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Predicción de series temporales en Python¶
Para explicar cómo podemos hacer predicción sobre series temporales, utilizaremos un famoso conjunto de datos sobre la evolución del número de pasajeros en una famosa aerolínea americana desde 1949 a 1960.
Paso 1. Lectura del conjunto de datos¶
import seaborn as sns
total_data = sns.load_dataset("flights")
total_data.head()
El conjunto de datos en crudo nos serviría para realizar un proceso de Machine Learning usual como los que hemos visto en pasados módulos. En esta ocasión, necesitamos aplicar una transformación del mismo para generar una serie temporal con dos dimensiones: la temporal y la del dato que queremos analizar y predecir. En este caso la dimensión temporal estará compuesta por el mes (month) y el año (year) y el dato que observaremos a lo largo del tiempo será el número de pasajeros (passengers).
import pandas as pd
total_data["month"] = pd.to_datetime(total_data.month, format = "%b").dt.month
total_data["date"] = pd.to_datetime(total_data[["year", "month"]].assign(day = 1))
total_data = total_data.set_index("date")
ts = total_data["passengers"]
ts.head()
A continuación visualizaremos la serie temporal para llevar a cabo un análisis visual de la misma:
import matplotlib.pyplot as plt
fig, axis = plt.subplots(figsize = (10, 5))
sns.lineplot(data = ts)
plt.tight_layout()
plt.show()
Paso 2. Análisis de una serie temporal¶
Para analizar una serie temporal, como vimos en la teoría, debemos estudiar varios parámetros:
- Tendencia: Se aprecia una tendencia ascendente, lo que indica que el número de pasajeros ha aumentado a lo largo del tiempo. Esto puede deberse a varios factores: crecimiento de la industria aeronática y dotación de más recursos para movilizar pasajeros, reducción de precios, un mayor interés por los viajes aéreos, etcétera.
- Estacionalidad: Se observa cierta estacionalidad en los datos, con ciertos meses que consistentemente tienen más vuelos que otros. Esto podría deberse a la demanda estacional (más personas volando durante las vacaciones, por ejemplo).
- Variabilidad: Se observan ciertos puntos de variabilidad en la serie temporal, sobre todo entre los periodos de aumento y disminución en la demanda.
- Puntos atípicos (Outliers): Estudiando la tendencia y la estacionalidad de la serie temporal, no se aprecian outliers en la serie temporal.
- Puntos de inflexión: Dependiendo del año, el aumento en el número de pasajeros no es regular y a veces se producen variaciones en la pendiente; esto son, puntos de inflexión.
A través de un análisis visual podríamos ser capaces de estimar estas métricas a ojo, pero siempre es mejor orientar el análisis a los datos matemáticos. Para la labor de realizar predicciones sobre series temporales y analizarlas, nos apoyaremos en la librería statsmodels:
Descomposición de la serie¶
La descomposición de una serie temporal es un proceso estadístico que separa de una serie de tiempo en varios elementos diferenciados. Cada uno de estos componentes representa una parte de la estructura subyacente de la serie temporal. La descomposición de una serie de tiempo puede ser muy útil para entender mejor los datos y tomar decisiones informadas al construir modelos de pronóstico.
Utilizamos la función seasonal_decompose de la biblioteca statsmodels para descomponer la serie de tiempo en sus componentes de tendencia, estacionalidad y residuos.
from statsmodels.tsa.seasonal import seasonal_decompose
decomposition = seasonal_decompose(ts, period = 12)
decomposition
Análisis de la tendencia¶
La tendencia se refiere a la dirección general en la que se mueven los datos. Para acceder a su información recurrimos a la componente trend de la descomposición.
trend = decomposition.trend
fig, axis = plt.subplots(figsize = (10, 5))
sns.lineplot(data = ts)
sns.lineplot(data = trend)
plt.tight_layout()
plt.show()
Se confirma lo observado: una clara tendencia positiva a lo largo de los años.
