R, Python 분석과 프로그래밍의 친구 (by R Friend)

지난번 포스팅에서는 시계열 자료의 구성 요인 (time series component factors)으로서 추세 요인, 순환 요인, 계절 요인, 불규칙 요인에 대해서 소개하였습니다. 

지난번 포스팅에서는 가법 모형으로 가상의 시계열 자료를 만들었다면(time series composition), ==> 이번 포스팅에서는 반대로 시계열 분해(time series decomposition)를 통해 시계열 자료를 추세(순환)(Trend), 계절성(Seasonality), 잔차(Residual)로 분해를 해보겠습니다. 

시계열 분해는 직관적으로 이해하기 쉽고 구현도 쉬워서 시계열 자료 분석의 고전적인 방법론이지만 지금까지도 꾸준히 사용되는 방법론입니다. 시계열 분해의 순서와 방법은 대략 아래와 같습니다. 

(1) 시도표 (time series plot)를 보고 시계열의 주기적 반복/계절성이 있는지, 가법 모형(additive model, y = t + s + r)과 승법 모형(multiplicative model, y = t * s * r) 중 무엇이 더 적합할지 판단을 합니다. 

(가법 모형을 가정할 시)

(2) 시계열 자료에서 추세(trend)를 뽑아내기 위해서 중심 이동 평균(centered moving average)을 이용합니다. 

(3) 원 자료에서 추세 분해값을 빼줍니다(detrend). 그러면 계절 요인과 불규칙 요인만 남게 됩니다. 

(4) 다음에 계절 주기 (seasonal period) 로 detrend 이후 남은 값의 합을 나누어주면 계절 평균(average seasonality)을 구할 수 있습니다. (예: 01월 계절 평균 = (2020-01 + 2021-01 + 2022-01 + 2023-01)/4, 02월 계절 평균 = (2020-02 + 2021-02 + 2022-02 + 2023-02)/4). 

(5) 원래의 값에서 추세와 계절성 분해값을 빼주면 불규칙 요인(random, irregular factor)이 남게 됩니다. 

시계열 분해 후에 추세와 계절성을 제외한 잔차(residual, random/irregular factor) 가 특정 패턴 없이 무작위 분포를 띠고 작은 값이면 추세와 계절성으로 모형화가 잘 되는 것이구요, 시계열 자료의 특성을 이해하고 예측하는데 활용할 수 있습니다. 만약 시계열 분해 후의 잔차에 특정 패턴 (가령, 주기적인 파동을 그린다거나, 분산이 점점 커진다거나 등..) 이 존재한다면 잔차에 대해서만 다른 모형을 추가로 적합할 수도 있겠습니다. 

예제로 사용할 시계열 자료로서 '1차 선형 추세 + 4년 주기 순환 + 1년 단위 계절성 + 불규칙 noise' 의 가법 모형 (additive model)으로 시계열 데이터를 만들어보겠습니다. 

Python의 statsmodels 라이브러리를 사용해서 가법 모형(additive model) 가정 하에 시계열 분해를 해보겠습니다. 

from statsmodels.tsa.seasonal import seasonal_decompose ts = df.timeseries result = seasonal_decompose(ts, model='additive') plt.rcParams['figure.figsize'] = [12, 8] result.plot() plt.show()

원래의 시계열 구성요소(추세+순환, 계절성, 불규칙 요인)와 시계열 분해(time series decomposition)를 통해 분리한 추세(&순환), 계절성, 잔차(불규칙 요인)를 겹쳐서 그려보았습니다. (즉, 원래 데이터의 추세요인과 시계열 분해를 통해 분리한 추세를 겹쳐서 그려보고, 원래 데이터의 계절요인과 시계열 분해를 통해 분리한 계절을 겹쳐서 그려보고, 원래 데이터의 불규칙 요인과 시계열 분해를 통해 분리한 잔차를 겹쳐서 그려봄) 

원래의 데이터와 얼추 비슷하게, 그럴싸하게 시계열 분해를 한 것처럼 보이지요?   

# ground truth & timeseries decompostion all together # -- observed data plt.figure(figsize=(12, 12)) plt.subplot(4,1, 1) result.observed.plot() plt.grid(True) plt.ylabel('Observed', fontsize=14) # -- trend & cycle factor plt.subplot(4, 1, 2) result.trend.plot()        # from timeseries decomposition df.trend_cycle.plot()     # ground truth plt.grid(True) plt.ylabel('Trend', fontsize=14) # -- seasonal factor plt.subplot(4, 1, 3) result.seasonal.plot()  # from timeseries decomposition df.seasonal.plot()        # ground truth plt.grid(True) plt.ylabel('Seasonality', fontsize=14) # -- irregular factor (noise) plt.subplot(4, 1, 4) result.resid.plot()    # from timeseries decomposition df.irregular.plot()    # ground truth plt.grid(True) plt.ylabel('Residual', fontsize=14) plt.show()

원래의 관측치(observed), 추세(trend), 계절성(seasonal), 잔차(residual) 데이터 아래처럼 시계열 분해한 객체에서 obsered, trend, seasonal, resid 라는 attributes 를 통해서 조회할 수 있습니다. 

위에서 가법 모형을 적용해서 Python으로 만든 시계열 자료를 text 파일로 내보낸 후, 이를 R에서 읽어서 시계열 분해 (time series decomposition)를 해보겠습니다. 

이렇게 불러와서 만든 df DataFrame의 칼럼 중에서 시계열 분해를 할 'timeseries' 칼럼만을 가져와서 ts() 함수를 사용하여 1년 12개월 이므로 frequency =  12로 설정해 R의 시계열 자료 형태로 변환합니다. 

그 다음에 decompose() 함수를 사용하여 시계열 분해를 하는데요, 이때 가법 모형 (additive model)을 적용할 것이므로 decompose(ts, "additive") 라고 설정해줍니다. 

시계열 분해를 한 결과를 모아놓은 리스트 ts_decompose 객체를 프린트해보면 원래의 값 $x, 계절 요인 $seasonal, 추세(&순환) 요인 $trend, 불규칙 요인 $random 분해값이 순서대로 저장되어 있음을 알 수 있습니다. 

위의 분해 결과가 숫자만 잔뜩 들어있으니 뭐가 뭔지 잘 눈에 안들어오지요?  그러면 이제 원래의 값 (observed)과 시계열 분해된 결과인 trend, seasonal, random 을 plot() 함수를 사용하여 다같이 시각화해보겠습니다. 

# change plot in jupyter library(repr) # Change plot size to 12 x 10 options(repr.plot.width=12, repr.plot.height=10) plot(ts_decompose)

위의 분해 결과를 Trend (ts_decompose$trend), Seasonal (ts_decompose$seasonal), Random (ts_decompose$random) 의 각 요소별로 나누어서 시각화해볼 수도 있습니다. 

# change the plot size options(repr.plot.width=12, repr.plot.height=5) # Trend plot(as.ts(ts_decompose$trend)) # Seasonality plot(as.ts(ts_decompose$seasonal)) # Random (Irregular factor) plot(as.ts(ts_decompose$random))

많은 도움이 되었기를 바랍니다. 

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