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METODOS ELEMENTALES DE PROCESAMIENTO DE SERIES DE TIEMPO


                                                                              Jorge Galbiati Riesco


En este apunte se da una visión general sobre algunos procedimientos en el análisis en series
de tiempo. Inicialmente presentamos el problema general de predicción, luego presentamos
métodos clásicos ó ingenuos de suavizamiento en el análisis de series de tiempo.


La aplicación de estas técnicas requieren de trabajo computacional que debe ser complementado
en la ejercitación de este curso.


El material presentado fue escrito en base a apuntes del profesor Renato Allende, que tuvo como
referencia notas de clase de los profesores Pilar Iglesias y Eduardo Engel.


INTRODUCCION


Una de las motivaciones para el estudio del tema surge desde tiempos remotos donde una de
las principales inquietudes del hombre ha sido estimar el futuro utilizando información del
presente y del pasado. Esto se llama predecir. Es evidente que las diversas instituciones
requieren conocer el comportamiento futuro de ciertos fenómenos con el fin de planificar, prever
o prevenir.




La Estadística ha desarrollado teoría y métodos que apuntan a resolver el problema de
predicción. Sin embargo, este no puede ser resuelto por argumentos puramente matemáticos,
debe ser el resultado de una combinación matemático-especialista. La predicción es una Ciencia
y es un Arte, y la mayor dificultad es la mala comunicación entre los analistas de información y
de predicción y los usuarios de éstas.


DEFINICION BÁSICA DE SERIE DE TIEMPO


Una serie de tiempo es una colección o conjunto de mediciones de cierto fenómeno o
experimento registrados secuencialmente en el tiempo, en forma equiespaciada ( a intevalos de
tiempo iguales) .


 Las observaciones de una serie de tiempo serán denotadas por
                       Y(t1), Y(t2) ,... , Y(tn)
  donde Y(ti) es el valor tomado por el proceso en el instante ti.




                                                                                                   1
Ejemplos de series de tiempo


1. Economía: Precios de un articulo, tasas de desempleo, tasa de
inflación, índice de precios, precio del dólar, precio del cobre,
precios de acciones, ingreso nacional bruto, etc.


2. Meteorología: Cantidad de agua caída, temperatura máxima diaria, Velocidad del viento
(energía eólica), energía solar, etc.


3. Geofísica: Series sismológicas.


4. Química:      Viscosidad de un proceso, temperatura de un proceso.


5. Demografía: Tasas de natalidad, tasas de mortalidad.

6. Medicina: Electrocardiograma, electroencéfalograma.

7. Marketing: Series de demanda, gastos, utilidades, ventas, ofertas.
8. Telecomunicaciones: Análisis de señales.

9. Transporte: Series de tráfico.



ANALISIS GRAFICO DE UNA SERIE DE TIEMPO


Por muy simple que parezca, el paso más importante en el análisis de series de tiempo consiste
en graficar la serie.




                                                                                            2
Esto debe hacerse siempre, independiente de cuán simples o complejos sean los procedimientos
que se emplean posteriormente.


El gráfico de la serie permitirá detectar los siguientes elementos:



a)      Outliers:


Se refiere a puntos de la serie que se escapan de lo normal.
Si se sospecha que una observación es un outliers, se debe reunir información adicional sobre
posibles factores que afectaron el proceso. Por ejemplo, en un estudio de la producción diaria de
cobre se presentó la siguiente situación:




         b)   Tendencias


                  La tendencia representa el comportamiento predominante de la serie. Esta puede
        ser definida vagamente como el cambio de la media a lo largo de un extenso período de
        tiempo.




                                                                                               3
c)   Variaciones cíclicas o estacionales


                La variación estacional representa un movimiento periódico de la serie de
       tiempo. La duración del período puede ser un año, un trimestre, un mes, un día, etc.




Se suele hacer una distinción entre cíclicas y estacionarias. Estas últimas ocurren con períodos
identificables, como la estacionalidad del empleo, o de la venta de ciertos productos, cuyo
período es un año. El término variación cíclica se suele referir a ciclos grandes, cuyo período no
es atribuible a alguna causa. Por ejemplo, fenómenos climáticos, que tienen ciclos que duran
varios años.


Las tendencias y estacionalidades pueden darse simultáneamente.




                                                                                                4
d) Variaciones aleatorias.


      Los movimientos irregulares (al azar) representan todos los tipos de movimientos de una
      serie de tiempo que no sea tendencia, variaciones estacionales y fluctuaciones cíclicas.


      El análisis gráfico de los datos se acostumbra a resumir en una tabla como la que
      siguiente:


                                  Tabla de familiarización
                                Estacionalidad        Tendencia        Aleatoria
                   Alta
                   Media
                   Baja




Ejercicios:


1) Para cada una de las series graficadas a continuación realizar al análisis              gráfico
    completando la tabla de familiarización.




                                                                                                 5
Serie A                                          Serie B




2) Construya la grafica y la tabla de familiarización para la siguiente serie.


      Planificación de un casino


      Objetivos: Planificación de compra de alimentos y necesidades de servicio para satisfacer
      la demanda de almuerzo en un gran casino.


      Descripción de la serie.
      Serie: Número de almuerzos servidos por mes en el casino II de la Universidad de
      Campinas-Brasil para el     período de enero 1977 a marzo de 1980, de acuerdo a la
      administración general del restaurante.


                                             Tabla de datos
      t          Y(t)                           t         Y(t)                     t          Y(t)
     1           20636                        14          28183                   27         63167
     2           18708                        15          56632                   28         42520
     3           62944                        16          56641                   29         50572
     4           50272                        17          56555                   30         53875
     5           69375                        18          57185                   31         27233
     6           50056                        19          33906                   32         57942
     7           20604                        20          67261                   33         47610
     8           54947                        21          52232                   34         61738
     9           50576                        22          58232                   35         51168
     10          50425                        23          45726                   36         26370
     11          44202                        24          24550                   37         42964
     12          27604                        25          30954                   38         42748
     13          28791                        26          34295                   39         62390




                                                                                             6
Modelos Clásicos


Un modelo clásico de series de tiempo, supone que la serie Y(1), ..., Y(n) puede ser expresada
como suma o producto de tres componentes: tendencia, componente estacional y un término de
error aleatorio:


1.   Y(t) = T(t)+E(t)+A(t)               Modelo aditivo
2.   Y(t) = T(t) E(t) A(t)              Modelo multiplicativo


donde:


T: Tendencia de la serie.
E: Variación Estacional.
A: Variaciones aleatorias.


         El gráfico siguiente muestra la serie y sus componentes, para el caso aditivo




         El problema que se presenta es modelar adecuadamente las componentes de la serie.




                                                                                                 7
ESTIMACIÓN DE LA TENDENCIA


Hay varios métodos para estimar la tendencia T(t), uno de ellos es utilizar un modelo de
regresión lineal. Se pueden utilizar otros tipos de regresiones, como regresión cuadrática,
logística, exponencial, entre otros.


EJEMPLO 1: La tabla presenta parte de los datos de una serie de energía eléctrica. Son 24 datos
mensuales referentes a los años 1977 a 1978.


