Forecasting and Business Analysis

profileWriter Pro
fbasourdinlecture01_handouts.pdf

29/07/13  

1  

Forecas0ng  and  Business   Analysis    

Introduc0on,  Data  Handling  and   Correla0on   Lecture  1  

   

•  Lecturer:   Dr  Patricia  Sourdin     [email protected]     •  Tutor   Mr  Minh  Nguyen   [email protected]      

Admin  

•  Lectures:    5  pm–  7  pm,  Thursday  

•  Tutorials:    you  need  to  be  enrolled  in  one  of   the  tutorials  

29/07/13  

2  

Admin    

•  Your  textbook  

Course  website    

Features:   •  Course  informa0on  booklet   •  Lecture  slides   •  Online  forum   •  Assessment  informa0on   •  Study  guide  and  data  sets  to  help  you  prepare   for  tutorials  

Assessment    

Three  pieces  of  assessment:   -­‐-­‐  Assignment  1    (20%)  due  13  September  2013   -­‐-­‐  Assignment  2    (20%)  due  8  November  2013   -­‐-­‐  Final  Exam    (60%)     Please  look  at  course  outline  for  specific   instruc0ons  and  rules  related  to  pass  marks.  

29/07/13  

3  

Prerequisites  

This  course  REQUIRES  successful  comple0on  of  the   following  courses:     –Either  Sta0s0cs  for  Business  (MATH  1052)  or   Quan0ta0ve  Methods  for  Business  (Math  1053)     and     –Either  Principles  of  Economics  (ECON  1008),  or   Microeconomics  (ECON  1006),  or  Macroeconomics   (ECON  1007).     If  you  do  not  have  these  courses  you  will  be  de-­‐ enrolled  automa0cally.    

What  you  need.  

•  This  course  builds  upon  your  previous  study,  and   therefore  we  assume  you  have  acquired  knowledge   of  the  following:      –Basic  MS  Excel      –Fundamental  economic  theory  and  logic      –Basic  algebraic  techniques      –Basic  concepts  from  sta0s0cs,  such  as  parameter        es0ma0on  and  sta0s0cal  tes0ng    

•  You  will  need  regular  access  to  a  computer  with  MS   Excel  installed    

 

What  FBA  will  do  for  you   •  Introduce  you  to  a  range  of  quan0ta0ve  analysis   techniques  and  their  limita0ons    

•  Take  you  from  being  able  to  compile  and   summarise  data  in  a  very  basic  way  towards  more   sophis0cated  analysis      –Provide  you  with  prac0cal  forecas0ng  and    quan0ta0ve  skills  that  can  be  applied  in  business,    government,  and  academic  research    

•  These  tools  are  highly  sought  by  employers      

29/07/13  

4  

Examples  of  ques0ons  that  can  be   answered  using  the  techniques  you  will  

acquire     •  Do  lower  speed  limits  save  lives?     •  How  much  is  a  university  degree  worth  in  the  labour   market?    

•  Does  campaign  spending  influence  elec0on   outcomes?    

•  Does  economic  development  lead  to  less  or  more   environmental  damage?    

•  Why  are  some  countries  so  poor  and  others  so  rich?     •  What  is  the  likely  effect  of  a  marke0ng  campaign  on   sales?    

 

This  week  

•  Topic  1a  –  Brief  Review     – Review  some  basic  concepts  from  maths  and     sta0s0cs    

•  Topic  1b  -­‐  Data  Handling.     – Data  types,  graphical  methods,  descrip0ve  stats  –   mean  and  variance  

•  Topic  1c  –  Probability  distribu0ons   •  Topic  1d  –  Correla0on     – Defini0on,  correla0on  table    

 

Topic  1a  

Review  and  concepts  from  maths  and   sta0s0cs  

29/07/13  

5  

Func0onal  Nota0on  

•  Ogen  we  are  interested  in  the  rela0onship   between  2  or  more  variables,  which  is  ogen   denoted  using  the  concept  of  a  func0on    

•  Read:  “Y  is  a  func0on  of  X”     •  X  can  be  one  variable,  or  it  can  be  a  vector  of   many  variables    

 

Y = f X( )

Equa0on  of  a  Straight  Line     •  Any  straight  line  can  be  expressed  as:  

•  where  α  (y-­‐intercept)  and  β  (slope  of  the  line)  are   values  which  determine  the  quan0ta0ve   rela0onship  between  X  and  Y.    

