+ All Categories
Home > Documents > QMIS 320 Chapter 5 - CBA 320 Chapter 5 Fall 2010 Dr ... ¾Long‐run increase ordecrease over time...

QMIS 320 Chapter 5 - CBA 320 Chapter 5 Fall 2010 Dr ... ¾Long‐run increase ordecrease over time...

Date post: 20-May-2018
Category:
Upload: nguyenngoc
View: 218 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
21
QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 1 DEPARTMENT OF QUANTITATIVE METHODS & INFORMATION SYSTEMS Time Series and Their Components QMIS 320 Chapter 5 Dr. Mohammad Zainal Fall 2010 ¾ Time series are often recorded at fixed time intervals. ¾ For example, Y might represent sales, and the associated time series could be a sequence of annual sales figures. ¾ Other examples of time series include quarterly earnings, monthly inventory levels, and weekly exchange rates. ¾ In general, time series do not behave like a random sample and require special methods for their analysis. ¾ Observations of a time series are typically related to one another (autocorrelated). ¾ This dependence produces patterns of variability that can be used to forecast future values and assist in the management of business operations. ¾ Consider these situations. ¾ It is important that managers understand the past and use historical data and sound judgment to make intelligent plans to meet the demands of the future. Time Series and Their Components QMIS 320, CH 4 by M. Zainal 2
Transcript

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 1

DEPARTMENT OF QUANTITATIVE METHODS & INFORMATION SYSTEMS

Time Series and Their ComponentsQMIS 320

Chapter 5

Dr. Mohammad ZainalFall 2010

Time series are often recorded at fixed time intervals. 

For example, Ymight represent sales, and the associated time series could be a sequence of annual sales figures. 

Other examples of time series include quarterly earnings, monthly inventory levels, and weekly exchange rates.

In general, time series do not behave like a random sample and require special methods for their analysis.

Observations of a time series are typically related to one another (autocorrelated).

This dependence produces patterns of variability that can be used to forecast future values and assist in the management of business operations. 

Consider these situations. 

It is important that managers understand the past and use historical data and sound judgment to make intelligent plans to meet the demands of the future. 

Time Series and Their Components

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

2

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 2

Properly constructed time series forecasts help eliminate some of the uncertainty associated with the future and can assist management in determining alternative strategies. 

Forecasting is done by a set of procedures followed by judgments. 

Time Series and Their Components

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

3

Decomposition

It is an approach to the analysis of time series data involves an attempt to identify the component factors that influence each of the values in a series.

The components of time series are:

Time Series and Their Components

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

4

Time‐Series

Cyclical Component

Random Component

Trend Component

Seasonal Component

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 3

1. Trend Component

It represents the growth and the decline in a time series, denoted by T.

Long‐run increase or decrease over time (overall upward or downward movement) and they could linear or nonlinear

Data taken over a long period of time

Time Series and Their Components

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

5

2. Cyclical Component

It represents a long‐term wavelike fluctuations or cycles of more than one yearʹs duration in a time series, denoted by C. 

Practically it is difficult to identify and frequently regarded as part of trend.

Regularly occur but may vary in length

Often measured peak to peak

Time Series and Their Components

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

6

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 4

Time Series and Their Components

3. Seasonal Component

It represents the seasonal variation in a time series which refers to a more or less stable pattern of change that appears short‐term regular wave‐like patternsand repeats itself season after season, denoted by S.

Observed within 1 year.

Often monthly or quarterly.

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

7

Time Series and Their Components

4. Irregular Component

It represents the unpredictable or random fluctuations in a time series, denoted by I.

Unpredictable, random, “residual” fluctuations

Due to random variations of 

Nature

Accidents or unusual events

“Noise” in the time series

To study the components of a time series, the analyst must consider how the components relate to the original series.

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

8

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 5

Time Series and Their Components

Time Series Components Models

Additive Components Model

It is suggested to use when the variability are the same throughout the length of the series.

Multiplicative Components Model

It is suggested to use when the variability are increasing throughout the length of the series.

Note that it is possible to convert the multiplicative model to the additive model using logarithms. i.e.

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

9

Time Series and Their Components

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

10

Time series with constant variability

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 6

Time Series and Their Components

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

11

Time series with increasing variability

Time Series and Their Components

Estimation of Time Series ComponentsEstimation of Trend Component

Trends are long term movements in a time series that can be sometimes be described by a straight line or a smooth curve. 

Remark

Fitting a trend curve helps us in providing some indication of the general  direction of the observed series, and in getting a clear picture of the seasonality after removing the trend from the original series.

