devoir écrivait « parce que cette administration n’a pas su prévoir ce qui était prévisible, nous en sommes rendus à siéger à 6 h un lundi matin! ». “prévoir ce qui était prévisible” vaste programme, non ?

Si on reste sur l’anglais, on peut tenter une distinction. Par exemple “forecast“, c’est à dire “prévoir“, est associé aux ouvrages suivants, sur amazon.com

Autrement dit, “forecast” (ou “prévision“) correspond à un aspect temporel. On cherche à prévoir, à un instant donné https://latex.codecogs.com/gif.latex?t la valeur d’une variable https://latex.codecogs.com/gif.latex?x à une date ultérieur, disons https://latex.codecogs.com/gif.latex?t+h. Classiquement, on cherche (et ça sera notre “prévision”)

https://latex.codecogs.com/gif.latex?\mathbb{E}_t[X_{t+h}]=\mathbb{E}[X_{t+h}|x_t,x_{t-1},\cdots]

C’est pour cela que bon nombre de cours de séries temporelles, ou séries chronologiques sont des cours de “modèles de prévision“.

Mais on commence à voir arriver des ouvrages de “méthodes prédictives“, “predictive modeling“, proposant des “prédictions

Si on regarde de plus près, ces techniques sont utilisées non pas dans un contexte de séries temporelles, mais de données individuelles. Ici, on cherche à prévoir une variable d’intérêt https://latex.codecogs.com/gif.latex?y à l’aide de covariables (variables dites explicatives https://latex.codecogs.com/gif.latex?x_1,\cdots,x_k. La prédiction sera classiquement

https://latex.codecogs.com/gif.latex?\mathbb{E}_{\boldsymbol{x}}[Y]=\mathbb{E}[Y|x_1,\cdots,x_k]

Forecasting Natural Catastrophes (is rather difficult)

Following my previous post, I wanted to spend more time, on the time series with “global weather-related disaster losses as a proportion of global GDP” over the time period 1990-2016 that Roger Pilke sent me last night.

db=data.frame(year=1990:2016,
ratio=c(.23,.27,.32,.37,.22,.26,.29,.15,.40,.28,.14,.09,.24,.18,.29,.51,.13,.17,.25,.13,.21,.29,.25,.2,.15,.12,.12))

In my previous post, I spend some time explaining that we should provide some sort of ‘confidence interval’ when we try to predict a pattern. That was what we call ‘model uncertainty’. But there are two (important) issues that I did not mention. (1) it is a time series, so why not use techniques dedicated to time series objects ? (2) we do not really care actually about ‘model uncertainty’ (unless we want to assess if a decreasing trend is significant, or not), and we care more about real prediction uncertainty: in the next ten years, what could be the range for the this ratio, with some given probability (say 95%)? Could we say that with 95% chance the global weather-related disaster losses as a proportion of global GDP should be (each year) within 0 and 0.35 or 0 and 0.7?

A first idea might be to use exponential smoothing techniques (without a seasonal component here).

ratio=ts(db$ratio,start=1990,frequency=1)
plot(ratio,xlim=c(1990,2030))
hw=HoltWinters(ratio,gamma=FALSE)
phw=predict(hw,n.ahead=15,prediction.interval = TRUE)
plot(hw,phw,xlim=c(1990,2030))
polygon(c(2017:2031,rev(2017:2031)), c(phw[,2],rev(phw[,3])),border=NA,col=rgb(0,0,1,.2))

The decreasing trend is coming from the fact that exponential smoothing is here a linear regression, with weight exponentially decaying with time (the older, the smaller the weight). But we cannot use that prediction, since the ratio cannot (obviously) be negative. So why not consider, here, the logarithm of the ratio

plot(db$year,db$ratio,type="l",xlim=c(1990,2030),ylim=c(-.2,.7),xlab="year",ylab="ratio")
hw=HoltWinters(log(ratio),gamma=FALSE)
phw=predict(hw,n.ahead=15,prediction.interval = TRUE)
abline(v=2016,lty=2,col="grey")
lines(2017:2031,exp(phw[,2]),col="blue")
lines(2017:2031,exp(phw[,3]),col="blue")
lines(c(1992:2016,2017:2031),c(exp(hw$fitted[,1]),exp(phw[,1])),col="red")
polygon(c(2017:2031,rev(2017:2031)),exp(c(phw[,2],rev(phw[,3]))),border=NA,col=rgb(0,0,1,.2))
abline(h=0,lty=2)

The confidence band is huge, here. What if we consider some ARIMA model here?

fit=auto.arima(ratio)
farma=forecast(fit,15)
farma=cbind(as.numeric(farma$fitted)[1:15],as.numeric(farma$lower[,1]),as.numeric(farma$upper[,1]),as.numeric(farma$lower[,2]),as.numeric(farma$upper[,2]))
plot(db$year,db$ratio,type="l",xlim=c(1990,2030),ylim=c(-.2,.7),xlab="year",ylab="ratio")
abline(v=2016,lty=2,col="grey")
lines(2017:2031,farma[,4],col="blue")
lines(2017:2031,farma[,5],col="blue")
lines(2017:2031,farma[,1],col="red")
polygon(c(2017:2031,rev(2017:2031)),c(farma[,4],rev(farma[,5])),border=NA,col=rgb(0,0,1,.2))
abline(h=0,lty=2)

Here, there is an intercept, but no dynamics for the time series (which is considered, here, as a pure white noise). We get exactly the same if we consider the average value of the series

fit=lm(ratio~1,data=db)
s=summary(fit)$sigma
plot(db$year,db$ratio,type="l",xlim=c(1990,2030),ylim=c(-.2,.7),xlab="year",ylab="ratio")
abline(v=2016,lty=2,col="grey")
ndb=data.frame(year=2017:2031)
pf=predict(fit,newdata=ndb)
farma=cbind(pf,pf-1.96*s,pf+1.96*s)
lines(2017:2031,farma[,2],col="blue")
lines(2017:2031,farma[,3],col="blue")
lines(1990:2031,c(predict(fit),farma[,1]),col="red")
polygon(c(2017:2031,rev(2017:2031)),c(farma[,2],rev(farma[,3])),border=NA,col=rgb(0,0,1,.2))
abline(h=0,lty=2)

Here, we get back to my previous post, if we want to consider a possible trend (and not only an intercept)

fit=lm(ratio~year,data=db)
s=summary(fit)$sigma
plot(db$year,db$ratio,type="l",xlim=c(1990,2030),ylim=c(-.2,.7),xlab="year",ylab="ratio")
abline(v=2016,lty=2,col="grey")
ndb=data.frame(year=2017:2031)
pf=predict(fit,newdata=ndb)
farma=cbind(pf,pf-1.96*s,pf+1.96*s)
lines(2017:2031,farma[,2],col="blue")
lines(2017:2031,farma[,3],col="blue")
lines(1990:2031,c(predict(fit),farma[,1]),col="red")
polygon(c(2017:2031,rev(2017:2031)),c(farma[,2],rev(farma[,3])),border=NA,col=rgb(0,0,1,.2))
abline(h=0,lty=2)