•  β  is  the  amount  Y  changes  when  X  changes  by   one  unit    

•  Explain  the  intui0on  of  β=0.5,  β=-­‐0.75??    

Y = α + βX

Logarithms   •  The  logarithm  is  a  common  way  of  transforming  a   variable  in  business  analysis    

•  The  logarithm  of  A  is  the  power  to  which  B  (a  base   value)  must  be  raised  to  give  the  value  A    

•  For  example,  if  B  =  9  and  A  =  81  then  the  logarithm  is   2,  expressed  as  log9(81)  =  2    

•  Ogen  we  use  the  natural  logarithm,  where  B  =  e  (e,  a   mathema0cal  constant,  is  approximately  equal  to   2.718)    

•  For  example,  if  GDP  =  243  then  loge(243)  =  ln(243)  =   5.493    

29/07/13  

6  

Ln(A)  in  Excel    

•  To  calculate  the  natural  logarithm  of  a  number  in   Excel,  use  “=LN(number)”    

•  To  return  that  result  back  to  the  original  number,   use  “=EXP(number)”  (this  is  called   “exponen0a0on”)    

•  Both  opera0ons  can  also  be  done  using  a   calculator    

 

Where  we  are  headed    

•  This  week  we’ll  discuss  data  types,  handling,   correla0on  analysis,  and  other  simple  procedures   -­‐  and  then  move  on  to  basic  0me-­‐series   forecas0ng  techniques    

•  This  will  be  followed  by  an  introduc0on  to  cross-­‐ sec0onal  regression,  and  then  0me-­‐series   regression  –  which  together  will  take  up  the  bulk   of  the  course    

•  During  the  course,  we’ll  focus  on  how  the   techniques  we  have  discussed  can  be  used  in   real-­‐world  forecas0ng  and  data  analysis    

What  does  regression  have  to  do  with   “Forecas0ng”???    

•  The  course  does  have  some  maths  in  it.  Don't   panic!    

•  We  will  focus  on  regression:  regression  is  a   sta/s/cal  technique    

•  Despite  many  rumours,  neither  math  nor   sta0s0cs  is  an  evil  thing:  they  are  TOOLS,   which  are  used  EVERYWHERE  in  business  and   elsewhere    

29/07/13  

7  

What  does  regression  have  to  do  with   “Forecas0ng”???  (con0nued)    

•  A  forecast  is  a  predicted  outcome.  The   predic0on  may  be:      –Of  an  aggregate  “macro”  variable  (e.g.,    unemployment)      –Of  a  “micro”  variable  (e.g.,  sales)      –Based  on  opinion,  theory,  data  analysis,  or    some  combina0on  of  these  three    

•  Regressions  yield  predic0ons  –  this  is  why   they  are  used  heavily  in  forecas0ng    

 

More  about  forecas0ng    

•  Forecas0ng  helps  businesses  and  governments  make   decisions  in  the  face  of  uncertainty    

•  Virtually  all  governments  forecast  macroeconomic   indicators  such  as  unemployment,  consumer   spending,  popula0on  growth,  and  GDP    

•  Forecasts  are  constructed  at  na0onal,  regional,  state   and  local  levels,  and  inform  public  and  private  policy   (resource  alloca0on)  at  every  level    

•  Some  of  the  data  used  to  develop  such  forecasts  are   confiden0al,  and  some  come  from  government   agencies  and  departments  (like  the  ABS)    

Examples     We  have  just  seen  a  major  economic  event.  The   “global  financial  crisis”      –What  will  GDP  growth  be  this  year?      –How  will  sales  of  my  company’s  goods  do  this    year?      –What  will  the  level  of  unemployment  be?      –What  will  happen  to  house  prices?      –Will  wages  fall?      –What  will  happen  to  a  par0cular  stock  price?    What  will  happen  to  stock  prices  in  general?    

