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3.2 Étude d'une série temporelle

3.2.1 Processus stationnaire

3.2.1.7 Exemples de processus stationnaires et ergodiques

C'est à partir de l'observation de ces éléments estimés que l'identication du

pro-cessus générateur des données est possible. Il s'agit ensuite de comparer l'ACF et la

PACF estimées à partir de l'échantillon,(x

1

, ..., x

T

), aux ACF et PACF des processus

stationnaires connus. Dans cette section, deux des principaux processus stationnaires

sont brièvement présentés, le processus bruit blanc et le processus autorégressif. Le

premier joue un rôle important et indispensable dans l'étude de séries temporelles,

comparable aux erreurs indépendantes dans l'analyse classique. Le second est le seul

autre type de processus stationnaire utilisé dans la suite du mémoire. Cependant, il

existe des processus moyenne mobile (MA) et des processus combinant les deux

pré-cédents (ARMA) [45], non discutés ici.

a. Processus bruit blanc

Les processus bruit blanc sont des processus stationnaires et ergodiques.

Il existe deux dénitions d'un bruit blanc cependant, dans la pratique, seule la

dé-nition faible est utilisée.

Un processus (

t

)

t∈T

est un bruit blanc faible si :

1. ∀(t, t

0

)∈Z

2

,Cov(t

0t

) = 0

2. ∀t∈Z,E[

t

] = 0 etE[

2

46 3.2. Étude d'une série temporelle

Un bruit blanc est donc une réalisation d'aléas successifs. Un bruit blanc faible est

faiblement stationnaire.

Identication d'un bruit blanc

L'ACF d'un bruit blanc ne présente aucune valeur signicative, à part celle

corres-pondant au décalage nul (h = 0) qui vaut 1. La PACF ne présente aucune valeur

signicativement diérente de 0.

Vérication du bruit blanc ou tests de blancheur

Il existe diérents tests permettant de vérier si un processus est un bruit blanc faible.

Dans cette section, seuls les tests utilisés dans la suite du mémoire sont présentés. Soit

un processus (

t

)

t∈T

un processus stochastique, stationnaire et ergodique.

Test de nullité de la moyenne

Si le processus (t)

t∈{1,...,T}

est i.i.d. (0, σ

2

), on doit avoir : ¯t= 1

T

P

T

t=1

t−−−→

T→∞

0.

Par application du théorème Central-Limite, on montre que : ¯t

σ

T −→ N

L

(0,1). Dès

lors, on peut tester la nullité de la moyenne en construisant l'intervalle de conance

sur ¯

t

au seuil standard de 95%. P{¯

t

∈[−1.96σ

T ,

1.96σ

T ]}= 0.95.

Test d'indépendance ou de non-corrélation

Le test de Portmanteau ou test d'adéquation globale du modèle repose sur l'idée qu'un

bruit blanc faible ne doit pas révéler d'autocorrélations non nulles.

H

0

: (

t

)

t∈{1,...,T}

est un bruit blanc

H

1

: (

t

)

t∈{1,...,T}

n'est pas un bruit blanc

Le test de Ljung-Box [47] est l'un des tests de Pormanteau couramment utilisé. Il

propose les hypothèses suivantes : H0 : ρ(h) = 0 ∀h ≤ K et sont construites de la

façon suivante :

Q

LB

=T(T + 2)

K

X

k=1

ˆ

ρ

2

(k)

T −k

TA∞

−−−Aχ

2K

Une trop grande valeur de QLB indique que les autocorrélations sont trop

impor-tantes pour être celles d'un bruit blanc. AsymptotiquementQ

LB

suit une loi du Khi-2

à k degré de liberté : QLB −A

p

χ

2K

. On rejette donc l'hypothèse H

0

au niveau α si

Q

LB

≥χ

2

K

(1−α) oùχ

2

K

(1−α)désigne le quantile d'ordre(1−α)d'une loi du Khi-2

à K degré de liberté.

Test de normalité

Si de plus, le processus (

t

)

t∈{1,...,T}

est supposé gaussien alors le test de

Shapiro-Wilk peut s'appliquer :

H

0

: un échantillon de taille T, (

1

, ...,

T

), est issue d'une population normalement

distribuée.

La statistique de test s'écrit :

W = (

P

T

i=1

a

i

(i)

)

2

P

T

i=1

(

i

−¯)

2

où,

(i)

désigne la ième statistique d'ordre et les a

i

sont tels que :

(a

1

, ..., aT) = m

0

V

1

(m

0

V

−1

V

−1

m)

1/2

avec m

1

, ..., m

T

les espérances des statistiques d'ordre d'un échantillon de variables

indépendantes et identiquement distribuée tiré d'une loi normale, et V la matrice de

variance-covariance de ces statistiques d'ordre.

Si la valeur de W est trop faible, l'hypothèse H

0

est rejetée.

