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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.


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).

phw=predict(hw,n.ahead=15,prediction.interval = TRUE)
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

phw=predict(hw,n.ahead=15,prediction.interval = TRUE)

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


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


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


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


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


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?


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


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…


Prévision de l’intérêt pour le chocolat, avec des modèles ARIMA

Hier en cours, on s’était lancé sur la prévision de la série obtenue sur Google Trends pour le mot clé “chocolat“. La série est la suivante

> url = "http://freakonometrics.free.fr/report-chocolat.csv"
> report = read.csv(url,skip=6,
+ header=FALSE,nrows=636)
> X=report$V2
> plot(X,type="l")

Comme on l’avait évoqué, c’est plus simple de construire un modèle ARIMA sur des séries mensuelles qu’hebdomadaire. Donc on va mensualiser la série. Ah oui, on va aussi enlever les deux dernières années pour faire une comparaison de modèles (en confrontant les prévision avec les observations)

> date1=substr(as.character(report$V1),1,10)
> date2=substr(as.character(report$V1),14,23) 
> d1=as.Date(date1,"%Y-%m-%d")
> d2=as.Date(date2,"%Y-%m-%d")
> Vect_J=Vect_M=Vect_X=Vect_A= NULL
> for(i in 1:length(d1)){
+   jours = seq(d1[i],d2[i],length=7)
+   mois = as.POSIXlt(jours)$mon+1
+   annees = as.POSIXlt(jours)$year+1900
+   donnees = rep(X[i],7)
+   Vect_J = c(Vect_J,jours)
+   Vect_M = c(Vect_M,mois)
+   Vect_A = c(Vect_A,annees)
+   Vect_X = c(Vect_X,donnees)
+ }
> base = data.frame(J = Vect_J,M = Vect_M,
+ A = Vect_A,X = Vect_X)
> base$AM = base$A*100+base$M
> Y = tapply(base$X,as.factor(base$AM),mean)
> Z = ts(as.numeric(Y[1:(146-24)]),
+ start=c(2004,1),frequency=12)
> plot(Z)

Compte tenu de l’amplitude croissante des cycles, il peut être intéressant, ici, de passer au logarithme de la série. Et comme on observe une rupture dans la tendance (linéaire au début, et relativement constante ensuite), on peut ajuste une régression linéaire avec une rupture (mais continue)

> plot(as.numeric(Z),type="l")
> X=log(as.numeric(Z))
> T=1:length(X)
> db=data.frame(X,T)
> trend=lm(X~T+I((T-80)*(T>80)),data=db)
> plot(X,type="l")
> lines(predict(trend),col="red")

C’est le résidu de cette série qu’on va chercher à modéliser,

> Y=residuals(trend)
> plot(Y,type="l")

Pour modéliser cette série, on peut commencer par regarder sa série d’autocorrélation

>  plot(acf(Y,lag=36),lwd=5)

et d’autocorrélation partielles,

> plot(pacf(Y,lag=36),lwd=5)

La série est stationnaire, mais il y a une composante cyclique forte (peut être une racine unité saisonnière ?). On peut tenter un premier modèle AR, ou ARMA (avec un AR les résidus ne sont pas un bruit blanc).

> model1 = arima(Y,order=c(12,0,12),
+ seasonal = list(order = c(0, 0, 0), period = 12))

La série des résidus est ici un bruit blanc

> E=residuals(model1)
> plot(acf(E,lag=36),lwd=5)

On peut alors utiliser ce modèle pour faire des prévisions, sur la série initiale (avant de prendre le logarithme, et d’ajuster une tendance)

> futur=length(X)+1:24
> Yp=predict(model1,n.ahead=24)$pred+
+    predict(trend,newdata=data.frame(T=futur))
> Xp=exp(as.numeric(
+   Yp+.5*predict(model1,n.ahead=24)$se^2))
> plot(as.numeric(Z),type="l",xlim=c(1,150))
> lines(futur,Xp,col="red")
> Y2=tapply(base$X,as.factor(base$AM),mean)
> obs_reel=as.numeric(Y2[(146-24)+1:24])
> lines(futur,obs_reel,col="blue")    

avec en rouge notre modèle, et en bleu les vraies observations. On peut alors calculer la somme des carrés des erreurs, sur ces 24 observations,

> sum( (obs_reel-Xp)^2 )
[1] 190.9722

Mais on peut tenter d’autres modèles, par exemple en changeant la tendance (on ne va pas le faire) ou en changeant le modèle ARIMA (en intégrant une racine unité saisonnière)

> model3=arima(Y,order=c(0,0,2),
+ seasonal = list(order = c(0, 1, 1), period = 12))
> E=residuals(model3)
> model3

         ma1     ma2     sma1
      0.2246  0.3034  -0.9999
s.e.  0.0902  0.0925   0.3503

sigma^2 estimated as 0.002842:  log likelihood = 152.37,  aic = -296.75

On vérifie que les résidus sont effectivement un bruit blanc

> plot(acf(E,lag=36),lwd=5)
> Box.test(E,lag=12)

	Box-Pierce test

data:  E
X-squared = 6.326, df = 12, p-value = 0.8988

On peut alors faire une prévision sur notre série brute,

> futur=length(X)+1:24
> Yp=predict(model3,n.ahead=24)$pred+
+   predict(trend,newdata=data.frame(T=futur))
> Xp=exp(as.numeric(
+   Yp+.5*predict(model3,n.ahead=24)$se^2))
> plot(as.numeric(Z),type="l",xlim=c(1,150))
> lines(futur,as.numeric(Xp),col="red")
> Y2=tapply(base$X,as.factor(base$AM),mean)
> obs_reel=as.numeric(Y2[(146-24)+1:24])
> lines(futur,obs_reel,col="blue")

La somme des carrés des erreurs est ici un peu plus faible

> sum( (obs_reel-Xp)^2 )
[1] 173.8138

C’est à dire que ce second modèle est meilleur que le précédant, sur les deux dernières années. C’est probablement celui que l’on devrait utiliser pour faire des prévisions pour les années à venir (à moins qu’en continuant l’analyse on n’en trouve un meilleur).

