时序算法交叉验证法python实现

使用TimeSeriesSplit进行时序数据的LSTM交叉验证
该博客介绍了在时序数据分析中,如何利用sklearn库的TimeSeriesSplit进行交叉验证,以确保机器学习模型的稳定性和可靠性。文中以LSTM模型预测股票数据为例,详细展示了数据预处理、模型构建、交叉验证过程以及误差计算。通过TimeSeriesSplit避免了时序数据前后关联问题,实现了有效的模型验证。

介绍:

交叉验证_百度百科

时序算法模型的交叉验证:

需求:我们在进行机器学习算法,为了保能够得到可靠稳定的模型,通常需要用到交叉验证法来对模型进行验证。常见的交叉验证形式有Holdout验证,K-fold验证,留一验证等。

与其他机器学习算法不同,时序算法由于数据具有前后关系,因此使用KFold方法无法满足要求,本文将介绍一种利用sklearn库中的TimeSeriesSplit方法,以下是以LSTM模型预测股票数据为例子,采用交叉验证法的具体代码实现。

交叉验证法:

import pandas as pd
import numpy as np 
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
from keras.models import Sequential
from keras.layers import LSTM,Dense,Dropout,Bidirectional,Activation
from keras.optimizers import Adam


stock = pd.DataFrame(pd.read_csv('stock2.csv'))
# 完整的数据集,
# 交叉验证我们需要先根据股票数据根据time_stamp,得到全部的数据集;
# 这里的做法和你上面的基本类似
scaler = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))  
scaled_data = scaler.fit_transform(stock)
X, Y = [], []
print(scaled_data)
# 训练集
#print(scaled_data.shape)
#print(scaled_data[1, 3])
for i in range(time_stamp, len(stock)):
    X.append(scaled_data[i - time_stamp:i])
    Y.append(scaled_data[i,3])

X, Y = np.array(X), np.array(Y)
# 每一个数据集需要有一个单独的模型去训练,因此定义一个产生lstm模型的函数
def build_model(epochs = 50,batch_size = 16):
    # 超参数
    # LSTM 参数: return_sequences=True LSTM输出为一个序列。默认为False,输出一个值。
    # input_dim:输入单个样本特征值的维度
    # input_length:输入的时间点长度
    model = Sequential()
    model.add(Bidirectional(LSTM(units=100, return_sequences=True, input_dim=x_train.shape[-1],input_length=x_train.shape[1])))
    model.add(Dropout(0.5))

    model.add(LSTM(units=80))
    model.add(Dropout(0.5))

    model.add(Dense(50))
    #model.add(Activation('tanh'))
    model.add(Dense(1))

    # model.compile(loss='mean_squared_error', optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(0.01))
    model.compile(loss='mean_squared_error', optimizer=Adam(lr = 0.1))
    return model
# 导入sklearn库中用于时序模型K折扣交叉验证的TimeSeriesSplit
from sklearn.model_selection import KFold
from sklearn.model_selection import TimeSeriesSplit


tscv=TimeSeriesSplit(gap=0, max_train_size=None, n_splits=5, test_size=None)

rmse_list=[]  # 勇于保存每次的测试误差

# 遍历,每一次取出对应的训练和测试集的index
for kfold, (train_index, train_index) in enumerate(tscv.split(X)):
    print('train_index', train_index, 'test_index', test_index)
    # 根据索引得到对应的训练集和测试集
    train_X, train_y = X[train_index], Y[train_index]
    test_X, test_y = X[test_index], Y[test_index]
    # 建立模型并训练
    model=build_model(epochs = 5,batch_size = 128)
    history = model.fit(train_X, train_y, epochs=epochs, batch_size=batch_size,validation_split=0.1,verbose=2)
    # 计算测试集误差
    test_pred = model.predict(test_X)
    scaler.fit_transform(pd.DataFrame(test['Close'].values))
    test_pred = scaler.inverse_transform(test_pred)
    test_y = scaler.inverse_transform([test_y])
    rmse = np.sqrt(np.mean(np.power((test_y - test_pred), 2)))
    rmse_list.append(rmse)
    print('rmse of %d fold=%.4f'%(kfold,rmse))

# 总的误差为每次误差的均值
print('average rmse:',np.mean(rmse_list))

以下是sklearn官方给的一个例子:

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.model_selection import TimeSeriesSplit
>>> X = np.array([[1, 2], [3, 4], [1, 2], [3, 4], [1, 2], [3, 4]])
>>> y = np.array([1, 2, 3, 4, 5, 6])
>>> tscv = TimeSeriesSplit()
>>> print(tscv)
TimeSeriesSplit(gap=0, max_train_size=None, n_splits=5, test_size=None)
>>> for train_index, test_index in tscv.split(X):
...     print("TRAIN:", train_index, "TEST:", test_index)
...     X_train, X_test = X[train_index], X[test_index]
...     y_train, y_test = y[train_index], y[test_index]
TRAIN: [0] TEST: [1]
TRAIN: [0 1] TEST: [2]
TRAIN: [0 1 2] TEST: [3]
TRAIN: [0 1 2 3] TEST: [4]
TRAIN: [0 1 2 3 4] TEST: [5]
>>> # Fix test_size to 2 with 12 samples
>>> X = np.random.randn(12, 2)
>>> y = np.random.randint(0, 2, 12)
>>> tscv = TimeSeriesSplit(n_splits=3, test_size=2)
>>> for train_index, test_index in tscv.split(X):
...    print("TRAIN:", train_index, "TEST:", test_index)
...    X_train, X_test = X[train_index], X[test_index]
...    y_train, y_test = y[train_index], y[test_index]
TRAIN: [0 1 2 3 4 5] TEST: [6 7]
TRAIN: [0 1 2 3 4 5 6 7] TEST: [8 9]
TRAIN: [0 1 2 3 4 5 6 7 8 9] TEST: [10 11]
>>> # Add in a 2 period gap
>>> tscv = TimeSeriesSplit(n_splits=3, test_size=2, gap=2)
>>> for train_index, test_index in tscv.split(X):
...    print("TRAIN:", train_index, "TEST:", test_index)
...    X_train, X_test = X[train_index], X[test_index]
...    y_train, y_test = y[train_index], y[test_index]
TRAIN: [0 1 2 3] TEST: [6 7]
TRAIN: [0 1 2 3 4 5] TEST: [8 9]
TRAIN: [0 1 2 3 4 5 6 7] TEST: [10 11]

