1996 - Design of Moving Average Trend Filters Using Fidelity... - Gray, Thomson

5/18/2018 1996 - Design of Moving Average Trend Filters Using Fidelity... - Gray, Thomson

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B U R E A U O F T H E C E N S U S

S T A T I S T I C A L R E S E A R C H D I V I S I O N

S t a t i s t i c a l R e s e a r c h R e p o r t S e r i e s

N o . R R 9 6 0 1

D e s i g n o f M o v i n g - A v e r a g e T r e n d F i l t e r s u s i n g

F i d e l i t y , S m o o t h n e s s a n d M i n i m u m R e v i s i o n s C r i t e r i a

A l i s t a i r G r a y a n d P e t e r T h o m s o n

I n s t i t u t e o f S t a t i s t i c s a n d O p e r a t i o n s R e s e a r c h

V i c t o r i a U n i v e r s i t y o f W e l l i n g t o n

P O B o x 6 0 0 , W e l l i n g t o n , N e w Z e a l a n d

R e p o r t I s s u e d : 2 7 9 7

T h i s s e r i e s c o n t a i n s r e s e a r c h r e p o r t s , w r i t t e n b y o r i n c o o p e r a t i o n w i t h , s t a m e m b e r s o f

t h e S t a t i s t i c a l R e s e a r c h D i v i s i o n , w h o s e c o n t e n t m a y b e o f i n t e r e s t t o t h e g e n e r a l s t a t i s t i c a l

r e s e a r c h c o m m u n i t y . T h e v i e w s r e e c t e d i n t h e s e r e p o r t s a r e n o t n e c e s s a r i l y t h o s e o f t h e

C e n s u s B u r e a u n o r d o t h e y n e c e s s a r i l y r e p r e s e n t C e n s u s B u r e a u s t a t i s t i c a l p o l i c y o r p r a c -

t i c e . I n q u i r i e s m a y b e a d d r e s s e d t o t h e a u t h o r s o r t h e S R D R e p o r t S e r i e s C o o r d i n a t o r ,

S t a t i s t i c a l R e s e a r c h D i v i s i o n , B u r e a u o f t h e C e n s u s , W a s h i n g t o n D C 2 0 2 3 3 .


2/100

A b s t r a c t

M a n y s e a s o n a l a d j u s t m e n t p r o c e d u r e s d e c o m p o s e t i m e s e r i e s i n t o t r e n d , s e a s o n a l , i r r e g u l a r

a n d o t h e r c o m p o n e n t s u s i n g s i m p l e n o n - s e a s o n a l n i t e m o v i n g - a v e r a g e t r e n d l t e r s . T h i s

r e p o r t c o n s i d e r s t h e d e s i g n o f s u c h l t e r s , b o t h i n t h e b o d y a n d a t t h e e n d s o f s e r i e s , b a s e d

o n s p e c i e d c r i t e r i a a n d s i m p l e d y n a m i c m o d e l s o p e r a t i n g l o c a l l y w i t h i n t h e s p a n o f t h e

l t e r .

I n t h e b o d y o f t h e s e r i e s a e x i b l e f a m i l y o f n i t e m o v i n g - a v e r a g e t r e n d l t e r s i s d e v e l o p e d

f r o m s p e c i e d s m o o t h n e s s a n d d e l i t y c r i t e r i a . T h e s e l t e r s a r e b a s e d o n l o c a l d y n a m i c

m o d e l s a n d g e n e r a l i s e t h e s t a n d a r d M a c a u l a y a n d H e n d e r s o n l t e r s u s e d i n p r a c t i c e . T h e

p r o p e r t i e s o f t h e s e c e n t r a l l t e r s a r e d e t e r m i n e d a n d e v a l u a t e d b o t h i n t h e o r y a n d i n

p r a c t i c e .

A t t h e e n d s o f t h e s e r i e s t h e c e n t r a l m o v i n g - a v e r a g e t r e n d l t e r u s e d i n t h e b o d y n e e d s t o

b e e x t e n d e d t o h a n d l e m i s s i n g o b s e r v a t i o n s . A f a m i l y o f e n d l t e r s i s c o n s t r u c t e d u s i n g

a m i n i m u m r e v i s i o n s c r i t e r i o n a n d b a s e d o n t h e l o c a l d y n a m i c m o d e l o p e r a t i n g w i t h i n

t h e s p a n o f t h e c e n t r a l l t e r . T h e s e e n d l t e r s a r e e q u i v a l e n t t o e v a l u a t i n g t h e c e n t r a l

l t e r w i t h u n k n o w n o b s e r v a t i o n s r e p l a c e d b y c o n s t r a i n e d o p t i m a l l i n e a r p r e d i c t o r s . T w o

p r e d i c t i o n m e t h o d s a r e c o n s i d e r e d ; b e s t l i n e a r u n b i a s e d p r e d i c t i o n B L U P a n d b e s t l i n e a r

b i a s e d p r e d i c t i o n w h e r e t h e b i a s i s t i m e i n v a r i a n t B L I P . T h e B L I P e n d l t e r s g e n e r a l i s e

t h o s e d e v e l o p e d b y M u s g r a v e f o r t h e c e n t r a l X - 1 1 H e n d e r s o n l t e r s a n d i n c l u d e t h e B L U P

e n d l t e r s a s a s p e c i a l c a s e .

T h e p r o p e r t i e s o f t h e s e e n d l t e r s a r e d e t e r m i n e d b o t h i n t h e o r y a n d p r a c t i c e . I n p a r t i c u l a r ,

t h e y a r e c o m p a r e d t o t h e M u s g r a v e e n d l t e r s u s e d b y X - 1 1 a n d t o t h e c a s e w h e r e t h e

c e n t r a l l t e r i s e v a l u a t e d w i t h u n k n o w n o b s e r v a t i o n s p r e d i c t e d b y g l o b a l A R I M A m o d e l s .

T h e l a t t e r p a r a l l e l s t h e f o r e c a s t e x t e n s i o n m e t h o d u s e d i n X - 1 1 - A R I M A .

K e y w o r d s : M o v i n g - a v e r a g e l t e r s ; l o c a l t r e n d e s t i m a t i o n ; d y n a m i c m o d e l s ; d e l i t y ; s m o o t h -

n e s s ; m i n i m u m r e v i s i o n s ; b e s t l i n e a r u n b i a s e d p r e d i c t i o n ; b e s t l i n e a r b i a s e d p r e d i c t i o n ;

X - 1 1 ; s e a s o n a l t i m e s e r i e s ; s e a s o n a l a d j u s t m e n t .

1


3/100

P r e f a c e

T h e o r i g i n s o f t h i s r e s e a r c h p r o j e c t b e g a n i n t h e e a r l y 1 9 9 0 ' s h a v i n g b e e n s t i m u l a t e d t o a

l a r g e e x t e n t b y o u r c o n t r i b u t i o n t o t h e d i s c u s s i o n o f C l e v e l a n d e t a l . 1 9 9 0 s e e G r a y a n d

T h o m s o n 1 9 9 0 . F o l l o w i n g s o m e p r i o r d e v e l o p m e n t w o r k , t h e p r o j e c t b e n e t e d i n 1 9 9 3

f r o m t w o r e s e a r c h g r a n t s . A n a p p l i c a t i o n t o t h e N e w Z e a l a n d F o u n d a t i o n f o r R e s e a r c h

S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y m a d e i n 1 9 9 2 w a s s u c c e s s f u l a n d t h e s e c o n d a u t h o r w a s a w a r d e d a

R e s e a r c h F e l l o w s h i p a t t h e U S B u r e a u o f t h e C e n s u s w h i c h h e h e l d f o r s i x m o n t h s d u r i n g

1 9 9 3 a n d 1 9 9 4 . B o t h f o r m s o f r e s e a r c h s u p p o r t w e r e i m p o r t a n t , b u t t h e p e r i o d s p e n t a t t h e

U S B u r e a u o f t h e C e n s u s w i t h t h e i r T i m e S e r i e s G r o u p p r o v e d p a r t i c u l a r l y i n v a l u a b l e . O u r

o n g o i n g i n t e r a c t i o n s w i t h t h a t g r o u p a n d w i t h s t a w i t h i n S t a t i s t i c s N e w Z e a l a n d c o n t i n u e

t o p r o v i d e u s w i t h a n i m p o r t a n t s o u r c e o f r e s e a r c h s u p p o r t a n d g u i d a n c e f o r w h i c h w e a r e

m o s t g r a t e f u l .

T o a l a r g e e x t e n t t h e t i t l e r e e c t s t h e e m p h a s i s o f o u r i n i t i a l i d e a s . W e h a d t h o u g h t t h a t

o n c e w e d e v e l o p e d b e t t e r c e n t r a l l t e r s , e n d l t e r d e s i g n w o u l d b e s t r a i g h t f o r w a r d u s i n g

b e s t l i n e a r u n b i a s e d p r e d i c t i o n a n d t h e r e s u l t i n g B L U P e n d l t e r s w o u l d b e a n i m p r o v e m e n t

o n X - 1 1 e n d l t e r s . T o o u r s u r p r i s e X - 1 1 e n d l t e r s o f t e n h a d s m a l l e r r e v i s i o n s t h a n t h e

B L U P e n d l t e r s . T h i s l e a d u s t o s t u d y M u s g r a v e ' s w o r k m o r e c l o s e l y s e e M u s g r a v e 1 9 6 4

a n d D o h e r t y 1 9 9 1 a n d d e v e l o p B L I P e n d l t e r s b a s e d o n b e s t l i n e a r b i a s e d p r e d i c t i o n

w h e r e t h e b i a s i s t i m e i n v a r i a n t . T h e i n v e s t i g a t i o n o f B L I P e n d l t e r s t o o k m o r e t i m e t h a n

w e h a d a n t i c i p a t e d a n d w a s a c o n t r i b u t i n g f a c t o r t o t h e d e l a y i n t h e p u b l i c a t i o n o f t h i s

r e p o r t .

T h e w o r k r e p o r t e d h e r e c o n s t i t u t e s a b e g i n n i n g a n d m u c h r e m a i n s t o b e d o n e i n c l u d i n g

m o r e c o m p r e h e n s i v e c a s e s t u d i e s a n d f u r t h e r a n a l y t i c a l d e v e l o p m e n t . A n u l t i m a t e o b j e c t i v e

i s t h e c o n s t r u c t i o n o f a r o b u s t s e m i - p a r a m e t r i c s e a s o n a l d e c o m p o s i t i o n p r o c e d u r e w h i c h

m i g h t b e t t e r h a n d l e t h e m o r e v o l a t i l e t i m e s e r i e s e x p e r i e n c e d b y c o u n t r i e s s u c h a s N e w

Z e a l a n d . T h i s i s u n l i k e l y t o b e s t r a i g h t f o r w a r d . I n d e e d , o u r p r e l i m i n a r y e x p e r i e n c e s u g g e s t s

t h a t e m b e d d i n g t h e s e l t e r s w i t h i n a s e a s o n a l a d j u s t m e n t f r a m e w o r k s u c h a s X - 1 1 w i l l b e

a c h a l l e n g i n g e x e r c i s e i f s i g n i c a n t g a i n s a r e t o b e r e a l i s e d .

