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時間序列預測方法
2016-05-04
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時間序列預測方法

預測:是對尚未發生或目前還不明確的事物進行預先的估計和推測,是在現時對事物將要發生的結果進行探討和研究,簡單地說就是指從已知事件測定未知事件。

為什么要預測呢,因為預測可以幫助了解事物發展的未來狀況后,人們可以在目前為它的到來做好準備,通過預測可以了解目前的決策所可能帶來的后果,并通過對后果的分析來確定目前的決策,力爭使目前的決策獲得最佳的未來結果。

我們進行預測的總的原則是:認識事物的發展變化規律,利用規律的必然性,是進行科學預測所應遵循的總的原則。

這個總原則實際上就是事物發展的

1-“慣性”原則——事物變化發展的延續性;

2-“類推”原則——事物發展的類似性;

3-“相關”原則——事物的變化發展是相互聯系的;

4-“概率”原則——事物發展的推斷預測結果能以較大概率出現,則結果成立、可用;

時間序列預測主要包括三種基本方法:

1-內生時間序列預測技術;2-外生時間序列預測技術;3-主觀時間序列預測技術;

當然今天我們主要討論內生時間序列預測技術——也就是只關注時間序列的下的預測問題!

從數據分析的角度來考慮,我們需要研究:
  1. 序列是否在固定水平上下變動?
  2. 此水平是否也在變動?
  3. 是否有某種上升或下降的趨勢呢?
  4. 是否存在有季節性的模式?
  5. 是否季節性的模式也在變更呢?
  6. 是否存在周期性規律和模式?
時間序列有一明顯的特性就是記憶性(memory),記憶性系指時間數列中的任一觀測值的表現皆受到過去觀測值影響。

時間序列主要考慮的因素是:

長期趨勢(Long-term trend) 

  1. 時間序列可能相當穩定或隨時間呈現某種趨勢。
  2. 時間序列趨勢一般為線性的(linear),二次方程式的 (quadratic)或指數函數(exponential function)。
  3. 季節性變動(Seasonal variation)
  1. 按時間變動,呈現重復性行為的序列。
  2. 季節性變動通常和日期或氣候有關。
  3. 季節性變動通常和年周期有關。
  4. 周期性變動(Cyclical variation)
  5. 相對于季節性變動,時間序列可能經歷“周期性變動”。
  6. 周期性變動通常是因為經濟變動。
  7. 隨機影響(Random effects)
預測技術主要包括兩大類:

指數平滑方法(Exponential smoothing models):
    描述時間序列數據的變化規律和行為,不去試圖解釋和理解這種變化的原因。例如:您可能發現在過去的一年里,三月和九月都會出現銷售的高峰,您可能希望繼續保持這樣,盡管您不知道為什么。

ARIMA模型:
    描述時間序列數據的變化規律和行為,它允許模型中包含趨勢變動、季節變動、循環變動和隨機波動等綜合因素影響。具有較高的預測精度,可以把握過去數據變動模式,有助于解釋預測變動規律,回答為什么這樣。

時間序列預測技術之二——PASW Statistics 18 軟件操作 


下面看看如何采用SPSS軟件進行時間序列的預測!
這里我用PASW Statistics 18軟件,大家可能覺得沒見過這個軟件,其實就是SPSS18.0,不過現在SPSS已經把產品名稱改稱為PASW了!

博易智訊的馬博士剛剛把這個產品測試版給我,還是中文版,先睹為快吧!
我們通過案例來說明:(本案例并不想細致解釋預測模型的預測的假設檢驗問題,1-太復雜、2-相信軟件)
假設我們拿到一個時間序列數據集:某男裝生產線銷售額。一個產品分類銷售公司會根據過去 10 年的銷售數據來預測其男裝生產線的月銷售情況。

現在我們得到了10年120個歷史銷售數據,理論上講,歷史數據越多預測越穩定,一般也要24個歷史數據才行!

大家看到,原則上講數據中沒有時間變量,實際上也不需要時間變量,但你必須知道時間的起點和時間間隔。

當我們現在預測方法創建模型時,記?。阂欢ㄒ榷x數據的時間序列和標記!