                                             Consumo de Energía Eléctrica


                                t             Y(t)                           t         Y(t)
                                1             84,6                           13       110,3
                                2             89,9                           14       118,1
                                3             81,9                           15       116,5
                                4             95,4                           16       134,2
                                5             91,2                           17       134,7
                                6             89,8                           18       144,8
                                7             89,7                           19       144,4
                                8            97,9                            20       159,2
                                9            103,4                           21       168,2
                                10           107,6                           22       175,2
                                11           120,4                           23       174,5
                                12           109,6                           24       173,7



                                                       Consumo electrico


                          200
                consumo




                          150
                          100
                          50
                           0
                                    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
                                                            mes




El modelo de tendencia propuesto es un modelo de regresión lineal:
                                                     Y(t) = a + b t + A(t)
Por mínimos cuadrados se obtiene




                                                                                                     8
T(t) = 68.45 + 4.24 * t

La serie sin tendencia se ve de la siguiente manera:

                                                   Consumo electrico

                          15.00
                          10.00
                           5.00
               consumo




                           0.00
                          -5.00
                                  1

                                      3

                                          5

                                               7

                                                    9

                                                         11

                                                                13

                                                                      15

                                                                           17

                                                                                19

                                                                                     21

                                                                                          23
                         -10.00
                         -15.00
                         -20.00
                                                                mes




Se observa un ciclo que dura casi todo el período observado, de 24 meses.


ESTIMACION DE LA COMPONENTE ESTACIONAL


Para estimarla, se debe conocer el período, y se deben tener datos de varios períodos
consecutivos. Por ejemplo, datos mensuales, estacionalidad de un año.


EJEMPLO 2
Indicador Mensual de Actividad Económica (IMACEC). Base del índice : 1996=100
Corresponde al nuevo Indicador Mensual de Actividad Económica (Imacec), estructurado a base
de la matriz insumo-producto de 1996. La cobertura de este indicador comprende casi la
totalidad de las actividades económicas incluidas en el PIB.
Las cifras de 2000 y 2001 son provisionales.
Las cifras de 2002 y 2003 son preliminares.
Fuente: Banco Central de Chile.




                                                                                               9
1996           1997          1998        1999         2000       2001    2002    2003
Enero              99.6           105.0      110.8          109.2        112.6       116.4   119.7   122.6
Febrero            94.9            98.6      104.3          103.7        107.6       111.8   113.0   118.3
Marzo             105.4           109.1      117.5          116.4        121.2       124.3   124.4   128.8
Abril             103.4           108.1      116.1          108.0        113.8       118.0   122.0   125.3
Mayo              104.2           109.2      114.4          111.2        117.9       121.7   123.0   126.1
Junio             101.3           106.5      111.9          110.0        113.1       119.1   120.1
Julio              98.7           107.1      110.9          106.4        112.3       116.0   118.9
Agosto             98.7           105.6      109.0          108.1        113.4       116.9   119.1
Septiembre         94.8           103.8      105.4          105.7        108.6       111.4   114.6
Octubre           102.0           110.9      107.7          109.2        115.4       118.4   121.7
Noviembre          98.0           106.8      106.1          110.7        114.9       117.3   119.9
Diciembre          99.2           108.4      106.5          111.9        114.4       115.7   120.9



                                Indicador Mensual Actividad Económica

                        140.0
                        120.0

                        100.0
               IMACEC




                         80.0
                         60.0

                         40.0
                         20.0
                          0.0
                           96



                                    97



                                            98



                                                     99



                                                               00



                                                                         01



                                                                                02



                                                                                        03
                         19



                                  19



                                          19



                                                   19



                                                             20



                                                                       20



                                                                              20



                                                                                      20




                                                            m es-año




Se estima la tendencia por regresión lineal               Y (t ) = a + bt + A(t )
dando el siguiente resultado:
Intercepto a = 100.3            . Corresponde al valor de partida.
Pendiente b = 0.253 . Corresponde al aumento medio mensual.
Coeficiente de determinación R2 = 0.74, que indica un ajuste moderadamente bueno.
El error estándar de los errores se estimó en 3.98.
La recta de regresión correspondiente a la tendencia se muestra en el siguiente gráfico:




                                                                                                             10
Tendencia Indicador Mensual Actividad
                                                        Económica

                             140
                             120
                             100
               IMACEC




                                 80
                                 60
                                 40
                                 20
                                 0
                              96



                                              97



                                                        98



                                                                  99



                                                                           00



                                                                                    01



                                                                                           02



                                                                                                  03
                            19



                                            19



                                                      19



                                                                19



                                                                         20



                                                                                  20



                                                                                         20



                                                                                                20
                                                                       m es-año




Asumiremos un modelo clásico aditivo. Entonces para obtener una estimación de la
estacionalidad, restamos los valores ajustados de la tendencia a los datos, obteniendo una serie
sin tendencia. Luego promediamos todos los valores de enero, los de febrero, los de marzo, etc.,
obteniendo doce valores mensuales promedio:
                                                        Mes                     Prom.
                                                        Enero                     0.8
                                                        Febrero                  -4.9
                                                        Marzo                     6.7
                                                        Abril                     2.4
                                                        Mayo                      3.8
                                                        Junio                     0.8
                                                        Julio                    -1.2
                                                        Agosto                   -1.3
                                                        Septiembre               -5.4
                                                        Octubre                   0.2
                                                        Noviembre                -1.7
                                                        Diciembre                -1.5

que se muestran en el siguiente gráfico:


                                            Compone nte Cíclica Indicador M e nsual
                                                   Activ idad Económica

                                  20

                                  15

                                  10
                        IMACEC




                                      5

                                      0

                                      -5
                                  -10
                                   96




                                                 97




                                                               98




                                                                         99




                                                                                   00




                                                                                           01




                                                                                                  02
                                 19




                                               19




                                                             19




                                                                       19




                                                                                 20




                                                                                         20




                                                                                                20




                                                                              m es-año

                                                                                                       11
Se observan valores altos a partir de marzo, y bajos en torno a septiembre.
Si recomponemos la serie con tendencia y componente cíclica, sin la componente aleatoria,
tenemos la situación que se ilustra en el gráfico siguiente:




                                       Te nde ncia más Compone nte Cíclica Indicador
                                               M e nsual Activ idad Económica

                                  140
                                  120
                                  100
                        IMACEC




                                   80
                                   60
                                   40
                                   20
                                       0
                                    96




                                               97




                                                        98




                                                                 99




                                                                           00




                                                                                     01




                                                                                              02
                                  19




                                             19




                                                      19




                                                               19




                                                                         20




                                                                                   20




                                                                                            20
                                                                      m es-año




Con esto se pueden hacer predicciones futuras, extrapolando la recta de regresión y sumándole
la componente cíclica del mes correspondiente. Dentro de un rango limitado, estas predicciones
pueden ser acertadas.


A continuación se muestra el gráfico de la componente aleatoria sola.


                                       Componente Aleatoria Indicador M ensual
                                               Activ idad Económica

                                 20

                                 15

                                 10
               IMACEC




                                  5

                                  0

                                  -5

                                 -10
                              96




                                             97




                                                      98




                                                               99




                                                                         00




                                                                                   01




                                                                                            02
                            19




                                           19




                                                    19




                                                             19




                                                                       20




                                                                                 20




                                                                                          20




                                                                    m es-año




Si se usa el modelo multiplicativo, el procedimiento es parecido.
Nota: Junto con las series de datos como esta, el Banco Central también entrega series sin
tendencia y desestacionalizadas.




