1. 데이터 관점의 분류

  1. 횡단면 데이터 (Cross Sectional)
  2. 시계열 데이터 (Time Series)
  3. 시계열 횡단면 데이터 (Pooled Cross Sectional)
  4. 패널 데이터 (Panel Data)


’ 횡단면 데이터 시계열 데이터 시계열 횡단면 데이터 패널 데이터
정의 특정시점 + 다수독립변수 다수시점 + 특정독립변수 다수독립변수 + 다수시점 다수독립변수 + 다수시점 (동일 변수 및 시점)
예시 2016년 16개 시도의 GRDP와 최종소비 연도별 전국 GRDP와 최종소비 연도별 16개 시도의 GRDP와 최종소비 연도별 16개 시도의 GRDP와 최종소비
특징 값 독립적, 모집단 중 특정 시점 표본추출 값 Serial-correlation/Trend/Seasonality 등 시점/변수 불일치로 공백 가능 시점/변수 일치로 연구자들이 가장 선호


2. 시계열 데이터

확률 과정(Stochastic Process): “상관 관계”를 가지는 무한개의 변수의 순서열

\(Y\) = {\(\dots\), \(Y_{-2}\), \(Y_{-1}\), \(Y_{0}\), \(Y_{1}\), \(Y_{2}\), \(\dots\)}

\(X\) = {\(\dots\), \(X_{-2}\), \(X_{-1}\), \(X_{0}\), \(X_{1}\), \(X_{2}\), \(\dots\)}

  • ….

  • \(X_1\) = {\(\dots\), \(X_{1,-2}\), \(X_{1,-1}\), \(X_{1,0}\), \(X_{1,1}\), \(X_{1,2}\), \(\dots\)}
  • \(X_2\) = {\(\dots\), \(X_{2,-2}\), \(X_{2,-1}\), \(X_{2,0}\), \(X_{2,1}\), \(X_{2,2}\), \(\dots\)}
  • ….


시계열 데이터(Time Series Data)

  • 독립변수(\(x_t\)) & 종속변수(\(y_t\))가 시간 단위(\(t\))를 포함

  • \(y\) = {\(\dots\), \(y_{-2}\), \(y_{-1}\), \(y_{0}\), \(y_{1}\), \(y_{2}\), \(\dots\)} ( = \(\{y_t\}_{-\infty}^{\infty}\) )
  • \(x\) = {\(\dots\), \(x_{-2}\), \(x_{-1}\), \(x_{0}\), \(x_{1}\), \(x_{2}\), \(\dots\)} ( = \(\{x_t\}_{-\infty}^{\infty}\))
    • ….
    • \(x_1\) = {\(\dots\), \(x_{1,-2}\), \(x_{1,-1}\), \(x_{1,0}\), \(x_{1,1}\), \(x_{1,2}\), \(\dots\)}
    • ….
  • TSF의 예측값 : \(y\)의 시간 \(t\)에서의 예측값(\(\hat{y_t}\))


3. Feature Extraction (=FE)

(1) 빈도 (Frequencey)

  • 정의 : 계절성 패턴(Seasonality)이 나타나기 전까지의 데이터 개수
  • example ) 계설성이 1년에 1회 나타날 경우,
Data frequency
Annual 1
Quarterly 4
Monthly 12
Weekly 52


(2) 추세 ( Trend, \(T_t\) )

  • 정의 :시계열이 시간에 따라 증가, 감소 또는 일정 수준을 유지하는 경우
  • 확률과정의 결정론적 기댓값 함수를 알아내는 것
  • 확률과정(\(Y_t\))은 (1) + (2) \(\rightarrow\) \(Y_t = f(t) + Y^s_t\)
    • (1) 추정이 가능한 결정론적 추세함수(\(f(t)\))
    • (2) 정상확률과정(\(Y^s_t\))

figure2


(3) 계절성 ( Seasonality, \(S_t\) )

