理解并在 Python 中实现 ARMA 和 ARIMA 模型以进行时间序列预测。
回想一下, p p p阶的自回归过程定义为:
y t = c + ϕ 1 y t − 1 + ϕ 2 y t − 2 + … + ϕ p y t − p + ϵ t y_{t}=c+\phi_{1} y_{t-1}+\phi_{2} y_{t-2}+\ldots+\phi_{p} y_{t-p}+\epsilon_{t} yt=c+ϕ1yt−1+ϕ2yt−2+…+ϕpyt−p+ϵt
其中, p p p是阶数, c c c是常数, ϵ \epsilon ϵ是噪音
还记得移动平均过程 q q q 定义为:
y t = c + ϵ t + θ 1 ϵ t − 1 + θ 2 ϵ t − 2 + . . θ q ϵ t − q y_{t}=c+\epsilon_{t}+\theta_{1} \epsilon_{t-1}+\theta_{2} \epsilon_{t-2}+. . \theta_{q} \epsilon_{t-q} yt=c+ϵt+θ1ϵt−1+θ2ϵt−2+..θqϵt−q
其中, q q q是阶数, c c c是常数, ϵ \epsilon ϵ是噪音
ARMA(p,q) 只是将两个模型组合成一个方程:
y t = c + ϵ t + θ 1 ϵ t − 1 + θ 2 ϵ t − 2 + … θ q ϵ t − q + ϕ 1 y t − 1 + ϕ 2 y t − 2 + … + ϕ p y t − p y_{t}=c+\epsilon_{t}+\theta_{1} \epsilon_{t-1}+\theta_{2} \epsilon_{t-2}+\ldots \theta_{q} \epsilon_{t-q}+\phi_{1} y_{t-1}+\phi_{2} y_{t-2}+\ldots+\phi_{p} y_{t-p} yt=c+ϵt+θ1ϵt−1+θ2ϵt−2+…θqϵt−q+ϕ1yt−1+ϕ2yt−2+…+ϕpyt−p
因此,该模型可以解释时间序列与随机噪声(移动平均部分)和前一步(自回归部分)本身的关系。
让我们从移动平均和自回归部分的 1 阶 ARMA 过程的简单示例开始。
from statsmodels.graphics.tsaplots import plot_pacf
from statsmodels.graphics.tsaplots import plot_acf
from statsmodels.tsa.arima_process import ArmaProcess
from statsmodels.stats.diagnostic import acorr_ljungbox
from statsmodels.tsa.statespace.sarimax import SARIMAX
from statsmodels.tsa.stattools import adfuller
from statsmodels.tsa.stattools import pacf
from statsmodels.tsa.stattools import acf
from tqdm import tqdm_notebook
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import pandas as pd
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
%matplotlib inline
然后,我们将模拟以下 ARMA 流程:
y t = 1 + 0.9 ϵ t − 1 + 1 + 0.33 y t − 1 y_{t}=1+0.9 \epsilon_{t-1}+1+0.33 y_{t-1} yt=1+0.9ϵt−1+1+0.33yt−1
我们现在可以绘制前 200 个点,可视化生成的时间序列:
plt.figure(figsize=[15, 7.5]); # Set dimensions for figure
plt.plot(simulated_ARMA_data)
plt.title("Simulated ARMA(1,1) Process")
plt.xlim([0, 200])
plt.show()
然后,我们可以看一下 ACF 和 PACF 图:
ps = range(0, 8, 1)
d = 1
qs = range(0, 8, 1)
# Create a list with all possible combination of parameters
parameters = product(ps, qs)
parameters_list = list(parameters)
order_list = []
for each in parameters_list:
each = list(each)
each.insert(1, 1)
each = tuple(each)
order_list.append(each)
result_df = optimize_ARIMA(order_list, exog=data['data'])
result_df
详阅 - 亚图跨际