Un deuxième test peut être utilisé :

Le test de Kolmogorov-Smirnov basé sur la fonction de répartition empirique permet

de déterminer si un échantillon suit une loi connue par sa fonction de répartition, par

exemple la loi normale.

Soit(x

1

, ...x

n

)un échantillon de n variables aléatoires indépendantes à valeurs réelles,

alors la fonction de répartition empirique de cet échantillon est dénie par :

F

n

(x) = 1

n

n

X

i=1

δ

xi≤x

48 3.2. Étude d'une série temporelle

La fonction de répartition empirique est un processus qui prend ses valeurs dans

l'espace des fonctions croissantes comprises entre 0 et 1. Grâce à ses propriétés, on a

la convergence suivante, pour tout c≥0 :

P[sup|F

n

(x)−F(x)| ≤ √c

n]

nA∞

−−−A2

+∞

X

r=1

(−1)

r1

exp(−2r

2

c

2

)

Le terme α(c)vaut 0.05 quand c=1.36. Il est ainsi facile de proposer un test

d'hypo-thèse pour décider si un échantillon provient bien de la loi normale.

Ce test suppose que la loi F est connue, or dans la pratique, F est estimée à partir

des données. Ainsi, la statistique de test construite à partir d'une estimation de F ne

suit pas la loi de Kolmogorov-Smirnov. Ce test n'est donc pas adéquate et pourtant

il est classiquement encore utilisé.

b. Processus autorégressif d'ordre p

Les processus autorégressifs sont des processus stationnaires et ergodiques.

Un processus (ν

t

)

t∈T

est un processus autorégressif d'ordre p, notéAR(p), si :

1. (ν

t

)

t∈T

est faiblement stationnaire

2. ∀ t ∈ Z, ν

t

= P

p

i=1

φ

i

ν

t−i

+

t

où φ

p

6= 0 et (

t

)

t∈T

est un bruit blanc faible de

variance σ

2

.

On note généralement ce processus de la façon suivante : Φ(B)ν

t

=

t

avec Φ(B) =

I −P

p

i=1

φ

i

B

i

où B est le processus retard (Bν

t

= ν

t−1

). Remarquons que si Φ(B)

admet une racine sur le cercle unité, alors le processus (X

t

)

t∈Z

n'est pas stationnaire.

Si un processus (ν

t

)

t∈Z

est un processus AR d'ordre p qui a toutes les racines de son

polynôme Φà l'extérieur du cercle unité, alors on dit que la représentation est

cano-nique.

Si un processus (ν

t

)

t∈Z

est un processus AR d'ordre p canonique, Φ(B)X

t

=

t

.alors

il admet une écriture appelée MA(∞), ν

t

= Φ

1

(B)

t

=

t

+P

+∞

i=1

ψ

i

t−i

. Pour des

plus amples détails, consulter Hamilton, 1994 [45].

Identication du processus AR(p) canonique

Autocorrélations simples

Soit (νt)

t∈Z

un processus AR(p) canonique.

∀t ∈Z, νt=

p

X

i=1

φiνt

−i

+t

Le système liant les autocorrélations simples aux paramètres autoregressifs(φ

i

)

i∈{1,...,p}

,

appelé équations de Yule-Walker [48,49], est le suivant :

ρ(1)

ρ(2)

...

ρ(p)

=

1 ρ(1) ... ρ(p−1)

ρ(1) 1 ... ...

... ... ... ρ(1)

ρ(p−1) ... ρ(1) 1

φ

1

φ

2

...

φp

ρ=R(p)φ

Comme vu précédemment, ce système va permettre d'obtenir les paramètres

autoré-gressifs ( ˆφ

i

)

i∈{1,...,p}

en inversant la matrice R(p), qui est de plein rang et symétrique

(donc inversible) estimée à partir des corrélations empiriques. L'algorithme de

Dur-bin permet de déterminer les autocorrélations partielles de manière plus simple que

l'inversion de R(p).

On peut également remarquer que les autocorrélations simples sont solution d'une

équation de récurrence linéaire simple d'ordre p. Si les racines du polynôme Φ(z),

z

i

= 1

α

i

, i ∈ {1, ..., p}, sont réelles et distinctes alors on obtient une solution de la

forme :

ρ(h) =

p

X

i=1

c

i

α

ih

On constate ainsi une décroissance exponentielle des autocorrélations simples vers 0.

Autocorrélations partielles

s'an-50 3.2. Étude d'une série temporelle

nulent à partir du rang p+ 1.

r(p)6= 0

∀h≥p+ 1, r(h) = 0

Réciproquement, il s'agit d'une condition nécessaire et susante pour qu'un processus

t

)

t∈Z

soit un AR(p).

Ces caractéristiques vont permettre l'identication d'un processus autorégressif : si

l'ACF présente une décroissance exponentielle vers 0 et la PACF s'annule à partir du

rang p+ 1, alors il s'agit d'un AR(p).

Vérication de la modélisation du processus

La vérication de la modélisation passe essentiellement par la vérication que le

pro-cessus de résidu est bien un bruit blanc.