29/07/13  

8  

A  note  on  cross-­‐sec0onal  versus  0me   series  predic0ons    

•  We  interpret  a  “forecast”  broadly  as  a   “predic0on”  in  this  course    

  •  The  predic0on  can  be  for  future  0me  periods   (using  0me  series  data)    

  •  A  predic0on  can  also  be  constructed  using   cross-­‐sec0onal  data    

Topic  1b    

Data  handling    

Subscripts  and  Summa0on    

•  Subscripts  are  used  to  denote  different  observa0ons   of  a  variable    

•  Conven0onally,  we  use  subscript  i  for  cross-­‐sec0onal   observa0ons  (i.e.  states,  individuals,  etc),  and  t  for   0me  series  observa0ons  (i.e.  years,  months,  quarters)    

•  Say  we  had  data  for  GDP  (Y)  over  a  10  year  period,   with  one  observa0on  for  GDP  (Y)  in  year  1,  another  in   year  2,  etc.    

•  The  individual  values  of  Y  can  be  expressed  as  Y1  (=   GDP  in  year  one),  Y2  (  =  GDP  in  year  2),  all  the  way  up   to  Y10,  or  {Yt}  where  t  =  1  to  10    

29/07/13  

9  

…con0nued  

•  We  can  then  write  Yt  to  denote  any  individual   observa0on  of  GDP    

•  If  you  are  interested  in  calcula0ng  the  average   of  GDP  over  the  ten-­‐year  period,  then  you  first   want  to  add  up  (or  sum)  over  all  the   observa0ons    

•  Use  the  summa0on  operator,  capital  sigma:    

Yt = Y1 +Y2 +…Y10t=1 10

Data  Types  

Types  of  Data:      –0me  series  data  (Yt  for  t=1,…,T)      –cross-­‐sec0onal  data  (Yi  for  i=1,…,N)      –panel  data  (Yit  for  i=1,..,N  and  t=1,…,T)    

Cross-­‐sec0onal  vs  0me-­‐series  data  

•  Cross-­‐sec0onal  data  are  observa0ons  on  one   or  more  unit-­‐level  variables  collected  at  a   single  point  in  0me      -­‐-­‐    Repeated  cross-­‐sec0ons:  cross-­‐sec0onal    data  on  variables  that  are  roughly    comparable  and  observed  at  successive  0me    periods  (but  NOT  for  the  same  sample)    

•  A  “0me  series”  is  a  series  of  observa0ons  on   one  variable  over  successive  periods  of  0me    

29/07/13  

10  

Cross-­‐sec0onal  example   Household            Yearly  Household    Yearly  Household     number                spending            income          

            1                  30,000          100,000       2                  40,000              70,000       3                  80,000              60,000       4                            100,000          250,000       5                  30,000              25,000       6                  15,000              20,000       7                  40,000              60,000       8                  50,000              50,000       9                  80,000              90,000       10                  20,000          100,000       …                    …            …       100                  30,000              40,000      

Time-­‐series  data     Time  Period    Median  house  price       1            100,000       2            150,000       3            150,000       4            155,000       5            157,000       6            200,000       7            210,000       8            150,000       9            200,000       10            205,000       …              …       100          250,000      

Panel  data  example     Time  Period            State        #  Road  Accidents       1                  NSW            46       1                  WA            31       1                  Vic            19       2                  NSW            52       2                  WA            47       2                  Vic            17       3                  NSW            49       3                  WA            37       3                  Vic            14       …                  …              …        

29/07/13  

11  

Variable  types     Categorical    

   –Nominal  scale:  one-­‐to-­‐one  or  many-­‐to-­‐one   mapping  of  categories  into  numerical  “dummies”    

   –Ordinal  scale:  numbers  assigned  to  categories   reflect  an  inherent  ranking     Numerical    

   –Discrete  (binary  or  mul0nomial);  ogen  equivalent   to  ordinal  categorical  variables  –  e.g.,  number  of   bedrooms  in  a  house    

   –Con0nuous     Most  variables  we  wish  to  forecast  are  numerical    

Commonly  used  transforma0ons    

•  Levels  versus  Growth  Rates        –Example:  Might  be  more  interested  in        growth  of  GDP  as  opposed  to  levels    

Growth  Rates:       •Log  transforma0ons     •Propor0ons  –  e.g.,  the  propor0on  of  people  in   Australia  with  a  university  degree     •Index  (eg.  CPI).  See  Sect  2.1  Koop.      