T h i s r e s e a r c h p r o j e c t w a s p a r t i a l l y s u p p o r t e d b y t h e N e w Z e a l a n d F o u n d a t i o n f o r R e s e a r c h

S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y P r o j e c t N u m b e r V I C - 9 3 - 3 6 - 0 3 9 . T h e s e c o n d a u t h o r a l s o g r a t e -

f u l l y a c k n o w l e d g e s s u p p o r t p r o v i d e d b y a n A S A N S F C e n s u s R e s e a r c h F e l l o w s h i p w h i c h

h e h e l d a t t h e U S B u r e a u o f t h e C e n s u s . I n p a r t i c u l a r , b o t h a u t h o r s w i s h t o r e c o r d t h e i r

g r a t i t u d e t o D r D a v i d F i n d l e y o f t h a t o r g a n i s a t i o n f o r t h e v e r y h e l p f u l a d v i c e a n d e n -

c o u r a g e m e n t h e h a s p r o v i d e d t h r o u g h o u t t h e p r o j e c t . T h e d a t a w a s k i n d l y p r o v i d e d b y

S t a t i s t i c s N e w Z e a l a n d a n d t h e U S B u r e a u o f t h e C e n s u s .

2


4/100

C o n t e n t s

1 I n t r o d u c t i o n 7

2 T r e n d l t e r d e s i g n 1 0

2 . 1 L o c a l d y n a m i c m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0

2 . 2 I n t h e b o d y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2

2 . 3 A t t h e e n d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0

2 . 3 . 1 U n b i a s e d p r e d i c t o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2

2 . 3 . 2 B i a s e d p r e d i c t o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6

3 P r o p e r t i e s o f t h e l t e r s 3 5

3 . 1 I n t h e b o d y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5

3 . 2 A t t h e e n d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3

3 . 2 . 1 U n b i a s e d p r e d i c t o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3

3 . 2 . 2 B i a s e d p r e d i c t o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1

4 P r a c t i c a l S t u d y 6 9

4 . 1 F i t t i n g t h e L o c a l D y n a m i c M o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 9

4 . 2 I n t h e b o d y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5

4 . 3 A t t h e e n d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 9

5 C o n c l u s i o n s 9 0

A A p p e n d i x 9 1

A . 1 M i n i m i s i n g Q a t t h e e n d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1

A . 2 L i m i t i n g f o r m s o f t h e l t e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2

A . 3 E v a l u a t i n g t h e I = C r a t i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 6

3


5/100

L i s t o f F i g u r e s

1 P l o t s o f t h e i m p u l s e r e s p o n s e f u n c t i o n s o f t h e 1 3 p o i n t l t e r s g i v e n b y T h e o -

r e m 1 f o r t h e s p e c i e d l o c a l l i n e a r a n d q u a d r a t i c m o d e l s a n d s e l e c t e d v a l u e s

o f a n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6

2 P l o t s o f t h e l i m i t i n g = 1 i m p u l s e r e s p o n s e f u n c t i o n s o f t h e 1 3 p o i n t

l t e r s g i v e n b y T h e o r e m 1 f o r t h e s p e c i e d l o c a l l i n e a r a n d q u a d r a t i c m o d e l s

a n d s e l e c t e d v a l u e s o f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7

3 P l o t s o f t h e g a i n f u n c t i o n s o f t h e 1 3 p o i n t l t e r s g i v e n b y T h e o r e m 1 f o r t h e

s p e c i e d l o c a l l i n e a r a n d q u a d r a t i c m o d e l s a n d s e l e c t e d v a l u e s o f a n d . . 3 8

4 P e r s p e c t i v e p l o t s o f t h e d e l i t y e c i e n c y F

e f f

a n d t h e s m o o t h n e s s e c i e n c y

S

e f f

f o r t h e 1 3 p o i n t l t e r s g i v e n b y T h e o r e m 1 a n d t h e s p e c i e d l o c a l l i n e a r

a n d q u a d r a t i c m o d e l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0

5 P e r s p e c t i v e p l o t s o f t h e d e l i t y r e l a t i v e e c i e n c y F

r e l

a n d t h e s m o o t h n e s s

r e l a t i v e e c i e n c y S

r e l

f o r t h e 1 3 p o i n t l t e r s g i v e n b y T h e o r e m 1 a n d t h e

s p e c i e d l o c a l l i n e a r a n d q u a d r a t i c m o d e l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1

6 P l o t s o f t h e d e l i t y r e l a t i v e e c i e n c y F

r e l

a n d t h e s m o o t h n e s s r e l a t i v e e -

c i e n c y S

r e l

o f t h e 1 3 p o i n t l t e r s g i v e n b y T h e o r e m 1 f o r t h e s p e c i e d l o c a l

l i n e a r a n d q u a d r a t i c m o d e l s , a n d s e l e c t e d v a l u e s o f a n d . . . . . . . . . 4 2

7 P l o t s o f t h e d e l i t y a n d s m o o t h n e s s o f t h e X - 1 1 H e n d e r s o n 1 3 p o i n t l t e r

r e l a t i v e t o t h e o p t i m a l d e l i t y a n d s m o o t h n e s s l t e r s r e s p e c t i v e l y f o r t h e

s p e c i e d l o c a l d y n a m i c m o d e l s c o n s i d e r e d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4

8 P l o t s o f t h e i m p u l s e r e s p o n s e f u n c t i o n s o f t h e B L U P e n d l t e r s f o r q = 3

b a s e d o n t h e 1 3 p o i n t c e n t r a l l t e r s g i v e n b y T h e o r e m 1 . . . . . . . . . . . 4 6

9 P l o t s o f t h e i m p u l s e r e s p o n s e f u n c t i o n s o f t h e B L U P e n d l t e r s f o r q = 0

b a s e d o n t h e 1 3 p o i n t c e n t r a l l t e r s g i v e n b y T h e o r e m 1 . . . . . . . . . . . 4 7

1 0 P l o t s o f t h e l i m i t i n g = 1 i m p u l s e r e s p o n s e f u n c t i o n s f o r t h e e n d l t e r s

g i v e n b y C o r o l l a r y 6 b a s e d o n t h e l i m i t i n g c e n t r a l l t e r s o f T h e o r e m 1 . . . 4 8

1 1 P l o t s o f t h e m e a n s q u a r e d r e v i s i o n s c r i t e r i o n R

q

=

2

f o r t h e B L U P e n d l t e r s

b a s e d o n t h e o p t i m u m c e n t r a l l t e r s g i v e n b y T h e o r e m 1 a n d s e l e c t e d v a l u e s

o f a n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9

1 2 P l o t s o f t h e i m p u l s e r e s p o n s e f u n c t i o n s o f t h e B L I P e n d l t e r s f o r q = 3

b a s e d o n t h e l o c a l l i n e a r m o d e l p = 1 a n d t h e 1 3 p o i n t c e n t r a l l t e r s g i v e n

b y T h e o r e m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2


b a s e d o n t h e l o c a l l i n e a r m o d e l p = 1 a n d t h e 1 3 p o i n t c e n t r a l l t e r s g i v e n

b y T h e o r e m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3

4


6/100


b a s e d o n t h e l o c a l q u a d r a t i c m o d e l p = 2 a n d t h e 1 3 p o i n t c e n t r a l l t e r s

g i v e n b y T h e o r e m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4


b a s e d o n t h e l o c a l q u a d r a t i c m o d e l p = 2 a n d t h e 1 3 p o i n t c e n t r a l l t e r s

g i v e n b y T h e o r e m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5

1 6 P l o t s o f t h e l i m i t i n g = 1 i m p u l s e r e s p o n s e f u n c t i o n s o f t h e B L I P e n d

l t e r s f o r s e l e c t e d v a l u e s o f p , , q a n d t h e l i m i t i n g 1 3 p o i n t c e n t r a l l t e r s

g i v e n b y T h e o r e m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7

1 7 P l o t s o f t h e I = C r a t i o a g a i n s t

1

= a n d t h e I

2

= C

2

r a t i o a g a i n s t

2

=

f o r t h e l o c a l l i n e a r p = 1 a n d q u a d r a t i c p = 2 m o d e l s r e s p e c t i v e l y a n d

s e l e c t e d v a l u e s o f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8


q

^

0

f o r t h e B L I P e n d l t e r s

b a s e d o n t h e l o c a l l i n e a r m o d e l p = 1 , t h e o p t i m u m c e n t r a l l t e r s g i v e n

b y T h e o r e m 1 a n d s e l e c t e d v a l u e s o f a n d . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0


q

^

0


b a s e d o n t h e l o c a l q u a d r a t i c m o d e l p = 2 , t h e o p t i m u m c e n t r a l l t e r s g i v e n

b y T h e o r e m 1 a n d s e l e c t e d v a l u e s o f a n d . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1


b a s e d o n t h e c e n t r a l X - 1 1 H e n d e r s o n l t e r a n d t h e l o c a l l i n e a r a n d q u a d r a t i c

m o d e l s s p e c i e d b y a n d p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3





q

=

2




2 3 P l o t s o f t h e l i n e s i n t h e

^

p

= ^ ;

p

= p l a n e b e l o w w h i c h B L I P e n d l t e r s


7/100

3 0 M o v i n g

^

p

= ^ r a t i o f o r P e r m a n e n t M i g r a t i o n d a t a . . . . . . . . . . . . . . 7 8

3 1 B u i l d i n g P e r m i t s d a t a l t e r e d b y t h e 1 3 p o i n t X - 1 1 H e n d e r s o n l t e r a n d t h e

1 3 p o i n t l t e r s g i v e n b y T h e o r e m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 0

3 2 M e r c h a n d i s e E x p o r t s d a t a l t e r e d b y t h e 1 3 p o i n t X - 1 1 H e n d e r s o n l t e r a n d

t h e 1 3 p o i n t l t e r s g i v e n b y T h e o r e m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1

3 3 N Z F u r n i t u r e S a l e s d a t a l t e r e d b y t h e 1 3 p o i n t X - 1 1 H e n d e r s o n l t e r a n d


3 4 P e r m a n e n t M i g r a t i o n d a t a l t e r e d b y t h e 1 3 p o i n t X - 1 1 H e n d e r s o n l t e r a n d


3 5 U S F u r n i t u r e S a l e s d a t a l t e r e d b y t h e 1 3 p o i n t X - 1 1 H e n d e r s o n l t e r a n d


3 6 C o m p a r i s o n f o r B u i l d i n g P e r m i t d a t a o f a b s o l u t e v a l u e o f r e v i s i o n s f o r v a r i -

o u s e n d l t e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 7

3 7 C o m p a r i s o n f o r M e r c h a n d i s e E x p o r t s d a t a o f a b s o l u t e v a l u e o f r e v i s i o n s f o r

v a r i o u s e n d l t e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8

3 8 C o m p a r i s o n f o r P e r m a n e n t M i g r a t i o n d a t a o f a b s o l u t e v a l u e o f r e v i s i o n s f o r

v a r i o u s e n d l t e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 9

6


8/100

1 I n t r o d u c t i o n

T h i s r e p o r t i s c o n c e r n e d w i t h t h e d e s i g n o f l o c a l t r e n d e s t i m a t i o n l t e r s f o r n o n - s e a s o n a l

t i m e s e r i e s u s i n g n i t e m o v i n g - a v e r a g e s . A p a r t i c u l a r o b j e c t i v e i s t o t r y a n d i m p r o v e

c u r r e n t m e t h o d s o f t r e n d e s t i m a t i o n w i t h i n s e a s o n a l a d j u s t m e n t p r o c e d u r e s w h e r e n o n -

s e a s o n a l t r e n d l t e r s p l a y a k e y r o l e , e s p e c i a l l y a t t h e e n d s o f s e r i e s . F o r e x a m p l e , t h e

s e a s o n a l a d j u s t m e n t p r o c e d u r e X - 1 1 s e e S h i s k i n e t a l . 1 9 6 7 u s e s t r e n d l t e r s o r i g i n a l l y

d e v e l o p e d b y H e n d e r s o n 1 9 1 6 w h e r e a s t h e s e a s o n a l - t r e n d d e c o m p o s i t i o n p r o c e d u r e S T L

u s e s l o e s s l t e r s s e e C l e v e l a n d e t a l . 1 9 9 0 . H o w e v e r l o c a l t r e n d e s t i m a t i o n i s a l s o

i m p o r t a n t i n i t s o w n r i g h t a n d i s r o u t i n e l y u s e d , f o r e x a m p l e , i n t h e a n a l y s i s o f n a n c i a l

a n d o t h e r t i m e s e r i e s .