<think>我们注意到用户的需求是实现留一交叉验证在GTWR模型上的Python代码。然而,标准的scikit-learn库中并没有直接提供GTWR模型。GTWR(Geographically and Temporally Weighted Regression)是一种考虑空间和时间非平稳性的回归模型,通常需要专门的库来实现。 根据引用[2]中提到的内容,GTWR模型是对GWR(地理加权回归)在时间维度上的扩展,用于同时考虑空间和时间的异质性。因此,我们需要一个能够实现GTWR的Python库。目前,较为流行的库是`mgwr`,它支持GWR和MGWR(多尺度地理加权回归),但官方版本暂不支持GTWR。不过,有一些研究者在`mgwr`的基础上进行了扩展以实现GTWR,或者我们可以使用其他库如`spreg`(来自`pysal`)?但经过检查,`pysal`的`spreg`主要提供GWR,不直接支持GTWR。 因此,我们需要寻找一个支持GTWR的Python库。经过搜索,我们发现有一个名为`gtwr`的库(https://github.com/TaylorOshan/gtwr)由Taylor Oshan提供,但该库似乎已经不再维护,且与最新版本的依赖库可能存在兼容性问题。 考虑到这些因素,我们可能需要自己实现GTWR模型,或者使用其他研究者提供的代码。但是,由于GTWR的实现相对复杂,且留一交叉验证需要反复训练模型(每次留一个样本作为测试集),计算量会非常大。 这里,我们假设用户已经有一个可用的GTWR模型实现(例如,基于`mgwr`的扩展或自定义实现)。我们将使用一个假设的GTWR模型类(我们将其命名为`GTWR`),该类至少要有`fit`和`predict`方,以便我们可以使用scikit-learn的交叉验证工具。 由于没有现成的GTWR库,我们将演示一个使用自定义GTWR模型(伪代码)和留一交叉验证的框架。如果用户有自己的GTWR实现,可以替换伪代码部分。 步骤: 1. 导入必要的库,包括用于交叉验证的`LeaveOneOut`。 2. 准备数据:包括空间坐标、时间坐标、自变量(X)和因变量(y)。 3. 初始化GTWR模型(假设我们已经有一个GTWR类)。 4. 使用`LeaveOneOut`划分数据集。 5. 对于每一次划分,用训练集训练模型,用测试集(一个样本)预测,并计算误差。 6. 汇总所有误差,计算平均误差(如均方误差)。 注意:由于GTWR模型在训练时需要指定空间带宽和时间带宽,这些带宽参数通常需要通过优化得到(例如使用AICc或交叉验证)。但在留一交叉验证中,每次迭代都重新优化带宽是不现实的(因为计算量太大)。因此,我们通常在整个数据集上优化一次带宽,然后在交叉验证中使用该固定带宽。但是,这样可能会导致一些偏差,因为每次训练时数据量少了一个样本。另一种做是使用一个独立的验证集来优化带宽,然后在留一中使用该带宽。 这里,我们假设带宽已经通过其他方式(如整个数据集上使用AICc)优化得到,并作为固定参数传入。 代码结构如下(伪代码,因为GTWR模型需要用户自己实现或使用第三方实现): ```python import numpy as np from sklearn.metrics import mean_squared_error from sklearn.model_selection import LeaveOneOut # 假设我们有一个GTWR类 class GTWR: def __init__(self, coords, t, bw, tau, kernel='gaussian'): """ coords: 空间坐标数组 (n, 2) t: 时间坐标数组 (n,) bw: 空间带宽 tau: 时间带宽 kernel: 核函数类型 """ self.coords = coords self.t = t self.bw = bw self.tau = tau self.kernel = kernel def fit(self, X, y): # 这里实现GTWR的拟合过程 # 存储拟合后的系数等 pass def predict(self, X_new, coords_new, t_new): # 实现对新样本的预测 pass # 生成模拟数据(或加载实际数据) n_samples = 100 # 假设我们有空间坐标(经纬度)、时间、自变量X和因变量y coords = np.random.rand(n_samples, 2) # 空间坐标 t = np.arange(n_samples) # 时间坐标 X = np.random.rand(n_samples, 3) # 3个自变量 y = np.random.rand(n_samples) # 因变量 # 初始化留一 loo = LeaveOneOut() # 存储预测值 y_pred = np.zeros(n_samples) # 假设我们已经通过其他方得到了最优带宽(这里为示例值) bw = 0.1 # 空间带宽 tau = 1.0 # 时间带宽 # 进行留一交叉验证 for train_index, test_index in loo.split(X): X_train, X_test = X[train_index], X[test_index] y_train, y_test = y[train_index], y[test_index] coords_train, coords_test = coords[train_index], coords[test_index] t_train, t_test = t[train_index], t[test_index] # 初始化模型(使用训练集的空间和时间坐标) model = GTWR(coords=coords_train, t=t_train, bw=bw, tau=tau) # 训练模型 model.fit(X_train, y_train) # 预测测试样本(只有一个样本) y_pred[test_index] = model.predict(X_test, coords_test, t_test) # 计算均方误差 mse = mean_squared_error(y, y_pred) print("留一交叉验证均方误差(MSE):", mse) ``` 注意:上述代码中的`GTWR`类是一个框架,需要用户根据具体的GTWR算法实现`fit`和`predict`方。GTWR的详细实现可以参考相关论文[^2]或开源代码(如`mgwr`的扩展)。 由于GTWR模型的实现较为复杂,这里无提供完整的实现代码。但是,我们可以提供一些实现思路: - GTWR的局部加权最小二乘:对于每个点i,计算其权重矩阵$W_i$,其中权重由空间核函数和时间核函数的乘积构成: $$ w_{ij} = K_s(\frac{d_{ij}}{bw}) \cdot K_t(\frac{|t_i - t_j|}{\tau}) $$ 其中$d_{ij}$是空间距离,$K_s$和$K_t$是核函数(如高斯核)。 - 然后,对于每个点i,求解加权最小二乘问题: $$ \hat{\beta_i} = (X^T W_i X)^{-1} X^T W_i y $$ 在预测时,对于新样本,我们可以使用其位置和时间,然后利用训练数据中每个样本的系数进行加权平均?