CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH ARIMA 1. Khái niệm về ARIMA ARIMA (viết tắt của Auto Regression Integrated Moving Average) là một mô hình “giải thích” một chuỗi thời gian nhất định dựa trên các giá trị của quá khứ đến hiện tại, tức là độ trễ của nó và các lỗi dự báo bị trễ, để dự báo các giá trị trong tương lai. Càng gần thời điểm hiện tại thì mức độ tương quan càng lớn. [1] Bất kỳ chuỗi thời gian “không theo mùa” nào hiển thị các mẫu và không phải nhiễm trắng ngẫu nhiên đều có thể lập mô hình bằng mô hình ARIMA.
Mô hình ARIMA được phát triển từ các mô hình AR, MA, ARMA Trong đó: - p là thứ tự của biến Auto regression (AR) - q là thứ tự của thuật ngữ Moving average (MA) - d là số chênh lệch cần thiết để làm cho chuỗi thời gian đứng yên Intergrated Nếu trường hợp chuỗi thời gian đó có các mẫu theo mùa thì bạn cần thêm các thuật ngữ theo mùa và nó sẽ trở thành SARIMA (viết tắt của “Seasonal ARIMA”). Để xác định một mô hình phù hợp cho một dữ liệu chuỗi thời gian nhất định, cần phải thực hiện phân tích ACF và PACF. Các biện pháp thống kê này phản ánh cách các quan sát trong một thời gian dãy có liên quan với nhau. Đối với mục đích lập mô hình và dự báo, việc vẽ đồ thị thường rất hữu ích.ACF và PACF chống lại độ trễ thời gian liên tiếp.
Những biểu đồ này giúp xác định thứ tự của thuật ngữ AR và MA. Hàm tự tương quan ACF và hàm tư tương quan từng phần PACF đều có những đặc tính riêng biệt khác nhau.ACF thì phụ thuộc vào tuyến tính giữa hai cặp quan sát còn tuyến tính từng phần là đặc tính của PACF. Dựa trên những khác biệt của ACF và PACF mà ARIMA đã xác định cấu trúc mô hình cho chuỗi thời gian. Giảm đột ngột( với độ trễ thường là 1 hoặc 2) là xu hướng của PACF.Cả hai ACF và PACF đều có dạng hình sin, phân phối mũ và cũng có thể có 2 dạng.
Mô hình tự hồi quy AR(p) Mô hình AR(p) là mô hình tự hồi quy của số liệu quá khứ ở những chu kì trước.: các tham số phân tích hồi quy. - : sai số dự đoán ngẫu nhiên của gia đoạn hiện tại. Giá trị trung bình được mong đợi bằng 0. - ( ) là một hàm tuyến tính của những quan sát dừng quá khứ ( − 1), ( − 2),… Khi dùng phân tích hồi quy ( ) theo các giá trị chuỗi thời gian dừng với độ trễ sẽ được mô hình AR.
Quan sát dừng quá khứ sử dụng cho mô hình hàm tự tương quan là bậc p của mô hình AR. Nếu ta sử dụng m quan sát dừng quá khứ, ta có mô hình tương quan bậc trùng với số lần quan sát đó với AR (m). Điều kiện dừng là tổng các tham số phân tích hồi quy nhỏ hơn 1: + +⋯+ ¤<1 Mô hình AR (1): ( ) = + (−1)+() Mô hình AR (2): ( ) = + ( − 1) + ( − 2) + ( ) 1. Mô hình trung bình trượt MA(q) Quan sát dừng hiện tại y(t) là một hàm tuyến tính phụ thuộc vào các biến sai số dự báo quá khứ và hiện tại.: sai số dự báo quá khứ (thông thường mô hình sẽ sử dụng không quá 2 biến này) 13 , ,….