Again, the confidence region is not based on inference related error, but on model uncertainty: we try to visualize where future observations might be with (say) 95% chance. Note we can also consider (why not?) a quadratic regression

fit=lm(ratio~poly(year,2),data=db)
s=summary(fit)$sigma
plot(db$year,db$ratio,type="l",xlim=c(1990,2030),ylim=c(-.2,.7),xlab="year",ylab="ratio")
abline(v=2016,lty=2,col="grey")
ndb=data.frame(year=2017:2031)
pf=predict(fit,newdata=ndb)
farma=cbind(pf,pf-1.96*s,pf+1.96*s)
lines(2017:2031,farma[,2],col="blue")
lines(2017:2031,farma[,3],col="blue")
lines(1990:2031,c(predict(fit),farma[,1]),col="red")
polygon(c(2017:2031,rev(2017:2031)),c(farma[,2],rev(farma[,3])),border=NA,col=rgb(0,0,1,.2))
abline(h=0,lty=2)

I am usually not a huge fan of those polynomial regression, but recently, I’ve seen that a lot in economic papers (like “if it’s not linear, add a squared version of the explanatory variable”, which is a rather odd strategy, I’ll publish some posts on that issue this year).

Here again, it might be more clever to consider a logarithmic transformation of the ratio, to insure that the ratio remains positive

fit=lm(log(ratio)~year,data=db)
s=summary(fit)$sigma
plot(db$year,db$ratio,type="l",xlim=c(1990,2030),ylim=c(-.2,.7),xlab="year",ylab="ratio")
abline(v=2016,lty=2,col="grey")
ndb=data.frame(year=2017:2031)
pf=predict(fit,newdata=ndb)
farma=cbind(exp(pf+s^2/2),exp(pf-1.96*s),exp(pf+1.96*s))
lines(2017:2031,farma[,2],col="blue")
lines(2017:2031,farma[,3],col="blue")
lines(1990:2031,c(exp(predict(fit)+s^2/2),farma[,1]),col="red")
polygon(c(2017:2031,rev(2017:2031)),c(farma[,2],rev(farma[,3])),border=NA,col=rgb(0,0,1,.2))
abline(h=0,lty=2)

Observe that future trend is mainly driven by the three latest observations, that were rather low (compared with older observations). What if we remove them?

dbna=db
db$ratio[25:27]=NA
fit=lm(ratio~1,data=dbna)
s=summary(fit)$sigma
plot(db$year,db$ratio,type="l",xlim=c(1990,2030),ylim=c(-.2,.7),xlab="year",ylab="ratio")
abline(v=2016-3,lty=2,col="grey")
ndb=data.frame(year=2014:2031)
pf=predict(fit,newdata=ndb)
farma=cbind(pf,pf-1.96*s,pf+1.96*s)
lines(2014:2031,farma[,2],col="blue")
lines(2014:2031,farma[,3],col="blue")
lines(1990:2031,c(predict(fit)[1:24],farma[,1]),col="red")
polygon(c(2014:2031,rev(2014:2031)),c(farma[,2],rev(farma[,3])),border=NA,col=rgb(0,0,1,.2))
abline(h=0,lty=2)

More funny, if we consider a quadratic regression, we obtain an increasing trend for the future

fit=lm(ratio~poly(year,2),data=dbna)
s=summary(fit)$sigma
plot(db$year,db$ratio,type="l",xlim=c(1990,2030),ylim=c(-.2,.7),xlab="year",ylab="ratio")
abline(v=2016-3,lty=2,col="grey")
ndb=data.frame(year=2014:2031)
pf=predict(fit,newdata=ndb)
farma=cbind(pf,pf-1.96*s,pf+1.96*s)
lines(2014:2031,farma[,2],col="blue")
lines(2014:2031,farma[,3],col="blue")
lines(1990:2031,c(predict(fit)[1:24],farma[,1]),col="red")
polygon(c(2014:2031,rev(2014:2031)),c(farma[,2],rev(farma[,3])),border=NA,col=rgb(0,0,1,.2))
abline(h=0,lty=2)

As we can see, it is rather difficult to get relevant prediction for the future, based on 25 observations…. If anyone has a suggestion, comments are open…

 

Seasonal, or periodic, time series

Monday, in our MAT8181 class, we’ve discussed seasonal unit roots from a practical perspective (the theory will be briefly mentioned in a few weeks, once we’ve seen multivariate models). Consider some time series , for instance traffic on French roads,

> autoroute=read.table(
+ "http://freakonometrics.blog.free.fr/public/data/autoroute.csv",
+ header=TRUE,sep=";")
> X=autoroute$a100
> T=1:length(X)
> plot(T,X,type="l",xlim=c(0,120))
> reg=lm(X~T)
> abline(reg,col="red")

As discussed in a previous post, if there is a trend, we should remove it, and work on the residual 

> Y=residuals(reg)
> acf(Y,lag=36,lwd=3)

We can observe that there is some seasonality, here. A first strategy might be to assume that there is a seasonal unit root, so we consider , and we try to find some ARMA process. Consider the empirical autocorrelation function of that time series,

> Z=diff(Y,12)
> acf(Z,lag=36,lwd=3)

or the partial autocorrelation function

> pacf(Z,lag=36,lwd=3)

The first graph might suggest a MA(1) structure, while the second graph might suggest an AR(1) time series. Let us try both.

> model1=arima(Z,order=c(0,0,1))
> model1

Call:
arima(x = Z, order = c(0, 0, 1))

Coefficients:
          ma1  intercept
      -0.2367  -583.7761
s.e.   0.0916   254.8805

sigma^2 estimated as 8071255:  log likelihood = -684.1,  aic = 1374.2

> E1=residuals(model1)
> acf(E1,lag=36,lwd=3)

which can be considered as a white noise (if you’re not convinced, try either Box-Pierce or Ljung-Box test). Similarly,

> model2=arima(Z,order=c(1,0,0))
> model2

Call:
arima(x = Z, order = c(1, 0, 0))

Coefficients:
          ar1  intercept
      -0.3214  -583.0943
s.e.   0.1112   248.8735

sigma^2 estimated as 7842043:  log likelihood = -683.07,  aic = 1372.15

> E2=residuals(model2)
> acf(E2,lag=36,lwd=3)

which can be also considered as a white noise. So what we have, so far is

 

for some white noise . This suggest the following SARIMA structure on ,

> model2b=arima(Y,order=c(1,0,0),
+               seasonal = list(order = c(0, 1, 0),
+               period=12)) 
> model2b

Call:
arima(x = Y, order = c(1, 0, 0), seasonal = list(order = c(0, 1, 0), period = 12))

Coefficients:
          ar1
      -0.2715
s.e.   0.1130

sigma^2 estimated as 8412999:  log likelihood = -685.62,  aic = 1375.25

So far, so good. Now, what if we consider that we do not have a seasonal unit root, but simply a large autoregressive coefficient in some AR structure. Let us try something like

where a natural guess is that this coefficient should – probably – be close to one. Let us try this one,

> model3c=arima(Y,order=c(1,0,0),
+               seasonal = list(order = c(1, 0, 0), 
+               period = 12))
> model3c

Call:
arima(x = Y, order = c(1, 0, 0), seasonal = list(order = c(1, 0, 0), period = 12))

Coefficients:
          ar1    sar1  intercept
      -0.1629  0.9741  -684.9455
s.e.   0.1170  0.0115  3064.4040

sigma^2 estimated as 8406080:  log likelihood = -816.11,  aic = 1640.21

which is comparable with what we got previously (somehow), so we might assume that this model can be considered as an interesting one. We will discuss further the fact that the first coefficient might be considered as non-significant.