或者直接使用新样本位置处的局部回归系数?实际上,GTWR模型在训练时已经为每个训练样本估计了一个系数向量。对于测试样本,我们通常需要利用其周围训练样本的系数进行插值得到该测试样本的系数,或者重新在测试样本的位置和时间处拟合局部模型(但这样会非常慢)。在留一中,由于测试样本只有一个,我们可以将其视为一个训练样本,然后重新拟合整个模型(包括该测试样本)?但这样是不行的,因为测试样本的y值未知。因此,我们需要使用训练样本的模型来预测测试样本。 一种做是:在训练模型时,我们为每个训练样本都得到了一个系数向量。在预测测试样本时,我们使用空间和时间上邻近的训练样本的系数,通过插值(如反距离加权)得到测试样本的系数,然后计算预测值。或者,我们可以将测试样本的位置和时间作为中心点,使用训练数据重新拟合一个局部模型(仅用于预测该测试样本),即使用训练数据在该测试样本的位置和时间处进行局部加权回归。后一种方更符合GTWR的思想,但计算量巨大(留一需要拟合n次模型,每次拟合n-1个样本,而每次拟合中每个样本的权重计算都需要计算空间距离和时间距离,然后对每个测试样本都要做一次局部回归,相当于要拟合n次局部模型,每次拟合使用n-1个样本点)。 考虑到计算效率,留一在GTWR上可能不太实用,尤其是当样本量较大时。因此,在实际应用中,我们可能只能在小样本数据集上使用。 由于GTWR模型实现的复杂性,建议用户先使用现有的GWR/GTWR软件(如GWR4,它是一个Windows软件)进行模型训练和交叉验证。如果必须在Python实现,可以考虑使用`mgwr`库,并尝试扩展时间维度(但`mgwr`目前只支持GWR和MGWR,不支持GTWR)。 另外,引用[3]中提到的`CARBayesST`是一个R包,用于时空贝叶斯模型,与GTWR不同。因此,如果用户坚持使用GTWR,可能需要自己实现。 总结:我们提供了使用留一交叉验证评估GTWR模型的框架代码,但GTWR模型的具体实现需要用户自行完成。由于实现GTWR模型是一个复杂的任务,建议参考相关论文和现有实现。 相关问题: 1. GTWR模型中的带宽参数如何优化? 2. 除了留一,还有哪些方可以评估GTWR模型的性能? 3. 在大型数据集上如何减少GTWR模型的计算时间?</think># 使用留一交叉验证的GTWR模型Python实现 GTWR(地理和时间加权回归)模型是一种强大的空间分析工具,特别适合处理具有时空变化的数据[^2]。留一交叉验证(LOOCV)是评估GTWR模型性能的有效方,尤其适用于中小型数据集。下面我将提供完整的Python实现代码。 ## 完整实现代码 ```python import numpy as np import pandas as pd from sklearn.model_selection import LeaveOneOut from sklearn.metrics import mean_squared_error, r2_score import statsmodels.api as sm from scipy.spatial.distance import cdist import time class GTWR: def __init__(self, spatial_coords, time_coords, spatial_bandwidth, time_bandwidth, kernel='gaussian'): """ 初始化GTWR模型 :param spatial_coords: 空间坐标数组 (n, 2) :param time_coords: 时间坐标数组 (n,) :param spatial_bandwidth: 空间带宽 :param time_bandwidth: 时间带宽 :param kernel: 核函数类型 ('gaussian'或'bisquare') """ self.spatial_coords = spatial_coords self.time_coords = time_coords self.spatial_bandwidth = spatial_bandwidth self.time_bandwidth = time_bandwidth self.kernel = kernel self.params = None self.residuals = None def _kernel_function(self, distances, bandwidth): """计算核权重""" if self.kernel == 'gaussian': return np.exp(-0.5 * (distances / bandwidth)**2) elif self.kernel == 'bisquare': weights = (1 - (distances / bandwidth)**2)**2 weights[distances > bandwidth] = 0 return weights else: raise ValueError("不支持的核函数类型") def fit(self, X, y): """拟合GTWR模型""" n = X.shape[0] params = np.zeros((n, X.shape[1] + 1)) # +1 用于截距项 residuals = np.zeros(n) # 添加截距项 X = sm.add_constant(X) for i in range(n): # 计算空间距离和时间距离 spatial_dist = cdist([self.spatial_coords[i]], self.spatial_coords).flatten() time_dist = np.abs(self.time_coords - self.time_coords[i]) # 计算组合权重 spatial_weights = self._kernel_function(spatial_dist, self.spatial_bandwidth) time_weights = self._kernel_function(time_dist, self.time_bandwidth) weights = np.sqrt(spatial_weights * time_weights) # 几何平均作为组合权重 # 加权最小二乘 wls_model = sm.WLS(y, X, weights=weights) results = wls_model.fit() params[i] = results.params residuals[i] = y[i] - results.predict()[i] self.params = params self.residuals = residuals return self def predict(self, X): """预测新数据""" if self.params is None: raise ValueError("模型尚未训练,请先调用fit方") # 添加截距项 X = sm.add_constant(X) return np.sum(self.params * X, axis=1) def loocv_gtwr(X, y, spatial_coords, time_coords, spatial_bw, time_bw): """ 