Điều kiện cần là tổng các hệ số bình quân phải nhỏ hơn 1: + +…+ < 1 + +⋯+ <1 Mô hình MA (1): ( ) = +() + ( − 1) +− 2 1. Sai phân I(d) () + + − 1 ) ) ) Mô hình MA (2): = ( ( ( Một chuỗi dừng là dữ liệu dao động ở một giá trị trung bình không đổi trong một thời gian dài và phương sai xác định của nó sẽ không đổi theo thời gian. Giá trị đó phụ thuộc vào khoảng cách và độ trễ về thời.Dữ liệu sẽ tạo ra một biểu đồ tự tương quan với các hệ số tứu tương quan sẽ giảm khi độ trễ ngược lại Sai phân là sự khác nhau giữa giá trị hiện tại và giá trị quá khứ đó. Phân tích sai phân để làm cho cân bằng giá trị trung bình của chuỗi dữ liệu, để biến chuỗi đó thành một chuỗi dừng.
Sai phân bậc 1: ( ) = ( ) − ( − 1) Sai phân bậc 2: ℎ( ) = ( ) − ( − 1) 1. Mô hình ARMA Mô hình ARMA(p,q): là mô hình được tạo bởi AR và MA và tạo ra một hàm tuyến tính sẽ có cả quan sát dừng khá khứ và những sai số dự báo quá khứ và hiện tại: ()= + ( −1)+ ( −2)+⋯+ ( − )+ () + ( −1)+ ( −2)+⋯+ ¤ ( ¤− ) Trong đó: ( ): quan sát dừng hiện tại ( − ) và ( − ): quan sát dừng và sai số dự báo quá khứ ,,…,, …: các hệ số phân tích hồi quy 1. Mô hình ARIMA Mô hình ARIMA(p,d,q) là những chuỗi dữ liệu lặp đi lặp lại không dừng và đã được sai phân(d là mức độ sai phân). 14 Nếu ( ) tuân theo mô hình ARMA(p,q), chúng ta nói rằng ( ) là một quá trình ARIMA.
Có thể lấy d=1 thì ta có một quá trình ARIMA(p,1,q) với ( ) = ( ) − ( − 1)ta có: ( )= + ( −1)+ ( −2)+⋯+ ¤ ( − )+ ( )+ ( −1) + ( −2)+⋯+ ¤ ( − ) Ví dụ: Mô hình ARIMA(1,1,1): ( ) = + ( − 1) + ( ) + ( − 1) với ( ) = ( ) − ( − 1) ở sai phân d=1 thì ta có: ( )= + ( −1)− ( −2)+ ( )+ ( −1) 1. Quy trình chọn mô hình ARIMA - Kiểm tra dữ liệu có giá trị đột biến hay không bằng việc thống kê và mô tả? - Xét xem dữ liệu có dừng hay không (bằng biểu đồ tự tương quan). Nếu dừng sai phân bậc 1, bậc 2,… cho đến có chuỗi dừng, nếu chuỗi dừng ở sai phân bậc p; - Lựa chọn mô hình AR(p) và MA(q); - Lựa chọn mô hình theo các tiêu là các chỉ số AIC, BIC… các sai số dự báo; - Phân tích đồ thị phần dư; - Ước lượng mô hình đã được lựa chọn và dự báo tương lai các giá trị mà mình muốn. Các bước mô hình ARIMA Theo phương pháp Box- jenkins ta có các bước: - Xác định mô hình; - Ước lượng tham số; - Kiểm định độ chính xác; - Dự báo.1 Sơ đồ khối phương pháp Box-jenkins 1.
Đánh giá độ chính xác mô hình ARIMA Việc đánh giá là việc không thể thiếu để biết được mô hình có đảm bảo độ chính xác cao và phù hợp để thể hiện chất lượng của mô hình. Tùy vào mô hình chúng ta sẽ chọn những độ đo phù hợp nên chúng ta cùng phải hiểu về nó. Mean Squared Error Mean Squared Error (MSE) là độ đo phổ biến của những bài toán liên quan đến bài toán hồi quy. Giúp tìm thấy sai số bình phương trung bình giữa giá trị được dự đoán và thực tế.