Yt −Yt−1( ) Yt−1

×100

Graphical  methods  

29/07/13  

12  

Time  series   •  Retail  trade  over  0me  

Histograms  

•  Example  ques0ons:      –“What  is  the  distribu0on  of  income  across  

countries?”      –“What  is  the  extent  of  global  inequality?”    

•  Related  to  the  idea  of  a  distribu0on.     •  Data  to  use:  real  GDP  per  capita  in  1992  for  90   countries  measured  in  $US.    

Construc0ng  a  Histogram:  Step  1    

•  Construct  “class   intervals”  (“bins”).    

•  Real  GDP  per  capita  in   our  data  set  varies   from  $408  in  Chad  to   $17,945  in  the  U.S.    

•  Class  intervals  must   include  these   extremes.    

•  One  choice  of  class   intervals  (of  many   choices  possible):    

29/07/13  

13  

Step  2:  Calculate  frequencies.    

•  Count  the  number  of  countries  whose  GDP   per  capita  falls  into  each  bin.  

Step  3:  Make  a  bar  chart    

•  Make  a  bar  chart,  with  the  bins  on  the  x-­‐axis,   and  frequency  on  the  y-­‐axis.    

XY  Graph  (cross-­‐sec0onal)     •  Example:  Deforesta0on  and  Popula0on  density   for  70  tropical  countries.    

•  Ques0on  of  interest:        –“Do  countries  with  high  popula0on  density      also  tend  to  have  high  deforesta0on  rates?”    

•  Plot  of  one  variable  versus  another  (e.g.   deforesta0on  on  y-­‐axis,  popula0on  density  is  on   x-­‐axis).    

•  Each  point  on  graph  represents  deforesta0on  and   popula0on  density  for  one  country.    

29/07/13  

14  

Sca|erplot  Example  

XY  plot  of  popula0on  density  against  deforesta0ons  

Interpreta0on  of  XY-­‐plots  

•There  seems  to  be  a  posi0ve  rela0onship  between   deforesta0on  and  popula0on  density     •Countries  with  low  popula0on  density  also  tend  to   have  low  deforesta0on  rates  (i.e.  low-­‐low)     •Countries  with  high  popula0on  density  also  tend   to  have  high  deforesta0on  rates  (i.e  high-­‐high)     •Outliers:  countries  which  do  not  fit  the  “general   pa|ern”.      

Descrip0ve  sta0s0cs  

29/07/13  

15  

Descrip0ve  Sta0s0cs    

•  Example  (con0nued):  real  GDP  per  capita  for   90  countries.    

•  A  histogram  graphically  summarises  the  cross-­‐ country  income  distribu0on.    

•  Descrip0ve  sta0s0cs  are  numbers  which   summarise  proper0es  of  the  income   distribu0on.    

1.    Measures  of  Loca0on  

•  Intui0on:  centre  of  distribu0on,  average,  “typical   country”  (careful!!).  We  can  calculate  the   sample’s  value  –  not  the  popula0on  value.    

•  Sample  mean:    

  •  Mean  GDP  per  capita  is  $5,443.80  in  this  sample     •  Median  or  mode  is  ogen  useful  for  skewed  data      

Y = Yi

i=1

N

∑ N

2.    Measures  of  dispersion  

•  Intui0on:  spread/variability/dispersion  of   distribu0on;  inequality  across  observa0ons.   Again  –  calculated  for  the  sample  at  hand.    