What is the difference from those two models? With a short term horizon, the two models are comparable. Clearly

> library(forecast)
> previ=function(model,h=36,b=40000){
+ prev=forecast(model,h)
+ T=1:85
+ Tfutur=86:(85+h)
+ plot(T,Y,type="l",xlim=c(0,85+h),ylim=c(-b,b))
+ polygon(c(Tfutur,rev(Tfutur)),c(prev$lower[,2],rev(prev$upper[,2])),col="orange",border=NA)
+ polygon(c(Tfutur,rev(Tfutur)),c(prev$lower[,1],rev(prev$upper[,1])),col="yellow",border=NA)
+ lines(prev$mean,col="blue")
+ lines(Tfutur,prev$lower[,2],col="red")
+ lines(Tfutur,prev$upper[,2],col="red")
+ }

Now, on a (very) long term perspective, the models are quite different: one is stationnary, so the forecast will tend to the average value (here 0, since the trend was removed), while the other one is (seasonaly) integrated, so the confidence interval will increase. For the non stationry, we get

> previ(model2b,600,b=60000)

and for the stationary one

> previ(model3c,600,b=60000)

But as mentioned in the introduction of this course, forecasts with those models are relevent only for short-term horizon (say not too large). And in that case, the prediction is almost the same here,

> previ(model2b,36,b=60000)

> previ(model3c,36,b=60000)

Now, if we come back on our second model, we did mention previously that the autoregressive coefficient might be considered as non-significant. What if we remove it?

> model3d=arima(Y,order=c(0,0,0),
+               seasonal = list(order = c(1, 0, 0), 
+               period = 12))
> (model3d)

Call:
arima(x = Y, order = c(0, 0, 0), seasonal = list(order = c(1, 0, 0), period = 12))

Coefficients:
        sar1  intercept
      0.9662  -696.5661
s.e.  0.0134  3182.3017

sigma^2 estimated as 8918630:  log likelihood = -817.03,  aic = 1640.07

If we look at a (short-term) forecast, we get

> previ(model3d,36,b=32000)

Do you see any difference? To be honest, I don’t… If we look at the figures, we get

> cbind(forecast(model2b,12)$mean,forecast(model3c,12)$mean,forecast(model3d,12)$mean)
Time Series:
Start = 86 
End = 97 
Frequency = 1 
1   -4908.4920  -5092.8999  -5520.8780
2  -10012.7837  -9640.8103  -9493.0339
3   -3880.2202  -3841.1960  -3828.2611
4  -18102.5211 -17638.4086 -17499.1828
5  -20602.7346 -20090.9117 -19934.1066
6  -10463.2212 -10209.0139 -10132.0439
7    2458.1538   2376.4897   2351.2377
8   -1680.3342  -1654.4844  -1647.0057
9     876.6837    836.2342    823.4934
10  18046.5642  17561.6520  17413.1463
11  21531.4820  20956.3451  20780.2836
12  -3217.6103  -3152.0446  -3132.4112

Figures are different, but not significantly (keep in mind the size of the confidence interval). This might explain why, in R, when we ask for an autoregressive process or order https://latex.codecogs.com/gif.latex?p, then we get a model with https://latex.codecogs.com/gif.latex?p parameters to estimate, and even if some are not significant, we usually keep them for the forecast. Most of the time, from forecasting point of view, it’s no big deal.

Prévision des vente de voitures au Québec

Après discussion, la date limite pour me renvoyer le second devoir est fixée à vendredi 5 octobre midi, par courriel. Je veux un fichier pdf par équipe, avec une page de garde indiquant le nom des membres du groupe, et le mot clé retenu.

Maintenant, je vais en profiter pour mettre en ligne le code tapé de matin, en cours. On avait travaillé sur la modélisation de la série des ventesde voiture, au Québec. La série est en ligne,

X=read.table(
"http://freakonometrics.blog.free.fr/public/
data/car-sales-quebec.csv",
header=TRUE,sep=";",nrows=108)
Xt=ts(X[,2],start=c(1960,1),frequency=12)

On peut regarder l’évolution de cette série temporelles (car les dessins, et la visualisation, c’est important),

plot(Xt)

On note une tendance linéaire (ou qu’on pourrait supposer linéaire), que l’on va estimer,

X=as.numeric(Xt)
temps=1:length(X)
base=data.frame(temps,X)
reg=lm(X~temps)

et que l’on pourra représenter

plot(temps,X,type="l",xlim=c(0,120))
abline(reg,col="red")

Si on veut une série stationnaire (et c’est effectivement ce que l’on cherche), on va retrancher cette tendance à notre série, et travailler sur la série résiduelle.

La série résiduelle est ici

Y=X-predict(reg)
plot(temps,Y,type="l")

que l’on devrait pouvoir supposer stationnaire. Classiquement, on regarde les autocorrélations,

acf(Y,36,lwd=4)

où on repère un beau cycle annuel, mais on va surtout utiliser les autocorrélations partielles pour identifier l’ordre de la composante autorégressive.

pacf(Y,36,lwd=4)

La 12ème est non-nulle, et tous les autres ensuite sont significativement nulles (ou presque). On va donc tenter un https://latex.codecogs.com/gif.latex?AR(12).

> fit.ar12=arima(Y,order=c(12,0,0))
> fit.ar12
Series: Y
ARIMA(12,0,0) with non-zero mean

Coefficients:
ar1     ar2      ar3      ar4     ar5      ar6     ar7
      0.1975  0.0832  -0.1062  -0.1212  0.1437  -0.1051  0.0319
s.e.  0.0838  0.0809   0.0826   0.0843  0.0850   0.0833  0.0854
ar9     ar10    ar11    ar12  intercept
      -0.0332  -0.0616  0.2635  0.4913  -148.3180
s.e.   0.0853   0.0840  0.0840  0.0841   384.5095

sigma^2 estimated as 2177974:  log likelihood=-946.75
AIC=1921.51   AICc=1926.03   BIC=1959.06

La douzième composante https://latex.codecogs.com/gif.latex?\phi_{12} semble significative, si on repense au test de Student,

u=seq(-6,6,by=.1)
plot(u,dnorm(u),type="l")
points(0.4913/0.0841,0,pch=19,col="red")

En revanche, la huitième https://latex.codecogs.com/gif.latex?\phi_{8} ne l’est pas

points(-0.1018/0.0847,0,pch=19,col="blue")

(voilà pour le petit retour sur la lecture des tests). Vérifions maintenant que le bruit résiduel est bien blanc… Si on regarde les autocorrélations

acf(residuals(fit.ar12),36,lwd=4)

Mais ce n’est pas un test de bruit blanc. En particulier, si une autocorrélation semblerait significative, on pourrait accepter que – globalement – les autocorrélations soient très proches de 0. On va alors faire des tests de Box-Pierce

