时间序列分析工具箱——tibbletime

作者：徐瑞龙，量化分析师，R语言中文社区专栏作者

博客专栏：

https://www.cnblogs.com/xuruilong100

本文翻译自《Demo Week: Tidy Time Series Analysis with tibbletime》

原文链接： www.business-science.io/code-tools/2017/10/26/demo_week_tibbletime.html

注意：由于软件包的版本变化，部分代码被修改，文字有删减

tibbletime 的用途

1. tidy 时间序列分析的未来：基于  tbl 的新类—— tbl_time ，为  tibble 对象添加时间轴，赋予处理时间的能力。

2. 时间序列函数：为  tbl_time 对象专门设计的一系列函数，例如：

• filter_time() ：根据日期简便快捷地过滤一个  tbl_time 对象。

• as_period() ：转换时间周期（例如月度变为年度），让用户能将数据聚合到低粒度水平上。

• time_collapse() ：当使用  time_collapse 时， tbl_time 对象中落入相同周期的索引将被修改成相同的日期。

• rollify() ：修改一个函数，使其能够在特定时间区间上计算一个或一组值。可以用来计算滚动均值，或其他  tidyverse 框架下的滚动计算。

• create_series() ：根据规则时间序列，用简化标记快速初始化一个带有  date 列  tbl_time 对象。

加载包

tibbletime 目前还在活跃开发阶段，可以用常规方法安装，也可以借助  devtools 从 github 上安装最新开发版。

# Get tibbletime version with latest features 
devtools::install_github("business-science/tibbletime")

安装完成后，加载下面的包：

• tibbletime ：创建带时间轴的  tibble 对象，可以使用  tbl_time 函数。

• tidyquant ：加载  tidyverse 框架，用  tq_get() 获取数据。

# Load libraries 
library(tibbletime) # Version: 0.1.1, Future of tidy time series analysis 
library(tidyquant)  # Loads tidyverse, tq_get()

数据

用 tq_get() 下载 FANG（脸书、亚马逊、网飞、谷歌）每天的股票价格。

# Stock Prices from Yahoo! Finance 
FANG_symbols <- c("FB", "AMZN", "NFLX", "GOOG") 
 
FANG_tbl_d <- FANG_symbols %>% 
    tq_get( 
        get = "stock.prices", 
        from = "2014-01-01", 
        to = "2016-12-31") 
 
FANG_tbl_d <- FANG_tbl_d %>% 
    group_by(symbol) 
 
FANG_tbl_d

## # A tibble: 3,024 x 8 
## # Groups:   symbol [4] 
##    symbol       date  open  high   low close   volume adjusted 
##     <chr>     <date> <dbl> <dbl> <dbl> <dbl>    <dbl>    <dbl> 
##  1     FB 2014-01-02 54.83 55.22 54.19 54.71 43195500    54.71 
##  2     FB 2014-01-03 55.02 55.65 54.53 54.56 38246200    54.56 
##  3     FB 2014-01-06 54.42 57.26 54.05 57.20 68852600    57.20 
##  4     FB 2014-01-07 57.70 58.55 57.22 57.92 77207400    57.92 
##  5     FB 2014-01-08 57.60 58.41 57.23 58.23 56682400    58.23 
##  6     FB 2014-01-09 58.65 58.96 56.65 57.22 92253300    57.22 
##  7     FB 2014-01-10 57.13 58.30 57.06 57.94 42449500    57.94 
##  8     FB 2014-01-13 57.91 58.25 55.38 55.91 63010900    55.91 
##  9     FB 2014-01-14 56.46 57.78 56.10 57.74 37503600    57.74 
## 10     FB 2014-01-15 57.98 58.57 57.27 57.60 33663400    57.60 
## # ... with 3,014 more rows

我们设计了一个函数来按股票代码分块绘图，可以在本文中重复使用。没有必要深究这些代码，只要认识到我们正在创建一个  ggplot2  对象，它通过指定数据框、x、y 和 group（如果存在）等要素来创建根据“symbol”分块的信息图。