T h e d e s i g n a n d u s e o f n i t e m o v i n g - a v e r a g e s f o r l o c a l t r e n d e s t i m a t i o n h a s a l o n g h i s t o r y ,

p a r t i c u l a r l y w i t h i n t h e a c t u a r i a l l i t e r a t u r e w h e r e i t i s r e f e r r e d t o a s g r a d u a t i o n . T h e

s e m i n a l w o r k o f H e n d e r s o n 1 9 1 6 a n d M a c a u l a y 1 9 3 1 i s a n e x a m p l e o f t h e l a t t e r . U s e f u l

b a c k g r o u n d m a t e r i a l o n t h i s t o p i c f r o m a t i m e s e r i e s p e r s p e c t i v e i s a l s o g i v e n i n K e n d a l l

1 9 7 3 a n d t h e r e f e r e n c e s c o n t a i n e d t h e r e i n . M u c h o f t h i s d e v e l o p m e n t h a s b e e n p o s i t e d

o n s i m p l e s t r u c t u r a l m o d e l s o f t h e f o r m

y

t

= T

t

+ S

t

+

t

1

w h e r e y

t

d e n o t e s t h e o b s e r v e d t i m e s e r i e s , x d e n o t e s s o m e a p p r o p r i a t e t r a n s f o r m a t i o n ,

T

t

d e n o t e s t h e t r e n d , S

t

t h e s e a s o n a l a n d

t

t h e i r r e g u l a r o r n o i s e . T y p i c a l l y t h e u n o b s e r v e d

t r e n d a n d s e a s o n a l c o m p o n e n t s a r e a s s u m e d t o e v o l v e s l o w l y w i t h m o r e a b r u p t c h a n g e s ,

i n c l u d i n g c a l e n d a r e e c t s , h a n d l e d v i a s i m p l e a d j u s t m e n t s . R e c e n t l y , a f t e r s o m e w h a t o f a

l u l l , m o r e a t t e n t i o n h a s b e e n f o c u s e d o n b o t h s t r u c t u r a l m o d e l s o f t h e f o r m 1 a n d t h e

n e e d f o r i m p r o v e d n i t e m o v i n g - a v e r a g e t r e n d l t e r s .

S t r u c t u r a l m o d e l s h a v e b e e n e x p l o i t e d i n a n u m b e r o f g l o b a l p a r a m e t r i c s e a s o n a l a d j u s t -

m e n t p r o c e d u r e s . T h e s e i n c l u d e B A Y S E A A k a i k e 1 9 8 0 a n d o t h e r r e l a t e d m o d e l - b a s e d

m e t h o d s s e e G e r s c h a n d K i t a g a w a 1 9 8 3 , H a r v e y 1 9 8 9 a n d S c h l i c h t 1 9 8 1 f o r e x a m -

p l e . B e l l a n d H i l l m e r 1 9 8 4 a l s o p r o v i d e a u s e f u l r e v i e w a n d d i s c u s s i o n o f u n o b s e r v e d

c o m p o n e n t s e a s o n a l A R I M A m o d e l s . A n e x p l i c i t a n d i m p o r t a n t f e a t u r e o f m u c h o f t h i s

w o r k i s t h e u s e o f c r i t e r i a t h a t o p t i m a l l y w e i g h t s p e c i c m e a s u r e s o f d e l i t y a n d t r e n d

s m o o t h n e s s . T h e l a t t e r i s i n t h e s p i r i t o f H e n d e r s o n 1 9 2 4 a n d W h i t t a k e r 1 9 2 3 .

I m p e t u s t o t h e d e s i g n o f n i t e m o v i n g - a v e r a g e l t e r s h a s r e c e n t l y c o m e f r o m w o r k i n s c a t -

t e r p l o t s m o o t h i n g a n d l o c a l r e g r e s s i o n m o d e l s . I n p a r t i c u l a r t h e w o r k o f C l e v e l a n d 1 9 7 9

h a s l e d t o t h e d e v e l o p m e n t o f l o w e s s a n d l o e s s w h i c h , i n t h e t i m e s e r i e s c o n t e x t , c o n s t i t u t e

n i t e m o v i n g - a v e r a g e t r e n d l t e r s . T h e s e a s o n a l d e c o m p o s i t i o n p r o c e d u r e s S A B L C l e v e -

l a n d e t a l . 1 9 7 8 a n d m o r e r e c e n t l y S T L , a r e b u i l t a r o u n d t h e n o n - s e a s o n a l l o w e s s a n d

l o e s s l t e r s r e s p e c t i v e l y . S e e a l s o t h e d i s c u s s i o n f o l l o w i n g C l e v e l a n d e t a l . 1 9 9 0 a n d , i n

p a r t i c u l a r , G r a y a n d T h o m s o n 1 9 9 0 . O t h e r w o r k o n n i t e m o v i n g - a v e r a g e l t e r d e s i g n

h a s b e e n m o t i v a t e d b y t h e n e e d t o c o n t r o l t h e r e v i s i o n o f t r e n d e s t i m a t e s a t t h e e n d s o f

s e r i e s a s n e w d a t a c o m e s t o h a n d s e e D a g u m a n d L a n i e l 1 9 8 7 , D a g u m 1 9 9 6 , D o h e r t y

7


9/100

1 9 9 1 , K e n n y a n d D u r b i n 1 9 8 2 , L a n i e l 1 9 8 6 a n d W a l l i s 1 9 8 3 f o r e x a m p l e . T h e w o r k

o f C h o l e t t e 1 9 8 1 a n d L e s e r 1 9 6 3 i s a l s o o f i n t e r e s t . T h e y b u i l d n i t e m o v i n g - a v e r a g e

t r e n d l t e r s f o r s e a s o n a l t i m e s e r i e s u s i n g a c r i t e r i o n b a s e d a p p r o a c h t h a t i n v o l v e s e x p l i c i t

m e a s u r e s o f b o t h d e l i t y a n d s m o o t h n e s s .

I n p r a c t i c e t h e u s e o f n i t e m o v i n g - a v e r a g e t r e n d l t e r s i n s e a s o n a l a d j u s t m e n t a n d t r e n d

e s t i m a t i o n r e m a i n s t h e d o m i n a n t t e c h n o l o g y . T h i s e m p h a s i s n e e d s s o m e j u s t i c a t i o n a n d

e x p l a n a t i o n . F i r s t l y , t h e u s e o f m o v i n g d a t a w i n d o w s f o r m s t h e b a s i s f o r s i m p l e n o n -

p a r a m e t r i c m o d e l s t h a t a p p l y l o c a l l y a n d w h o s e a s s u m p t i o n s c a n , i n m a n y c a s e s , b e j u s t i e d

b y s i m p l e g r a p h i c a l a n a l y s i s . A s a c o n s e q u e n c e , t h e y h a v e s e r v e d o c i a l s t a t i s t i c i a n s

a n d m a n y o t h e r s w e l l o v e r a l o n g p e r i o d o f t i m e . S e c o n d l y , t h e y d i r e c t l y c o n t r o l a n d

l i m i t t h e r e v i s i o n s t o h i s t o r i c a l t r e n d v a l u e s a s a d d i t i o n a l d a t a i s o b t a i n e d . T h i s i s a n

i m p o r t a n t a n d o v e r - r i d i n g r e q u i r e m e n t f o r m o s t o c i a l s t a t i s t i c i a n s . F i n a l l y , m o v i n g l o c a l

n o n - p a r a m e t r i c m o d e l s h a v e t h e p o t e n t i a l t o c a p t u r e b o t h e v o l u t i o n a r y c h a n g e a n d n o n -

e v o l u t i o n a r y s t r u c t u r a l c h a n g e i n t i m e s e r i e s i n a m o r e d i r e c t a n d t r a n s p a r e n t w a y t h a n

g l o b a l p a r a m e t r i c m o d e l s . H o w e v e r t h e t w o t e c h n o l o g i e s s h o u l d n o t b e s e e n a s c o m p e t i n g .

T h e n o n - p a r a m e t r i c l o c a l p r o c e d u r e s a r e f r e q u e n t l y u s e d a s e x p l o r a t o r y t o o l s p r i o r t o t h e

t t i n g o f a m o r e s o p h i s t i c a t e d p a r a m e t r i c g l o b a l m o d e l .

I n t h e c a s e o f e c o n o m i c a n d o c i a l t i m e s e r i e s i t i s i m p o r t a n t t o i d e n t i f y t r e n d s a n d

t h e i r t u r n i n g p o i n t s a c c u r a t e l y a n d s o l t e r d e s i g n a t t h e e n d s o f t h e s e r i e s i s p a r t i c u l a r l y

i m p o r t a n t . T h e c o n s t r u c t i o n o f e n d l t e r s f r o m t h e o n e s t h a t a p p l y i n t h e b o d y a n d t h e

p r i n c i p l e s b y w h i c h t h e y s h o u l d b e d e s i g n e d h a v e b e e n d i s c u s s e d b y a n u m b e r o f a u t h o r s

i n c l u d i n g C l e v e l a n d 1 9 7 9 , D o h e r t y 1 9 9 1 , K e n n y a n d D u r b i n 1 9 8 2 , G e w e k e 1 9 7 8 ,

G r e v i l l e 1 9 7 9 , K e n d a l l 1 9 7 3 , L a n e 1 9 7 2 , L a n i e l 1 9 8 6 , M u s g r a v e 1 9 6 4 , P i e r c e 1 9 8 0

a n d W a l l i s 1 9 8 3 . I n t h e c a s e o f X - 1 1 t h e b a s i s o f t h e H e n d e r s o n l t e r s t h a t a p p l y i n t h e

b o d y o f t h e s e r i e s i s r e l a t i v e l y w e l l u n d e r s t o o d , b u t t h e d e r i v a t i o n o f t h e l t e r s t h a t a p p l y

a t t h e e n d s o f t h e s e r i e s i s l e s s c l e a r a n d h a s b e e n t h e s u b j e c t o f s o m e d e b a t e i n t h e

l i t e r a t u r e s e e K e n n y a n d D u r b i n 1 9 8 2 a n d D o h e r t y 1 9 9 1 f o r e x a m p l e . B e c a u s e o f

k n o w n d e f e c t s s u c h a s f a i l u r e t o p a s s l i n e a r t r e n d s a t t h e e n d s o f s e r i e s , t h e X - 1 1 e n d l t e r s

a r e o f t e n a v o i d e d i n p r a c t i c e b y u s i n g t h e o r i g i n a l s e r i e s a u g m e n t e d b y p r e d i c t i o n s , a n d

t h e n l t e r i n g u s i n g t h e c e n t r a l l t e r s . I n t h e a b s e n c e o f t h i s d e v i c e , t h e X - 1 1 e n d l t e r s

c o n t i n u e t o b e u s e d i n X - 1 1 d e s p i t e t h e i r a p p a r e n t s h o r t c o m i n g s .

T h e p r i n c i p l e o f u s i n g p r e d i c t i o n a t t h e e n d s o f s e r i e s s e e m s a k e y o n e w h i c h g o e s b a c k t o

D e F o r e s t 1 8 7 7 . T h e r e v i e w a r t i c l e b y C l e v e l a n d 1 9 8 3 p r o v i d e s a u s e f u l d i s c u s s i o n o n t h i s

a n d o t h e r i s s u e s i n s e a s o n a l a d j u s t m e n t . S e e a l s o G e w e k e 1 9 7 8 , G r e v i l l e 1 9 7 9 a n d P i e r c e

1 9 8 0 . T h e X - 1 1 - A R I M A m e t h o d , f o r e x a m p l e , u s e s r e l a t i v e l y s o p h i s t i c a t e d A R I M A

m o d e l s t o p r o v i d e p r e d i c t i o n s s e e D a g u m 1 9 8 0 . T h i s s o p h i s t i c a t i o n i s i n c o n t r a s t t o

t h e r e l a t i v e l y u n s o p h i s t i c a t e d l o c a l t r e n d s m o o t h i n g t h a t g o e s o n i n t h e b o d y o f t h e s e r i e s .