The Linear Trend 

The Quadratic Trend 

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

12

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 7

Time Series and Their Components

The Exponential Trend 

Where      is the predicted value of the trend at time  t , b0 , b1 and are called the model parameters.

We can forecast the trend using the above models as and so on.

Note that the Error Sum of Squares (SSE) is measured by

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

13

t̂T

Time Series and Their Components

Example 5.1 Data on annual registrations of new passenger cars in the United States from 1960 to 1992 are shown in the following table and plotted in the later figure. 

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

14

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 8

Time Series and Their Components

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

15

We definitely have a trend

here!

Time Series and Their Components

The values from 1960 to 1992 are used to develop the trend equation. Registrations is the dependent variable, and the independent variable is time t coded as 1960 = 1, 1961 = 2, and so on. The fitted trend line has the equation 

The slope of the trend equation indicates that registrations are estimated to increase an average of 68,700 each year.

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

16

The figure shows a straight‐line trend fitted to the actual data. It also shows forecasts of new car registrations for the years 1993 and 1994 (t = 34 and t = 35) obtained by extrapolating the trend line. 

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 9

Time Series and Their Components

The estimated trend values for passenger car registrations from 1960 to 1992 are shown in the table. For example, the trend equation estimates registrations in 1992 (t =33) to be

or 10,255,000 registrations. 

Registrations of new passenger cars were actually 8,054,000 in 1992.

For 1992, the trend equation overestimates registrations by approximately 2.2 million.

This error and the remaining estimation errors were listed in the table.

The estimation errors were used to compute the measures of fit, MAD, MSD, and MAPE also were shown in the figure.

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

17

Time Series and Their Components

Forecasting a Trend Which trend model is appropriate?

Linear, quadratic or exponential

Linear models assume that a variable is increasing (or decreasing) by a constant amount each time period. A quadratic curve is needed to model the trend.Based on the accuracy measures, a quadratic trend appears to be a better representation of the general direction of the data.

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

18

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 10

Time Series and Their Components

When a time series starts slowly and then appears to be increasing at an increasing rate such that the percentage difference from observation to observation is constant, an exponential trend can he fitted.

The coefficient b1 is related to the growth rate. 

If the exponential trend is fit to annual data, the annual growth rate is estimated to be 100(b1— 1)%. 

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

19

The figure next contains the number of mutual fund salespeople for several consecutive years.

The increase in the number of salespeople is not constant. 

It appears as if increasingly larger numbers of people are being added in the later years. 

Time Series and Their Components

A linear trend fit to the salespeople data would indicate a constant average crease of about nine salespeople per year.

This trend overestimates the actual increase in the earlier years and underestimates the increase in the last year.

It does not model the apparent trend in the data as well as the exponential curve. 

It is clear that extrapolating an exponential trend with a 31 % growth rate will quickly result in some very big numbers.

This is a potential problem with an exponential trend model.

What happens when the economy cools off and stock prices begin to retreat?

The demand for mutual fund salespeople will decrease and the number of salespeople could even decline.

The trend forecast by the exponential curve will be much too high.

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

20

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 11

Time Series and Their Components

Growth curves of the Gompertz and logistic types reflect a situation in which sales begin low, then increase as the product catches on, and finally ease off as saturation is reached.

Judgment and common sense are very important in selecting the right approach.

As we will discuss later, the line or curve that best fits a set of data points might not make sense when projected as the trend of the future. 

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

21

Time Series and Their Components

Suppose we are presently at time t = n (end of series) and we want to use a trend model to forecast the value of Y, p steps ahead. 

The time period at which we make the forecast, n in this case, is called the forecast origin. 

The value p is called the lead time.

For the linear trend model, we can produce a forecast by evaluating

Using the trend line fitted to the car registration data in Example 5.1 , a forecast of the trend for 1993 (t = 34) made in 1992 (t = n = 33) would be the p = 1 step ahead forecast 

Similarly, the p = 2 step ahead forecast (1994) is given by

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

22

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 12

Time Series and Their Components

Using the quadratic trend curve for the car registration data, we can calculate forecasts of the trend for 1993 and 1994 by setting t = 33 + 1 = 34 and t = 33 + 2 = 35.

The forecasts are = 8.690 and = 8.470 (respectively) 

Recalling that car registrations are measured in millions, the two forecasts of trend produced from the quadratic curve are quite different from the forecasts produced by the linear trend equation.

Moreover, they are headed in the opposite direction.