                                                                                                   12
SUAVIZAMIENTO DE SERIES DE TIEMPO


Una forma de visualizar la tendencia, es mediante suavizamiento de la serie. La idea central es
definir a partir de la serie observada una nueva serie que filtra o suaviza los efectos ajenos a la
tendencia (estacionalidad, efectos aleatorios), de manera que podamos visualizar la tendencia.



                   Serie original                               Serie suavizada




Promedio Móvil.
Este método de suavizamiento es uno de los más usados para describir la tendencia. Consiste
en fijar un número k, preferentemente impar, como 3, 5, 7, etc., y calcular los promedios de
todos los grupos de k términos consecutivos de la serie. Se obtiene una nueva serie suavizada
por promedios móviles de orden k. De este modo se tienden a anular las variaciones aleatorias.


       Por ejemplo, consideremos una serie de seis observaciones y fijemos el orden           k=3.
Entonces los términos de la serie suavizada son

                  t   Y (t )  Z (t ) media móvil de orden k = 3
                  ______________________________________
                  1   Y (1)             −
                                       Y (1) + Y (2) + Y (3)
                  2   Y (2)     Z(2) =
                                                 3
                                       Y (2) + Y (3) + Y (4)
                  3   Y (3)     Z(3) =
                                                  3
                                        Y (3) + Y (4) + Y (5)
                  4   Y ( 4)     Z(4) =
                                                   3
                                       Y (4) + Y (5) + Y (6)
                  5   Y (5)     Z(5) =
                                                  3
                  6   Y (6)             −

                                                                                                 13
Nótese que Z(1) y Z(6) no se pueden calcular. En general, se pierden k/2 términos en cada
extremo.


EJEMPLO 3.
Precio del dólar observado, días miércoles, enero a junio año 2003.
Fuente: Banco Central de Chile.
En las columnas 3 a 6, se entregan los promedios móviles de orden 3, 5, 7 y 9,
respectivamente.
                                m es        p re c io     k=3             k=5        k=7              k=9
                                Ene         7 1 3 .4
                                            7 1 2 .6     7 1 7 .5
                                            7 2 6 .6     7 2 5 .4        7 2 5 .7
                                            7 3 7 .1     7 3 4 .2        7 3 1 .6   7 3 0 .3
                                Feb         7 3 8 .9     7 3 9 .7        7 3 7 .2   7 3 6 .2         7 3 5 .5
                                            7 4 3 .1     7 4 0 .7        7 4 2 .9   7 4 2 .0         7 4 0 .1
                                            7 4 0 .2     7 4 6 .2        7 4 6 .0   7 4 6 .0         7 4 2 .8
                                            7 5 5 .3     7 4 9 .4        7 4 9 .2   7 4 5 .9         7 4 3 .0
                                M ar        7 5 2 .8     7 5 4 .3        7 4 7 .9   7 4 4 .4         7 4 2 .2
                                            7 5 4 .8     7 4 8 .0        7 4 5 .5   7 4 2 .5         7 4 0 .1
                                            7 3 6 .5     7 3 9 .9        7 4 0 .4   7 3 9 .6         7 3 7 .4
                                            7 2 8 .3     7 3 1 .5        7 3 3 .9   7 3 4 .4         7 3 4 .7
                                Abr         7 2 9 .8     7 2 6 .0        7 2 6 .6   7 2 9 .2         7 2 9 .2
                                            7 2 0 .0     7 2 2 .8        7 2 2 .6   7 2 2 .1         7 2 3 .4
                                            7 1 8 .7     7 1 8 .4        7 1 8 .0   7 1 7 .1         7 1 6 .7
                                            7 1 6 .5     7 1 3 .5        7 1 2 .3   7 1 2 .2         7 1 4 .2
                                M ay        7 0 5 .3     7 0 7 .7        7 0 7 .2   7 0 9 .9         7 1 2 .4
                                            7 0 1 .2     7 0 0 .2        7 0 6 .2   7 0 8 .8         7 1 0 .5
                                            6 9 4 .2     7 0 3 .1        7 0 5 .3   7 0 8 .0         7 1 0 .2
                                            7 1 3 .7     7 0 6 .7        7 0 6 .9   7 0 8 .2         7 0 8 .8
                                Jun         7 1 2 .2     7 1 3 .0        7 1 0 .1   7 0 8 .2         7 0 7 .3
                                            7 1 3 .0     7 1 4 .2        7 1 2 .5   7 0 8 .5
                                            7 1 7 .4     7 1 2 .1        7 1 0 .3
                                            7 0 6 .0     7 0 8 .8
                                Jul         7 0 3 .1


La serie original aparece graficada a continuación.



                                            Precio del dolar observado 2003

                                 760.0
                                 740.0
                     precio $




                                 720.0
                                 700.0
                                 680.0
                                 660.0
                                        e



                                                b


                                                         ar



                                                                    br




                                                                                                 l
                                                                                      n
                                                                            ay




                                                                                               Ju
                                      En



                                              Fe




                                                                                    Ju
                                                        M



                                                                    A


                                                                           M




                                                                    sem ana




                                                                                                                14
Los gráficos siguientes corresponden a las medias móviles. Se observa cómo a medida que
      aumenta el orden, el efecto del suavizado es mayor. Pero también se pierden más datos en los
      extremos.


                      Precio del dolar observado 2003                                       Precio del dolar observado 2003
                            Media móvil orden 3                                                   Media móvil orden 5

              760                                                                   760
              740                                                                   740




                                                                      p r e cio $
p r e cio $




              720
                                                                                    720
              700
              680                                                                   700
              660                                                                   680




                                                                                                                                        l
                                                                                        e


                                                                                               b
                                                                  l




                                                                                                      r


                                                                                                             r
                  e


                         b


                                r


                                       r




                                                                                                                                 n
                                                           n




                                                                                                                      y
                                                y




                                                                                                                                     Ju
                                                               Ju




                                                                                                   Ma


                                                                                                           Ab
                             Ma


                                     Ab




                                                                                     En


                                                                                            Fe
               En


                      Fe




                                                                                                                              Ju
                                                                                                                   Ma
                                                        Ju
                                             Ma




                                     semana                                                                 semana




                      Precio del dolar observado 2003                                       Precio del dolar observado 2003
                            Media móvil orden 7                                                   Media móvil orden 9

              760
              740                                                                   760
p r e cio $




                                                                      p r e cio $




                                                                                    740
              720
                                                                                    720
              700                                                                   700
              680                                                                   680
                                                                  l
                  e


                         b


                                r


                                       r




                                                                                                                                        l
                                                           n




                                                                                        e


                                                                                               b


                                                                                                      r


                                                                                                             r
                                                y




                                                               Ju




                                                                                                                                 n
                                                                                                                      y




                                                                                                                                     Ju
                             Ma


                                     Ab




                                                                                                   Ma


                                                                                                           Ab
               En


                      Fe




                                                        Ju
                                             Ma




                                                                                     En


                                                                                            Fe




                                                                                                                              Ju
                                                                                                                   Ma




                                     semana                                                                semana




      El suavizamiento de media móvil es muy fácil de aplicar, permite visualizar la tendencia de la
      serie. Pero tiene dos inconvenientes: No es posible obtener estimaciones de la tendencia en
      extremos y no entrega un medio para hacer predicciones.


      Si la serie presenta un efecto estacional de período k, es conveniente aplicar un suavizamiento
      de media móvil de orden k. En tal caso se elimina el efecto estacional, junto con la variación
      aleatoria, observándose solamente la tendencia.