M o r e o v e r , b y v i r t u e o f t h e o r d e r o f d i e r e n c i n g u s e d , m a n y o f t h e A R I M A b a s e d m o d e l s

e e c t i v e l y a s s u m e o n l y e v o l v i n g l o c a l l i n e a r i t y f o r t h e t r e n d w h e r e a s t h e H e n d e r s o n l t e r s ,

f o r e x a m p l e , a r e b a s e d o n l o c a l q u a d r a t i c o r c u b i c m o d e l s . I n t h e b o d y o f t h e s e r i e s t h i s

m i s m a t c h d o e s n o t s e e m t o h a v e b e e n a m a j o r c a u s e f o r c o n c e r n . H o w e v e r , a t t h e e n d s ,

8


10/100

t h e u s e o f h i g h e r o r d e r l o c a l p o l y n o m i a l t r e n d s a p p e a r s t o b e o n e o f t h e p r i m a r y s o u r c e s

o f d i c u l t y i n t e r m s o f c o n t r o l l i n g r e v i s i o n s . T h e s e d i c u l t i e s a r e t y p i c a l l y a l l e v i a t e d i n

p r a c t i c e b y t h e u s e o f p r e d i c t i o n a u g m e n t e d m e t h o d s s u c h a s X - 1 1 - A R I M A .

T h i s r e p o r t a t t e m p t s t o c o m b i n e s o m e o f t h e v i r t u e s o f t h e g l o b a l p a r a m e t r i c m o d e l s

w i t h i n t h e f r a m e w o r k o f a n i t e m o v i n g - a v e r a g e t r e n d e s t i m a t i o n p r o c e d u r e . I n p a r t i c u l a r

a c o n s i s t e n t a n d e x i b l e f a m i l y o f l t e r s i s d e v e l o p e d w h i c h a r e d e r i v e d f r o m l o c a l d y n a m i c

m o d e l s t h a t e m p l o y l o w e r o r d e r p o l y n o m i a l t r e n d s a n d h a v e s t o c h a s t i c e r r o r s t r u c t u r e s

t h a t e n h a n c e s h o r t - t e r m p r e d i c t i o n a t t h e e n d s o f s e r i e s . A m a j o r t h r u s t o f t h e p a p e r i s t h e

d e s i g n o f v a r i a n t s o f s t a n d a r d m o v i n g - a v e r a g e t r e n d l t e r s t h a t a r e d e r i v e d f r o m s p e c i e d

d e l i t y a n d s m o o t h n e s s c r i t e r i a .

9


11/100

2 T r e n d l t e r d e s i g n

W e f o l l o w t h e c o n v e n t i o n a l p a r a d i g m a n d c o n s i d e r a m o v i n g w i n d o w o f n = 2 r + 1 c o n s e c -

u t i v e o b s e r v a t i o n s w i t h i n w h i c h a n e s t i m a t e o f t h e t r e n d i s t o b e c a l c u l a t e d f o r t h e c e n t r a l

t i m e p o i n t . T h i s c e n t r a l r e f e r e n c e p o i n t i s c h o s e n p r e s u m a b l y b e c a u s e o f s y m m e t r y a n d

b e c a u s e t h a t i s t y p i c a l l y w h e r e t h e t r e n d c a n b e d e t e r m i n e d w i t h g r e a t e s t p r e c i s i o n . A t t h e

e n d s o f t h e s e r i e s t h e w i n d o w w i l l , b y n e c e s s i t y , b e t r u n c a t e d d u e t o m i s s i n g o b s e r v a t i o n s .

W e r s t d e s c r i b e t h e f o r m o f t h e l o c a l d y n a m i c m o d e l a d o p t e d a n d t h e n c o n s i d e r l t e r

d e s i g n b o t h i n t h e b o d y a n d a t t h e e n d s .

2 . 1 L o c a l d y n a m i c m o d e l

W i t h i n t h e n i t e w i n d o w , m o d e l t h e o b s e r v a t i o n s a s

y

t

= g

t

+

t

2

w h e r e

t

i s w h i t e n o i s e w i t h v a r i a n c e

2

a n d t h e t r e n d g

t

i s g i v e n b y

g

t

=

p

X

j = 0

j

t

j

+

t

3

T h e z e r o m e a n s t o c h a s t i c p r o c e s s

t

i s a s s u m e d t o b e c o r r e l a t e d , b u t u n c o r r e l a t e d w i t h

t

,

a n d

t

,

2

a r e a s s u m e d t o b e n o t b o t h z e r o . I n p a r t i c u l a r w e c o n s i d e r t h e s i t u a t i o n w h e r e t h e

j

a n d

2

a r e p a r a m e t e r s l o c a l t o t h e w i n d o w , b u t p , n a n d t h e m o d e l f o r

t

= i n v o l v e g l o b a l

p a r a m e t e r s w h i c h a r e c o n s t a n t a c r o s s w i n d o w s . T h u s , a l t h o u g h t h e p a r a m e t e r s i n v o l v e d

w i t h t h e m e a n a n d v a r i a n c e o f y

t

v a r y a c r o s s w i n d o w s , t h e a u t o c o r r e l a t i o n s t r u c t u r e o f y

t

w i l l b e a f u n c t i o n o f t i m e i n v a r i a n t p a r a m e t e r s i n a d d i t i o n t o t i m e i t s e l f .

L o o s e l y s p e a k i n g , t h e n i t e p o l y n o m i a l i s i n t e n d e d t o c a p t u r e d e t e r m i n i s t i c l o w o r d e r

p o l y n o m i a l t r e n d w h e r e a s

t

i s i n t e n d e d t o c a p t u r e s m o o t h d e v i a t i o n s f r o m t h e p o l y n o m i a l

t r e n d . N o t e t h a t i t i s t h e i n c o r p o r a t i o n o f

t

w h i c h d i s t i n g u i s h e s t h i s l o c a l m o d e l f r o m

t h e s t a n d a r d s i t u a t i o n w h e r e i t i s z e r o . A m o n g t h e a n t i c i p a t e d b e n e t s o f i n c l u d i n g

t

a r e

l o w e r v a l u e s o f p a n d i m p r o v e d p e r f o r m a n c e a t t h e e n d s o f s e r i e s .

B e c a u s e t h e w i n d o w i s n o t l i k e l y t o b e l a r g e t h e m o d e l w i l l n e e d t o i n v o l v e a s f e w p a r a m e t e r s

a s p o s s i b l e o n t h e o n e h a n d , w h i l e a l l o w i n g f o r a s u c i e n t l y e x i b l e f a m i l y o f f o r m s f o r g

t

o n t h e o t h e r . W i t h t h e s e p o i n t s i n m i n d w e c h o o s e t o m o d e l

t

a s a p o s s i b l y i n t e g r a t e d

r a n d o m w a l k w i t h i n i t i a l v a l u e z e r o . I n p a r t i c u l a r , i f d e n o t e s t h e b a c k w a r d s d i e r e n c e

o p e r a t o r s a t i s f y i n g X

t

= X

t

X

t 1

, w e h a v e i n m i n d t h e s i t u a t i o n w h e r e

p + 1

g

t

=

p + 1

t

i s a z e r o m e a n s t a t i o n a r y p r o c e s s . I n k e e p i n g w i t h t h i s r a t i o n a l e , w e s h a l l a l w a y s a s s u m e

t h a t t h e l e v e l s o f i n t e g r a t i o n o f t h e r a n d o m w a l k c o m p o n e n t s t h a t m a k e u p

t

d o n o t e x c e e d

p + 1 .

T h i s s e e m s a n a p p r o p r i a t e a n d p a r s i m o n i o u s m o d e l w h i c h s h o u l d a c c o u n t f o r s m o o t h d e -

v i a t i o n s f r o m t h e d e t e r m i n i s t i c p o l y n o m i a l t r e n d c o m p o n e n t . I t a l s o p r o v i d e s a d y n a m i c

1 0


12/100

t r e n d m o d e l f o r g

t

w h i c h i s e s s e n t i a l l y o f t h e s a m e f o r m a s t h a t u s e d i n t h e A R I M A s t r u c -

t u r a l m o d e l s t h a t h a v e b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o e c o n o m i c a n d o c i a l d a t a . S e e B e l l

1 9 9 3 a n d K e n n y a n d D u r b i n 1 9 8 2 f o r e x a m p l e . N o t e t h a t t h e c o n v e n t i o n a l m o d e l i s

r e c o v e r e d b y e l i m i n a t i n g t h e r a n d o m w a l k c o m p o n e n t

t

w h i c h i s a c h i e v e d b y s e t t i n g i t s

i n n o v a t i o n v a r i a n c e t o z e r o .

I n t h e l o c a l l i n e a r c a s e p = 1 a s i m p l e d y n a m i c m o d e l f o r g

t

i s g i v e n b y

g

t

= +

t

4

w h e r e a n d g

0

a r e c o n s t a n t s , a n d

t

,

t

a r e m u t u a l l y u n c o r r e l a t e d w h i t e n o i s e p r o c e s s e s

w i t h d i e r e n t v a r i a n c e s . I n t e r m s o f 3 t h e

j

j = 0 , 1 a r e g i v e n b y g

0

, r e s p e c t i v e l y a n d

t

=

P

t

j = 1

j

. T h e l o c a l c o n s t a n t c a s e p = 0 i s t h e s a m e a s 4 , b u t w i t h c o n s t r a i n e d t o

b e z e r o . F o r t h e l o c a l q u a d r a t i c c a s e p = 2 a s u i t a b l e d y n a m i c m o d e l f o r g

t

i s

g

t

= h

t

+

t

; h

t

= +

t

5

w h e r e , g

0

a n d h

0

a r e c o n s t a n t s , a n d

t

,

t

,

t

a r e m u t u a l l y u n c o r r e l a t e d w h i t e n o i s e

p r o c e s s e s a l l w i t h d i e r e n t v a r i a n c e s . A g a i n t h i s c a n b e r e p r e s e n t e d i n t h e f o r m 3 w i t h

t h e

j

i n v o l v i n g g

0

, h

0

, a n d

t

=

P

t

j = 1

j

+

P

t

j = 1

P

j

k = 1

k

. I n t h i s c a s e

t

c o m p r i s e s t w o

c o m p o n e n t s , o n e a s i m p l e r a n d o m w a l k a n d t h e o t h e r a d o u b l y i n t e g r a t e d r a n d o m w a l k .