Análisis de la estacionalidad¶
La tendencia se refiere a los patrones repetitivos en los datos. Para acceder a su información recurrimos a la componente seasonal de la descomposición.
seasonal = decomposition.seasonal
fig, axis = plt.subplots(figsize = (10, 5))
sns.lineplot(data = ts)
sns.lineplot(data = seasonal)
plt.tight_layout()
plt.show()
Para evaluar la estacionalidad de la serie temporal podemos aplicar la llamada Prueba de Dickey-Fuller (Dickey-Fuller test), que es un contraste de hipótesis en el que la hipótesis nula es que la serie es estacionaria, y la alternativa, que es no estacionaria:
from statsmodels.tsa.stattools import adfuller
def test_stationarity(timeseries):
print("Resultados de la prueba de Dickey-Fuller:")
dftest = adfuller(timeseries, autolag = "AIC")
dfoutput = pd.Series(dftest[0:4], index = ["Test Statistic", "p-value", "#Lags Used", "Number of Observations Used"])
for key,value in dftest[4].items():
dfoutput["Critical Value (%s)"%key] = value
return dfoutput
test_stationarity(ts)
Aquí podemos ver que el valor p es mayor a 0.05, esto significa que nuestra hipótesis nula será rechazada y tomaremos esta serie como no estacionaria.
Análisis de la variabilidad¶
La variabilidad implica el estudio de los residuos: que es cómo fluctúan los datos una vez se ha estudiado la tendencia y la estacionalidad. Para acceder a su información recurrimos a la componente resid de la descomposición.
residual = decomposition.resid
fig, axis = plt.subplots(figsize = (10, 5))
sns.lineplot(data = ts)
sns.lineplot(data = residual)
plt.tight_layout()
plt.show()
Se confirma en parte lo observado, ya que la carga de residuos se hace más notable al inicio y al final del periodo estudiado.
Análisis de la autocorrelación¶
La autocorrelación es la correlación de una serie de tiempo con una copia retrasada de sí misma. Este gráfico nos ayuda a ver si los valores en la serie de tiempo están correlacionados con los valores anteriores.
from statsmodels.graphics.tsaplots import plot_acf
plot_acf(ts)
plt.tight_layout()
plt.show()
Se aprecia una alta correlación entre los puntos y sus copias retrasadas, que disminuye a lo largo del tiempo.
Paso 3: Entrenamiento del modelo¶
Un modelo consta de tres hiperparámetros:
p: El orden del componente autoregresivo (AR).d: El grado de diferenciación necesario para hacer la serie de tiempo estacionaria.q: El orden del componente de media móvil (MA).
El estudio de estos hiperparámetros escapa nuestra función ya que es un análisis puramente matemático-estadístico. Hoy en día existen herramientas que nos facilitan la vida estimando de forma interna los hiperparámetros más apropiados y generando el mejor modelo posible como el paquete pmdarima y su función auto_arima. Lo único que tenemos que considerar es que para optimizar al máximo sus resultados, debemos transformar la serie en estacionaria, y como en el caso de esta serie no lo es, debemos transformarla:
ts_stationary = ts.diff().dropna()
test_stationarity(ts_stationary)
Ahora la serie si que lo es, y podemos aplicar el método ARIMA automático:
from pmdarima import auto_arima
model = auto_arima(ts_stationary, seasonal = True, trace = True, m = 12)
Como podemos ver, la función hace una búsqueda en el espacio de soluciones posible para estimar los mejores parámetros. En este caso tendríamos un . El modelo que devuelve esta función es totalmente usable, como cualquier otro que hayamos visto, y su función summary() devuelve información estadística y sobre su rendimiento que tiene gran valor:
model.summary()
Paso 3: Predicción del modelo¶
Una vez se ha entrenado el modelo, se puede utilizar para predecir a futuro (predeciremos los siguientes 10 meses)
forecast = model.predict(10)
forecast
import matplotlib.pyplot as plt
fig, axis = plt.subplots(figsize = (10, 5))
sns.lineplot(data = ts_stationary)
sns.lineplot(data = forecast, c = "green")
plt.tight_layout()
plt.show()
Ahora nuestro modelo es capaz de realizar predicciones a futuro sobre nuestra serie estacionaria.