Forecasts with ARIMA Models

In our time series class this morning, I was discussing forecasts with ARIMA Models. Consider some simple stationnary AR(1) simulated time series

> n=95
> set.seed(1)
> E=rnorm(n)
> X=rep(0,n)
> phi=.85
> for(t in 2:n) X[t]=phi*X[t-1]+E[t]
> plot(X,type="l")

If we fit an AR(1) model,

> model=arima(X,order=c(1,0,0),
+             include.mean = FALSE)
> P=predict(model,n.ahead=20)
> plot(P$pred)
> lines(P$pred+2*P$se,col="red")
> lines(P$pred-2*P$se,col="red")
> abline(h=0,lty=2)
> abline(h=2*P$se[20],lty=2,col="red")
> abline(h=-2*P$se[20],lty=2,col="red")

we observe the exponential decay of the forecast towards 0, and the increasing confidence interval (where the variance increases, from the variance of the white noise to the variance of the stationnary time series). Plain lines are conditional forecast (given our latest observation, since the AR(1) is a first order Markov process), and dotted lines are unconditional. Let us store some values, to use them as benchmark

> s=P$se[20]
> y=P$pred

If we fit a MA(1) model

> model=arima(X,order=c(0,0,1),
+             include.mean = FALSE)
> P=predict(model,n.ahead=20)
> plot(P$pred)
> lines(P$pred+2*P$se,col="red")
> lines(P$pred-2*P$se,col="red")
> abline(h=0,lty=2)
> abline(h=2*s,lty=2,col="red")
> abline(h=-2*s,lty=2,col="red")
> lines(y,col="grey")

after two lags, the forecast is null, and the (conditional) variance remains constant. But if we consider a moving average process with a longer order,

> model=arima(X,order=c(0,0,14),
+             include.mean = FALSE)
> P=predict(model,n.ahead=20)
> plot(P$pred)
> lines(P$pred+2*P$se,col="red")
> lines(P$pred-2*P$se,col="red")
> abline(h=0,lty=2)
> abline(h=2*s,lty=2,col="red")
> abline(h=-2*s,lty=2,col="red")
> lines(y,col="grey")

we get an output that can be compared with the AR(1) processes. Which makes sense since our AR(1) process can also be seen as a MA(∞), with infinite order.

But if we think that our time series is not stationary, an we fit an integrated model

> model=arima(X,order=c(0,1,0),
+             include.mean = FALSE)
> P=predict(model,n.ahead=20)
> plot(P$pred)
> lines(P$pred+2*P$se,col="red")
> lines(P$pred-2*P$se,col="red")
> abline(h=0,lty=2)
> abline(h=2*s,lty=2,col="red")
> abline(h=-2*s,lty=2,col="red")
> lines(y,col="grey")

we observe the (standard) martingale property: the forecast is flat, and the confidence interval keeps increasing, and actually, the variance increases towards infinity (at a linear rate). So one should be very careful when differentiation a time series… it will have a huge impact on the forecasts….

Forecast, Automatic Routines vs. Experience

This morning, in our Time Series course, we’ve been playing with some data I got from google.ca/trends/. Actually, we’ve been playing on some old version, downloaded 18 months ago (discussed in a previous post, in French).

> urls = "http://freakonometrics.free.fr/report-headphones-2015.csv"
> report=read.table(
+ urls,skip=4,header=TRUE,sep=",",nrows=585)
> tail(report)
                    Semaine headphones
580 2015-02-08 - 2015-02-14         53
581 2015-02-15 - 2015-02-21         52
582 2015-02-22 - 2015-02-28         51
583 2015-03-01 - 2015-03-07         50
584 2015-03-08 - 2015-03-14         49
585 2015-03-15 - 2015-03-21         49

If we plot that weekly time series, we have

> plot(report[,2],type="l")

Working with weekly series is more complicated (at least to find a simple model, with only a few lags), so let us convert that series into a monthly one,

> source(
+   "http://freakonometrics.blog.free.fr/public/code/H2M.R")
> headphones=H2M(report,lang="FR",type="ts")
> plot(headphones)

Continue reading Forecast, Automatic Routines vs. Experience

Modélisation et prévision, cas d’école

Quelques lignes de code que l’on reprendra au prochain cours, avec une transformation en log, et une tendance linéaire. Considérons la recherche du mot clé headphones, au Canada, la base est en ligne sur l’ancien blog, à l’adresse freakonometrics.blog.free.fr/…

> report=read.table(
+ "report-headphones.csv",
+ skip=4,header=TRUE,sep=",",nrows=464)
> source("http://freakonometrics.blog.free.fr/public/code/H2M.R")
> headphones=H2M(report,lang="FR",type="ts")
> plot(headphones)

Mais le modèle linéaire ne devrait pas convenir, car la série explose,

> n=length(headphones)
> X1=seq(12,n,by=12)
> Y1=headphones[X1]
> points(time(headphones)[X1],Y1,pch=19,col="red")
> X2=seq(6,n,by=12)
> Y2=headphones[X2]
> points(time(headphones)[X2],Y2,pch=19,col="blue")

Il est alors naturel de prendre le logarithme de la série,

> plot(headphones,log="y")

C’est cette série que l’on va modéliser (mais c’est bien entendu la première série, au final, qu’il faudra prévoir). On commence par ôter la tendance (ici linéaire)

> X=as.numeric(headphones)
> Y=log(X)
> n=length(Y)
> T=1:n
> B=data.frame(Y,T)
> reg=lm(Y~T,data=B)
> plot(T,Y,type="l")
> lines(T,predict(reg),col="purple",lwd=2)

On travaille alors sur la série résiduelle.