C l e a r l y m a n y o t h e r d y n a m i c s p e c i c a t i o n s f o r g

t

a n d h e n c e

t

a r e p o s s i b l e . F o r e x a m p l e ,

t h e c o n s t a n t i n b o t h 4 a n d 5 c o u l d b e a l l o w e d t o d e p e n d o n t a n d e v o l v e a s a s i m p l e

r a n d o m w a l k w i t h o u t d r i f t . H o w e v e r t h i s l e a d s t o a n a d d i t i o n a l r a n d o m w a l k c o m p o n e n t

b e i n g i n c o r p o r a t e d i n

t

a n d w i t h a f u r t h e r l e v e l o f i n t e g r a t i o n . G i v e n t h e t y p i c a l l y m o d e s t

n u m b e r o f o b s e r v a t i o n s i n t h e w i n d o w a n d t h e n e e d t o d e t e r m i n e t h e v a r i a n c e s o f t h e

v a r i o u s r a n d o m w a l k c o m p o n e n t s i n

t

, i t i s i m p o r t a n t t o k e e p t h e m o d e l s a s p a r s i m o n i o u s

a s p o s s i b l e . A s a c o n s e q u e n c e w e h a v e f o c u s e d o u r a t t e n t i o n o n m o d e l s f o r

t

w h i c h i n v o l v e

o n e o r a t m o s t t w o v a r i a n c e p a r a m e t e r s . F u r t h e r m o r e , w e h a v e c h o s e n t o k e e p t h e l e v e l o f

i n t e g r a t i o n o f t h e s e c o m p o n e n t s a s l o w a s p o s s i b l e . T h i s i s i n k e e p i n g w i t h t h e e m p i r i c a l

e v i d e n c e f o r A R I M A s t r u c t u r a l m o d e l s w h e r e t h e v a r i a n c e s o f t h e h i g h e r - o r d e r r a n d o m

w a l k i n n o v a t i o n s a r e t y p i c a l l y v e r y s m a l l b y c o m p a r i s o n t o t h e s i m p l e r a n d o m w a l k t e r m .

T h u s , f o r e x a m p l e , s e t t i n g t h e v a r i a n c e o f

t

e q u a l t o z e r o i n 5 y i e l d s a s i m p l e r v e r s i o n

o f t h i s m o d e l w h i c h m a y p r o v e t o b e m o r e u s e f u l i n p r a c t i c e .

S i n c e t h e g l o b a l p a r a m e t r i c A R I M A s t r u c t u r a l m o d e l s c a n b e v i e w e d a s g e n e r a l i s a t i o n s

o f e x p o n e n t i a l s m o o t h i n g m o d e l s s e e H a r v e y 1 9 8 9 , t h e m o d e l s p r o p o s e d h e r e c a n b e

r e g a r d e d a s v a r i a n t s o f e x p o n e n t i a l s m o o t h i n g m o d e l s t a i l o r e d t o a n i t e w i n d o w . N o t e

t h a t s i m p l e t r u n c a t e d e x p o n e n t i a l s m o o t h i n g m o d e l s w e r e c o n s i d e r e d f o r g

t

i n K e n n y a n d

D u r b i n 1 9 8 2 a n d m e t w i t h s o m e s u c c e s s , e s p e c i a l l y f o r c u r r e n t t r e n d e s t i m a t e s .

1 1


13/100

2 . 2 I n t h e b o d y

G i v e n a n i t e w i n d o w o f w i d t h n = 2 r + 1 p o i n t s c e n t r e d a t t i m e p o i n t t i n t h e b o d y o f

t h e t i m e s e r i e s , w e n o w c h o o s e t o e s t i m a t e g

t

b y t h e n i t e m o v i n g - a v e r a g e

^g

t

=

r

X

s = r

w

s

y

t + s

6

w h e r e t h e w

s

a r e c o n s t r a i n e d b y t h e r e q u i r e m e n t t h a t

E f ^g

t

g

t

g = 0

a n d y

t

f o l l o w s t h e l o c a l d y n a m i c m o d e l g i v e n b y 2 a n d 3 . T h u s ^g

t

i s a n u n c o n d i t i o n a l l y

u n b i a s e d p r e d i c t o r o f g

t

. N o t e t h a t t h i s c o n d i t i o n i s e q u i v a l e n t t o t h e r e q u i r e m e n t t h a t t h e

w

s

s a t i s f y

r

X

s = r

w

s

= 1 ;

r

X

s = r

s

j

w

s

= 0 0 j p 7

s o t h a t t h e m o v i n g a v e r a g e l t e r p a s s e s p o l y n o m i a l s o f d e g r e e p

T o a s s i s t i n t h e c h o i c e o f l t e r w e i g h t s w

j

w e c o n s i d e r t h e c r i t e r i a

F = E f ^g

t

g

t

2

g ; S = E f

p + 1

^g

t

2

g 8

w h e r e F m e a s u r e s t h e d e l i t y o f ^g

t

a s a n e s t i m a t o r o f g

t

a n d S m e a s u r e s i t s s m o o t h n e s s . H e r e

t h e e x p e c t a t i o n o p e r a t o r i s w i t h r e s p e c t t o t h e p a r t i c u l a r l o c a l d y n a m i c m o d e l a d o p t e d .

T h e s m a l l e r F i s t h e b e t t e r ^g

t

i s a s a n e s t i m a t o r o f g

t

w h e r e a s t h e s m a l l e r S i s t h e c l o s e r t h e

p + 1

^g

t

a r e t o z e r o a n d t h e c l o s e r ^g

t

i s t o a s m o o t h p o l y n o m i a l o f d e g r e e p i n t . I n p a r t i c u l a r ,

t h e m e a s u r e o f s m o o t h n e s s S h a s b e e n e x p l i c i t l y t a i l o r e d t o t h e d e g r e e o f c u r v a t u r e t h e

d e g r e e o f t h e u n d e r l y i n g d e t e r m i n i s t i c p o l y n o m i a l l o c a l t r e n d p r e s e n t i n t h e d a t a . N o t e

t h a t F i s t h e f a m i l i a r m e a n s q u a r e d e r r o r c r i t e r i o n w h e r e a s S , a p p r o p r i a t e l y n o r m a l i s e d ,

i s r e f e r r e d t o a s t h e R

2

p + 1

c r i t e r i o n i n t h e a c t u a r i a l g r a d u a t i o n l i t e r a t u r e . S e e L o n d o n

1 9 8 5 f o r e x a m p l e a n d a l s o R a m s a y 1 9 9 1 w h o c o n s i d e r e d m i n i m i s i n g S i n t h e p r e s e n c e

o f c o r r e l a t e d y

t

I n t h e s p i r i t o f H e n d e r s o n 1 9 2 4 a n d W h i t t a k e r 1 9 2 3 w e f u r t h e r d e n e t h e c o m p r o m i s e

c r i t e r i o n

Q = F + 1 S 9

w h e r e 0 1 a n d i s s o m e u s e r s p e c i e d v a l u e . N o t e t h a t Q i n c l u d e s b o t h F a n d S

a s s p e c i a l c a s e s . W e s h a l l a d o p t t h e p r i n c i p l e t h a t t h e s m a l l e r t h e s e t h r e e c r i t e r i a a r e t h e

b e t t e r a n d d e t e r m i n e t h e l t e r w e i g h t s t h a t o p t i m i s e Q

W h i l e m i n i m i s i n g F i s c l e a r l y a r e a s o n a b l e c r i t e r i o n t o a d o p t , i t i s n o t s o c l e a r t h a t t h i s i s

a p p r o p r i a t e f o r S . I t c o u l d b e a r g u e d t h a t t h e a i m s h o u l d b e t o s i m p l y c o n t r o l t h e l e v e l

o f S r a t h e r t h a n m i n i m i s e i t . H o w e v e r t h i s a p p r o a c h a g a i n l e a d s t o Q a s w i l l b e s h o w n i n

T h e o r e m 3 .

1 2


14/100

E a c h l o c a l d y n a m i c m o d e l d e s c r i b e s d a t a w i t h i t s o w n i n t r i n s i c d e l i t y a n d s m o o t h n e s s .

T h u s t h e m e a s u r e s d e n e d i n 8 a r e m o d e l s p e c i c a n d w o u l d n o t n o r m a l l y b e u s e d t o

c o m p a r e a c r o s s d i e r e n t , p o s s i b l y c o m p e t i n g , m o d e l s . A l t e r n a t i v e m e a s u r e s t h a t c a n b e

u s e d t o c o m p a r e a c r o s s m o d e l s a n d w h i c h w i l l b e u s e d l a t e r a r e n o w d e n e d . F i r s t n o t e

t h a t t h e i d e n t i t y l t e r w i t h c o e c i e n t s w

0

= 1 a n d w

s

= 0 s 6= 0 s a t i s e s 7 w h a t e v e r

t h e c h o i c e o f p i n t h e l o c a l d y n a m i c m o d e l . T h u s , f o r a n y g i v e n w i n d o w , t h e d e l i t y o f t h e

d a t a y

t

t o t h e t r e n d g

t

i s g i v e n b y

F

0

= E f y

t

g

t

2

g =

2

a n d t h e s m o o t h n e s s o f y

t

a s a n e s t i m a t e o f t h e t r e n d i s g i v e n b y

S

0

= E f

p + 1

y

t

2

g = E f

p + 1

t

2

g + E f

p + 1

t

2

g

= E f

p + 1

t

2

g +

2 p + 2

C

p + 1

2

T h e n o r m a l i s e d q u a n t i t i e s

F

=

F

F

0

; S

=

S

S

0

1 0

m e a s u r e t h e g a i n s i n d e l i t y a n d s m o o t h n e s s o f ^g

t

r e l a t i v e t o t h e d e l i t y a n d s m o o t h n e s s

o f t h e d a t a a n d c a n b e u s e d t o c o m p a r e a c r o s s m o d e l s . I f

t

= 0 t h e n F

a n d S

a r e

i d e n t i c a l t o t h e R

2

0

a n d R

2

p + 1

c r i t e r i a r e s p e c t i v e l y t h a t a r e u s e d i n t h e a c t u a r i a l g r a d u a t i o n

l i t e r a t u r e . N o t e a l s o t h a t r e p l a c i n g F b y F

a n d S b y S

i n t r o d u c e s n o e s s e n t i a l c h a n g e i n

Q a p a r t f r o m a s i m p l e o n e - t o - o n e t r a n s f o r m a t i o n o f

A p r i m a r y a d v a n t a g e o f d e n e d m e a s u r e s o f d e l i t y a n d s m o o t h n e s s i s t h a t w e c a n n o w

b e g i n t o q u a n t i f y a n d c l a s s i f y t h e e e c t s o f c o m p e t i n g m o v i n g - a v e r a g e t r e n d l t e r s a n d t o

c o n s i d e r t r a d e - o s b e t w e e n d e l i t y a n d s m o o t h n e s s . I n p a r t i c u l a r w e c a n d e t e r m i n e t h e

v a l u e s o f w

j

t h a t s a t i s f y 7 a n d m i n i m i s e e i t h e r F , S o r Q . B e f o r e e s t a b l i s h i n g t h e s e

g e n e r a l r e s u l t s w e r s t c o n s i d e r s o m e s p e c i a l c a s e s .

C o n s i d e r m i n i m i s i n g F i n t h e c a s e w h e r e g

t

i s t h e c o n v e n t i o n a l m o d e l g i v e n b y 3 w i t h

t

e q u a l t o z e r o . F r o m t h e G a u s s - M a r k o v t h e o r e m , m i n i m i s i n g F s u b j e c t t o 7 i s e q u i v a l e n t

t o e s t i m a t i n g g

t

b y

^g

t

=

p

X

j = 0

^

j

t

j

w h e r e t h e e s t i m a t e s

^

j

a r e o b t a i n e d f r o m t t i n g t h e l o c a l p o l y n o m i a l m o d e l

y

t + s

=

p

X

j = 0

j

t + s

j

+

t + s

r s r

b y o r d i n a r y l e a s t s q u a r e s . T h e l a t t e r p r o c e d u r e w a s i n i t i a l l y a d v o c a t e d b y M a c a u l a y 1 9 3 1

a n d f o r m s t h e b a s i s o f m a n y t r e n d e s t i m a t i o n l t e r s . S e e K e n d a l l 1 9 7 3 a n d C l e v e l a n d

1 9 7 9 f o r e x a m p l e . T h u s m i n i m i s i n g F w i t h

t

e q u a l t o z e r o y i e l d s t h e M a c a u l a y l t e r s

m a n y o f w h i c h a r e t a b u l a t e d i n K e n d a l l 1 9 7 3 . T h e c a s e w h e r e

t

i s n o t e q u a l t o z e r o

1 3


15/100

l e a d s t o l o c a l p o l y n o m i a l t t i n g u s i n g g e n e r a l i s e d l e a s t s q u a r e s . A n e x a m p l e o f t h e l a t t e r

i s l o e s s s e e C l e v e l a n d e t a l . 1 9 9 0 w h i c h u s e s t h e t r i c u b e f u n c t i o n f o r l e a s t s q u a r e s

w e i g h t s . I n g e n e r a l w e s h a l l r e f e r t o t r e n d l t e r s o b t a i n e d b y m i n i m i s i n g F a s M a c a u l a y

l t e r s i r r e s p e c t i v e o f t h e c h o i c e o f l o c a l d y n a m i c m o d e l .