If we were to extrapolate the linear and quadratic trends for additional time periods, their differences would be magnified. 

This example illustrates why great care must be exercised in using fitted trend curves for the purpose of forecasting future trends.

The differences can be substantial for large lead times (long‐run forecasting). 

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

23

Time Series and Their Components

Trend curve models are based on the following assumptions: 

The correct trend curve has been selected. 

The curve that fits the past is indicative of the future. 

We must be able to argue that the correct trend has been selected the future will be like the past. 

There are objective criteria for selecting a trend curve. We will discuss two of these criteria, the Akaike Information Criterion (AIC) and the Bayesian Information Criterion (BIC), in later chapters.

However, although these and other criteria help to determine an appropriate model, they do not replace good judgment. 

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

24

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 13

Time Series and Their Components

Estimation of Seasonal Component

A seasonal pattern is one that repeats itself year after year.For annual data, seasonality is not an issue because there is no chance to model a within year pattern with data recorded once per year.Time series consisting of weekly, monthly, or quarterly observations often exhibit seasonality.The analysis of the seasonal component of a time series has direct short‐term implications and is of greatest importance to mid‐ and lower‐level management.Marketing plans have to take into consideration expected seasonal patterns in consumer purchases.Several methods for measuring seasonal variation have been developed.The basic idea in all of these methods is to first estimate and remove the trend from the original series and then smooth out the irregular component. 

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

25

Time Series and Their Components

The seasonal values are collected and summarized to produce a number (generally an index number) for each observed interval of the year (week, month, quarter, and so on). 

The identification of the seasonal component in a time series differs from trend analysis in at least two ways: 

1 . The trend is determined directly from the original data, but the seasonal component is determined indirectly after eliminating the other components from the data so that only the seasonality remains. 

2. The trend is represented by one best‐fitting curve, or equation, but a separate seasonal value has to be computed for each observed interval (week, month, quarter) of the year and is often in the form of an index number. 

Always we estimate the seasonality in form of index numbers, percentages that show changes over time, are called seasonal index.

If an additive decomposition is used, estimates of the trend, seasonal, and irregular components are added together to produce the original series.

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

26

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 14

Time Series and Their Components

If a multiplicative decomposition is used, the individual components must be multiplied together to reconstruct the original series, and in this formulation, the seasonal component is represented by a collection of index numbers.

These numbers show which periods within the year are relatively low and which periods are relatively high.

The seasonal indices trace out the seasonal pattern. 

Index numbers are percentages that show changes over time. 

Remark

In this chapter we study the multiplicative model and leave the additive model to chapter 8 if we have time.

In multiplicative decomposition model, the ratio to moving average is a popular method for measuring seasonal variation.

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

27

Time Series and Their Components

Finding Seasonal Indexes

Ratio‐to‐moving average method:

Begin by removing the seasonal and irregular components (St and It), leaving the trend and cyclical components (Tt and Ct)

Example: Four‐quarter moving average 

First average:

Second average:

etc…

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

28

1Q1 Q2 Q3 Q4Moving average

4+ + +

=

2Q2 Q3 Q4 Q5Moving average

4+ + +

=

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 15

Time Series and Their Components

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

29

0

10

20

30

40

50

60

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Sale

s

Quarter

Quarterly SalesQuarter Sales

1234567891011etc…

2340252732483337375040etc…

Time Series and Their Components

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

30

Each moving average is for a consecutive block of 4 quarters

Quarter Sales1 232 403 254 275 326 487 338 379 37

10 5011 40

Average Period

4-Quarter Moving

Average2.5 28.753.5 31.004.5 33.005.5 35.006.5 37.507.5 38.758.5 39.259.5 41.00

443212.5 +++

=

42725402328.75 +++

=

etc…

Centered Seasonal Index

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 16

Time Series and Their Components

Average periods of 2.5 or 3.5 don’t match the original quarters, so we average two consecutive moving averages to get centered moving averages

Now estimate the  St x It value by dividing the actual sales value by the centered moving average for that quarter.