> Box.test(residuals(fit.ar12),lag=12,
+  type='Box-Pierce')

Box-Pierce test

data:  residuals(fit.ar12)
X-squared = 7.7883, df = 12, p-value = 0.8014

Pour l’interpétation du test, c’est toujours pareil: on a une statistique de l’ordre de 7, et la loi sous-jacente (la somme des carrés des 12 premières autocorrélations du bruit) est une loi du chi-deux, à 12 degrés de liberté,

u=seq(0,30,by=.1)
plot(u,dchisq(u,df=12),type="l")
points(7.7883,0,pch=19,
col="red")

On accepte l’hypothèse que les 12 premières autocorrélations soient nulles. Si on va un peu plus loin,

> Box.test(residuals(fit.ar12),lag=18,
+  type='Box-Pierce')

Box-Pierce test

data:  residuals(fit.ar12)
X-squared = 20.3861, df = 18, p-value = 0.3115

on a la même conclusion,

Pour rappels, on peut retrouver à la main la p-value,

> 1-pchisq(20.3861,df=18)
[1] 0.3115071

Faisons notre petite dessin de toutes les p-value, pour s’assurer que le bruit est bien un bruit blanc,

 BP=function(h) Box.test(residuals(fit.ar12),lag=h,
type='Box-Pierce')$p.value
plot(1:24,Vectorize(BP)(1:24),type='b',
ylim=c(0,1),col="red")
abline(h=.05,lty=2,col="blue")

Cette fois c’est bon, on tient notre premier modèle, un https://latex.codecogs.com/gif.latex?AR(12). Si on veut aller plus loin, on peut regarder ce que donnerait de la sélection automatique,

> library(caschrono)
> armaselect(Y,nbmod=5)
p q      sbc
[1,] 14 1 1635.214
[2,] 12 1 1635.645
[3,] 15 1 1638.178
[4,] 12 3 1638.297
[5,] 12 4 1639.232

On peut être tenté d’aller voir ce qui se passerait en rajoutant une composante moyenne mobile à notre modèle précédant,

> fit.arma12.1=arima(Y,order=c(12,0,1))
> fit.arma12.1
Series: Y
ARIMA(12,0,1) with non-zero mean

Coefficients:
ar1     ar2      ar3      ar4     ar5      ar6     ar7
      0.0301  0.1558  -0.0941  -0.1461  0.1063  -0.0688  -0.002
s.e.  0.1235  0.0854   0.0757   0.0784  0.0807   0.0774   0.080
ar9     ar10    ar11    ar12     ma1  intercept
      -0.0646  -0.0798  0.2538  0.5786  0.2231  -131.3495
s.e.   0.0802   0.0766  0.0751  0.0861  0.1393   368.8156

sigma^2 estimated as 2127759:  log likelihood=-945.65
AIC=1921.31   AICc=1926.52   BIC=1961.54

Le nouveau coefficient, https://latex.codecogs.com/gif.latex?\theta_1 est à peine significatif. Éventuellement avec un seuil à 10%… Pourquoi pas? Si on regarde les résidus, sans grande surprise, on a toujours un bruit blanc, encore plus blanc qu’auparavant (en violet sur le dessin ci-dessous)

BP=function(h) Box.test(
residuals(fit.arma12.1),lag=h,
type='Box-Pierce')$p.value
plot(1:24,Vectorize(BP)(1:24),type='b',
ylim=c(0,1),col="red")
abline(h=.05,lty=2,col="blue")

BP=function(h) Box.test(residuals(fit.ar12),lag=h,
type='Ljung-Box')$p.value
lines(1:24,Vectorize(BP)(1:24),col="purple",
type="b")

On peut aussi aller voir parmi les modèles proposés, en particulier le modèle https://latex.codecogs.com/gif.latex?AR(14).

> fit.ar14=
+ arima(Y,order=c(14,0,0),method="CSS")
> fit.ar14
Series: Y
ARIMA(14,0,0) with non-zero mean

Coefficients:
ar1     ar2      ar3      ar4     ar5      ar6     ar7
      0.2495  0.2105  -0.0584  -0.1569  0.1282  -0.1152  0.0268
s.e.  0.0956  0.0972   0.0854   0.0830  0.0838   0.0840  0.0847
ar9     ar10    ar11    ar12     ar13     ar14  intercept
      -0.0327  -0.1116  0.2649  0.5887  -0.1575  -0.1572    80.5
s.e.   0.0855   0.0851  0.0853  0.0886   0.1031   0.0999   338.9

sigma^2 estimated as 2218612:  part log likelihood=-942.31

C’est un peu tiré par les cheveux, mais on pourrait accepter l’hypothèse que https://latex.codecogs.com/gif.latex?\phi_{14}soit significativement non-nuls. Mais on est encore limite…  Allez, on l’accepte aussi dans notre gang de modèle.

On a finalement trois modèles. Si on fait un peu de backtesting, sur les 12 derniers mois,

T=length(Y)
backtest=12
subY=Y[-((T-backtest+1):T)]
subtemps=1:(T-backtest)
plot(temps,Y,type="l")
lines(subtemps,subY,lwd=4)
fit.ar12.s=arima(subY,
order=c(p=12,d=0,q=0),method="CSS")
fit.arma12.1.s=arima(subY,
order=c(p=12,d=0,q=1),method="CSS")
fit.ar14.s=arima(subY,
order=c(p=14,d=0,q=0),method="CSS")
p.ar12=predict(fit.ar12.s,12)
pred.ar12=as.numeric(p.ar12$pred)
p.arma12.1=predict(fit.arma12.1.s,12)
pred.arma12.1=as.numeric(p.arma12.1$pred)
p.ar14=predict(fit.ar14.s,12)
pred.ar14=as.numeric(p.ar14$pred)

on obtient les prévisions suivantes (avec les valeurs observées dans la première colonne)

> (M=cbind(observé=Y[((T-backtest+1):T)],
+  modèle1=pred.ar12,
+  modèle2=pred.arma12.1,
+  modèle3=pred.ar14))
observé    modèle1    modèle2    modèle3
97  -4836.2174 -5689.3331 -5885.4486 -6364.2471
98  -3876.4199 -4274.0391 -4287.2193 -4773.8116
99   1930.3776  1817.8411  2127.9915  2290.1460
100  3435.1751  4089.3598  3736.1110  4039.4150
101  7727.9726  6998.9829  7391.6694  7281.4797
102  2631.7701  3456.8819  3397.5478  4230.5324
103  -509.4324 -2128.6315 -2268.9672 -2258.7216
104 -1892.6349 -3877.7609 -3694.9409 -3620.4798
105 -4310.8374 -3384.0905 -3430.4090 -2881.4942
106  2564.9600  -504.6883  -242.5018   183.2891
107 -1678.2425 -1540.9904 -1607.5996  -855.7677
108 -4362.4450 -3927.4772 -3928.0626 -3718.3922
>  sum((M[,1]-M[,2])^2)
[1] 19590931
>  sum((M[,1]-M[,3])^2)
[1] 17293716
>  sum((M[,1]-M[,4])^2)
[1] 21242230