# Setup plotting function that can be reused later 
ggplot_facet_by_symbol <- function(data, 
                                   mapping) 
{ 
    if (is.null(mapping$group)) 
    { 
        # No groups 
        g <- data %>% 
            ggplot( 
                mapping = mapping) + 
            labs(x = quo_name(mapping$x), 
                 y = quo_name(mapping$y)) 
    } 
    else 
    { 
        # Deal with groups 
        g <- data %>% 
            ggplot( 
                mapping = mapping)  + 
            labs(x = quo_name(mapping$x), 
                 y = quo_name(mapping$y), 
                 group = quo_name(mapping$group)) 
    } 
 
    # Add faceting and theme 
    g <- g + 
        geom_line() + 
        facet_wrap( 
            ~ symbol, ncol = 2, scales = "free_y") + 
        scale_color_tq() + 
        theme_tq() 
 
    return(g) 
}

我们可以使用绘图函数  ggplot_facet_by_symbol  快速可视化我们的数据。让我们看一下“除权调整的”股票价格。

# Plot adjusted vs date 
FANG_tbl_d %>% 
    ggplot_facet_by_symbol( 
        mapping = aes( 
            x = date, y = adjusted, color = symbol)) + 
    labs( 
        title = "FANG Stocks: Adjusted Prices 2014 through 2016")

上图所显示就是我们要处理的数据，下面让我们进入 tibbletime 的教程。

教程： tibbletime

本教程将介绍下列函数的用法：

• filter_time ：对时间索引的过滤

• as_period ：改变数据的周期

• rollify ：将任意函数转换成为滚动函数

初始化一个 tbl_time 对象

在我们使用这些新函数之前，我们需要创建一个 tbl_time 对象。新类的操作几乎与普通的  tibble 对象相同。然而，它会在背后自动跟踪时间信息。

使用 as_tbl_time() 函数初始化对象。指定  index = date ，这告诉  tbl_time 对象要跟踪哪个索引。

# Convert to tbl_time 
FANG_tbl_time_d <- FANG_tbl_d %>% 
    as_tbl_time(index = date) 

我们可以打印  tbl_time  对象。看起来几乎与分组的  tibble  相同。请注意，“Index: date”通知我们“time tibble”已正确初始化。

# Show the tbl_time object we created 
FANG_tbl_time_d

## # A time tibble: 3,024 x 8 
## # Index:  date 
## # Groups: symbol [4] 
##    symbol       date  open  high   low close   volume adjusted 
##     <chr>     <date> <dbl> <dbl> <dbl> <dbl>    <dbl>    <dbl> 
##  1     FB 2014-01-02 54.83 55.22 54.19 54.71 43195500    54.71 
##  2     FB 2014-01-03 55.02 55.65 54.53 54.56 38246200    54.56 
##  3     FB 2014-01-06 54.42 57.26 54.05 57.20 68852600    57.20 
##  4     FB 2014-01-07 57.70 58.55 57.22 57.92 77207400    57.92 
##  5     FB 2014-01-08 57.60 58.41 57.23 58.23 56682400    58.23 
##  6     FB 2014-01-09 58.65 58.96 56.65 57.22 92253300    57.22 
##  7     FB 2014-01-10 57.13 58.30 57.06 57.94 42449500    57.94 
##  8     FB 2014-01-13 57.91 58.25 55.38 55.91 63010900    55.91 
##  9     FB 2014-01-14 56.46 57.78 56.10 57.74 37503600    57.74 
## 10     FB 2014-01-15 57.98 58.57 57.27 57.60 33663400    57.60 
## # ... with 3,014 more rows

我们可以使用绘图函数  ggplot_facet_by_symbol()  绘制它，我们看到  tbl_time  对象与  tbl  对象的反应相同。

# Plot the tbl_time object 
FANG_tbl_time_d %>% 
    ggplot_facet_by_symbol( 
        mapping = aes( 
            x = date, y = adjusted, color = symbol)) + 
    labs( 
        title = "Working with tbltime: Reacts same as tbl class")