                                                                                                                                     15
SUAVIZAMIENTO EXPONENCIAL


Este modelo se basa en que una observación suavizada, en tiempo t, es un promedio ponderado
entre el valor actual de la serie original y el valor de la serie suavizada, en el tiempo
inmediatamente anterior. Si Y(t) representa la serie de tiempo original, y Z(t) la serie de tiempo
suavizada, entonces lo anterior se puede escribir


                                         Z(t) = a ⋅ Y(t) + (1 − a) ⋅ Z(t - 1)
en que a es un número entre 0 y 1.


Si a es cercano a 1, la serie suavizada pondera más fuertemente el valor original, luego ambas
se parecen, y en consecuencia, el suavizamiento es poco.


Si a se acerca a 1/2, se ponderan moderadamente la serie original y la suavizada, por lo que el
suavizamiento es moderado.


Si a es cercano a cero, (1-a) es cercano a 1, y la serie suavizada pondera más fuertemente el
valor suavizado inmediatamente anterior, por lo que el suavizado es importante.


Consecuencia de la fórmula anterior es que la serie suavizada se puede expresar como



  Z(t ) = a ⋅ Y (t ) + a ⋅ (1 - a) ⋅ Y (t − 1) + a ⋅ (1 - a) 2 ⋅ Y (t − 2) + a ⋅ (1 - a) 3 ⋅ Y (t − 3) + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

Es decir, cada término suavizado es un promedio ponderado de todos los términos históricos de
la serie original, con ponderaciones

              a,         a ⋅ (1 − a),        a ⋅ (1 − a) 2 ,      a ⋅ (1 − a ) 3 ,     a ⋅ (1 − a ) 4 ,   etc.


Como a está entre 0 y 1, estos números se van achicando a medida que avanzan. Eso significa
que a medida que nos alejamos hacia el pasado, los término van influyendo cada vez menos en
el término presente. La rapidez con que disminuye la influencia es mayor mientras más grande
(cercano a 1) es a.


Los gráficos siguientes muestran las ponderaciones de los términos hacia el pasado, cuando a =
0.3 y cuando a = 0.7




                                                                                                                   16
a = 0.3                                                               a = 0.7
 0.80                                                                  0.80


 0.60                                                                  0.60


 0.40                                                                  0.40


 0.20                                                                  0.20


 0.00                                                                  0.00
        1   2   3   4   5    6   7 8 9 10 11 12 13 14 15                      1   2   3   4   5    6   7 8 9 10 11 12 13 14 15
                                 p asad o                                                              p asad o




Criterio para elegir a: Si la serie varía lentamente, se eligen valores de a cercanos a 0. (valor
típico a = 0.3). En cambio, si varía bruscamente, se eligen valores de a cercanos a 1 (valor
típico a = 0.7).


El método de suavizamiento exponencial sirve para hacer predicciones, pero sólo de un valor,
siguiente al último valor observado. Si se tienen observaciones Y(n), Y(n-1), Y(t-2), ... Y(n-k).


Si tratáramos de obtener el término Z(n+1) con la fórmula para el suavizamiento exponencial,
nos daría

                                            Z(n + 1) = a ⋅ Y(n + 1) + (1 − a) ⋅ Z(n)

pero como no tenemos una observación Y(n+1), la aproximamos por Y(n). Por lo tanto podemos
hacer una predicción para Y(n+1) con la fórmula del suavizamiento exponencial modificada de la
siguiente forma:

                                              Z(n + 1) = a ⋅ Y(n) + (1 - a) ⋅ Z (n)

Si se intentara hacer más de una predicción, daría el mismo valor, por eso que sólo se usa para
predecir un valor a la vez. Sin embargo, en la práctica, cada vez que aparece una nueva
observación real, se actualiza la fórmula anterior, pera predecir la siguiente. Así, cada vez que el
tiempo avanza en una unidad, se predice un nuevo valor a futuro.


El valor de a se que sirve mejor se suele buscar por un sistema de prueba y error, hasta
encontrar el que permite predecir mejor.




EJEMPLO 3
En la página siguiente se muestra el Producto Interno Bruto trimestral de Chile, desde el primer
trimestre de 1996 hasta el primer trimestre de 2003, en millones de pesos.




                                                                                                                                 17
Fuente: Banco Central de Chile.



                                                    Suavizamiento exponencial
            Año     Trim.           PIB          a = 0.3     a = 0.5     a = 0.7
            1996       I          7804934       7804934     7804934     7804934
                      II          8038772       7875085     7921853     7968620
                     III          7604665       7793959     7763259     7713852
                     IV           7788918       7792447     7776088     7766398
            1997       I          8141434       7897143     7958761     8028923
                      II          8431424       8057427     8195093     8310674
                     III          8238641       8111791     8216867     8260251
                     IV           8489194       8225012     8353030     8420511
            1998       I          8658075       8354931     8505553     8586806
                      II          8910964       8521741     8708258     8813716
                     III          8468861       8505877     8588559     8572317
                     IV           8338698       8455723     8463629     8408784
            1999       I          8572437       8490737     8518033     8523341
                      II          8571428       8514945     8544730     8557002
                     III          8334807       8460903     8439769     8401465
                     IV           8636370       8513543     8538069     8565899
            2000       I          8887713       8625794     8712891     8791169
                      II          8972978       8729949     8842935     8918435
                     III          8704303       8722255     8773619     8768543
                     IV           8971751       8797104     8872685     8910788
            2001       I          9175377       8910586     9024031     9096000
                      II          9342846       9040264     9183438     9268792
                     III          8960882       9016449     9072160     9053255
                     IV           9146981       9055609     9109571     9118863
            2002       I          9292810       9126769     9201190     9240626
                      II          9503990       9239935     9352590     9424981
                     III          9179436       9221786     9266013     9253099
                     IV           9435570       9285921     9350792     9380829
            2003       I          9621810       9386688     9486301     9549516

Junto a los datos se muestran tres suavizamientos exponenciales con a=0.3, a=0.5 y a=0.7.
Como no hay datos indefinidamente hacia el pasado, los primeros términos de la serie sauvizada
salen algo distorsionados, pues no consideran suficientes términos hacia atrás. La forma de
calcular es la siguiente, partiendo del primer trimestre 1996, que llamaremos t=1 :
                                            Z(1) = Y(1)
                                     Z(2) = a Y(2)+(1-a) Z(1)
                                     Z(3) = a Y(3)+(1-a) Z(2)
                                               etc.
Como se ve, Z(1) no contiene toda la historia hacia atrás, Z(2) sólo un término hacia el pasado,
Z(3) sólo 2, etc.
Los gráficos de la serie y los tres suavizamientos se muestran a continuación.