•  Standard  devia0on:  

•   Variance  =  standard  devia0on  squared    

s = Yi −Y( )

2∑ N −1

29/07/13  

16  

Topic  1c    

Probability  distribu0ons  

Random  variables   •  A  random  variable  is  a  variable  whose  value  is   unknown  un0l  it  is  observed;  in  other  words  it  is  a   variable  that  is  not  perfectly  predictable   –  Each  random  variable  has  a  set  of  possible  values  it  can   take  

–  A  discrete  random  variable  can  take  only  a  limited,  or   countable,  number  of  values   •  An  indicator  variable  taking  the  values  one  if  yes,  or  zero  if  no   •  Indicator  variables  are  discrete  and  are  used  to  represent   qualita0ve  characteris0cs  such  as  gender  (male  or  female),  or  race   (white  or  nonwhite)  

–  A  random  variable  that  can  have  any  value  is  treated  as  a   conMnuous  random  variable  

•  Probability  is  usually  defined  in  terms  of   experiments   – If  we  were  to  select  one  cell  from  the  table  at   random,  that  would  cons0tute  a  random   experiment  

29/07/13  

17  

•  We  summarize  the  probabili0es  of  possible   outcomes  using  a  probability  density  func0on     (pdf  )   – The  pdf  for  a  discrete  random  variable  indicates  the   probability  of  each  possible  value  occurring  

– For  a  discrete  random  variable  X  the  value  of  the   probability  density  func0on  f(x)  is  the  probability  that   the  random  variable  X  takes  the  value  x,  f(x)  =  P(X  =  x)   •  It  must  be  true  that  0  ≤  f(x)  ≤  1    

f(x1)  +  f(x2)  +  …  +  f(xn)  =  1    

PDF  of  a  discrete  random  variable  

PDF  of  a  discrete  random  variable  

29/07/13  

18  

PDF  of  con0nuous  RV  

Proper0es  of  PDF  

•  Two  key  features  of  a  probability  distribu0on   are  its  center  (loca0on)  and  width(dispersion)   – A  key  measure  of  the  center  is  the  mean,  or   expected  value  

– Measures  of  dispersion  are  variance,  and  its   square  root,  the  standard  deviaMon  

Expected  value  

•  The  mean  of  a  random  variable  is  given  by  its   mathemaMcal  expectaMon   – If  X  is  a  discrete  random  variable,  then  the   mathema0cal  expecta0on,  or  expected  value,  of  X   is:  

E X( ) = x1P X = x1( )+ x2P X = x2( )++ xnP X = xn( )

29/07/13  

19  

•  For  the  popula0on  in  our  table,  the  expected   value  of  X  is:  

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 3 3 4 4

1 0.1 2 0.2 3 0.3 4 0.4 3

E X P X P X P X P X= × = + × = + × = + × =

= × + × + × + × =

•  The  mean  of  a  random  variable  is  the   populaMon  mean   – We  use  Greek  le|ers  for  populaMon  parameters  

•  The  expected  value  can  be  wri|en   equivalently  as:  

µX = E X( ) = x1 f x1( )+ x2 f x2( )++ xn f xn( ) = xi f xi( )

i=1

n

∑ = xf x( )

x ∑

•  For  our  example:  

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

4

1 µ

1 0.1 2 0.2 3 0.3 4 0.4 3

X i

E X xf x =

= =

= × + × + × + × =

29/07/13  

20  

Proper0es  of  expecta0ons  

•  If  a  is  a  constant,  then  g(X)  =  aX  is  a  func0on   of  X,  and:  

•  If  a  and  b  are  constants,  then:  

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

( )

x

x x

E aX E g X g x f x

axf x a xf x

aE X

⎡ ⎤= =⎣ ⎦

= =

=

∑ ∑ ∑

( ) ( )E aX b aE X b+ = +

•  The  expected  value  of  the  random  variable  is   the  average  value  that  occurs  in  many   repeated  trials  of  an  experiment  

Variance  of  a  random  variable  

•  The  variance  of  a  discrete  or  con0nuous   random  variable  X  is  the  expected  value  of:  

Algebraically:   ( ) ( ) 2g X X E X⎡ ⎤= −⎣ ⎦

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

22

2 2

2 2

2 2

var σ µ

2µ µ

2µ µ

µ

XX E X

E X X

E X E X

E X

= = −

= − +

= − +

= −

29/07/13  

21  

•  For  our  problem,  we  know  that  E(X)  =  μ  =  3   – Now:    

– Then:  