I.e. on aurait envie de retenir le second modèle, https://latex.codecogs.com/gif.latex?ARMA(12,1). On va maintenant l’utiliser pour faire un peu de prévision,

library(forecast)
fit.arma12.1=
arima(Y,order=c(12,0,1))
fit.arma12.1
PREDARMA=forecast(fit.arma12.1,12)
plot(Y,xlim=c(1,120),type="l")
temps=T+1:12
polygon(c(temps,rev(temps)),c(PREDARMA$lower[,2],
rev(PREDARMA$upper[,2])),col="yellow",border=NA)
polygon(c(temps,rev(temps)),c(PREDARMA$lower[,1],
rev(PREDARMA$upper[,1])),col="orange",border=NA)
lines(temps,PREDARMA$mean,col="red")

Cela dit, on peut aussi aller beaucoup plus loin dans la prévision,

PREDARMA=forecast(fit.arma12.1,120)
plot(Y,xlim=c(1,210),type="l")
temps=T+1:120
polygon(c(temps,rev(temps)),c(PREDARMA$lower[,2],
rev(PREDARMA$upper[,2])),col="yellow",border=NA)
polygon(c(temps,rev(temps)),c(PREDARMA$lower[,1],
rev(PREDARMA$upper[,1])),col="orange",border=NA)
lines(temps,PREDARMA$mean,col="red")

Bon, on y est presque, car on a modélisé https://latex.codecogs.com/gif.latex?(Y_t), la série obtenue en enlevant la tendance linéaire. Pour remonter sur https://latex.codecogs.com/gif.latex?(X_t), on va rajouter la tendance à la prévision faite auparavant,

X=as.numeric(Xt)
temps=1:length(X)
plot(temps,X,type="l",xlim=c(0,210),
ylim=c(5000,30000))
base=data.frame(temps,X)
reg=lm(X~temps)
abline(reg,col="red")
PREDTENDANCE=predict(reg,newdata=
data.frame(temps=T+1:120))
temps=T+1:120
polygon(c(temps,rev(temps)),c(PREDTENDANCE+
PREDARMA$lower[,2],rev(PREDTENDANCE+PREDARMA$upper[,2])),
col="yellow",border=NA)
polygon(c(temps,rev(temps)),c(PREDTENDANCE+
PREDARMA$lower[,1],rev(PREDTENDANCE+PREDARMA$upper[,1])),
col="orange",border=NA)
lines(temps,PREDTENDANCE+PREDARMA$mean,col="red")

Unit root, or not ? is it a big deal ?

Consider a time series, generated using

set.seed(1)
E=rnorm(240)
X=rep(NA,240)
rho=0.8
X[1]=0
for(t in 2:240){X[t]=rho*X[t-1]+E[t]}

The idea is to assume that an autoregressive model can be considered, but we don’t know the value of the parameter. More precisely, we can’t choose if the parameter is either one (and the series is integrated), or some value strictly smaller than 1 (and the series is stationary). Based on past observations, the higher the autocorrelation, the lower the variance of the noise.

rhoest=0.9; H=260
u=241:(240+H)
P=X[240]*rhoest^(1:H)
s=sqrt(1/(sum((rhoest^(2*(1:300))))))*sd(X)

Now that we have a model, consider the following forecast, including a confidence interval,

 
plot(1:240,X,xlab="",xlim=c(0,240+H),
ylim=c(-9.25,9),ylab="",type="l")
V=cumsum(rhoest^(2*(1:H)))*s
polygon(c(u,rev(u)),c(P+1.96*sqrt(V),
rev(P-1.96*sqrt(V))),col="yellow",border=NA)
polygon(c(u,rev(u)),c(P+1.64*sqrt(V),
rev(P-1.64*sqrt(V))),col="orange",border=NA)
lines(u,P,col="red")
Here, forecasts can be derived, with any kind of possible autoregressive coefficient, from 0.7 to 1. I.e. we can chose to model the time series either with a stationary, or an integrated series,

As we can see above, assuming either that the series is stationary (parameter lower – strictly – than 1) or integrated (parameter equal to 1), the shape of the prediction can be quite different. So yes, assuming an integrated model is a big deal, since it has a strong impact on predictions.

Sondages et prévisions de séries temporelles

Ce soir, @imparibus proposait sur son blog un billet passionnant sur l’élection présidentielle en France, avec des graphiques superbes, basé sur un lissage temporel des résultats des sondages pour le premier tour de l’élection présidentielle en France (qu’il a fait sous excel, on saluera la performance !). En reprenant les données du site http://www.lemonde.fr/, on peut obtenir la même chose assez simplement (j’ai repris – ou presque – les couleurs utilisées sur le site, François Hollande en rose, Nicolas Sarkozy en bleu, François Bayrou en orange, et Marine Le Pen en noir…). Pour commencer, le code en R pour importer les données et les manipuler est le suivant

sondage=read.table("http://freakonometrics.blog.free.fr/
public/data/sondage1ertour2012.csv",
header=TRUE,sep=";",dec=",")
sondage[36,1]="11/03/12"
sondeur=unique(sondage$SONDEUR)
sondage$date=as.Date(as.character(sondage$DATE),
"%d/%m/%y")

(je fais manuellement une correction de date car je me suis trompé en saisissant les chiffres à la main). A partir de là, on peut reprendre l’idée de faire une régression locale pour trouver une tendance,

CL=brewer.pal(6, "RdBu")
couleur=c(CL[1],CL[6],"orange","grey")
datefin=as.Date("2012/04/12")
k=1
plot(sondage$date,sondage[,k+2],col=couleur[k],
pch=19,cex=.7,xlab="",ylab="",ylim=c(0,40),
xlim=c(min(sondage$date),datefin))
rl=lowess(sondage$date,sondage[,k+2])
lines(rl,lwd=2,col=couleur[k])
for(k in 2:4){
points(sondage$date,sondage[,k+2],
col=couleur[k],pch=19,cex=.7)
rl=lowess(sondage$date,sondage[,k+2])
lines(rl,lwd=2,col=couleur[k])
}

Le code a l’air long mais il faut définir les couleurs, générer une fenêtre graphique, mettre les régressions locales dedans, etc. En tant que telle, la commande qui permet de faire le lissage est juste

rl=lowess(sondage$date,sondage[,k+2])

Bon, on peut d’ailleurs faire toutes sortes de lissages, avec des splines par exemple (ce que j’ai davantage tendance à utiliser),

D=data.frame(date=min(sondage$date)+0:148)
library(splines)
k=1
plot(sondage$date,sondage[,k+2],
col=couleur[k],pch=19,cex=.7,
xlab="",ylab="",ylim=c(0,40),xlim=
c(min(sondage$date),datefin))
rs=lm(sondage[,k+2]~bs(date),data=sondage)
prl=predict(rs,newdata=D)
prlse=sqrt(prl/100*(1-prl/100)/1000)*100
polygon(c(D$date,rev(D$date)),c(prl+2*prlse,
rev(prl-2*prlse)),col=CL[3],border=NA)
lines(D$date,prl,lwd=2,col=CL[1])
points(sondage$date,sondage[,k+2],
col=couleur[k],pch=19,cex=.7,)
for(k in 2:4){
points(sondage$date,sondage[,k+2],
col=couleur[k],pch=19,cex=.7)
}

avec, là encore, la commande suivante pour lisser

rs=lm(sondage[,k+2]~bs(date),data=sondage)