> Z=Y-predict(reg)
> acf(Z,lag=36,lwd=6)
> pacf(Z,lag=36,lwd=6)

On peut tenter de différencier de manière saisonnière,

> DZ=diff(Z,12)
> acf(DZ,lag=36,lwd=6)
> pacf(DZ,lag=36,lwd=6)

On ajuste alors un processus ARIMA, sur la série différenciée,

> mod=arima(DZ,order=c(1,0,0),
+ seasonal=list(order=c(1,0,0),period=12))
> mod

ar1     sar1  intercept
0.7937  -0.3696     0.0032
s.e.  0.0626   0.1072     0.0245

sigma^2 estimated as 0.0046:  log likelihood = 119.47

Mais comme c’est la série de base qui nous intéresse, on utilise une écriture SARIMA,

> mod=arima(Z,order=c(1,0,0),
+ seasonal=list(order=c(1,1,0),period=12))

On fait alors la prévision de cette série.

> modpred=predict(mod,24)
> Zm=modpred$pred
> Zse=modpred$se

On utilise aussi le prolongement de la tendance linéaire,

> tendance=predict(reg,newdata=data.frame(T=n+(1:24)))

Pour revenir enfin à notre série initiale, on utilise les propriétés de la loi lognormales, et plus particulièrement la forme de la moyenne, pour prédire la valeur de la série,

> Ym=exp(Zm+tendance+Zse^2/2)

Graphiquement, on a

> plot(1:n,X,xlim=c(1,n+24),type="l",ylim=c(10,90))
> lines(n+(1:24),Ym,lwd=2,col="blue")

Pour les intervalles de confiance, on peut utiliser les quantiles de la loi lognormale,

> Ysup975=qlnorm(.975,meanlog=Zm+tendance,sdlog=Zse)
> Yinf025=qlnorm(.025,meanlog=Zm+tendance,sdlog=Zse)
> Ysup9=qlnorm(.9,meanlog=Zm+tendance,sdlog=Zse)
> Yinf1=qlnorm(.1,meanlog=Zm+tendance,sdlog=Zse)
> polygon(c(n+(1:24),rev(n+(1:24))),
+ c(Ysup975,rev(Yinf025)),col="orange",border=NA)
> polygon(c(n+(1:24),rev(n+(1:24))),
+ c(Ysup9,rev(Yinf1)),col="yellow",border=NA)

Introduction aux processus SARIMA

Quelques transparents en plus, qui devraient correspondre aux deux prochains cours de séries temporelles, sur les processus autorégressifs (AR) et moyennes mobiles (MA), les ARMA, les ARIMA (intégrés) et les SARIMA (saisonniers). J’ai mis des notes sur les tests de racine unités, je rajouterais quelques transparents la semaine prochaine sur les tests de saisonnalité, et quelques exemples pratiques de prévision. Les transparents sont en ligne ici,

Transformation logarithmique de séries temporelles

Pour poursuivre une discussion amorcée en fin de cours, dans certains cas, on peut avoir l’impression que modéliser une série pourrait être compliqué,


Mais on peut avoir l’intuition que modéliser le logarithme de la série pourrait être plus simple,

> X=log(Y)
> plot(X,xlim=c(1,length(X)+20))

On va alors tenter une modélisation par un processus ARMA de cette dernière série,

> md=arima(X,c(12,0,1))
> P=predict(md,24)
> E=P$pred
> V=P$se^2

On peut alors faire une prévision sur cette série plus simple à modéliser, et visualiser cette prévision.

> temps=length(X)+1:24
> ciu=(E+2*sqrt(V))
> cil=(E-2*sqrt(V))
> polygon(c(temps,rev(temps)),c(ciu,
+ rev(cil)),col="yellow",border=NA)
> lines(temps,E,col="red",lwd=2)
> lines(temps,ciu,col="red",lty=2)
> lines(temps,cil,col="red",lty=2)

Maintenant, on va devoir remonter. On va utiliser un résultat que l’on a vu sur la transformation logarithmique dans une régression: si après avoir pris le logarithme, on a un modèle simple, Gaussien, c’est que le modèle initial était log-normal. On peut alors utiliser les propriétés de la loi lognormale, dont on connait les moments à partir de ceux de la loi Gaussienne sous-jacente. Pour la prévision, on n’a pas trop le choix,

> mu=exp(E+.5*V)

Par contre, pour construire un intervalle de confiance, soit on utilise la variance de notre loi lognormale pour avoir la variance de notre processus, et on oublie cette histoire de loi lognormale pour construire un intervalle Gaussien,

> sig2=(exp(V)-1)*exp(2*E+V)
> ci1u=mu+2*sqrt(sig2)
> ci1l=mu-2*sqrt(sig2)

ou alors on utilise le fait que comme la transformation est monotone, l’intervalle de confiance peut etre vu comme une transformation du précédant intervalle de confiance,

> ci2u=exp(E+2*sqrt(V))
> ci2l=exp(E-2*sqrt(V))

Si on compare visuellement les deux, on a dans le premier cas,

> plot(Y,xlim=c(1,length(X)+20))
> temps=length(X)+1:24
> polygon(c(temps,rev(temps)),c(ci1u,
> rev(ci1l)),col="yellow",border=NA)
> lines(temps,mu,col="red",lwd=2)
> lines(temps,ci1u,col="red",lty=2)
> lines(temps,ci1l,col="red",lty=2)

(qui est symétrique et centré sur notre prévision) et dans le second

> plot(Y,xlim=c(1,length(X)+20))
> temps=length(X)+1:24
> ci1u=mu+2*sqrt(sig2)
> ci1l=mu-2*sqrt(sig2)
> polygon(c(temps,rev(temps)),c(ci2u,
> rev(ci2l)),col="yellow",border=NA)
> lines(temps,mu,col="red",lwd=2)
> lines(temps,ci2u,col="red",lty=2)
> lines(temps,ci2l,col="red",lty=2)

Examen final ACT6420

Chose promise, chose due: les deux bases de données qui seront utilisées pour l’examen sont désormais en ligne. 10 questions porteront sur l’analyse de la série temporelle suivante

X=serie$x XTS=serie=ts(X,start=c(1999,9),frequency=12)

(qui peut être modélisée soit comme un objet série temporel, soit comme un vecteur numérique).