Giá trị của MSE gần 0 thì đánh giá càng tốt và nó cũng luôn không âm. 1( !" = # $%)( % − ')& Trong đó với n là số điểm dữ liệu, yᵢ là giá trị quan sát và ŷ ᵢ là giá trị dự đoán. Thuộc tính: - Nó là thước đo độ lệch bình phương trung bình của các giá trị dự báo; - Vì ở đây các lỗi ký ngược lại không bù trừ cho nhau, MSE đưa ra một ý tưởng tổng thể của lỗi xảy ra trong quá trình dự đoán; - Nó liệt kê các lỗi nghiêm trọng xảy ra trong khi dự báo; 16 - MSE nhấn mạnh thực tế là tổng sai số dự báo trên thực tế bị ảnh hưởng nhiều bởi lỗi riêng lẻ, tức là lỗi lớn đắt hơn nhiều so với lỗi nhỏ; - MSE không cung cấp bất kỳ ý tưởng nào về hướng của lỗi tổng thể; - MSE nhạy cảm với sự thay đổi quy mô và biến đổi dữ liệu; - Mặc dù MSE là thước đo tốt cho sai số dự báo tổng thể, nhưng nó không trực quan và dễ hiểu như các biện pháp khác đã thảo luận trước đây. Muốn mô hình gần với dữ liệu thực hơn, mình cần giảm thiểu MSE để mô hình chính xác hơn.
MSE càng thấp thì dự báo được đánh giá càng tốt. Root Mean Square Error MSE căn bậc hai sẽ là Root Mean Square Error (RMSE) hoặc Root Mean Square Deviation (RMSD). RMSE chính là độ lệch chuẩn của các phần dư (sai số dự đoán). ( ( '− ) & % * !"=+$ # %) Tất cả các thuộc tính của MSE cũng giữ cho RMSE.
Mean Absolute Error Mean Absolute Error (MAE) được sử dụng để đo độ lớn trung bình của các lỗi ∑ | | trong một tập hợp các dự đoán mà không cần phải xem xét hướng của chúng. ,"= ( %−/% %) # trong đó với n là số điểm dữ liệu, với xᵢ là giá trị thực và với yᵢ là giá trị dự đoán. Thuộc tính: - Nó đo độ lệch tuyệt đối trung bình của các giá trị dự báo so với giá trị ban đầu; - Nó còn được gọi là Độ lệch Tuyệt đối Trung bình (MAD); - Nó cho thấy mức độ của lỗi tổng thể, xảy ra do dự báo; - Trong MAE, ảnh hưởng của lỗi tích cực và tiêu cực không bị loại bỏ; - Không giống như MFE, MAE không cung cấp bất kỳ ý tưởng nào về hướng xảy ra lỗi; 17 - Để có một dự báo tốt, MAE thu được phải càng nhỏ càng tốt; - Giống như MFE, MAE cũng phụ thuộc vào quy mô đo lường và chuyển đổi dữ liệu; - Các lỗi dự báo cực đoan không được điều chỉnh bởi MAE. MAE là tổng hợp của hai phần chính là bất đồng về phân bổ và bất đồng về số lượng.
MAE được biết đến sẽ chính xác hơn đối với các yếu tố ngoại lai so với MSE. Lý do chính là do trong MSE sử dụng cách bình phương các sai số, các giá trị ngoại lai được quan tâm hơn và chiếm phần vượt trội hơn trong sai số cuối cùng và tác động đến các tham số đối với mô hình. The Mean Absolute Percentage Error The Mean Absolute Percentage Error (MAPE) là đo lường độ chính xác của một hệ thống dự báo. Nó đo lường độ chính xác này dưới dạng phần trăm và có thể được tính bằng phần trăm lỗi tuyệt đối trung bình cho mỗi khoảng thời gian trừ đi các giá trị thực tế chia cho các giá trị thực tế.
,0" = 1$1 % − /%1 ( # %) /% Trong đó: n là số điểm trang bị với xᵢ là giá trị thực và với yᵢ là giá trị dự đoán.