                                                                                               18
Producto Interno Bruto                                   Producto Interno Bruto
                                                                        Suavizam iento exponencial a = 0.3
         11.000.000
                                                                     11000000
   PIB




                                                               PIB
          7.000.000                                                   7000000




                                                                            96

                                                                            97

                                                                            98

                                                                            99

                                                                            00

                                                                            01

                                                                            02

                                                                            03
                 96

                 97

                 98

                 99

                 00

                 01

                 02

                 03




                                                                          19

                                                                          19

                                                                          19

                                                                          19

                                                                          20

                                                                          20

                                                                          20

                                                                          20
               19

               19

               19

               19

               20

               20

               20

               20
                               trim estre-año                                            trim estre-año




                                                                             Producto Interno Bruto
                 Producto Interno Bruto
                                                                        Suavizam iento exponencial a = 0.7
            Suavizam iento exponencial a = 0.5
                                                                     11000000
         11000000
   PIB




                                                               PIB




         7000000
                                                                     7000000
                96

                97

                98

                99

                00

                01

                02

                03
              19

              19

              19

              19

              20

              20

              20

              20




                                                                           96

                                                                           97

                                                                           98

                                                                           99

                                                                           00

                                                                           01

                                                                           02

                                                                           03
                                                                         19

                                                                         19

                                                                         19

                                                                         19

                                                                         20

                                                                         20

                                                                         20

                                                                         20
                               trim estre-año                                            trim estre-año




En los gráficos se puede apreciar que cuando la constante a es pequeña, cercana a cero, el
suavizamiento es significativo. A medida que aumenta a acercándose a 1, el suavizamiento es
menos y la serie suavizada se parece más a la serie original.


Se dispone de 29 datos. Es posible hacer una predicción del término de orden 30, que
corresponde al segundo trimestre de 2003, mediante la fórmula
                                         Z(30) = a Y(29) + (1-a) Z(29)
En el caso de a=0.3, se tiene


                Z(30) = 0.3 * 9621810 + 0.7 * 9386688 = 9457224 millones de pesos.


En el caso a=0.5, la predicción da 9554055 millones de pesos. Y en el caso a=0.7, se obtiene el
valor 9600122 millones. Observando el gráfico, ¿ Cuál de las tres predicciones parece ser mejor?




                                                                                                             19
PREGUNTAS


1.      ¿Que puede decir de la serie de tiempo de datos mensuales, cuyo gráfico se muestra a
continuación?




2.      Cuál es el objeto de suavizar una serie de tiempo?


3.      ¿En qué consiste el suavizamiento de media móvil, de una serie de tiempo ?


4.      Explique por qué los promedios móviles y el suavizamiento exponencial "suavizan" una
serie de tiempo, es decir, reducen la variación aleatoria.


5.      ¿En qué consiste el suavizamientos de media móvil ?


6.      Señale una diferencia entre el modelo clásico de series de tiempo y el suavizamiento por
medias móviles, referente al uso que pueden tener.


7.      Se tiene una serie de tiempo con datos económicos mensuales. A partir de ella se obtuvo
una serie desestacionalizada y sin tendencia. Explique qué significa esto.


8.      Señale una diferencia esencial entre el suavizamiento de una serie de tiempo por
promedios móviles y el suavizamiento exponencial.



9.      ¿Que puede decir de la serie de tiempo de datos mensuales, cuyo gráfico se muestra a
continuación, en relación a tendencia y estacionalidad?




                                                                                               20
10.    ¿En qué consiste el suavizamiento exponencial?


11.    Se tiene una serie de tiempo con datos económicos mensuales. A partir de ella se obtuvo
una serie desestacionalizada y sin tendencia. Explique qué significa esto.