Enfin, 10 questions porteront sur la base de données suivante

examen=read.table( "http://freakonometrics.blog.free.fr/public/
data/basket-exam-v2.csv", header=TRUE,sep=";")

(si l’importation ne marche pas, veillez à ce que l’adresse du fichier tienne sur une ligne). Cette base devait servir initialement pour l’examen intra. Elle contient des matchs de baskets universitaires (aux États-Unis). Les variables sont les suivantes

  • EQUIPE le nom de l’équipe qui sert de référence
  • HALFDIFF le nombre de points de différence à la mi-temps (négatif signifie que l’EQUIPE perdait)
  • WINNER vaut 1 si l’équipe a gagné le match, 0 sinon,
  • TOTALPOINTSDIFF le nombre de points de différence à la fin du match
  • SECONDHALFPOINTS est le nombre de points marqués par l’EQUIPE pendant la seconde mi-temps
  • NODIFF_PTS_1000-LEFT la différence de points entre les équipes 10 minutes avant la fin du match (au milieu de la seconde période)
  • HOMETEAM vaut 0 si l’équipe joue à l’extérieur, 1 si elle joue à domicile
  • HALFWINNER vaut 1 si l’EQUIPE gagnait (supérieur ou nul) à la mi-temps
  • HALFLOOSER vaut 1 si l’EQUIPE perdait (inférieur ou nul) à la mi-temps
  • SECONDHALFPOINTSOTHER est le nombre de points marqués par l’adversaire au cours de la seconde mi-temps

La variable d’intérêt sera le nombre de points d’écart à la fin du match.

Enfin, 20 questions supplémentaires porteront sur la compréhension générale du cours. Les calculatrices seront autorisées. Maintenant, pour tous ceux qui ont encore du mal avec R, je recommande

  • “R pour les débutants”d’Emmanuel Paradis (PDF)
  • “Brise Glace-R” d’Andrew Robinson er Arnaud Schloesing (PDF)
  • “Introduction à la programmation en R” de Vincent Goulet (PDF)

(les questions d’analyse de sortie ne porteront pas sur la programmation en R, mais davantage sur l’analyse critique des sorties, et leur interprétation).

Ordres d’un processus ARMA

Dans la méthodologie de Box & Jenkins, une étape qui arrive très rapidement est le choix des ordres du processus http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso6/ARMA__latex.gif, une fois que l’on validé l’hypothèse de stationnarité de la série, comme on l’a vu en cours la semaine passée. Considérons la série du trafic autoroutier,

> autoroute=read.table(
+ header=TRUE,sep=";")
> a7=autoroute$a007
> A7=ts(a7,start = c(1989, 9), frequency = 12)

Un outils pratique de sélections des ordres http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso6/platex.gif et http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso6/qlatex.gif dans un modèle http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso6/ARMAlatex.gif est la fonction d’autocorrélation étendue. La définition est donnée dans les notes de cours (Def. 223) à partir des statistiques proposées par Tsay & Tiao (1984),

>  EACF=eacf(A7)
  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
0 x o o x x x x x o o x  x  x  o
1 x x o o x x x o o o x  x  x  x
2 o x o o o o x o o o o  x  x  o
3 o x o x o o o o o o o  x  x  x
4 x x x x o o o o o o o  x  o  o
5 x x o o o x o o o o o  x  o  x
6 x x o o o x o o o o o  x  o  o
7 o x o o o x o o o o o  x  o  o
           [,1]       [,2]        [,3]        [,4]
[1,]  0.6476234  0.2124105 -0.02413173 -0.24234535
[2,]  0.4889076  0.2797152 -0.02494135 -0.06094037
[3,]  0.1006541 -0.2285771  0.03514148  0.08000588
[4,]  0.1390240 -0.2788742  0.04386746  0.28307260
[5,] -0.5091680  0.3144899 -0.34572269  0.31450865
[6,] -0.4224571 -0.4877505  0.16054232 -0.09130728
[7,] -0.4731353 -0.4324857 -0.04847184 -0.10500350
[8,] -0.2129591 -0.4072901  0.09487899 -0.06493243
             [,5]        [,6]        [,7]        [,8]
[1,] -0.514330187 -0.61634046 -0.52314403 -0.28008661
[2,] -0.254912957 -0.28966664 -0.33963243 -0.21863077
[3,] -0.156624357 -0.01199786 -0.25116738  0.13079231
[4,] -0.183283544  0.03651508 -0.08711829  0.11626377
[5,] -0.190885091 -0.09786463 -0.09182557  0.08818875
[6,] -0.072904071  0.29271777 -0.09334712  0.01972648
[7,] -0.009873289  0.36909726  0.01698660 -0.03317456
[8,]  0.020485930  0.38342158  0.16981715 -0.02592442
             [,9]       [,10]       [,11]     [,12]
[1,] -0.082607058  0.15178887  0.56583179 0.8368975
[2,] -0.085026400  0.02731460  0.26158357 0.7844748
[3,]  0.001866994 -0.11658312  0.03038621 0.7026361
[4,]  0.025183793 -0.21608692  0.05660781 0.6674301
[5,] -0.006831894 -0.02514440 -0.07390257 0.4762563
[6,]  0.010058718 -0.03888613 -0.04382043 0.5338091
[7,]  0.032124905 -0.07022090 -0.04427400 0.4674165
[8,]  0.024189179 -0.20818201  0.01459933 0.4830369
          [,13]       [,14]
[1,]  0.5637439  0.17862571
[2,]  0.4530716  0.24413569
[3,]  0.2534178 -0.20160890
[4,]  0.2409861 -0.29462510
[5,] -0.1517324 -0.14763294
[6,] -0.1701182 -0.28771495
[7,] -0.1651515  0.05466457
[8,] -0.1403198 -0.04095030

[1] 8

[1] 14

Les ronds dans la matrice désignent des valeurs non-significatives. Par défaut, le nombre de retards, pris en compte pour la composante autorégressive est faible, mais on peut l’augmenter.