A g a i n a s s u m e t h a t t h e m o d e l i s g i v e n b y 3 w i t h

t

e q u a l t o z e r o a n d c o n s i d e r t h e c a s e

p = 2 . T h e n m i n i m i s i n g S g i v e s t h e c e n t r a l H e n d e r s o n l t e r s t a b u l a t e d , f o r e x a m p l e ,

i n D a g u m 1 9 8 0 . O u r p r o o f t h a t t h i s i s s o f o l l o w s t h e t r e a t m e n t g i v e n i n K e n n y a n d

D u r b i n 1 9 8 2 w i t h s o m e k e y d i e r e n c e s , t h e m o s t i m p o r t a n t o f w h i c h i s t h a t t h e w

s

a r e

n o t a s s u m e d t o b e s y m m e t r i c a p r i o r i . G i v e n t h e s e m o r e g e n e r a l a s s u m p t i o n s 7 a n d S

b e c o m e

r

X

s = r

w

s

= 1 ;

r

X

s = r

s w

s

= 0 ;

r

X

s = r

s

2

w

s

= 0 1 1

a n d

S =

2

r + 3

X

s = r

3

w

s

2

1 2

r e s p e c t i v e l y . H e r e

2

i s t h e v a r i a n c e o f

t

a n d t h e w

s

s a t i s f y t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s

w

s

= 0 s = r + 1 ; r + 2 ; r + 3 1 3

T h e c r i t e r i o n S c a n n o w b e m i n i m i s e d w i t h r e s p e c t t o t h e w

s

r s r u s i n g L a g r a n g e

m u l t i p l i e r s t o a c c o u n t f o r t h e c o n s t r a i n t s g i v e n b y 1 1 . T h i s y i e l d s

6

w

s + 3

= a

1

+ a

2

s + a

3

s

2

r s r 1 4

w h e r e t h e a

j

d e n o t e t h e L a g r a n g e m u l t i p l i e r s a n d t h e s e e q u a t i o n s m u s t n o w b e s o l v e d

s u b j e c t t o t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s 1 3 . A s i n K e n n y a n d D u r b i n 1 9 8 2 t h e s o l u t i o n t o

1 4 i s a p o l y n o m i a l i n s o f o r d e r 8 w i t h r o o t s r + 1 , r + 2 , r + 3 a n d s o

w

s

= r + 1

2

s

2

r + 2

2

s

2

r + 3

2

s

2

b

1

+ b

2

s + b

3

s

2

1 5

w i t h t h e b

j

d e t e r m i n e d f r o m 1 1 . T h e w

s

o b t a i n e d a r e t h e c e n t r a l H e n d e r s o n l t e r s u s e d

i n X - 1 1 .

N o t e t h a t t h e H e n d e r s o n l t e r s d e r i v e d a b o v e f o l l o w d i r e c t l y f r o m a s i m p l e m e a s u r e o f

s m o o t h n e s s a n d t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e l o c a l m o d e l i s q u a d r a t i c r a t h e r t h a n c u b i c .

N o s y m m e t r y h a s b e e n a s s u m e d , t h i s p r o p e r t y b e i n g a c o n s e q u e n c e o f t h e o p t i m i s a t i o n

p r o c e s s . T h e f a c t t h a t t h e l t e r a l s o p a s s e s a c u b i c i s t o b e r e g a r d e d a s s e r e n d i p i t o u s a n d

a r i s i n g f r o m t h e f a c t t h a t t h i s o p t i m a l c e n t r a l l t e r i s s y m m e t r i c . T h i s l a t t e r p r o p e r t y w i l l

n o t h o l d a t t h e e n d s o f t h e s e r i e s w h e r e t h e l t e r s a r e a s y m m e t r i c . I n g e n e r a l w e r e f e r

t o t r e n d l t e r s o b t a i n e d b y m i n i m i s i n g S a s H e n d e r s o n l t e r s i r r e s p e c t i v e o f t h e c h o i c e o f

l o c a l d y n a m i c m o d e l .

W e n o w d e t e r m i n e t h e l t e r w e i g h t s w

s

t h a t o p t i m i s e F , S a n d Q i n t h e c a s e w h e r e

t

i s

n o t n e c e s s a r i l y z e r o . C l e a r l y i t i s s u c i e n t t o c o n s i d e r t h e c o m p r o m i s e c r i t e r i o n Q s i n c e F

a n d S c a n b e r e c o v e r e d f r o m Q b y s e t t i n g = 0 o r = 1 r e s p e c t i v e l y .

1 4


16/100

F u r t h e r n o t a t i o n i s n e e d e d t o e s t a b l i s h a n d p r e s e n t t h e r e s u l t s . F o r t h e l o c a l d y n a m i c

m o d e l s p e c i e d b y 2 a n d 3 d e n e c o v a r i a n c e m a t r i c e s a n d w i t h t y p i c a l e l e m e n t s

j k

= c o v

t + j

t

;

t + k

t

;

j k

= c o v

p + 1

t + j

;

p + 1

t + k

1 6

w h e r e r j ; k r a n d t i n d e x e s t h e c e n t r a l t i m e p o i n t o f t h e w i n d o w c o n c e r n e d .

F u r t h e r m o r e , d e n e t h e n p + 1 d i m e n s i o n a l m a t r i x C a n d t h e p + 1 d i m e n s i o n a l v e c t o r

c b y

C =

0

B

B

B

B

B

B

B

B

@

1 r : : : r

p

1 r + 1 : : : r + 1

p

: : : : : :

: : : : : :

1 r 1 : : : r 1

p

1 r : : : r

p

1

C

C

C

C

C

C

C

C

A

; c =

0

B

B

B

B

B

B

B

B

@

1

0

0

0

1

C

C

C

C

C

C

C

C

A

1 7

a n d l e t

2

B

k

d e n o t e t h e c o v a r i a n c e m a t r i x o f a s e q u e n c e o f n o b s e r v a t i o n s f r o m t h e s t a -

t i o n a r y m o v i n g a v e r a g e p r o c e s s

k

t

. O b s e r v e t h a t B

k

d o e s n o t i n v o l v e

2

t h e v a r i a n c e

o f

t

. F i n a l l y , l e t I d e n o t e t h e n - d i m e n s i o n a l i d e n t i t y m a t r i x . W e n o w h a v e t h e f o l l o w i n g

r e s u l t .

T h e o r e m 1 L e t y

t

f o l l o w t h e l o c a l d y n a m i c m o d e l s p e c i e d b y 2 a n d 3 . T h e n t h e v a l u e s

o f w

s

t h a t m i n i m i s e Q s u b j e c t t o 7 a r e g i v e n b y w = w

r

; : : : ; w

r

T

w h e r e

w = E

1

C C

T

E

1

C

1

c

a n d

E

=

2

I + + 1

2

B

p + 1

+

P r o o f

F i r s t n o t e t h a t 7 i s e q u i v a l e n t t o t h e r e q u i r e m e n t t h a t w s a t i s f y

C

T

w = c 1 8

G i v e n t h i s c o n d i t i o n ,

r

X

s = r

w

s

y

t + s

g

t

=

r

X

s = r

w

s

t + s

t

+

r

X

s = r

w

s

t + s

a n d

r

X

s = r

w

s

p + 1

y

t + s

=

r

X

s = r

w

s

p + 1

t + s

+

r

X

s = r

w

s

p + 1

t + s

T h e s e y i e l d t h e q u a d r a t i c f o r m s

F = w

T

2

I + w ; S = w

T

2

B

p + 1

+ w 1 9

1 5


17/100

a n d

Q = w

T

E

w 2 0

W e n o w s e e k t o m i n i m i s e Q s u b j e c t t o 1 8 .

U s i n g L a g r a n g e m u l t i p l i e r s a n d d i e r e n t i a t i n g w i t h r e s p e c t t o t h e w

s

y i e l d s

w = E

1

C

w h e r e i s t h e v e c t o r o f L a g r a n g e m u l t i p l i e r s . T h e c o n s t r a i n t 1 8 y i e l d s

= C

T

E

1

C

1

c

a n d t h e r e s u l t f o l l o w s . 2

G i v e n a l o c a l d y n a m i c m o d e l , i t i s o f i n t e r e s t t o c o n s i d e r t h e n a t u r e o f t h e v a r i a t i o n o f

t h e o p t i m a l F a n d S w i t h . T h e f o l l o w i n g r e s u l t s h o w s , i n p a r t i c u l a r , t h a t t h e o p t i m a l

m e a s u r e s o f d e l i t y F a n d s m o o t h n e s s S d e c r e a s e a n d i n c r e a s e r e s p e c t i v e l y a s i n c r e a s e s .

T h u s t h e l t e r w i t h t h e b e s t s m o o t h n e s s m e a s u r e S h a s t h e w o r s t d e l i t y m e a s u r e F a n d

v i c e - v e r s a .


t

f o l l o w t h e l o c a l d y n a m i c m o d e l s p e c i e d b y 2 a n d 3 . I f w i s g i v e n

b y T h e o r e m 1 a n d F , S g i v e n b y 8 t h e n

d F

d

+ 1

d S

d

= 0 ;

d F

d

0 ;

d S

d

0

w h e r e 0 1 . I n p a r t i c u l a r F a n d S h a v e z e r o g r a d i e n t s a t = 1 a n d = 0 r e s p e c t i v e l y .

P r o o f

L e t

A =

2

I + ; B =

2

B

p + 1

+

s o t h a t

F = w

T

A w ; S = w

T

B w

a n d w i s g i v e n b y T h e o r e m 1 . D i e r e n t i a t i n g F a n d S w i t h r e s p e c t t o w e o b t a i n

d F

d

= 2 u

T

I P K

T

A K

v ;

d S

d

= 2 u

T

I P K

T

B K

v

w h e r e

u = K

T

A B K

v

v = K

T

C C

T

E

1

C

1

c

P = K

T

C C

T

E

1

C

1

C

T

K

a n d E

1

= K

K

T

. T h u s

d F

d

+ 1

d S

d

= 0 2 1

1 6


18/100

a n d

d S

d

d F

d

= 2 u

T

I P u 0 2 2

s i n c e P i s a p r o j e c t i o n m a t r i x . F r o m 2 1 w e o b s e r v e t h a t F h a s g r a d i e n t z e r o a t = 1

a n d S h a s g r a d i e n t z e r o a t = 0 . M o r e o v e r , f r o m 2 1 a n d 2 2 , w e o b t a i n

0

d S

d

d F

d

=

d S

d

0 1

a n d

0 1

d F

d

d S

d

=

d F

d

0 1

a s r e q u i r e d . 2

A s m e n t i o n e d b e f o r e , i f t h e a i m i s t o c o n t r o l o r i m p o s e s m o o t h n e s s o n t h e t r e n d e s t i m a t e

^g

t

, t h e n a n a l t e r n a t i v e s t r a t e g y m i g h t b e t o m i n i m i s e F s u b j e c t t o 7 a n d a g i v e n l e v e l o f

s m o o t h n e s s S = s . T h i s i s e q u i v a l e n t t o m i n i m i s i n g Q a s w e s h a l l s e e i n T h e o r e m 3 .