                                                                                            21

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  • 1. METODOS ELEMENTALES DE PROCESAMIENTO DE SERIES DE TIEMPO Jorge Galbiati Riesco En este apunte se da una visión general sobre algunos procedimientos en el análisis en series de tiempo. Inicialmente presentamos el problema general de predicción, luego presentamos métodos clásicos ó ingenuos de suavizamiento en el análisis de series de tiempo. La aplicación de estas técnicas requieren de trabajo computacional que debe ser complementado en la ejercitación de este curso. El material presentado fue escrito en base a apuntes del profesor Renato Allende, que tuvo como referencia notas de clase de los profesores Pilar Iglesias y Eduardo Engel. INTRODUCCION Una de las motivaciones para el estudio del tema surge desde tiempos remotos donde una de las principales inquietudes del hombre ha sido estimar el futuro utilizando información del presente y del pasado. Esto se llama predecir. Es evidente que las diversas instituciones requieren conocer el comportamiento futuro de ciertos fenómenos con el fin de planificar, prever o prevenir. La Estadística ha desarrollado teoría y métodos que apuntan a resolver el problema de predicción. Sin embargo, este no puede ser resuelto por argumentos puramente matemáticos, debe ser el resultado de una combinación matemático-especialista. La predicción es una Ciencia y es un Arte, y la mayor dificultad es la mala comunicación entre los analistas de información y de predicción y los usuarios de éstas. DEFINICION BÁSICA DE SERIE DE TIEMPO Una serie de tiempo es una colección o conjunto de mediciones de cierto fenómeno o experimento registrados secuencialmente en el tiempo, en forma equiespaciada ( a intevalos de tiempo iguales) . Las observaciones de una serie de tiempo serán denotadas por Y(t1), Y(t2) ,... , Y(tn) donde Y(ti) es el valor tomado por el proceso en el instante ti. 1
  • 2. Ejemplos de series de tiempo 1. Economía: Precios de un articulo, tasas de desempleo, tasa de inflación, índice de precios, precio del dólar, precio del cobre, precios de acciones, ingreso nacional bruto, etc. 2. Meteorología: Cantidad de agua caída, temperatura máxima diaria, Velocidad del viento (energía eólica), energía solar, etc. 3. Geofísica: Series sismológicas. 4. Química: Viscosidad de un proceso, temperatura de un proceso. 5. Demografía: Tasas de natalidad, tasas de mortalidad. 6. Medicina: Electrocardiograma, electroencéfalograma. 7. Marketing: Series de demanda, gastos, utilidades, ventas, ofertas. 8. Telecomunicaciones: Análisis de señales. 9. Transporte: Series de tráfico. ANALISIS GRAFICO DE UNA SERIE DE TIEMPO Por muy simple que parezca, el paso más importante en el análisis de series de tiempo consiste en graficar la serie. 2
  • 3. Esto debe hacerse siempre, independiente de cuán simples o complejos sean los procedimientos que se emplean posteriormente. El gráfico de la serie permitirá detectar los siguientes elementos: a) Outliers: Se refiere a puntos de la serie que se escapan de lo normal. Si se sospecha que una observación es un outliers, se debe reunir información adicional sobre posibles factores que afectaron el proceso. Por ejemplo, en un estudio de la producción diaria de cobre se presentó la siguiente situación: b) Tendencias La tendencia representa el comportamiento predominante de la serie. Esta puede ser definida vagamente como el cambio de la media a lo largo de un extenso período de tiempo. 3
  • 4. c) Variaciones cíclicas o estacionales La variación estacional representa un movimiento periódico de la serie de tiempo. La duración del período puede ser un año, un trimestre, un mes, un día, etc. Se suele hacer una distinción entre cíclicas y estacionarias. Estas últimas ocurren con períodos identificables, como la estacionalidad del empleo, o de la venta de ciertos productos, cuyo período es un año. El término variación cíclica se suele referir a ciclos grandes, cuyo período no es atribuible a alguna causa. Por ejemplo, fenómenos climáticos, que tienen ciclos que duran varios años. Las tendencias y estacionalidades pueden darse simultáneamente. 4
  • 5. d) Variaciones aleatorias. Los movimientos irregulares (al azar) representan todos los tipos de movimientos de una serie de tiempo que no sea tendencia, variaciones estacionales y fluctuaciones cíclicas. El análisis gráfico de los datos se acostumbra a resumir en una tabla como la que siguiente: Tabla de familiarización Estacionalidad Tendencia Aleatoria Alta Media Baja Ejercicios: 1) Para cada una de las series graficadas a continuación realizar al análisis gráfico completando la tabla de familiarización. 5
  • 6. Serie A Serie B 2) Construya la grafica y la tabla de familiarización para la siguiente serie. Planificación de un casino Objetivos: Planificación de compra de alimentos y necesidades de servicio para satisfacer la demanda de almuerzo en un gran casino. Descripción de la serie. Serie: Número de almuerzos servidos por mes en el casino II de la Universidad de Campinas-Brasil para el período de enero 1977 a marzo de 1980, de acuerdo a la administración general del restaurante. Tabla de datos t Y(t) t Y(t) t Y(t) 1 20636 14 28183 27 63167 2 18708 15 56632 28 42520 3 62944 16 56641 29 50572 4 50272 17 56555 30 53875 5 69375 18 57185 31 27233 6 50056 19 33906 32 57942 7 20604 20 67261 33 47610 8 54947 21 52232 34 61738 9 50576 22 58232 35 51168 10 50425 23 45726 36 26370 11 44202 24 24550 37 42964 12 27604 25 30954 38 42748 13 28791 26 34295 39 62390 6
  • 7. Modelos Clásicos Un modelo clásico de series de tiempo, supone que la serie Y(1), ..., Y(n) puede ser expresada como suma o producto de tres componentes: tendencia, componente estacional y un término de error aleatorio: 1. Y(t) = T(t)+E(t)+A(t) Modelo aditivo 2. Y(t) = T(t) E(t) A(t) Modelo multiplicativo donde: T: Tendencia de la serie. E: Variación Estacional. A: Variaciones aleatorias. El gráfico siguiente muestra la serie y sus componentes, para el caso aditivo El problema que se presenta es modelar adecuadamente las componentes de la serie. 7
  • 8. ESTIMACIÓN DE LA TENDENCIA Hay varios métodos para estimar la tendencia T(t), uno de ellos es utilizar un modelo de regresión lineal. Se pueden utilizar otros tipos de regresiones, como regresión cuadrática, logística, exponencial, entre otros. EJEMPLO 1: La tabla presenta parte de los datos de una serie de energía eléctrica. Son 24 datos mensuales referentes a los años 1977 a 1978. Consumo de Energía Eléctrica t Y(t) t Y(t) 1 84,6 13 110,3 2 89,9 14 118,1 3 81,9 15 116,5 4 95,4 16 134,2 5 91,2 17 134,7 6 89,8 18 144,8 7 89,7 19 144,4 8 97,9 20 159,2 9 103,4 21 168,2 10 107,6 22 175,2 11 120,4 23 174,5 12 109,6 24 173,7 Consumo electrico 200 consumo 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 mes El modelo de tendencia propuesto es un modelo de regresión lineal: Y(t) = a + b t + A(t) Por mínimos cuadrados se obtiene 8
  • 9. T(t) = 68.45 + 4.24 * t La serie sin tendencia se ve de la siguiente manera: Consumo electrico 15.00 10.00 5.00 consumo 0.00 -5.00 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 -10.00 -15.00 -20.00 mes Se observa un ciclo que dura casi todo el período observado, de 24 meses. ESTIMACION DE LA COMPONENTE ESTACIONAL Para estimarla, se debe conocer el período, y se deben tener datos de varios períodos consecutivos. Por ejemplo, datos mensuales, estacionalidad de un año. EJEMPLO 2 Indicador Mensual de Actividad Económica (IMACEC). Base del índice : 1996=100 Corresponde al nuevo Indicador Mensual de Actividad Económica (Imacec), estructurado a base de la matriz insumo-producto de 1996. La cobertura de este indicador comprende casi la totalidad de las actividades económicas incluidas en el PIB. Las cifras de 2000 y 2001 son provisionales. Las cifras de 2002 y 2003 son preliminares. Fuente: Banco Central de Chile. 9
