import pandas as pd
import numpy as np
import statsmodels.api as sm
import matplotlib.pyplot as plt

# 日次データの生成
data = pd.Series(
    [10, 12, 14, 13, 15, 16, 
     18, 20, 19, 21, 22, 23])

# インデックスを取得
index = np.arange(len(data))

# トレンド推定
X = sm.add_constant(index)
model = sm.OLS(data, X).fit()
trend = model.predict(X)

plt.plot(data, label='Original Data')
plt.plot(trend, label='Trend', linestyle='--')
plt.legend()
plt.show()

詳しく説明します。

日次データの生成しdataに格納します。data は日次データを表す pandas.Series オブジェクトです。

data = pd.Series(
    [10, 12, 14, 13, 15, 16, 
     18, 20, 19, 21, 22, 23])

インデックスの取得します。index は data のインデックスを表す numpy 配列です。

index = np.arange(len(data))

トレンドの推定します。

X = sm.add_constant(index)
model = sm.OLS(data, X).fit()
trend = model.predict(X)

X はインデックスに定数項を追加したものです。これは回帰モデルの設計行列（定数項の列がすべて1で、残りは説明変数の値、今回の説明変数はインデックスつまり0,1,2,……の連番）です。

model に、最小二乗法回帰で学習（sm.OLS(data, X).fit()）させた結果であるモデルです。

trend は回帰モデルを使用して予測されたトレンド値です。
 

元の時系列データ（Original Data）と抽出したトレンド（Trend）を表示します。

plt.plot(data, label='Original Data')
plt.plot(trend, label='Trend', linestyle='--')
plt.legend()
plt.show()

以下に代表的な手法を説明します。

移動平均法 (Moving Average)

• 移動平均法は、データの変動を平滑化するために使用されます。
• 一定の期間のデータの平均を計算し、その平均値をトレンドとして使用します。
• 短期的な変動を除去し、長期的なトレンドを明らかにするのに適しています。

最小二乗法回帰 (Ordinary Least Squares Regression)

• 最小二乗法回帰は、データに対して直線や多項式などの関数をフィットさせる方法です。
• データポイントと回帰直線（または曲線）との距離の二乗和を最小化することで、トレンドを推定します。
• 線形のトレンドを推定するとき、連番0,1,2,……の説明変数を使います。
• 線形回帰や多項式回帰が一般的です。

Hodrick-Prescottフィルター (Hodrick-Prescott Filter)

• Hodrick-Prescottフィルターは、経済学でよく使用される手法で、時系列データをトレンド成分とサイクル成分に分解します。
• スムージングパラメータを調整することで、トレンドの滑らかさを制御できます。

指数平滑法 (Exponential Smoothing)

• 指数平滑法は、過去のデータに指数的に減少する重みを付けて平滑化する方法です。
• 単純指数平滑法、二重指数平滑法、三重指数平滑法などがあります。
• 特に、季節性やトレンドを持つデータに対して有効です。

Fourier変換 (Fourier Transform)

• Fourier変換は、時系列データを周波数成分に分解する手法です。
• データの周期的なパターンを分析するのに適しており、トレンド成分を抽出するために逆Fourier変換を使用することもあります。

ローカル回帰 (LOESS/LOWESS)

• ローカル回帰は、データの局所的な部分に対して回帰を行う手法です。
• データの一部に対して低次の多項式をフィットさせ、その結果を結合して全体のトレンドを推定します。
• 非線形なトレンドを捉えるのに適しています。

これらの手法は、それぞれのデータの特性や目的に応じて使い分けることが重要です。

例えば、短期的な変動を除去して長期的なトレンドを把握したい場合は移動平均法や最小二乗法回帰が適していますし、周期的なパターンを分析したい場合はFourier変換が有効です。

時系列データのトレンド推定手法の実行例を示します。

移動平均法 (Moving Average)

以下、コードです。

# 移動平均法 (Moving Average)
import matplotlib.pyplot as plt

data = pd.Series([10, 12, 14, 13, 15, 16, 18, 20, 19, 21, 22, 23])
window_size = 3
moving_average = data.rolling(window=window_size).mean()

plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(data, label='Original Data')
plt.plot(moving_average, label='Moving Average', linestyle='--')
plt.legend()
plt.title('Moving Average')
plt.show()

以下、実行結果です。

最小二乗法回帰 (Ordinary Least Squares Regression)

以下、コードです。

# 最小二乗法回帰 (Ordinary Least Squares Regression)
X = sm.add_constant(index)
model = sm.OLS(data, X).fit()
trend = model.predict(X)

plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(data, label='Original Data')
plt.plot(trend, label='OLS Regression Trend', linestyle='--')
plt.legend()
plt.title('OLS Regression')
plt.show()

以下、実行結果です。

Hodrick-Prescottフィルター (Hodrick-Prescott Filter)

以下、コードです。

# Hodrick-Prescottフィルター (Hodrick-Prescott Filter)
cycle, trend_hp = sm.tsa.filters.hpfilter(data, lamb=1600)

plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(data, label='Original Data')
plt.plot(trend_hp, label='HP Filter Trend', linestyle='--')
plt.legend()
plt.title('Hodrick-Prescott Filter')
plt.show()

以下、実行結果です。

指数平滑法 (Exponential Smoothing)

以下、コードです。

# 指数平滑法 (Exponential Smoothing)
from statsmodels.tsa.holtwinters import ExponentialSmoothing

model_es = ExponentialSmoothing(data, trend='add').fit()
trend_es = model_es.fittedvalues

plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(data, label='Original Data')
plt.plot(trend_es, label='Exponential Smoothing Trend', linestyle='--')
plt.legend()
plt.title('Exponential Smoothing')
plt.show()

以下、実行結果です。

Fourier変換 (Fourier Transform)

以下、コードです。

# Fourier変換 (Fourier Transform)
from scipy.fft import fft, ifft

# Fourier変換
data_fft = fft(data)

# 高周波成分を除去
n = len(data)
cutoff = 2  # 低周波成分の数
data_fft[cutoff:-cutoff] = 0

# 逆Fourier変換
trend_fft = ifft(data_fft).real

plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(data, label='Original Data')
plt.plot(trend_fft, label='Fourier Transform Trend', linestyle='--')
plt.legend()
plt.title('Fourier Transform')
plt.show()

以下、実行結果です。

ローカル回帰 (LOESS/LOWESS)

以下、コードです。

# ローカル回帰 (LOESS/LOWESS)
from statsmodels.nonparametric.smoothers_lowess import lowess

# LOWESSの適用
trend_lowess = lowess(data, index, frac=0.3)[:, 1]

plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(data, label='Original Data')
plt.plot(trend_lowess, label='LOWESS Trend', linestyle='--')
plt.legend()
plt.title('LOWESS')
plt.show()

以下、実行結果です。