> EACF=eacf(A7,13,13)
   0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
0  x o o x x x x x o o x  x  x  o
1  x x o o x x x o o o x  x  x  x
2  o x o o o o x o o o o  x  x  o
3  o x o x o o o o o o o  x  x  x
4  x x x x o o o o o o o  x  o  o
5  x x o o o x o o o o o  x  o  x
6  x x o o o x o o o o o  x  o  o
7  o x o o o x o o o o o  x  o  o
8  o x o o o x o o o o o  x  o  o
9  x x o o x o x o o o o  x  o  o
10 x x o o x o x o o o o  x  o  o
11 x x o o x x x o o o x  x  o  o
12 x x o o o o o o o o o  o  o  o
13 x x o o o o o o o o o  o  o  o
> EACF$eacf
      [,1]  [,2]  [,3]  [,4]  [,5]  [,6]  [,7]  [,8]  [,9] [,10]
[1,]  0.64  0.21 -0.02 -0.24 -0.51 -0.61 -0.52 -0.28 -0.08  0.15
[2,]  0.48  0.27 -0.02 -0.06 -0.25 -0.28 -0.33 -0.21 -0.08  0.02
[3,]  0.10 -0.22  0.03  0.08 -0.15 -0.01 -0.25  0.13  0.00 -0.11
[4,]  0.13 -0.27  0.04  0.28 -0.18  0.03 -0.08  0.11  0.02 -0.21
[5,] -0.50  0.31 -0.34  0.31 -0.19 -0.09 -0.09  0.08  0.00 -0.02
[6,] -0.42 -0.48  0.16 -0.09 -0.07  0.29 -0.09  0.01  0.01 -0.03
[7,] -0.47 -0.43 -0.04 -0.10  0.00  0.36  0.01 -0.03  0.03 -0.07
[8,] -0.21 -0.40  0.09 -0.06  0.02  0.38  0.16 -0.02  0.02 -0.20
[9,] -0.14 -0.50 -0.10 -0.06  0.11  0.38 -0.01 -0.02 -0.08 -0.20
[10,] -0.29  0.48  0.00  0.18  0.27 -0.12  0.41  0.00  0.16  0.15
[11,]  0.24  0.48 -0.04  0.02  0.46  0.10  0.37 -0.10  0.05  0.16
[12,] -0.59  0.49 -0.18  0.05  0.31 -0.32  0.34 -0.16  0.07  0.16
[13,] -0.31  0.31 -0.12  0.16 -0.11  0.04 -0.04  0.12 -0.09  0.00
[14,]  0.47  0.26  0.11  0.13 -0.01 -0.01  0.00  0.07 -0.03  0.02

On peut aussi visualiser graphiquement les différentes valeurs, avec en ordonnée les ordres autoréregressifs (http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso6/platex.gif) et en abscisse les ordres moyenne mobile (http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso6/qlatex.gif).

> library(RColorBrewer)
> CL=brewer.pal(6, "RdBu")
> ceacf=matrix(as.numeric(cut(EACF$eacf,
+ ncol(EACF$eacf))
> for(i in 1:ncol(EACF$eacf)){
+ for(j in 1:nrow(EACF$eacf)){
+ polygon(c(i-1,i-1,i,i)-.5,c(j-1,j,j,j-1)-.5,
+ col=CL[ceacf[j,i]])
+ }}

Un bruit blanc est en bas à gauche (http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso6/platex.gif et http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso6/qlatex.gif nuls). Dans cette méthode, dite méthode des coins, on cherche un coin telle que dans le quadrant supérieur, les valeurs soient non-significatives (ternes sur le dessin ci-dessus). La figure ci-desssous correspond à l’analyse d’un modèle http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso6/ARMA126latex.gif

Les fortes valeurs positives sont en bleu foncé, les fortes valeurs négatives sont en rouge foncé. On peut aussi regarder la fonction suivante, qui utilise une identification de modèle par MINIC (Minimum Information Criterion) à l’aide du critère de Shcwarz (BIC, ou SBC Schwarz’s Bayesian Criterion)

> armaselect(A7,nbmod=5)
p q      sbc
[1,] 12 1 1441.798
[2,] 13 0 1442.628
[3,] 12 0 1443.188
[4,] 12 2 1443.362
[5,] 14 0 1445.069

Enfin, une dernière fonction possible est évoquée dans la section 6.5. du livre deCryer & Chan (2008),

+ armasubsets(A7,nar=14,nma=14,ar.method='ols')

basé sur le critère de Schwarz.
Je vais me répéter, mais ces méthodes ne sont que des outils, histoire d’avoir des pistes si on ne sait trop dans quelle direction partir. Et compte tenu de la saisonnalité de la série, je serais pour ma part parti sur un modèle avec http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso6/platex.gif=12, histoire de voir si on ne pourrait pas avoir un modèle simple, et facilement interprétable en plus…

  1. -3):3)/3,labels=1:6 []

La maudite constante des modèles ARIMA

Dans les modèles ARIMA, autant le dire tout de suite, les constantes c’est pénible ! Pour comprendre un peu mieux ce qui se passe, considérons ici un modèle ARMA avec constante. Ou pour commencer, juste un AR(1)

Supposons que la série  soit stationnaire, de moyenne . Alors en prenant l’espérance de part et d’autre dans l’expression précédente, , i.e. , ou . Plus généralement, avec un ARMA, , en prenant la encore l’espérance des deux cotés, on en déduit .