  • 10. 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 Enero 99.6 105.0 110.8 109.2 112.6 116.4 119.7 122.6 Febrero 94.9 98.6 104.3 103.7 107.6 111.8 113.0 118.3 Marzo 105.4 109.1 117.5 116.4 121.2 124.3 124.4 128.8 Abril 103.4 108.1 116.1 108.0 113.8 118.0 122.0 125.3 Mayo 104.2 109.2 114.4 111.2 117.9 121.7 123.0 126.1 Junio 101.3 106.5 111.9 110.0 113.1 119.1 120.1 Julio 98.7 107.1 110.9 106.4 112.3 116.0 118.9 Agosto 98.7 105.6 109.0 108.1 113.4 116.9 119.1 Septiembre 94.8 103.8 105.4 105.7 108.6 111.4 114.6 Octubre 102.0 110.9 107.7 109.2 115.4 118.4 121.7 Noviembre 98.0 106.8 106.1 110.7 114.9 117.3 119.9 Diciembre 99.2 108.4 106.5 111.9 114.4 115.7 120.9 Indicador Mensual Actividad Económica 140.0 120.0 100.0 IMACEC 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 96 97 98 99 00 01 02 03 19 19 19 19 20 20 20 20 m es-año Se estima la tendencia por regresión lineal Y (t ) = a + bt + A(t ) dando el siguiente resultado: Intercepto a = 100.3 . Corresponde al valor de partida. Pendiente b = 0.253 . Corresponde al aumento medio mensual. Coeficiente de determinación R2 = 0.74, que indica un ajuste moderadamente bueno. El error estándar de los errores se estimó en 3.98. La recta de regresión correspondiente a la tendencia se muestra en el siguiente gráfico: 10
  • 11. Tendencia Indicador Mensual Actividad Económica 140 120 100 IMACEC 80 60 40 20 0 96 97 98 99 00 01 02 03 19 19 19 19 20 20 20 20 m es-año Asumiremos un modelo clásico aditivo. Entonces para obtener una estimación de la estacionalidad, restamos los valores ajustados de la tendencia a los datos, obteniendo una serie sin tendencia. Luego promediamos todos los valores de enero, los de febrero, los de marzo, etc., obteniendo doce valores mensuales promedio: Mes Prom. Enero 0.8 Febrero -4.9 Marzo 6.7 Abril 2.4 Mayo 3.8 Junio 0.8 Julio -1.2 Agosto -1.3 Septiembre -5.4 Octubre 0.2 Noviembre -1.7 Diciembre -1.5 que se muestran en el siguiente gráfico: Compone nte Cíclica Indicador M e nsual Activ idad Económica 20 15 10 IMACEC 5 0 -5 -10 96 97 98 99 00 01 02 19 19 19 19 20 20 20 m es-año 11
  • 12. Se observan valores altos a partir de marzo, y bajos en torno a septiembre. Si recomponemos la serie con tendencia y componente cíclica, sin la componente aleatoria, tenemos la situación que se ilustra en el gráfico siguiente: Te nde ncia más Compone nte Cíclica Indicador M e nsual Activ idad Económica 140 120 100 IMACEC 80 60 40 20 0 96 97 98 99 00 01 02 19 19 19 19 20 20 20 m es-año Con esto se pueden hacer predicciones futuras, extrapolando la recta de regresión y sumándole la componente cíclica del mes correspondiente. Dentro de un rango limitado, estas predicciones pueden ser acertadas. A continuación se muestra el gráfico de la componente aleatoria sola. Componente Aleatoria Indicador M ensual Activ idad Económica 20 15 10 IMACEC 5 0 -5 -10 96 97 98 99 00 01 02 19 19 19 19 20 20 20 m es-año Si se usa el modelo multiplicativo, el procedimiento es parecido. Nota: Junto con las series de datos como esta, el Banco Central también entrega series sin tendencia y desestacionalizadas. 12
  • 13. SUAVIZAMIENTO DE SERIES DE TIEMPO Una forma de visualizar la tendencia, es mediante suavizamiento de la serie. La idea central es definir a partir de la serie observada una nueva serie que filtra o suaviza los efectos ajenos a la tendencia (estacionalidad, efectos aleatorios), de manera que podamos visualizar la tendencia. Serie original Serie suavizada Promedio Móvil. Este método de suavizamiento es uno de los más usados para describir la tendencia. Consiste en fijar un número k, preferentemente impar, como 3, 5, 7, etc., y calcular los promedios de todos los grupos de k términos consecutivos de la serie. Se obtiene una nueva serie suavizada por promedios móviles de orden k. De este modo se tienden a anular las variaciones aleatorias. Por ejemplo, consideremos una serie de seis observaciones y fijemos el orden k=3. Entonces los términos de la serie suavizada son t Y (t ) Z (t ) media móvil de orden k = 3 ______________________________________ 1 Y (1) − Y (1) + Y (2) + Y (3) 2 Y (2) Z(2) = 3 Y (2) + Y (3) + Y (4) 3 Y (3) Z(3) = 3 Y (3) + Y (4) + Y (5) 4 Y ( 4) Z(4) = 3 Y (4) + Y (5) + Y (6) 5 Y (5) Z(5) = 3 6 Y (6) − 13
  • 14. Nótese que Z(1) y Z(6) no se pueden calcular. En general, se pierden k/2 términos en cada extremo. EJEMPLO 3. Precio del dólar observado, días miércoles, enero a junio año 2003. Fuente: Banco Central de Chile. En las columnas 3 a 6, se entregan los promedios móviles de orden 3, 5, 7 y 9, respectivamente. m es p re c io k=3 k=5 k=7 k=9 Ene 7 1 3 .4 7 1 2 .6 7 1 7 .5 7 2 6 .6 7 2 5 .4 7 2 5 .7 7 3 7 .1 7 3 4 .2 7 3 1 .6 7 3 0 .3 Feb 7 3 8 .9 7 3 9 .7 7 3 7 .2 7 3 6 .2 7 3 5 .5 7 4 3 .1 7 4 0 .7 7 4 2 .9 7 4 2 .0 7 4 0 .1 7 4 0 .2 7 4 6 .2 7 4 6 .0 7 4 6 .0 7 4 2 .8 7 5 5 .3 7 4 9 .4 7 4 9 .2 7 4 5 .9 7 4 3 .0 M ar 7 5 2 .8 7 5 4 .3 7 4 7 .9 7 4 4 .4 7 4 2 .2 7 5 4 .8 7 4 8 .0 7 4 5 .5 7 4 2 .5 7 4 0 .1 7 3 6 .5 7 3 9 .9 7 4 0 .4 7 3 9 .6 7 3 7 .4 7 2 8 .3 7 3 1 .5 7 3 3 .9 7 3 4 .4 7 3 4 .7 Abr 7 2 9 .8 7 2 6 .0 7 2 6 .6 7 2 9 .2 7 2 9 .2 7 2 0 .0 7 2 2 .8 7 2 2 .6 7 2 2 .1 7 2 3 .4 7 1 8 .7 7 1 8 .4 7 1 8 .0 7 1 7 .1 7 1 6 .7 7 1 6 .5 7 1 3 .5 7 1 2 .3 7 1 2 .2 7 1 4 .2 M ay 7 0 5 .3 7 0 7 .7 7 0 7 .2 7 0 9 .9 7 1 2 .4 7 0 1 .2 7 0 0 .2 7 0 6 .2 7 0 8 .8 7 1 0 .5 6 9 4 .2 7 0 3 .1 7 0 5 .3 7 0 8 .0 7 1 0 .2 7 1 3 .7 7 0 6 .7 7 0 6 .9 7 0 8 .2 7 0 8 .8 Jun 7 1 2 .2 7 1 3 .0 7 1 0 .1 7 0 8 .2 7 0 7 .3 7 1 3 .0 7 1 4 .2 7 1 2 .5 7 0 8 .5 7 1 7 .4 7 1 2 .1 7 1 0 .3 7 0 6 .0 7 0 8 .8 Jul 7 0 3 .1 La serie original aparece graficada a continuación. Precio del dolar observado 2003 760.0 740.0 precio $ 720.0 700.0 680.0 660.0 e b ar br l n ay Ju En Fe Ju M A M sem ana 14
  • 15. Los gráficos siguientes corresponden a las medias móviles. Se observa cómo a medida que aumenta el orden, el efecto del suavizado es mayor. Pero también se pierden más datos en los extremos. Precio del dolar observado 2003 Precio del dolar observado 2003 Media móvil orden 3 Media móvil orden 5 760 760 740 740 p r e cio $ p r e cio $ 720 720 700 680 700 660 680 l e b l r r e b r r n n y y Ju Ju Ma Ab Ma Ab En Fe En Fe Ju Ma Ju Ma semana semana Precio del dolar observado 2003 Precio del dolar observado 2003 Media móvil orden 7 Media móvil orden 9 760 740 760 p r e cio $ p r e cio $ 740 720 720 700 700 680 680 l e b r r l n e b r r y Ju n y Ju Ma Ab Ma Ab En Fe Ju Ma En Fe Ju Ma semana semana El suavizamiento de media móvil es muy fácil de aplicar, permite visualizar la tendencia de la serie. Pero tiene dos inconvenientes: No es posible obtener estimaciones de la tendencia en extremos y no entrega un medio para hacer predicciones. Si la serie presenta un efecto estacional de período k, es conveniente aplicar un suavizamiento de media móvil de orden k. En tal caso se elimina el efecto estacional, junto con la variación aleatoria, observándose solamente la tendencia. 15