时间序列函数

让我们看看可以用新的 tbl_time 对象做些什么。

filter_time

filter_time() 函数根据按日期简便快捷地过滤  tbl_time 对象，它使用一个函数格式（例如  'date_operator_start' ~ 'date_operator_end' ）。我们使用标准日期格式  YYYY-MM-DD + HH:MM:SS 指定日期运算符，但也有强大的简化标记来更有效地指定日期子集。

假设我们想要过滤出 2014-06-01 和  2014-06-15 之间的所有观察结果。我们可以使用函数标记  filter_time('2014-06-01' ~ '2014-06-15') 来完成。

# filter_time by day 
FANG_tbl_time_d %>% 
    filter_time('2014-06-01' ~ '2014-06-15') %>% 
    # Plotting 
    ggplot_facet_by_symbol( 
        mapping = aes( 
            x = date, y = adjusted, color = symbol)) + 
    geom_point() + 
    labs( 
        title = "Time Filter: Use functional notation to quickly subset by time", 
        subtitle = "2014-06-01 ~ 2014-06-15")

我们可以按月完成同样的工作。假设我们只想在 2014 年 3 月进行观察。使用简化函数标记  ~ '2014-03' 。

# filter_time by month 
FANG_tbl_time_d %>% 
    filter_time(~ '2014-03') %>% 
    # Plotting 
    ggplot_facet_by_symbol( 
        mapping = aes( 
            x = date, y = adjusted, color = symbol)) + 
    geom_point() + 
    labs( 
        title = "Time Filter: Use shorthand for even easier subsetting", 
        subtitle = "~ 2014-03")

tbl_time  对象也响应括号符号运算符—— [ 。在这里，我们提取 2014 年所有日期的数据。

 # filter_time by month 
    FANG_tbl_time_d %>% 
        filter_time(~ '2014-03') %>% 
        # Plotting 
        ggplot_facet_by_symbol( 
            mapping = aes( 
                x = date, y = adjusted, color = symbol)) + 
        geom_point() + 
        labs( 
            title = "Time Filter: Use shorthand for even easier subsetting", 
            subtitle = "~ 2014-03")

filter_time() 有许多功能和简化标记，感兴趣的读者可以查看 filter_time vignette 和 filter_time function documentation。

as_period

函数 as_period() 可以改变  tbl_time 对象的周期。与传统方法相比，使用此方法有两个优点：

1. 函数标记非常灵活： yearly == y == 1 y

2. 函数标记提供了无数周期转换的可能，例如：

• 15 d ：以 15 天为一周期

• 2 m ：以 2 月为一周期

• 4 m ：以 4 月为一周期

• 6 m ：以半年为一周期

首先，让我们做一个简单的月度周期性变化。

# Convert from daily to monthly periodicity 
FANG_tbl_time_d %>% 
    as_period(period = "month") %>% 
    # Plotting 
    ggplot_facet_by_symbol( 
        mapping = aes( 
            x = date, y = adjusted, color = symbol)) + 
    labs( 
        title = "Periodicity Change from Daily to Monthly") + 
    geom_point()

让我们提升一个档次。那么每两个月一次呢？ 只需使用函数标记  2 m  即可。

# Convert from daily to bi-monthly periodicity 
FANG_tbl_time_d %>% 
    as_period(period = '2 m') %>% 
    # Plotting 
    ggplot_facet_by_symbol( 
        mapping = aes( 
            x = date, y = adjusted, color = symbol)) + 
    labs( 
        title = "Periodicity Change to Daily to Bi-Monthly", 
        subtitle = "2~m") + 
    geom_point()

让我们继续。那么每半年一次呢？ 只需使用  6 m  即可。

# Convert from daily to bi-annually periodicity 
FANG_tbl_time_d %>% 
    as_period(period = '6 m') %>% 
    # Plotting 
    ggplot_facet_by_symbol( 
        mapping = aes( 
            x = date, y = adjusted, color = symbol)) + 
    labs( 
        title = "Periodicity Change to Daily to Bi-Annually", 
        subtitle = "6~m") + 
    geom_point()

函数标记几乎提供了无限可能，感兴趣的话可以查看 vignette on periodicity change with tibbletime。

rollify

rollify() 函数是一个副词（ tidyverse 中的一种特殊类型的函数，用于修改另一个函数）。 rollify() 的作用是将任何函数转换为自身的滚动版本。