Cette fois le code est un peu plus long, parce que j’ai tracé un intervalle de confiance à 95% (intervalle de confiance classique, en supposant que 1000 personnes ont été interrogées, comme évoqué dans d’anciens billets),

https://f.hypotheses.org/wp-content/blogs.dir/253/files/2015/12/adic10.gif

On a ici la courbe suivante

avec l’intervalle de confiance pour François Hollande, mais on peut faire la même chose pour Nicolas Sarkozy,

k=2
plot(sondage$date,sondage[,k+2],
col=couleur[k],pch=19,cex=.7,
xlab="",ylab="",ylim=c(0,40),xlim=
c(min(sondage$date),datefin))
rs=lm(sondage[,k+2]~bs(date),data=sondage)
prl=predict(rs,newdata=D)
prlse=sqrt(prl/100*(1-prl/100)/1000)*100
polygon(c(D$date,rev(D$date)),c(prl+2*prlse,
rev(prl-2*prlse)),col=CL[4],border=NA)
lines(D$date,prl,lwd=2,col=CL[6])
points(sondage$date,sondage[,k+2],col=
couleur[k],pch=19,cex=.7,)
for(k in c(1,3:4)){
points(sondage$date,sondage[,k+2],col=
couleur[k],pch=19,cex=.7)
}

Mais comme auparavant, on peut aussi visualiser les “tendances” des quatre candidats en tête,

Voilà pour le début. En fait, idéalement, on voudrait faire un peu de prévision… Le hic est que les code usuel pour faire de la prévision (avec des ARIMA, du lissage exponentiel ou tout autre modèle classique) nécessitent de travailler avec des séries temporelles, telles qu’elles sont classiquement définies, c’est à dire “régulièrement espacées dans le temps“.

Je ne vais pas commencer à réclamer plus de sondages, loin de moins cette idée, mais pour mon modèle, j’avoue que j’aurais préféré avoir plus de points. Beaucoup plus de points. Un sondage par jour aurait été idéal en fait…

Qu’à cela ne tienne, on va simuler des sondages. L’idée est simple: on a une tendance qui nous donne une probabilité jour par jour (c’est exactement ce qui a été calculé pour tracer les courbes), via

D=data.frame(date=min(sondage$date)+0:148)
prl=predict(rs,newdata=D)

On va ensuite utiliser une hypothèse de normalité multivariée sur nos 4 candidats, auquel j’en ai en rajouté un cinquième fictif (mais ça ne servait à rien) en utilisant l’analogue multivariée de l’expression suivante (évoqué dans le premier billet de l’année sur les élections)

https://f.hypotheses.org/wp-content/blogs.dir/253/files/2015/12/ic-sondage01.gif

On peut alors générer, jour après jour, des sondages, en simulant des vecteurs Gaussiens. Je vais les générer indépendants les uns des autres, parce que c’est plus simple, et que cela ne me semble pas être une trop grosse hypothèse. Pour générer un ensemble de sondages, on utilise la fonction suivante

library(mnormt)
simulation=function(S){
proba=c(S,100-sum(S))/100
variance= -proba%*%t(proba)
diag(variance)=proba*(1-proba)
variance=variance/1000
return(rmnorm(1,proba[1:4],variance[1:4,1:4]))}
simulsondages=function(M){
Z=rep(NA,ncol(M))
for(i in 1:nrow(M)){
Z=rbind(Z,simulation(M[i,]))
}
return(Z[-1,])}
prediction4=matrix(NA,nrow(D),4)
for(k in 1:4){
rs=lm(sondage[,k+2]~bs(date),data=sondage)
prediction4[,k]=predict(rs,newdata=D)
}

Par exemple, si on la fait tourner une fois, on obtient le graphique suivant

set.seed(1)
S4=simulsondages(prediction4)
S100=100*S4
k=1
plot(D$date,S100[,k],col=couleur[k],
pch=19,cex=.7,
xlab="",ylab="",ylim=c(0,40),xlim=
c(min(sondage$date),datefin))
rs=lm(sondage[,k+2]~bs(date),data=sondage)
lines(D$date,predict(rs,newdata=D),
lwd=2,col=couleur[k])
for(k in 2:4){
points(D$date,S100[,k],col=couleur[k],
pch=19,cex=.7)
rs=lm(sondage[,k+2]~bs(date),data=sondage)
lines(D$date,predict(rs,newdata=D),
lwd=2,col=couleur[k])
}

(les courbes lissées sont celles obtenues sur les vrais sondages). Là on peut être heureux, parce qu’on a des vraies séries temporelles. On peut alors faire de la prévision, par exemple en faisant du lissage exponentiel (optimisé),

library(forecast)
k=1
X=S100[,k]
ETS=ets(X)
F=forecast(ETS,h=60)
fdate=max(D$date)+1:60
k=1
plot(D$date,S100[,k],col=couleur[k],
pch=19,cex=.7,
xlab="",ylab="",ylim=c(0,40),xlim=
c(min(sondage$date),datefin))
rs=lm(sondage[,k+2]~bs(date),data=sondage)
lines(D$date,predict(rs,newdata=D),
lwd=2,col=couleur[k])
for(k in 2:4){
points(D$date,S100[,k],col=couleur[k],
pch=19,cex=.7)
rs=lm(sondage[,k+2]~bs(date),data=sondage)
lines(D$date,predict(rs,newdata=D),lwd=2,col=couleur[k])
}
polygon(c(fdate,rev(fdate)),c(as.numeric(F$lower[,2]),
rev(as.numeric(F$upper[,2]))),col=CL[3],border=NA)
polygon(c(fdate,rev(fdate)),
c(as.numeric(F$lower[,1]),rev(as.numeric(F$upper[,1]))),
col=CL[2],border=NA)
lines(fdate,as.numeric(F$mean),lwd=2,col=CL[1])

Là encore le code peut paraître long, mais c’est surtout la partie associée au graphique qui prend de la place (par soucis purement esthétique, on passe du temps sur les codes graphiques depuis le début). Le code qui modélise la série, et qui la projette, est ici donné par les deux lignes suivantes

ETS=ets(X)
F=forecast(ETS,h=60)

Pour François Hollande, sur la simulation des sondages passés que l’on vient d’effectuer, on obtient la prévision suivante

On peut bien entendu faire une projection similaire pour Nicolas Sarkozy,

k=2
X=S100[,k]
ETS = ets(X)
F=forecast(ETS,h=60)
k=1
plot(D$date,S100[,k],col=couleur[k],pch=19,cex=.7,
xlab="",ylab="",ylim=c(0,40),xlim=
c(min(sondage$date),datefin))
rs=lm(sondage[,k+2]~bs(date),data=sondage)
lines(D$date,predict(rs,newdata=D),
lwd=2,col=couleur[k])
for(k in 2:4){
points(D$date,S100[,k],col=couleur[k],
pch=19,cex=.7)
rs=lm(sondage[,k+2]~bs(date),data=sondage)
lines(D$date,predict(rs,newdata=D),
lwd=2,col=couleur[k])
}
polygon(c(fdate,rev(fdate)),c(as.numeric(F$lower[,2]),
rev(as.numeric(F$upper[,2]))),col=CL[4],border=NA)
polygon(c(fdate,rev(fdate)),
c(as.numeric(F$lower[,1]),rev(as.numeric(F$upper[,1]))),
col=CL[5],border=NA)
lines(fdate,as.numeric(F$mean),lwd=2,col=CL[6])