F i r s t , h o w e v e r , n o t e t h a t m i n i m i s i n g F s u b j e c t t o 7 a l o n e d e t e r m i n e s t h e b e s t l i n e a r

u n b i a s e d p r e d i c t o r B L U P o f g

t

f r o m t h e o b s e r v a t i o n s y

t

i n t h e w i n d o w . T h u s , m i n i m i s i n g

F s u b j e c t t o 7 a n d S = s g i v e s a c o n s t r a i n e d B L U P f o r g

t

. T h i s e s t i m a t o r w i l l h a v e t h e

d e s i r e d s m o o t h n e s s p r o p e r t y , b u t a t t h e c o s t o f a h i g h e r v a l u e o f F t h a n b e f o r e . N o w l e t

s

0

d e n o t e t h e s m o o t h n e s s o f t h e o p t i m u m s m o o t h n e s s l t e r a n d s

1

d e n o t e t h e s m o o t h n e s s

o f t h e o p t i m u m d e l i t y l t e r s o t h a t

s

0

= w

T

0

2

B

p + 1

+ w

0

; s

1

= w

T

1

2

B

p + 1

+ w

1

w h e r e w

0

a n d w

1

a r e t h e v a l u e s o f w g i v e n b y T h e o r e m 1 f o r = 0 a n d = 1 r e s p e c t i v e l y .

I f a t r e n d e s t i m a t o r ^g

t

i s s o u g h t w i t h b e t t e r s m o o t h n e s s p r o p e r t i e s t h e n t h e u s e r w i l l n e e d

t o c o n s t r a i n t h e s m o o t h n e s s S t o l i e i n t h e i n t e r v a l s

0

; s

1

.


t

f o l l o w t h e l o c a l d y n a m i c m o d e l s p e c i e d b y 2 a n d 3 . T h e n m i n i m i s i n g

F s u b j e c t t o b o t h 7 a n d S = s i n s

0

; s

1

i s e q u i v a l e n t t o m i n i m i s i n g Q s u b j e c t t o 7 a l o n e

w h e r e i s a s o l u t i o n o f

c

T

C

T

E

1

C

1

C

T

E

1

2

B

p + 1

+ E

1

C C

T

E

1

C

1

c = s ;

E

i s g i v e n b y T h e o r e m 1 a n d l i e s i n 0 ; 1 . T h e m i n i m i s a t i o n s a r e w i t h r e s p e c t t o t h e

l t e r w e i g h t s w

s

P r o o f

W e s e e k t o m i n i m i s e

~

Q = F + S s 2

T

C

T

w c

w h e r e t h e s c a l a r a n d t h e v e c t o r a r e L a g r a n g e m u l t i p l i e r s . D i e r e n t i a t i n g a n d s o l v i n g

t h e r e s u l t i n g e q u a t i o n s y i e l d s

w =

~

E

1

C C

T

~

E

1

C

1

c

1 7


19/100

w h e r e i s a s o l u t i o n o f

c

T

C

T

~

E

1

C

1

C

T

~

E

1

2

B

p + 1

+

~

E

1

C C

T

~

E

1

C

1

c = s 2 3

a n d

~

E

=

2

I + +

2

B

p + 1

+

I n a l m o s t e x a c t l y t h e s a m e w a y a s w a s d o n e i n T h e o r e m 2 , i t c a n b e s h o w n t h a t t h e l e f t

h a n d s i d e o f 2 3 i s a n o n - i n c r e a s i n g f u n c t i o n o f w h o s e l i m i t , a s ! 1 , i s s

0

. M o r e o v e r

= 0 y i e l d s s = s

1

. S i n c e s

0

s s

1

w e c o n c l u d e t h a t a s o l u t i o n o f 2 3 c a n b e f o u n d f o r

0 . T h e r e s u l t o f T h e o r e m 1 i s n o w r e t r i e v e d b y s e t t i n g = 1 = 1 + . 2

I n f a c t , i n m u c h t h e s a m e w a y a s f o r T h e o r e m 3 , i t c a n b e s h o w n t h a t m i n i m i s i n g s m o o t h -

n e s s s u b j e c t t o 7 a n d a g i v e n l e v e l o f d e l i t y F = f i s a l s o e q u i v a l e n t t o m i n i m i s i n g Q

H o w e v e r t h i s s e e m s a l e s s r e l e v a n t c r i t e r i o n t o a d o p t i n p r a c t i c e .

I n p r a c t i c e

t

w i l l c o m p r i s e o n e o r o t h e r o r p o s s i b l y t h e s u m o f t h e r a n d o m w a l k c o m p o n e n t s

1

t

a n d

2

t

w h e r e

1

t

=

t

X

j = 1

j

;

2

t

=

t

X

j = 1

j

X

k = 1

k

2 4

a n d

t

,

t

a r e m u t u a l l y u n c o r r e l a t e d w h i t e n o i s e p r o c e s s e s w i t h E

2

t

=

2

, E

2

t

=

2

I f

t

i s a l i n e a r c o m b i n a t i o n o f r a n d o m w a l k c o m p o n e n t s s u c h a s t h e a b o v e w h o s e l e v e l s o f

i n t e g r a t i o n d o n o t e x c e e d p + 1 , t h e n w i l l b e a l i n e a r c o m b i n a t i o n o f c o v a r i a n c e m a t r i c e s

B

k

w h e r e k i s a n o n n e g a t i v e i n t e g e r s u c h t h a t k p

T h e m a t r i x c a n b e c o n s t r u c t e d d i r e c t l y f r o m t h e c o v a r i a n c e m a t r i c e s o f t h e r a n d o m w a l k

c o m p o n e n t s t h a t m a k e u p

t

. H o w e v e r s o m e s i m p l i c a t i o n i s p o s s i b l e a s w e n o w s h o w f o r

t h e t w o c a s e s o f p r i m a r y i n t e r e s t .

I n t h e c a s e o f m o d e l 4 o r 5 w i t h

2

s e t t o z e r o ,

t

i s j u s t

1

t

. T h e n w e h a v e

1

t + s

1

t

=

8

:

P

s

j = 1

t + j

s 0

0 s = 0

P

s

j = 1

t + 1 j

s 0

a n d =

1

h a s t y p i c a l e l e m e n t

1

j k

=

2

m i n j ; k r j ; k 1 ; 1 j ; k r 2 5

a n d z e r o o t h e r w i s e .

N o w s u p p o s e t h a t

t

=

2

t

a s w o u l d b e t h e c a s e f o r m o d e l 5 w i t h

2

s e t t o z e r o a n d

c o n s i d e r t h e q u a d r a t i c f o r m

w

T

w = E f

r

X

r

w

s

2

t + s

2

t

2

g

1 8


20/100

F o r s 0

2

t + s

2

t

=

s

X

j = 1

t + j

X

k = 1

k

= s

t

X

k = 1

k

+ s

t + 1

+

s 1

X

j = 1

j

X

k = 1

t + 1 + k

2 6

a n d f o r s 0

2

t + s

2

t

=

s j 1

X

j = 0

t j

X

k = 1

k

= s

t

X

k = 1

k

+

s j 1

X

j = 1

j

X

k = 1

t + 1 k

2 7

w h e r e t h e l a s t t e r m o n t h e r i g h t h a n d s i d e o f 2 6 a n d 2 7 i s i n t e r p r e t e d a s z e r o w h e n

s = 1 . T h e r s t t e r m o n t h e r i g h t h a n d s i d e o f 2 6 a n d 2 7 i s e l i m i n a t e d b y t h e l t e r

s i n c e

P

r

s = r

s w

s

= 0 a n d t h e r e m a i n i n g t e r m s o f 2 6 a n d 2 7 a r e u n c o r r e l a t e d . S i n c e t h e

w e i g h t s w

s

s a t i s f y 1 8 w e o b t a i n

w

T

w =

2

r

X

s = 1

s w

s

2

+ w

T

w

=

2

2

r

X

s = 1

s w

s

2

+

r

X

s = 1

s w

s

2

+ w

T

w

w h e r e h a s t y p i c a l e l e m e n t

j k

=

2

m i n j k

X

s = 1

j j s k j s r j ; k 1 ; 1 j ; k r 2 8

a n d z e r o o t h e r w i s e . T h u s , w h e n

t

=

2

t

, t h e m a t r i x i s g i v e n b y

2

w h i c h h a s t y p i c a l

e l e m e n t

2

j k

=

1

2

2

j j j k +

j k

r j ; k 1 ; 1 j ; k r 2 9

a n d z e r o o t h e r w i s e .

N o t e , i n p a r t i c u l a r , t h a t

1

a n d

2

d o n o t d e p e n d o n t , t h e a b s o l u t e v a l u e o f t i m e

i n d e x i n g t h e o r i g i n o f t h e w i n d o w . T h i s n a t u r a l a n d i m p o r t a n t i n v a r i a n c e p r o p e r t y h o l d s

f o r g e n e r a l a n d i s a c o n s e q u e n c e o f 7 a n d t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e l e v e l s o f i n t e g r a t i o n

o f t h e r a n d o m w a l k c o m p o n e n t s t h a t m a k e u p

t

d o n o t e x c e e d p + 1 .

S o f a r n o r e q u i r e m e n t h a s b e e n m a d e t h a t t h e l t e r s w e c o n s i d e r h a v e s y m m e t r i c w e i g h t s .

T h e f o l l o w i n g r e s u l t s h o w s t h a t t h e l t e r w i t h w e i g h t s g i v e n b y T h e o r e m 1 i s s y m m e t r i c .

T h e o r e m 4 T h e v a l u e s o f w

s

g i v e n b y T h e o r e m 1 c o r r e s p o n d t o a s y m m e t r i c l t e r o f l e n g t h

n = 2 r + 1

1 9


21/100

P r o o f

L e t u = w

1

; : : : ; w

r

T

, v = w

1

; : : : ; w

r

T

a n d d

j

= 1

j

; 2

j

; : : : ; r

j

f o r j a n i n t e g e r s u c h

t h a t 0 j p

C o n s i d e r r s t t h e d e l i t y m e a s u r e F a n d t h e p a r t i c u l a r c a s e w h e r e

t

=

2

t

. L e t t h e m a t r i x

2

+

h a v e t y p i c a l e l e m e n t

2

j k

1 j ; k r . T h e n t h e c o n s t r a i n t s 1 8 b e c o m e

w

0

+ d

T

0

u + d

T

0

v = 1

d

T

j

u = d

T

j

v 0 j p

a n d F c a n b e w r i t t e n a s

2

w

2

0

+ u

T

u + v

T

v +

2

1

2

d

T

1

u

2

+

1

2

d

T

1

v

2

+ u

T

2

+

u + v

T

2

+

v

N o t e t h a t b o t h t h e c o n s t r a i n t s a n d F a r e s y m m e t r i c i n t h e v e c t o r s u a n d v . A s i m i l a r

a r g u m e n t h o l d s f o r m o r e g e n e r a l f o r m s o f

t

i n v o l v i n g s u m s o f i n t e g r a t e d r a n d o m w a l k s o f

a n y n i t e o r d e r .

N o w c o n s i d e r t h e s m o o t h n e s s m e a s u r e S . N o t e t h a t S i s o f t h e f o r m

S = w

T

A w

w h e r e A i s a T o e p l i t z m a t r i x w i t h s p e c t r a l d e n s i t y f ! a n d t y p i c a l e l e m e n t

A

j k

=

Z

e

i j k !

f ! d ! r j ; k r

T h u s

S =

Z

w

0

+

r

X

j = 1

u

j

e

i j

+

r

X

j = 1

v

j

e

i j 2

f ! d ! :

i s a l s o s y m m e t r i c i n t h e v e c t o r s u a n d v . S i n c e Q = F + 1 S i n h e r i t s t h e s a m e

s y m m e t r y p r o p e r t y w e c o n c l u d e t h a t t h e v a l u e o f w m i n i m i s i n g Q s a t i s e s u = v a n d

c o r r e s p o n d s t o a s y m m e t r i c l t e r . 2

T h e p r o p e r t i e s o f t h e s e l t e r s a r e c o n s i d e r e d a n d d i s c u s s e d i n S e c t i o n 3 . 1 .