  • 16. SUAVIZAMIENTO EXPONENCIAL Este modelo se basa en que una observación suavizada, en tiempo t, es un promedio ponderado entre el valor actual de la serie original y el valor de la serie suavizada, en el tiempo inmediatamente anterior. Si Y(t) representa la serie de tiempo original, y Z(t) la serie de tiempo suavizada, entonces lo anterior se puede escribir Z(t) = a ⋅ Y(t) + (1 − a) ⋅ Z(t - 1) en que a es un número entre 0 y 1. Si a es cercano a 1, la serie suavizada pondera más fuertemente el valor original, luego ambas se parecen, y en consecuencia, el suavizamiento es poco. Si a se acerca a 1/2, se ponderan moderadamente la serie original y la suavizada, por lo que el suavizamiento es moderado. Si a es cercano a cero, (1-a) es cercano a 1, y la serie suavizada pondera más fuertemente el valor suavizado inmediatamente anterior, por lo que el suavizado es importante. Consecuencia de la fórmula anterior es que la serie suavizada se puede expresar como Z(t ) = a ⋅ Y (t ) + a ⋅ (1 - a) ⋅ Y (t − 1) + a ⋅ (1 - a) 2 ⋅ Y (t − 2) + a ⋅ (1 - a) 3 ⋅ Y (t − 3) + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ Es decir, cada término suavizado es un promedio ponderado de todos los términos históricos de la serie original, con ponderaciones a, a ⋅ (1 − a), a ⋅ (1 − a) 2 , a ⋅ (1 − a ) 3 , a ⋅ (1 − a ) 4 , etc. Como a está entre 0 y 1, estos números se van achicando a medida que avanzan. Eso significa que a medida que nos alejamos hacia el pasado, los término van influyendo cada vez menos en el término presente. La rapidez con que disminuye la influencia es mayor mientras más grande (cercano a 1) es a. Los gráficos siguientes muestran las ponderaciones de los términos hacia el pasado, cuando a = 0.3 y cuando a = 0.7 16
  • 17. a = 0.3 a = 0.7 0.80 0.80 0.60 0.60 0.40 0.40 0.20 0.20 0.00 0.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 p asad o p asad o Criterio para elegir a: Si la serie varía lentamente, se eligen valores de a cercanos a 0. (valor típico a = 0.3). En cambio, si varía bruscamente, se eligen valores de a cercanos a 1 (valor típico a = 0.7). El método de suavizamiento exponencial sirve para hacer predicciones, pero sólo de un valor, siguiente al último valor observado. Si se tienen observaciones Y(n), Y(n-1), Y(t-2), ... Y(n-k). Si tratáramos de obtener el término Z(n+1) con la fórmula para el suavizamiento exponencial, nos daría Z(n + 1) = a ⋅ Y(n + 1) + (1 − a) ⋅ Z(n) pero como no tenemos una observación Y(n+1), la aproximamos por Y(n). Por lo tanto podemos hacer una predicción para Y(n+1) con la fórmula del suavizamiento exponencial modificada de la siguiente forma: Z(n + 1) = a ⋅ Y(n) + (1 - a) ⋅ Z (n) Si se intentara hacer más de una predicción, daría el mismo valor, por eso que sólo se usa para predecir un valor a la vez. Sin embargo, en la práctica, cada vez que aparece una nueva observación real, se actualiza la fórmula anterior, pera predecir la siguiente. Así, cada vez que el tiempo avanza en una unidad, se predice un nuevo valor a futuro. El valor de a se que sirve mejor se suele buscar por un sistema de prueba y error, hasta encontrar el que permite predecir mejor. EJEMPLO 3 En la página siguiente se muestra el Producto Interno Bruto trimestral de Chile, desde el primer trimestre de 1996 hasta el primer trimestre de 2003, en millones de pesos. 17
  • 18. Fuente: Banco Central de Chile. Suavizamiento exponencial Año Trim. PIB a = 0.3 a = 0.5 a = 0.7 1996 I 7804934 7804934 7804934 7804934 II 8038772 7875085 7921853 7968620 III 7604665 7793959 7763259 7713852 IV 7788918 7792447 7776088 7766398 1997 I 8141434 7897143 7958761 8028923 II 8431424 8057427 8195093 8310674 III 8238641 8111791 8216867 8260251 IV 8489194 8225012 8353030 8420511 1998 I 8658075 8354931 8505553 8586806 II 8910964 8521741 8708258 8813716 III 8468861 8505877 8588559 8572317 IV 8338698 8455723 8463629 8408784 1999 I 8572437 8490737 8518033 8523341 II 8571428 8514945 8544730 8557002 III 8334807 8460903 8439769 8401465 IV 8636370 8513543 8538069 8565899 2000 I 8887713 8625794 8712891 8791169 II 8972978 8729949 8842935 8918435 III 8704303 8722255 8773619 8768543 IV 8971751 8797104 8872685 8910788 2001 I 9175377 8910586 9024031 9096000 II 9342846 9040264 9183438 9268792 III 8960882 9016449 9072160 9053255 IV 9146981 9055609 9109571 9118863 2002 I 9292810 9126769 9201190 9240626 II 9503990 9239935 9352590 9424981 III 9179436 9221786 9266013 9253099 IV 9435570 9285921 9350792 9380829 2003 I 9621810 9386688 9486301 9549516 Junto a los datos se muestran tres suavizamientos exponenciales con a=0.3, a=0.5 y a=0.7. Como no hay datos indefinidamente hacia el pasado, los primeros términos de la serie sauvizada salen algo distorsionados, pues no consideran suficientes términos hacia atrás. La forma de calcular es la siguiente, partiendo del primer trimestre 1996, que llamaremos t=1 : Z(1) = Y(1) Z(2) = a Y(2)+(1-a) Z(1) Z(3) = a Y(3)+(1-a) Z(2) etc. Como se ve, Z(1) no contiene toda la historia hacia atrás, Z(2) sólo un término hacia el pasado, Z(3) sólo 2, etc. Los gráficos de la serie y los tres suavizamientos se muestran a continuación. 18
  • 19. Producto Interno Bruto Producto Interno Bruto Suavizam iento exponencial a = 0.3 11.000.000 11000000 PIB PIB 7.000.000 7000000 96 97 98 99 00 01 02 03 96 97 98 99 00 01 02 03 19 19 19 19 20 20 20 20 19 19 19 19 20 20 20 20 trim estre-año trim estre-año Producto Interno Bruto Producto Interno Bruto Suavizam iento exponencial a = 0.7 Suavizam iento exponencial a = 0.5 11000000 11000000 PIB PIB 7000000 7000000 96 97 98 99 00 01 02 03 19 19 19 19 20 20 20 20 96 97 98 99 00 01 02 03 19 19 19 19 20 20 20 20 trim estre-año trim estre-año En los gráficos se puede apreciar que cuando la constante a es pequeña, cercana a cero, el suavizamiento es significativo. A medida que aumenta a acercándose a 1, el suavizamiento es menos y la serie suavizada se parece más a la serie original. Se dispone de 29 datos. Es posible hacer una predicción del término de orden 30, que corresponde al segundo trimestre de 2003, mediante la fórmula Z(30) = a Y(29) + (1-a) Z(29) En el caso de a=0.3, se tiene Z(30) = 0.3 * 9621810 + 0.7 * 9386688 = 9457224 millones de pesos. En el caso a=0.5, la predicción da 9554055 millones de pesos. Y en el caso a=0.7, se obtiene el valor 9600122 millones. Observando el gráfico, ¿ Cuál de las tres predicciones parece ser mejor? 19
  • 20. PREGUNTAS 1. ¿Que puede decir de la serie de tiempo de datos mensuales, cuyo gráfico se muestra a continuación? 2. Cuál es el objeto de suavizar una serie de tiempo? 3. ¿En qué consiste el suavizamiento de media móvil, de una serie de tiempo ? 4. Explique por qué los promedios móviles y el suavizamiento exponencial "suavizan" una serie de tiempo, es decir, reducen la variación aleatoria. 5. ¿En qué consiste el suavizamientos de media móvil ? 6. Señale una diferencia entre el modelo clásico de series de tiempo y el suavizamiento por medias móviles, referente al uso que pueden tener. 7. Se tiene una serie de tiempo con datos económicos mensuales. A partir de ella se obtuvo una serie desestacionalizada y sin tendencia. Explique qué significa esto. 8. Señale una diferencia esencial entre el suavizamiento de una serie de tiempo por promedios móviles y el suavizamiento exponencial. 9. ¿Que puede decir de la serie de tiempo de datos mensuales, cuyo gráfico se muestra a continuación, en relación a tendencia y estacionalidad? 20
  • 21. 10. ¿En qué consiste el suavizamiento exponencial? 11. Se tiene una serie de tiempo con datos económicos mensuales. A partir de ella se obtuvo una serie desestacionalizada y sin tendencia. Explique qué significa esto. 21