Simulons un processus AR(1),

Pour simuler des processus ARIMA, on pourrait utiliser la commande

> X=arima.sim(list(order=c(1,0,0),ar=1/3),n=1000)+2
> mean(X)
[1] 1.931767

mais comme le but est de comprendre ce qui se passe, autant faire les choses calmement,

> X=rep(NA,1010)
> X[1]=0
> for(t in 2:1010){X[t]=4/3+X[t-1]/3+rnorm(1)}
> X=X[-(1:10)]
> mean(X)
[1] 2.03397

I.e. ici le processus est de moyenne qui vaut 2.

Regardons maintenant ce que donnerait l’estimation du processus AR(1),

> arima(X, order = c(1, 0, 0))

arima(x = X, order = c(1, 0, 0))

ar1  intercept
0.3738     2.0334
s.e.  0.0294     0.0487

sigma^2 estimated as 0.9318:  log likelihood = -1383.68

De manière un peu surprenante, le coefficient appelé intercept n’est pas la constante dans le modèle AR(1), mais la moyenne du processus. Autrement dit, R n’ajuste pas un processus

comme le laisserait penser l’intuition, mais un processus

Ces deux formes sont bien entendu équivalentes. Mais les coefficients estimés ne sont pas tout à fait ce que l’on attendait…
Plaçons nous maintenant dans le cas d’un processus non-stationnaire. L’extension naturelle serait de considérer un processus ARIMA(1,1,0), ou bien un processus tel que la différence soit un processus AR(1). Un processus ARIMA(1,1,0) avec une constante s’écrirait

en utilisant l’opérateur retard. Ceci fait penser à un modèle avec une tendance linéaire. Posons  (afin de se débarrasser de cette tendance). Alors


ou encore

On note que  ou encore  suit alors un processus ARIMA(1,1,0) sans constante cette fois.
Afin de visualiser ce que donnerait l’inférence, simulons le processus suivant, qui est un processus AR(1) avec constante que l’on intègre:  avec

Peut-on retrouver les différents paramètres du processus avec R ?
Commençons (là encore) par simuler un tel processus,

> U=rep(NA,1010)
> U[1]=0
> for(t in 2:1010){U[t]=4/3+U[t-1]/3+rnorm(1)}
> U=U[-(1:10)]
> X=cumsum(U)

Sous R, on obtient l’estimation suivant si l’on tente de calibrer un modèle ARIMA(1,1,0)

> arima(X, order = c(1, 1, 0))

arima(x = X, order = c(1, 1, 0))

s.e.  0.0160

sigma^2 estimated as1.343:loglikelihood = -1565.63Ça ne convient pas du tout…. On peut tenter un processus AR(1) (avec constante) sur la série différenciée…

> arima(diff(X), order = c(1, 0, 0))

arima(x = diff(X), order = c(1, 0, 0))

ar1  intercept
0.3564     2.0200
s.e.  0.0295     0.0486

sigma^2 estimated as 0.9782:  log likelihood = -1406.6

On progresse, sauf que comme auparavant, le terme qui est donne n’est pas la constante dans le modèle ARIMA, mais la moyenne du processus différencié. Mais cette fois, on a un interprétation, c’est que la constante est la pente de la tendance ! Si on estime la pente associée a , on récupère la même valeur:

> arima(X, order = c(1, 1, 0), xreg=1:length(X))

arima(x = X, order = c(1, 1, 0), xreg = 1:length(X))

ar1  1:length(X)
0.3566       2.0519
s.e.  0.0296       0.0487

sigma^2 estimated as 0.9787:  log likelihood = -1406.82

Sur la figure ci-dessous, on retrouve le fait qu’en enlevant la tendance linéaire à  donneune série intégrée, sans constante (qui fait penser à une marche aléatoire).

Autrement dit

  • dans le cas d’une série stationnaire, la constante estimée n’est pas du tout la constante, mais la moyenne de la série temporelle
  • dans le cas d’une série non-stationnaire, la constante estimée dans la série différenciée a du sens, au sens ou il s’agit de la pente de la tendance (linéaire) du processus

Avant de conclure, une petite remarque. Quid de la prévision ? Si on commencer par une révision à l’aide du premier processus ARIMA, on obtient une prédiction pour avec un énorme intervalle de confiance (sans aucun bon sens)

> ARIMA1=arima(X, order = c(1, 1, 0))
> ARIMA2=arima(X, order = c(1, 1, 0), xreg=1:length(X))
> Xp1=predict(ARIMA1,20)
> Xp2=predict(ARIMA2,20,newxreg=
+ (length(X)+1):(length(X)+20))
> plot(960:1000,X[960:1000],xlim=c(960,1020),type="l")
> polygon(c(1001:1020,rev(1001:1020)),
+ c(Xp1$pred+2*Xp1$se,rev(Xp1$pred-2*Xp1$se)),
+ col=CL[3],border=NA)
> lines(1001:1020,Xp1$pred,col="red",lwd=2)

intervalle qui se visualise sur le graphique ci-dessous,

Si on regarde pour l’autre modèle,

> lines(1001:1020,Xp2$pred,col="blue",lwd=2)

Tous ceux qui auront reconnu ici des problèmes qui se posent dans la modélisation de la série http://freakonometrics.blog.free.fr/public/maths/viekt.png dans le modèle de Lee & Carter (1992) auront compris qu’il existe une vraie application a tout ce que je viens de raconter (je pense au particulier au commentaire poste par @ClaudeT en début de semaine) car la série des http://freakonometrics.blog.free.fr/public/maths/viekt.png ressemble très fortement à ce genre de série, non-stationnaire avec une tendance linéaire. Et qu’un modèle mal spécifié laisse à penser que l’incertitude est beaucoup beaucoup plus grande que ce qu’elle est vraiment (en plus de donner une prédiction surprenante à long terme !). Donc avant de faire tourner rapidement les codes, il vaut mieux regarder attentivement ce qu’ils font réellement…