On notera que je ne me suis pas trop fatigué sur la projection: autant sur la génération de sondages passés on a tenu compte de corrélation (i.e. si un candidat a un score élevé, ça se fera au détriment des autres, d’où la corrélation négative utilisée dans la simulation), autant ici, les projections sont faites de manière complétement indépendantes. En se fatiguant un peu plus, on pourrait se lancer dans un modèle vectoriel gaussien. Ou mieux, on pourrait travailler sur des processus de Dirichlet (surtout que R a un package dédié à ce genre de modèle) parce qu’on travaille depuis le début sur des taux, comme évoqué auparavant. Mais commençons par faire simple pour un premier billet rapide sur ce sujet.

On peut ensuite s’amuser à générer plusieurs jeux de sondages, et de lancer des prévisions dessus,

set.seed(1)
for(sim in 1:20){
Ssim=simulsondages(prediction4)
F1=forecast(ets(100*Ssim[,1]),h=60)
F2=forecast(ets(100*Ssim[,2]),h=60)
lines(fdate,as.numeric(F1$mean),col=CL[1])
lines(fdate,as.numeric(F2$mean),col=CL[6])}

Une fois qu’on a fait tout ça, on a presque fini. On peut regarder au 22 avril qui est en tête (voire, par scénario, calculer la probabilité qu’un des deux candidats soit en tête), c’est à dire au soir du 1er tour

set.seed(1)
VICTOIRE=rep(NA,1000)
for(sim in 1:1000){
Ssim=simulsondages(prediction4)
F1=forecast(ets(100*Ssim[,1]),h=60)
F2=forecast(ets(100*Ssim[,2]),h=60)
VICTOIRE[sim]=(F1$mean[30]>F2$mean[30])}
mean(VICTOIRE)

Et voilà. Ah oui, je n’ai pas laissé le résultat. Tout d’abord parce que je suis un statisticien, pas unprédicateur. Mais aussi parce que si ce genre de pronostic amuse des gens… ils n’ont qu’à se mettre à R pour faire tourner les codes !

Combien de temps profite-t-on de ses grands parents ?

Ce Hier matin, je suis tombé un peu par hasard sur deux graphiques de l’INSEE (en France) avec l’age moyen des mères à l’accouchement, en fonction de rang de naissance de l’enfant, avec tout d’abord 1905-1965,

puis 1960-2000

Ces graphiques sont passionnants en soi – comme en ont témoigné pas mal de followers sur Twitter – mais ils m’ont fait m’interroger. En particulier, sur la croissance observée depuis 30 ans, qui me faisait penser à la tendance croissante observée sur les durées de vie. On n’a – malheureusement – pas accès au données complètes sur le site, mais on peut trouver d’autres donnéesintéressantes (en l’occurrence l’age moyen à la naissance).

> agenaissance=read.table("http://freakonometrics.blog.free.fr/
public/data/agenaissance.csv",header=TRUE,sep=",")
> agenaissance$Age=as.character(agenaissance$AGE)
> agenaissance$AGE=as.numeric(substr(agenaissance$Age,1,2))+
+ as.numeric(substr(agenaissance$Age,4,4))/10
> plot(agenaissance$ANNEE+.5,agenaissance$AGE,
+ type="l",lwd=2,col="blue")

Visuellement, on retrouve la courbe en bleu foncée sur les graphiques ci-dessus,

On peut alors aller en cran plus loin, en se demandant non pas quel était l’âge moyen de la mère, mais de la grand-mère (au sens la mère de la mère)

> agenaissance$NAIS.MERE=(agenaissance$ANNEE+.5)-
+ agenaissance$AGE
> w=(trunc(agenaissance$NAIS.MERE-.5))
> rownames(agenaissance)=agenaissance$ANNEE
> a1=agenaissance[as.character(w),]$NAIS.MERE
> a2=agenaissance[as.character(w+1),]$NAIS.MERE
> p=agenaissance$NAIS.MERE-(w+.5)
> agenaissance$NAIS.GRD.MERE=(1-p)*a1+p*a2
> agenaissance$age.GRD.MERE=agenaissance$ANNEE+.5-
+ agenaissance$NAIS.GRD.MERE
> tail(agenaissance)
ANNEE  AGE   Age NAIS.MERE NAIS.GRD.MERE age.GRD.MERE
2000  2000 30.3 30,3     1970.2       1942.87        57.63
2001  2001 30.4 30,4     1971.1       1943.80        57.70
2002  2002 30.4 30,4     1972.1       1944.92        57.58
2003  2003 30.5 30,5     1973.0       1945.95        57.55
2004  2004 30.5 30,5     1974.0       1947.05        57.45
2005  2005 30.6 30,6     1974.9       1948.04        57.46
> plot(agenaissance$ANNEE+.5,agenaissance$age.GRD.MERE,
+ type="l",lwd=2,col="red")

Là encore, on peut visualiser l’âge de la grand-mère maternelle à la naissance

A partir de là, on peut se demander combien de temps on profite de ses grands-parents (ou tout du moins ici de sa grand mère maternelle), en se basant sur les calculs d’espérance de vie résiduelle. En utilisant le modèle de Lee-Carter pour modéliser les taux de décès annuel, et en extrapolant sur le siècle en cours, on peut extrapoler les espérances de vie résiduelles.

> Deces <- read.table("http://freakonometrics.free.fr/
Deces-France.txt",header=TRUE)
> Expo  <- read.table("http://freakonometrics.free.fr/
Exposures-France.txt",header=TRUE,skip=2)
> Deces$Age <- as.numeric(as.character(Deces$Age))
> Deces$Age[is.na(Deces$Age)] <- 110
> Expo$Age <- as.numeric(as.character(Expo$Age))
> Expo$Age[is.na(Expo$Age)] <- 110
>  library(forecast)
>  library(demography)
>  YEAR <- unique(Deces$Year);nC=length(YEAR)
>  AGE  <- unique(Deces$Age);nL=length(AGE)
>  MUF  <- matrix(Deces$Female/Expo$Female,nL,nC)
>  POPF <- matrix(Expo$Female,nL,nC)
>  BASEF <- demogdata(data=MUF, pop=POPF,ages=AGE,
+ years=YEAR, type="mortality",
+  label="France", name="Femmes", lambda=1)
> LCF <- lca(BASEF)
> LCFf<-forecast(LCF,h=100)
> A <- LCF$ax
> B <- LCF$bx
> K1 <- LCF$kt
> K2 <- K1[length(K1)]+LCFf$kt.f$mean
> K <- c(K1,K2)
> MU <- matrix(NA,length(A),length(K))
> for(i in 1:length(A)){
+ for(j in 1:length(K)){
+ MU[i,j] <- exp(A[i]+B[i]*K[j]) }}
> esp.vie = function(xentier,T){
+ s <- seq(0,99-xentier-1)
+ MUd <- MU[xentier+1+s,T+s-1898]
+ Pxt <- cumprod(exp(-diag(MUd)))
+ ext <- sum(Pxt)
+ return(ext) }
> EVIE = function(x,T){
+ x1 <- trunc(x)
+ x2 <- x1+1
+ return((1-(x-x1))*esp.vie(x1,T)+(x-x1)*esp.vie(x2,T)) }
> agenaissance$EV=NA
> for(i in 1:100){
+ t <- 2006-i
+ agenaissance$EV[agenaissance$ANNEE==t]=
+ EVIE(x=agenaissance$age.GRD.MERE[
+ agenaissance$ANNEE==t],t) }
> tail(agenaissance)
ANNEE  AGE   Age NAIS.MERE NAIS.GRD.MERE age.GRD.MERE       EV
2000 30.3 30,3     1970.2       1942.87        57.63 29.13876
2001 30.4 30,4     1971.1       1943.80        57.70 29.17047
2002 30.4 30,4     1972.1       1944.92        57.58 29.39027
2003 30.5 30,5     1973.0       1945.95        57.55 29.52041
2004 30.5 30,5     1974.0       1947.05        57.45 29.72511
2005 30.6 30,6     1974.9       1948.04        57.46 29.80398