– The  square  root  of  the  variance  is  called  the   standard  deviaMon  

( ) ( ) ( ) ( ) 4 4

2 2

1 1

2 2 2 21 0.1 2 0.2 3 0.3 4 0.4

10

i i E X g x f x x f x

= =

= =

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= × + × + × + ×⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ =

∑ ∑

( ) ( )2 2 2 2var σ µ 10 3 1XX E X= = − = − =

•  2  PDF  with  different  variances  

Property  of  variances  

•  A  useful  property  of  variances  is  the  following   – Let  a  and  b  be  constants,  then:  

– To  see  this,  let  Y  =  aX  +  b.    Then:   ( ) ( )2var varaX b a X+ =

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( )

22

2 22

22

2

var var µ µ

µ µ

µ

var

Y X

X X

X

aX b Y E Y E aX b a b

E aX a E a X

a E X

a X

⎡ ⎤⎡ ⎤+ = = − = + − +⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= − = −⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎡ ⎤= −⎣ ⎦

=

29/07/13  

22  

Rules of expected values

64  

•  E(c) = c

•  E(X+c)=E(X)+c

•  E(cX)=cE(X)

July 13

Rules of Variance

65  

•  V(c)=0

•  V(X+c)=V(X)

•  V(cX)=c2V(X)

July 13

Histogram  of  a  normally-­‐distributed   variable    

29/07/13  

23  

PDF  of  the  normal  distribu0on    

Topic  1d  

Correla0on  

Defini0on  of  correla0on  

•  Correla0on  measures  numerically  the   rela0onship  between  two  variables  X  and  Y   (e.g.,  popula0on  density  and  deforesta0on).    

•  Correla0on  between  X  and  Y  is  symbolised  by   the  correla0on  coefficient  “r”  or  “rXY”.  

r = Yi −Y( ) Xi − X( )∑

Yi −Y( ) 2∑ Xi − X( )

2∑

29/07/13  

24  

Coefficient  of  correla0on  values  

Coefficient  of  correla0on  and  XY  plots    

Why  are  variables  correlated?     Correla0on  does  not  imply  causality!!!!       Example:     •  Correla0on  between  educa0on  and  wages  is  strong  &  posi0ve     •  Does  this  mean  educa0on  “causes”  higher  wages?     •  Possibility  1:  Educa0on  improves  skills,  skilled  workers  get  be|er  

paying  jobs,  and  therefore  educa0on  causes  wages  to  increase     •  Possibility  2:  Some  individuals  are  born  with  high  innate  ability,  

which  makes  it  easier  for  such  individuals  to  pursue  more   educa0on  and  to  be  more  produc0ve  on  the  job.  Innate  ability   (not  educa0on)  causes  wages  to  increase.    

  •  NEED  AN  UNDERLYING  THEORY  TO  BRING  TOGETHER!    

29/07/13  

25  

Correla0on  with  several  variables    

•  Correla0on  relates  precisely  two  variables     •  What  to  do  with  three  or  more?  Usually  use   regression.    

•  Or  you  can  calculate  the  correla0on  between   every  possible  pair  of  variables.    

•  Given  three  variables:  X,  Y  and  Z,  we  can  calculate   three  correla0ons:        –rxy,  rxz  and  ryz    

Correla0on  matrix    

A  correla0on  matrix  shows  the  correla0on   between  each  variable  and  each  other  variable   in  a  sample.    

Conclusions    

•  Appropriate  data  descrip0on  is  a  necessary   first  step  before  ANY  modelling    

•  How  you  describe  data  depends  on  what  sort   of  data  you’re  describing    

•  Correla0on  can  be  sugges0ve,  but  alone   cannot  establish  causality      –Correla0on  +  a  sensible  theory  suggests    (does  not  prove  but  provides  evidence  of)  a  

causal  rela0onship      

29/07/13  

26  

Study    

•  Keep  up  with  the  readings,     •  Prepare  for  your  tutorials:      –There  is  independent  work  that  must  be    completed  by  you  prior  to  tutorials,  if  you  wish    to  par0cipate  in  this  learning  experience      –Please  don’t  come  to  tutorials  if  you  have    not  prepared    

Next  topic…  

•  Begin  looking  at  simple  regression  analysis