# Rolling 60-day mean 
roll_mean_60 <- rollify( 
    mean, window = 60) 
 
FANG_tbl_time_d %>% 
    mutate( 
        mean_60 = roll_mean_60(adjusted)) %>% 
    select(-c(open:volume)) %>% 
    # Plot 
    ggplot_facet_by_symbol( 
        mapping = aes( 
            x = date, y = adjusted, color = symbol)) + 
    geom_line( 
        aes(y = mean_60), 
        color = palette_light()[[6]]) + 
    labs( 
        title = "Rolling 60-Day Mean with rollify")

我们甚至可以做出更复杂的滚动功能，例如相关性。我们在  rollify()  中使用函数形式  .f = ~fun（.x，.y，...） 。

# Rolling correlation 
roll_corr_60 <- rollify( 
    ~ cor(.x, .y, use = "pairwise.complete.obs"), 
    window = 60) 
 
FANG_tbl_time_d %>% 
    mutate( 
        cor_60 = roll_corr_60( 
            open, close)) %>% 
    select(-c(open:adjusted)) %>% 
    # Plot 
    ggplot_facet_by_symbol( 
        mapping = aes( 
            x = date, y = cor_60, color = symbol)) + 
    labs( 
        title = "Rollify: 60-Day Rolling Correlation Between Open and Close Prices")

我们甚至可以返回多个结果。例如，我们可以创建滚动分位数。

首先，创建一个返回分位数的函数。

# Quantile tbl function 
quantile_tbl <- function(x) 
{ 
    q <- quantile(x) 
 
    tibble( 
        quantile_name  = names(q), 
        quantile_value = q) 
} 
 
# Test the function 
quantile_tbl(1:100)

## # A tibble: 5 x 2 
##   quantile_name quantile_value 
##           <chr>          <dbl> 
## 1            0%           1.00 
## 2           25%          25.75 
## 3           50%          50.50 
## 4           75%          75.25 
## 5          100%         100.00

很好，它可以工作。接下来，使用  rollify  创建滚动版本。我们设置  unlist = FALSE  来返回 列表列 。

# Rollified quantile function 
roll_quantile_60 <- rollify( 
    quantile_tbl, window = 60, unlist = FALSE)

接下来，在  mutate()  中应用滚动分位数函数来获得滚动分位数。确保你已经用  select() 、 filter()  和  unnest()  删除了不必要的列，过滤了  NA  值，并展开列表列。现在每个日期有五个分位数值。

# Apply rolling quantile 
FANG_quantile_60 <- FANG_tbl_time_d %>% 
    mutate( 
        rolling_quantile = roll_quantile_60(adjusted)) %>% 
    select(-c(open:adjusted)) %>% 
    filter(!is.na(rolling_quantile)) %>% 
    unnest() 
 
FANG_quantile_60

## # A time tibble: 13,940 x 4 
## # Index:  date 
## # Groups: symbol [4] 
##    symbol       date quantile_name quantile_value 
##  *  <chr>     <date>         <chr>          <dbl> 
##  1     FB 2014-03-28            0%        53.5300 
##  2     FB 2014-03-28           25%        57.8750 
##  3     FB 2014-03-28           50%        64.2100 
##  4     FB 2014-03-28           75%        68.6275 
##  5     FB 2014-03-28          100%        72.0300 
##  6     FB 2014-03-31            0%        53.5300 
##  7     FB 2014-03-31           25%        57.9350 
##  8     FB 2014-03-31           50%        64.2100 
##  9     FB 2014-03-31           75%        68.6275 
## 10     FB 2014-03-31          100%        72.0300 
## # ... with 13,930 more rows

最后，画出结果。

FANG_quantile_60 %>% 
    ggplot_facet_by_symbol( 
        mapping = aes( 
            x = date, y = quantile_value, 
            color = symbol, group = quantile_name)) + 
    labs( 
        title = "Rollify: Create Rolling Quantiles")

如果想继续探索  rollify  的用法，可以查看  vignette on rolling functions with rollify 。

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