2 . 3 A t t h e e n d s

C o n s i d e r n o w t h e e n d s o f t h e s e r i e s a n d , i n p a r t i c u l a r , t h e m o s t r e c e n t t i m e p o i n t s . H e r e

t h e n e e d f o r h i g h q u a l i t y e s t i m a t e s o f t h e t r e n d a n d h e n c e t h e s e a s o n a l i s o f d o m i n a t i n g

a n d o v e r - r i d i n g i m p o r t a n c e .

V a r i o u s s t r a t e g i e s h a v e b e e n a d o p t e d a t t h e e n d s o f s e r i e s . F o r e x a m p l e M a c a u l a y a d v o c a t e s

u s i n g a b e s t - t t i n g p o l y n o m i a l d e t e r m i n e d f o r t h e l a s t c o m p l e t e w i n d o w t o p r o v i d e t h e

r e q u i r e d t r e n d v a l u e s a t t h e e n d s o f t h e s e r i e s . T h i s a p p r o a c h i s a l s o a d o p t e d b y K e n d a l l

1 9 7 3 a n d b y C l e v e l a n d 1 9 7 9 f o r t h e l o e s s a n d l o w e s s s m o o t h e r s . T h u s t h e m o v i n g

2 0


22/100

w i n d o w p a r a d i g m u s e d i n t h e b o d y o f t h e s e r i e s i s s u p p l a n t e d b y a s t a t i c w i n d o w p a r a d i g m

a t t h e e n d s . T h i s i n c o n s i s t e n c y c a n l e a d t o s m o o t h n e s s p r o b l e m s a t t h e e n d s o f t h e s e r i e s

s e e G r a y a n d T h o m s o n 1 9 9 0 . T h e a l l e v i a t i o n o f t h e s e d i c u l t i e s n o d o u b t l i e s b e h i n d

M a c a u l a y ' s s u g g e s t i o n M a c a u l a y 1 9 3 1 , C h a p t e r V I I I t h a t t h e t t e d p o l y n o m i a l f o r t h e

l a s t c o m p l e t e w i n d o w s h o u l d s h a r e a c o m m o n s l o p e w i t h t h e m o s t r e c e n t t r e n d e s t i m a t e s .

H o w e v e r t h i s s u g g e s t i o n i s n o t a d o p t e d b y e i t h e r K e n d a l l 1 9 7 3 o r C l e v e l a n d 1 9 7 9 f o r

t h e i r e n d l t e r s .

A n a l t e r n a t i v e s t r a t e g y i s t o m a i n t a i n t h e s a m e m o v i n g w i n d o w p a r a d i g m a t t h e e n d s

o f t h e s e r i e s a s w a s a d o p t e d i n t h e b o d y . T h i s c o n s i s t e n c y c o m e s a t a p r i c e s i n c e t h e

w i n d o w s a d o p t e d a t t h e e n d s n o w i n c l u d e f u t u r e u n k n o w n o b s e r v a t i o n s . H o w t h e s e m i s s i n g

o b s e r v a t i o n s s h o u l d b e t r e a t e d i s o p e n t o q u e s t i o n .

A c o m m o n a n d n a t u r a l a p p r o a c h i n v o l v e s f o r e c a s t i n g t h e m i s s i n g v a l u e s , e i t h e r i m p l i c i t l y

o r e x p l i c i t l y , a n d t h e n a p p l y i n g t h e d e s i r e d c e n t r a l l t e r . T h e f o r e c a s t i n g m e t h o d s u s e d

r a n g e f r o m s i m p l e e x t r a p o l a t i o n t o m o d e l b a s e d m e t h o d s , s o m e b a s e d o n t h e l o c a l t r e n d

m o d e l a d o p t e d , o t h e r s b a s e d o n g l o b a l m o d e l s f o r t h e s e r i e s a s a w h o l e . T h e l a t t e r i n c l u d e

t h e t t i n g o f A R I M A m o d e l s t o p r o d u c e f o r e c a s t s s e e D a g u m 1 9 8 0 i n p a r t i c u l a r . A s

n o t e d i n S e c t i o n 1 , t h e p r i n c i p l e o f u s i n g p r e d i c t i o n a t t h e e n d s o f s e r i e s s e e m s a k e y o n e

w h i c h g o e s b a c k t o D e F o r e s t 1 8 7 7 . S e e a l s o t h e d i s c u s s i o n i n C l e v e l a n d 1 9 8 3 , G r e v i l l e

1 9 7 9 a n d W a l l i s 1 9 8 3 .

Y e t a n o t h e r w a y t o h a n d l e t h e m i s s i n g v a l u e s i n t h e w i n d o w i s t o e m p l o y a d d i t i o n a l c r i t e r i a

s p e c i c t o t h e e n d s o f t h e s e r i e s . A n i m p o r t a n t r e q u i r e m e n t , e s p e c i a l l y a m o n g o c i a l

s t a t i s t i c i a n s , i s t o k e e p s e a s o n a l a d j u s t m e n t r e v i s i o n s a n d t h e r e f o r e t r e n d r e v i s i o n s t o a

m i n i m u m a s m o r e d a t a c o m e s t o h a n d . T h u s , a t t h e e n d s o f s e r i e s , a n a t u r a l c r i t e r i o n t o

c o n s i d e r i s

E f ^g

t

~g

t

2

g = E f

r

X

s = r

w

s

y

t + s

~g

t

2

g 3 0

w h e r e ~ g

t

i s a p r e d i c t o r o f ^g

t

b a s e d o n p a s t d a t a a n d t h e w

s

a r e t h e w e i g h t s o f t h e c e n t r a l

l t e r t h a t a p p l i e s o n c e a l l t h e d a t a i s t o h a n d . I n g e n e r a l , g i v e n a h i s t o r y o f o b s e r v a t i o n s

y

1

; : : : ; y

T

, i t i s e v i d e n t t h a t 3 0 i s m i n i m i s e d w h e n

~g

t

=

r

X

s = r

w

s

^y

t + s

3 1

a n d ^y

t + s

= E y

t + s

y

1

; : : : ; y

T

d e n o t e s t h e b e s t p r e d i c t o r o f y

t + s

i n t h e u s u a l m e a n s q u a r e d

e r r o r s e n s e . T h u s t h e r e i s a c l o s e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e m i n i m u m r e v i s i o n s a p p r o a c h

a n d t h a t o f f o r e c a s t i n g t h e m i s s i n g v a l u e s i n t h e w i n d o w .

T h e m i n i m u m r e v i s i o n s s t r a t e g y a p p e a r s t o h a v e b e e n o r i g i n a l l y p r o p o s e d b y M u s g r a v e

1 9 6 4 f o r t h e c a s e w h e r e ~ g

t

i s r e s t r i c t e d t o b e l i n e a r i n t h e o b s e r v a t i o n s w i t h i n t h e w i n d o w .

S e e t h e d i s c u s s i o n i n D o h e r t y 1 9 9 1 . T h i s a p p r o a c h h a s a l s o b e e n a d o p t e d b y L a n e

1 9 7 2 , L a n i e l 1 9 8 6 a n d w i l l a l s o b e a d o p t e d h e r e . G e w e k e 1 9 7 8 a n d P i e r c e 1 9 8 0

e s t a b l i s h e d t h e r e s u l t 3 1 f o r t h e c a s e w h e r e ~ g

t

i s l i n e a r i n p a s t v a l u e s o f t h e t i m e s e r i e s

n o t j u s t t h o s e w i t h i n t h e w i n d o w a n d w h e r e t h e t i m e s e r i e s f o l l o w s a n a p p r o p r i a t e g l o b a l

2 1


23/100

m o d e l . H o w e v e r t h e a r g u m e n t l e a d i n g t o 3 1 s h o w s t h a t i n g e n e r a l ^y

t + s

, a n d h e n c e ~ g

t

,

n e e d n o t n e c e s s a r i l y b e l i n e a r i n t h e o b s e r v a t i o n s .

T h e e x p e c t a t i o n o p e r a t o r a p p l y i n g i n 3 3 i s w i t h r e s p e c t t o t h e g l o b a l o r l o c a l m o d e l

a d o p t e d f o r t h e t i m e s e r i e s c o n c e r n e d . I n t h i s r e g a r d n o t e t h a t a l o c a l m o d e l i s i m p l i c i t l y

u s e d b y t h e X - 1 1 - A R I M A p r o c e d u r e D a g u m 1 9 8 0 t o d e t e r m i n e t r e n d s f r o m f o r e c a s t

a u g m e n t e d d a t a w h e r e t h e f o r e c a s t s a r e b a s e d o n a g l o b a l p a r a m e t r i c m o d e l . A l t h o u g h t h i s

m i s m a t c h d o e s n o t s e e m t o m a t t e r i n p r a c t i c e , i n p r i n c i p l e o n e w o u l d l i k e t o b e c o n s i s t e n t

a n d w o r k w i t h i n t h e s a m e m o d e l f r a m e w o r k . T h i s i s o u r o b j e c t i v e h e r e .

I n t h i s p a p e r w e a d o p t t h e m i n i m u m r e v i s i o n s s t r a t e g y b a s e d o n t h e m o v i n g w i n d o w

p a r a d i g m a n d t h e l o c a l d y n a m i c t r e n d m o d e l o f S e c t i o n 2 . 1 . A t t h e e n d s o f t h e s e r i e s w e

c h o o s e t o p r e d i c t ^g

t

=

P

r

s = r

w

s

y

t + s

b y t h e l i n e a r p r e d i c t o r

~g

t

=

q

X

s = r

u

s

y

t + s

3 2

w h i c h m i n i m i s e s

R

q

= E f ^g

t

~g

t

2

g 3 3

w h e r e q = T t w i t h 0 q r , T d e n o t e s t h e t i m e p o i n t o f t h e l a s t o b s e r v a t i o n a n d

t h e u

s

a r e d e p e n d e n t o n q . W e s h a l l c o n s i d e r t w o c a s e s . T h e r s t i m p o s e s t h e c o n d i t i o n

t h a t ~ g

t

b e a n u n b i a s e d p r e d i c t o r o f

P

r

s = r

w

s

y

t + s

. T h e s e c o n d w e a k e n s t h i s r e q u i r e m e n t b y

c o n s i d e r i n g b i a s e d p r e d i c t o r s s u c h a s t h o s e d e v e l o p e d b y M u s g r a v e 1 9 6 4 f o r X - 1 1 s e e i n

p a r t i c u l a r D o h e r t y 1 9 9 1 .

2 . 3 . 1 U n b i a s e d p r e d i c t o r s

I f ~g

t

i s t o b e a n u n b i a s e d p r e d i c t o r o f

P

r

s = r

w

s

y

t + s

t h e n t h e u

s

m u s t s a t i s f y

q

X

s = r

u

s

= 1 ;

q

X

s = r

s

j

u

s

= 0 0 j p 3 4

T h u s t h e a s y m m e t r i c m o v i n g a v e r a g e l t e r i m p l i e d b y 3 2 p a s s e s p o l y n o m i a l s o f d e g r e e p

M o r e o v e r R

q

i s n o w g i v e n b y

R

q

= v

T

E

1

v 3 5

w h e r e v h a s t y p i c a l e l e m e n t

v

s

=

w

s

u

s

r s q

w

s

q s r

3 6

a n d t h e c e n t r a

1996 - Design of Moving Average Trend Filters Using Fidelity... - Gray, Thomson

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