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal

31

Average Period

4-Quarter Moving

Average2.5 28.753.5 31.004.5 33.005.5 35.006.5 37.507.5 38.758.5 39.259.5 41.00

Centered Period

Centered Moving

Average3 29.884 32.005 34.006 36.257 38.138 39.009 40.13

etc…

Time Series and Their Components

Ratio‐to‐Moving Average formula:

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

32

tt t

t t

YS IT C

× =×

Quarter Sales

Centered Moving Average

Ratio-to-Moving Average

123456789

1011…

2340252732483337375040…

29.8832.0034.0036.2538.1339.0040.13

etc………

0.8370.8440.9411.3240.8650.9490.922etc………

Example

250.83729.88

=

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 17

Time Series and Their Components

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

33

Quarter Sales

Centered Moving Average

Ratio-to-Moving Average

123456789

1011…

2340252732483337375040…

29.8832.0034.0036.2538.1339.0040.13

etc………

0.8370.8440.9411.3240.8650.9490.922etc………

Fall

Fall

Fall

Do the same for the other three seasons to get the other seasonal indexes

Average all of the Fall values to get Fall’s seasonal index

Time Series and Their Components

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal

34

Suppose we get these seasonal indices:

Season Seasonal Index

Spring 0.825

Summer 1.310

Fall 0.920

Winter 0.945

Σ = 4.000 -- four seasons, so must sum to 4

Spring sales average 82.5% of the annual average sales

Summer sales are 31.0% higher than the annual average sales

etc…

Interpretation:

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 18

Time Series and Their Components

The data is deseasonalized by dividing the observed value by its seasonal index

This smoothes the data by removing seasonal variation

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

35

tt t t

t

YT C IS

× × =

Quarter Sales Seasonal Index Deseasonalized Sales

123456789

1011…

2340252732483337375040

0.8251.3100.9200.9450.8251.3100.9200.9450.8251.3100.920

27.8830.5327.1728.5738.7936.6435.8739.1544.8538.1743.48

0.8252327.88 =

Time Series and Their Components

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

36

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 19

Time Series and Their Components

Example 5.3 In Example 3.5 the analyst for the Outboard Marine Corporation, used autocorrelation analysis to determine that sales were seasonal on a quarterly basis. Now, he uses decomposition to understand the quarterly sales variable. Minitab was used to produce the following table and figure. To keep the seasonal pattern current, only the last seven years (1990 to 1996) of sales data (Y), were analyzed. 

The trend is computed using the linear model: 

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

37

Time Series and Their Components

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

38

1̂ 253.742 1.284(1) 255.026T = + = 232.7 255.026 .912SCI Y T= = = (.912 .788 ... .812) 7 0.780S = + + + =

232.7 .7796 298.486TCI Y S= = = 232.7 (255.026 .7796)CI Y TS= = × (1.170 1.187 1.080) 3 1.146C = + + =

/1.187/1.1461.036

I CI C===

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 20

Time Series and Their Components

The cyclical indices can be used to answer the following questions: 

The series cycle? 

How extreme is the cycle? 

The series follow the general state of the economy (business cycle)? 

One way to investigate cyclical patterns is through the study of business indicators. 

A business indicator is a business‐related time series that is used to help assess the general state of the economy.

The most important list of statistical indicators originated during the sharp business setback of 1937 to 1938.

Leading indicators.

Coincident indicators.

Lagging indicators.

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

39

Time Series and Their Components

Forecasting A Seasonal Time Series

In forecasting a seasonal time series, the decomposition process is reversed.

Instead of separating the series into individual components for examination, the components are recombined to develop the forecasts for future periods.

Example 5.4 Forecasts of Outboard Marine Corporation sales for the four quarters of 1997 can he developed using the previous table. 

1. Trend. The quarterly trend equation is: T = 253.742 + 1.284t. The forecast origin is the fourth quarter of 1996, or time period t = n = 28.Sales for the first quarter of 1997 occurred in time period t = 28 + 1 = 29. This notation shows we are forecasting p = 1 period ahead from the end of the time series.Setting t = 29, the trend projection is then T29 = 253.742 + 1.284(29) = 290.978 

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

40

QMIS 320, CH 5 by M. Zainal 21

Time Series and Their Components

2. Seasonal. The seasonal index for the first quarter is .7796.3. Cyclical.  The cyclical projection must be determined from the estimated cyclical pattern (if any) and any other information generated by indicators of the general economy for 1997. 

Projecting the cyclical pattern for future time periods is fraught with uncertainty, and as we indicated earlier, is generally assumed for forecasting purposes to be included in the trend. To demonstrate the completion of this example, we set the cyclical index to 1.0. 

4. Irregular. Irregular fluctuations represent random variation that can’t be explained by the other components. 

For forecasting, the irregular component is set to the average value 1.0

The forecast for the first quarter of 1997 is 

The forecasts for the rest of 1997 are 

QMIS 320, CH 4 by M. Zainal

41


Recommended