Autrement dit, sur la dernière ligne, l’espérance de vie (résiduelle) pour une femme de 57.46 ans en 2005 était d’environ 29.80 ans. On peut alors visualiser non seulement l’âge moyen de sa grand-mère à la naissance, mais son espérance de vie résiduelle,

> plot(agenaissance$ANNEE+.5,agenaissance$EV,
+ type="l",lwd=2,col="purple")

On note que depuis 30 ans, en France, la durée (moyenne) pendant laquelle les petits-enfants vont profiter de leur grands parents s’est stabilisé à une trentaine d’années. On peut aussi continuer, et remonter d’un cran (en refaisant tourner le code avec quelques modifications): on a alors l’âge (moyen) de son arrière grand mère à la naissance,

et la durée de vie (résiduelle) des arrière grand mères

On manque ici de données, mais il semble que l’on profite – en moyenne – environ 5 ans de son arrière grand mère. Maintenant on peut aussi s’interroger sur les limites de cette étude rapide. En particulier, de même qu’il existe une corrélation forte entre les durées de vie de conjoints (e.g. broken heart syndrom de Jagger & Sutton (1991)), on peut se demander si la naissance d’enfants et de petits-enfants a un impact sur la durée de vie résiduelle d’une personne (ou si on peut supposer l’indépendance comme on l’a fait ici).

Time horizon in forecasting, and rules of thumb

I recently received an email about forecasting and rules of thumb. “Dans la profession […] se transmet une règle empirique qui voudrait que l’on prenne un historique du double de l’horizon de prévision : 20 ans de données pour une prévision à 10 ans, etc… Je souhaite savoir si cette règle n’aurait pas, par hasard, un fondement théorique quitte à ce que le rapport ne soit pas de 2 pour 1, mais de 3 pour 1 ou de 1 pour 1 par exemple.” To summarize briefly, the rule is to consider a 2-1 ratio for the period of observation vs. forecast horizon. And the interesting question is if there are justifications for such a rule…

At first, I remembered a rules of thumb, from the book by Box and Jenkins, which states that it is meaningless to look at autocorrelations when lags exceed the sample size over 6. So with 12 years of data, autocorrelations with a lag higher than two years are useless. But it is not what is mentioned here. So I looked at some dataset, and some standard time series models.

  • It depends on the series

It might obvious… but if it is the case, it means that it will be difficult to have a general rule of thumb. Consider e.g. the number of airline passengers,

library(forecast)
X = AirPassengers
ETS = ets(X)
plot(forecast(ETS,h=length(X)/2))

or some sales in a big store,

or car casualties in France, or the temperature in Nottingham Castle,

or the water level at Lack Hurron, or the flow of the Nile river,

or see also here for forecasting techniques in demography. Actually, in the case of life insurance, actuaries have to forecast future demography, i.e. try to assess death rates of those who currently purchase retirement contracts, who might be 20 years old. So they have to forecast death rate until 2100, say. One the one hand, it sounds difficult to make forecast over a century (it is already difficult for climate, I guess it is even more complex for human life). On the other hand, a 2-1 ratio means that we have to use data from 1800… Here again, it is difficult to justify that mortality in the 1850 could be interesting to say anything about mortality in 2050. So I guess it will be difficult to justify the use of general rules of thumb….

  • It depends on the model

Consider the following (simulated) series. Several models can be fitted. And the shape on the forecast (and the forecast error) will depend on the model considered. The benchmark can be the model without any dynamics, i.e. we assume that observations are i.i.d. Or more classically, assume that it is simple a white noise, i.e. an i.i.d centered process. Then the forecast is the following,

With that kind of assumption, we see that the 2-1 ratio is useless since we can get forecasts up to any horizon…. But that does not seem very robust. For instance, if we consider exponential smoothing techniques, we can obtain

Which is rather different. And with the 2-1 ratio, obviously, there is a lot of uncertainty at the end ! It would be even worst if we assume that we look at a random walk. Because actually a dozen models – at least – can be considered, from ARIMA, seasonal ARIMA, Holt Winters, Exponential Smoothing, etc…

http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/animationforecast.gif

So I do not see any theoretical justification of that rule of thumb. Obviously, the maximum horizon can not be extremely far away if the series is non-stationary, with a very irregular pattern, and with a lot of noise… So we’re back at the beginning. If anyone is willing to share his or her experience, comments are open.

I really need to find hot (and sexy) topics

50 days ago (here), I was supposed to be very optimistic about the probability that I could reach a million viewed pages on that blog (over a bit more than two years). Unfortunately, the wind has changed and today, the probability is quite low…

 base=read.table("millionb.csv",sep=";",header=TRUE)
X1=cumsum(base$nombre)
base=read.table("million2b.csv",sep=";",header=TRUE)
X2=cumsum(base$nombre)
X=X1+X2
 D=as.Date(as.character(base$date),"%m/%d/%Y")
kt=which(D==as.Date("01/06/2010","%d/%m/%Y"))
D0=as.Date("08/11/2008","%d/%m/%Y")
D=D0+1:length(X1)
P=rep(NA,(length(X)-kt)+1)
for(h in 0:(length(X)-kt)){
model  <- arima(X[1:(kt+h)],c(7 1,7),method="CSS") 
 forecast <- predict(model,200)
u=max(D[1:kt+h])+1:300
k=which(u==as.Date("01/01/2011","%d/%m/%Y"))
(P[h+1]=1-pnorm(1000000,forecast$pred[k],forecast$se[k]))
}
plot( D[length(D)-length(P)]+1:220,c(P,rep(NA,220-length(P))),
ylab="Probability to reach 1,000,000",xlab="",
type="l",col="red",ylim=c(0,1))
So, I guess my posts on multiple internal rates of return, or Young’s inequality will have to wait next year… I really need to find some more sexy post to attract readers.. Challenge accepted !