這時候你要決定你的時間序列數據的開始時間,時間間隔,周期!在我們這個案例中,你要決定季度是否是你考 慮周期性或季節性的影響因素,軟件能夠偵測到你的數據的季節性變化因子。

定義了時間序列的時間標記后,數據集自動生成四個新的變量:YEAR、QUARTER、MONTH和DATE(時間標簽)。

接下來:為了幫我們找到適當的模型,最好先繪制時間序列。時間序列的可視化檢查通??梢院芎玫刂笇Р椭覀冞M行選擇。另外,我們需要弄清以下幾點:

? 此序列是否存在整體趨勢?如果是,趨勢是顯示持續存在還是顯示將隨時間而消逝?

? 此序列是否顯示季節變化?如果是,那么這種季節的波動是隨時間而加劇還是持續穩定存在?

這時候我們就可以看到時間序列圖了!

我們看到:此序列顯示整體上升趨勢,即序列值隨時間而增加。上升趨勢似乎將持續,即為線性趨勢。此序列還有一個明顯的季節特征,即年度高點在十二月。季節變化顯示隨上升序列而增長的趨勢,表明是乘法季節模型而不是加法季節模型。

此時,我們對時間序列的特征有了大致的了解,便可以開始嘗試構建預測模型。時間序列預測模型的建立是一個不斷嘗試和選擇的過程。

PASW Statistics提供了三大類預測方法:1-專家建模器,2-指數平滑法,3-ARIMA

指數平滑法

指數平滑法有助于預測存在趨勢和/或季節的序列,此處數據同時體現上述兩種特征。創建最適當的指數平滑模型包括確定模型類型(此模型是否需要包含趨勢和/或季節),然后獲取最適合選定模型的參數。

1-簡單模型預測(即無趨勢也無季節)

首先我們采用最為簡單的建模方法,就是簡單模型,這里我們不斷嘗試的目的是讓大家熟悉各種預測模型,了解模型在什么時候不適合數據,這是成功構建模型的基本技巧。我們先不討論模型的檢驗,只是直觀的看一下預測模型的擬合情況,最后我們確定了預測模型后我們再討論檢驗和預測值。

從圖中我們看到,雖然簡單模型確實顯示了漸進的上升趨勢,但并不是我們期望的結果,既沒有考慮季節性變化,也沒有周期性呈現,直觀的講基本上與線性預測沒有差異。所以我們拒絕此模型。

2-Holt線性趨勢預測

Holt線性指數平滑法,一般選擇:針對等級的平滑系數lapha=0.1,針對趨勢的平滑系數gamma=0.2;

從上面的擬合情況看,Holt預測模型更平滑了,也就是說Holt模型比簡單模型顯現了更強的平滑趨勢,但未考慮季節因素,還是不理想,所以還應放棄此模型。

3-簡單季節性模型

當我們考慮了季節性變化后,簡單季節性預測模型基本上較好的擬合了數據的大趨勢,也就是考慮了趨勢和季節。

4-Winters相乘法預測模型

我們再次選擇Winters預測模型,實際上這時候非統計專業人士其實已經可以不用考慮Winters模型的原理了,因為對于大部分經營分析人員,如果期望把每一個預測方式的細節都搞清楚,并不容易,也容易陷入數量層面的糾葛中,我們只要相信軟件算法就可以了。

此時,在數據集的時間跨度為10年,并且包含 10 個季節峰值(出現在每年十二月份)中,簡單季節模型和Winters模型都撲捉到了這10個峰值與實際數據中的10個年度峰值完全匹配的預測結果。此時,我們基本上可以得到了一個比較滿意的預測結果。

此時也說明,無論采用指數平滑的什么模型,只要考慮了季節因素,都可以得到較好結果,不同的季節性指數平滑方法只是細微差異了。

但是,我們仔細看預測值和擬合值,還是有一些上升和下降的趨勢和結構沒有撲捉到。預測還有改進的需求!

5-ARIMA預測模型

ARIMA模型是自回歸AR和移動平均MA加上差分考慮,但ARIMA模型就比較復雜了,對大部分經營分析人員來講,要搞清楚原理和方程公式,太困難了!期望搞清楚的人必須學過隨機過程,什么平穩過程、白噪聲等,大部分人頭都大了,現在有了軟件就不問為什么了,只要知道什么數據In,什么結果Out,就可以了。

我們采用專家建模器,但指定僅限ARIMA模型,并考慮季節性因素。


此時,我們看到模型擬合并相比較簡單季節性和Winters模型沒有太大的優勢,結果可接受,但是大家注意到沒有,實際上我們一直沒有考慮自變量的進入問題,假如我們有其它變量可能會影響到男裝銷售收入,情況又會發生什么變化呢?


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