Sur le lissage exponentiel

Sur le lissage exponentiel, je pourrais renvoyer vers Gardner (1985), et la version remise au goût du jour, Gardner (2005). J’avais pris comme position, dans le cours, de présenter rapidement le lissage exponentiel, en notant qu’on les évoquerais à nouveau plus tard comme cas particulier des modèles ARIMA. Comme le note la dernière version, Gardner (2005), ce n’est pas forcément l’unique manière de voir, et le cours pourrait être orienté complètement autour des notions de lissage exponentiel (c’est d’ailleurs le point du vue de livre Hyndman, Koehler, Ord & Snyder (2008)), “when Gardner (2005) appeared, many believed that exponential smoothing should be disregarded because it was either a special case of ARIMA modeling or an ad hoc procedure with no statistical rationale. As McKenzie (1985) observed, this opinion was expressed in numerous references to my paper. Since 1985, the special case argument has been turned on its head, and today we know that exponential smoothing methods are optimal for a very general class of state-space models that is in fact broader than the ARIMA class.”

N’étant toujours pas convaincu, j’évoquerais à nouveau le lissage exponentiel quand on présentera les modèles ARIMA. En attendant, un peu de code pour mieux comprendre ce qui est fait quand on fait du lissage exponentiel.

Commençons par le lissage exponentiel simple, i.e.


http://freakonometrics.hypotheses.org/files/2015/12/le04.gif désigne un poids attribué à la nouvelle observation dans la fonction de lissage http://freakonometrics.hypotheses.org/files/2015/12/lex05.gif. Le code pour lisser une série est alors assez simple,

> library(datasets)
> X=as.numeric(Nile)
> Lissage=function(a){
+  T=length(X)
+  L=rep(NA,T)
+  L[1]=X[1]
+  for(t in 2:T){L[t]=a*X[t]+(1-a)*L[t-1]}
+  return(L)
+ }
> plot(X,type="b",cex=.6)
> lines(Lissage(.2),col="red")


Sur la figure ci-dessus, non visualise l’impact de http://freakonometrics.hypotheses.org/files/2015/12/lisse16.gif sur le lissage. La prévision que l’on fait à la date http://freakonometrics.hypotheses.org/files/2015/12/lex14.gif, pour un horizon http://freakonometrics.hypotheses.org/files/2015/12/lisse12.gif est alors http://freakonometrics.hypotheses.org/files/2015/12/lisse11.gif. Il est alors possible de voir le poids comme un paramètre et on va alors chercher le poids optimal. La stratégie classique est de minimiser l’erreur de prédiction commise à un horizon de 1


> V=function(a){
+  T=length(X)
+  L=erreur=rep(NA,T)
+  erreur[1]=0
+  L[1]=X[1]
+  for(t in 2:T){
+  L[t]=a*X[t]+(1-a)*L[t-1]
+  erreur[t]=X[t]-L[t-1] }
+ return(sum(erreur^2))
+ }

Ici, on obtient comme poids optimal

> A=seq(0,1,by=.02)
> Ax=Vectorize(V)(A)
> plot(A,Ax,ylim=c(min(Ax),min(Ax)*1.05))
> optimize(V,c(0,.5))$minimum
[1] 0.246581

On notera que c’est ce que suggère la fonction de R,

> hw=HoltWinters(X,beta=FALSE,gamma=FALSE,l.start=X[1])
> hw
Holt-Winters exponential smoothing without trend an seasonal comp.

HoltWinters(x = X, beta = FALSE, gamma = FALSE, l.start = X[1])

Smoothing parameters:
alpha:  0.2465579
beta :  FALSE
gamma:  FALSE

a 805.0389

> plot(hw)
> points(2:(length(X)+1),Vectorize(Lissage)(.2465),col="blue")

Dans le cas du lissage exponentiel double, i.e.




Dans ce cas, la prédiction est http://freakonometrics.hypotheses.org/files/2015/12/lisse13.gif. Le code pour faire un lissage double est là encore assez simple,

> Lissage=function(a,b){
+  T=length(X)
+  L=B=rep(NA,T)
+  L[1]=X[1]; B[1]=0
+  for(t in 2:T){
+  L[t]=a*X[t]+(1-a)*(L[t-1]+B[t-1])
+  B[t]=b*(L[t]-L[t-1])+(1-b)*B[t-1] }
+ return(L)
+ }

Sur la figure suivante, on visualise l’évolution du lissage en fonction de http://freakonometrics.hypotheses.org/files/2015/12/lisse15.gif (http://freakonometrics.hypotheses.org/files/2015/12/lisse16.gif étant ici fixé),
(le lissage simple – avec le même poids http://freakonometrics.hypotheses.org/files/2015/12/lisse16.gif – apparaissant ici en trait clair).

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…

for(h in 0:(length(X)-kt)){
model  <- arima(X[1:(kt+h)],c(7 1,7),method="CSS") 
 forecast <- predict(model,200)
plot( D[length(D)-length(P)]+1:220,c(P,rep(NA,220-length(P))),
ylab="Probability to reach 1,000,000",xlab="",
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 !

Is it that stupid to make extremely long term forecast when studying mortality ?

I received recently a comment by FCA (here) who raised an important question, about forecast in dynamic mortality models. (S)he mentioned that from his(her) point of view, the econometric models I considered were “good to predict for the next, say, 3 or 4 years. Not for the next 50 years…”. Which was the message I tried to stress last year in a conference about retirement in France (here). But from a quantitativepoint of view, how inconsistent were forecasts made 35 years ago, or 60 years ago ?