  • 정의 : 일정한 주기로 반복되어서 나타나는 패턴 (\(m\))
  • ex) 특정 요일 / 특정 월 마다 반복
  • ex) 12개월마다 반복되어 나타나는 경우 ( \(m=12\) )

figure2


(4) 주기 ( Cycle, \(C_t\) )

  • 정의 : “일정하지 않은” 빈도로 발생하는 패턴

  • 주기(Cycle, \(C_t\)): 일정하지 않은 빈도로 발생하는 패턴(계절성)

figure2


(5) 시계열 분해 ( 추세/계절성/잔차(\(e_t\)) )

figure2


(6) Dummy Variables

  • 0/1 binary 형태로 변수 생성
  • ex) 휴일, 이벤트, 캠페인, Outlier 등을 생성 가능


(7) 지연값 (Lagged Values, \(Lag_t(X_1)\) )

  • 변수의 지연된 값을 독립변수로 사용
  • 이를 사용하는 대표적 모델들 : ARIMA/VAR/NNAR


(8) 시간 변수

  • 시간변수를 미시/거시 적으로 분리하거나 통합하여 생성


4. Time Series Validation

  • 훈련셋(Training set): 가장 오래된 데이터

  • 검증셋(Validation set): 그 다음 최근 데이터
  • 테스트셋(Testing set): 가장 최신의 데이터

figure2


  • 1스텝 교차검사(One-step Ahead Cross-validation)

figure2

  • 2스텝 교차검사(Two-step Ahead Cross-validation)

figure2


5. Time Series Model

figure2


Dynamic Linear Model:


Nueral Network Model:

  • Neural Networks Autoregression(NNAR)

  • Recurrent Neural Network(RNN)

  • Long Short-Term Memory(LSTM)

  • Gated Recurrent Unit(GRU)


6. Residual Diagnostics ( 잔차 진단 )

(1) 백색 잡음 (White Noise)

백색 잡음이라 하기 위해선, 2가지 조건이 필요함

  • 조건 1) 잔차들은 정규분포 & ( 평균=0, 일정한 분산 )
    • \(\epsilon_t \sim N(0,\sigma^2_{\epsilon_t})\), where \(\epsilon_t = Y_t - \hat{Y_t}\)
    • \(Cov(\epsilon_s, \epsilon_k) = 0\) for different times! \((s \ne k)\)
  • 조건 2) 잔차들이 시간의 흐름에 따라 상관성이 없어야 함
    • 아래 참조


figure2


(2) 자기상관함수 (Autocorrelation Function, ACF)

  • AUTOcorrelation=0인지 확인하기 위해

    ( 자기 자신에 대해, 다른 시간에 대해서 correlation 없어! )

  • 용어 정리

    • 1) 공분산(Covariance)
      • \(Cov(\epsilon_s, \epsilon_k)\) = \(E[(\epsilon_s-E(\epsilon_s))\)\((\epsilon_k-E(\epsilon_k))]\) = \(\gamma_{s,k}\)
    • 2) 자기상관함수(Autocorrelation Function)
      • \(Corr(\epsilon_s, \epsilon_k)\) = \(\dfrac{Cov(\epsilon_s, \epsilon_k)}{\sqrt{Var(\epsilon_s)Var(\epsilon_k)}}\) = \(\dfrac{\gamma_{s,k}}{\sqrt{\gamma_s \gamma_k}}\)
    • 3) 편자기상관함수(Partial Autocorrelation Function) : \(s\)와 \(k\)사이의 상관성을 제거한 자기상관함수
      • \(Corr[(\epsilon_s-\hat{\epsilon}_s, \epsilon_{s-t}-\hat{\epsilon}_{s-t})]\) for \(1<t<k\)


자기상관테스트

  • 1) 시각화로 검증

figure2


  • 2) 통계량으로 검증

figure2


7. 4가지 잔차진단 test

  • 정상성 test
  • 정규분포 test
  • 자기상관 test
  • 등분산성 test


(1) 정상성 test

정상성 = “자기상관 X & 등분산성”을 하나로 아우르는 개념


(2) 정규분포 test


(3) 자기상관 test


(4) 등분산성 test

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