Consider here the Lee Carter model, obtained on the periods 1816-1950 (in black below), 1816-1975 (in red) and 1816-2000 (in blue), unfortunately, it is difficult to compare http://freakonometrics.blog.free.fr/public/maths/viekt.png‘s since we have identifiability problems here. Nevertheless, we if consider affine transformation so that  http://freakonometrics.blog.free.fr/public/maths/viekt.png‘s are equal in 1900 and 1950 (say), we obtain

On that graph, we considered an ETS (AAN) forecast. If we do not consider the entire series for forecasting, but only observations following WWI (1945), we obtain

For sketches of the R code,

for(i in 1:length(A)){
for(j in 1:length(K1)){

Actually, it is not that bad…. even if it is only a qualitative intuition. Again, I am not a demographer, and my interest is more on actuarial science… so if we look at the estimation of annuities (still the same insurance contract, as here) for some insured of age 40 in 2000, we get the following graph (where forecasts http://freakonometrics.blog.free.fr/public/maths/viekt.png‘s were obtained on the complete series, i.e. from 1816 until the year we consider),

(here it means that in 1900, I had to forecast mortality for someone of age 40 in 2000… so we had to forecast mortality with a 150 year horizon). Obviously, even if we are able to forecast improvement of mortality rates, it is not enough since it looks like, each year, improvement are alway higher than what what expected. Note that if we run it twice (since there might be problem with initial values in the econometric procedure) we obtain something similar,

So, the output is consistent. And if we change the way we predict future values, e.g. on focusing only on the past 50 years, i.e.


we obtain the following graph for the annuity associated to an insurance contract sold in 2000,

so that relative changes compared with 1980 are (in %)

Hence, over a bit more than 25 years, we underestimated annuities of 25%. We if start to take into account possible investments, it is not so bad, I think….  don’t you think ?


Différencier (indéfiniment) les séries temporelles ?

Dans un mail, un étudiant qui finissait son projet de séries temporelles m’a posé une question simple et intéressante  (que je me permets de reprendre ici): “quand on cherche à stationnariser une série, on a souvent  besoin de différencier deux fois, et ça marche tout le temps“.
Effectivement, on peut toujours différencier une série, on finira bien par tomber sur une série stationnaire. Je retraduirais cette question sous la forme suivante “pourquoi cherche-t-on toujours à stationnariser les séries ?” ou encore “est-ce gênant de différencier une série ?“.
Pour la première question, la réponse est simple: les seules séries que l’on sache modéliser sont les séries stationnaires. Les autocorrélations se calculent sur des séries stationnaires, par exemple, et la non-stationnarité n’est pas une notion simple à définir (tout comme la non-indépendance entre variables aléatoires)…..etc.
Pour la seconde question, la réponse est simple: si on différencie une série pour mieux la modéliser, si on souhaite par la suite faire de la prévision, il conviendra d’intégrer la série modélisée. Or intégrer une série fait exploser l’intervalle de confiance. Autant faire ça sur un exemple simple, avec la série suivante, que l’on commence par supposer stationnaire, et que l’on prédit sur une trentaine de valeurs, avec un intervalle de confiance.

Mais si l’on suppose la série intégrée à l’ordre 1, on différencie puis on modélise par un processus stationnaire (c’est l’idée qui sous-tend les processus ARIMA, à savoir un processus ARMA intégré: en différenciant la série, on devrait tomber sur un processus ARMA. On peut rattacher ça à la notion de racine unité). La prédiction (avec l’intervalle de confiance) est alors présenté sur la série initiale. Le fait d’intégrer les erreurs fait que la variance de la prédiction augmente avec l’horizon.

Et si l’on continue, et que l’on différencie de fois la série avant de la modéliser, et que l’on intègre deux fois les erreurs, l’intervalle de confiance devient immense !

Bref, il convient de ne pas différencier si ce n’est pas vraiment indispensable ! L’outil pour vérifier que l’on n’a pas trop différencier est la fonction d’autocovariance inverse (c’est à dire la fonction d’autocovariance d’une série dont la densité spectrale serait l’inverse de la densité spectrale initiale*). Cette fonction fait partie des fonctions de base sous SAS, mais pas sous R… J’ai cherché un peu, mais sans succès. L’argument dans les forums est que cette fonction est redondante avec la fonction d’autocorrélation partielle. Et en effet, si la finalité est simplement de détecter les ordres AR ou MA d’une série stationnaire, alors effectivement, les deux fonctions s’utilisent de manière équivalente. Mais la fonction d’autocovariance inverse apporte plus d’information, en particulier afin de détecter si l’on n’a pas surdifférencié la série.
La sortie suivante présente la fonction d’autocorrélation (à gauche) et la fonction d’autocorrélation inverse (à droite) sur une série.

On note que la série semble intégrée (en pratique, des autocorrélations très fortes et persistantes très longtemps se traduit par une suspission d’intégration). Si l’on différencie la série, on obtient les autocorrélogrammes suivants,

Et si l’on différencie une nouvelle fois, on obtient les graphiques suivants,

Bref, l’autocorrélogramme de droite semble caractéristique d’une série intégrée: on dira alors que l’on a surdifférencié le modèle (“en intégrant la série, elle est toujours stationnaires”…). Je parle un peu de tout ça dans mon polycopié de Dauphine, tome 1.

* J’avais parlé dans un ancien billet (ici) de l’importance de la densité spectrale en série temporelles. L’idée est que si f est une densité spectrale, 1/f peut également l’être. Le lien entre la fonction d’autocorrélation et la densité spectrale est donné par des théorèmes de Kolmogorov ou Wiener. Pour plus de détails, il y a des compléments dans le chapitre 1.2 du polycopié que j’avais fait à Dauphine (ici). On peut d’ailleurs noter que la fonction d’autocorrélation partielle d’un processus ARMA(p,q) est la fonction d’autocorrélation d’un processus ARMA(q,p) obtenu en permutant les deux polynômes d’opérateurs retard.