执行留一交叉验证的GTWR模型 :param X: 特征矩阵 (n_samples, n_features) :param y: 目标向量 (n_samples,) :param spatial_coords: 空间坐标数组 (n_samples, 2) :param time_coords: 时间坐标数组 (n_samples,) :param spatial_bw: 空间带宽 :param time_bw: 时间带宽 :return: 预测值数组和评估指标字典 """ n = X.shape[0] y_pred = np.zeros(n) loo = LeaveOneOut() start_time = time.time() for train_index, test_index in loo.split(X): # 划分训练集和测试集 X_train, X_test = X[train_index], X[test_index] y_train = y[train_index] spatial_train = spatial_coords[train_index] time_train = time_coords[train_index] # 创建并训练GTWR模型 model = GTWR(spatial_train, time_train, spatial_bw, time_bw) model.fit(X_train, y_train) # 预测测试点 # 注意:GTWR预测需要空间和时间坐标 test_spatial = spatial_coords[test_index] test_time = time_coords[test_index] # 在实际应用中,预测新点需要特殊处理 # 这里简化处理:使用最近的训练点参数 dists = cdist(test_spatial, spatial_train).flatten() time_diffs = np.abs(test_time - time_train) combined_dists = np.sqrt(dists**2 + (time_diffs * spatial_bw/time_bw)**2) nearest_idx = np.argmin(combined_dists) # 使用最近点的参数进行预测 nearest_params = model.params[nearest_idx] y_pred[test_index] = np.dot(nearest_params, np.append(1, X_test[0])) # 计算评估指标 mse = mean_squared_error(y, y_pred) rmse = np.sqrt(mse) r2 = r2_score(y, y_pred) elapsed_time = time.time() - start_time metrics = { 'MSE': mse, 'RMSE': rmse, 'R²': r2, 'Time (s)': elapsed_time, 'Samples': n } return y_pred, metrics # 示例使用 if __name__ == "__main__": # 生成模拟数据 np.random.seed(42) n_samples = 100 spatial_coords = np.random.rand(n_samples, 2) * 100 # 空间坐标 (经度, 纬度) time_coords = np.arange(n_samples) # 时间坐标 X = np.random.randn(n_samples, 3) # 3个特征 y = 2 * X[:, 0] + 3 * X[:, 1] - 1.5 * X[:, 2] + np.random.randn(n_samples) * 0.5 # 设置带宽参数 spatial_bandwidth = 10.0 # 空间带宽 time_bandwidth = 5.0 # 时间带宽 # 执行留一交叉验证 y_pred, metrics = loocv_gtwr(X, y, spatial_coords, time_coords, spatial_bandwidth, time_bandwidth) # 输出结果 print("\n留一交叉验证结果:") for key, value in metrics.items(): print(f"{key}: {value:.4f}") # 输出部分预测结果 print("\n前10个样本的预测结果:") print("真实值 | 预测值") for i in range(10): print(f"{y[i]:.4f} | {y_pred[i]:.4f}") ``` ## 代码说明 ### 1. GTWR模型类 - **`GTWR`类**实现了地理和时间加权回归的核心功能 - 支持两种核函数:高斯核(`gaussian`)和双平方核(`bisquare`) - 使用空间带宽和时间带宽控制时空影响范围 - `fit()`方使用加权最小二乘拟合模型 - `predict()`方基于训练好的模型进行预测 ### 2. 留一交叉验证函数 - **`loocv_gtwr()`**函数实现了完整的留一交叉验证流程 - 对每个样本: 1. 将其作为测试集,其余作为训练集 2. 在训练集上拟合GTWR模型 3. 预测测试样本 - 计算评估指标:MSE、RMSE和R² - 记录执行时间 ### 3. 示例应用 - 生成模拟数据(空间坐标、时间坐标、特征和目标变量) - 设置空间和时间带宽参数 - 执行留一交叉验证 - 输出评估指标和部分预测结果 ## 关键参数说明 1. **空间带宽(spatial_bandwidth)**: - 控制空间邻域的大小 - 值越大,考虑的空间范围越广 - 可通过交叉验证或AICc准则优化选择[^2] 2. **时间带宽(time_bandwidth)**: - 控制时间邻域的大小 - 值越大,考虑的时间范围越广 - 应结合数据的时序特性调整 3. **核函数(kernel)**: - `gaussian`:高斯核,权重随距离指数衰减 - `bisquare`:双平方核,在带宽处截断 ## 实际应用建议 1. **数据预处理**: - 标准化空间坐标(如转换为UTM坐标) - 标准化时间坐标(如转换为相对时间) - 对特征进行标准化或归一化处理 2. **带宽优化**: ```python # 带宽优化示例 spatial_bws = np.linspace(5, 20, 10) time_bws = np.linspace(2, 10, 5) best_rmse = float('inf') best_spatial_bw = None best_time_bw = None for sbw in spatial_bws: for tbw in time_bws: _, metrics = loocv_gtwr(X, y, spatial_coords, time_coords, sbw, tbw) if metrics['RMSE'] < best_rmse: best_rmse = metrics['RMSE'] best_spatial_bw = sbw best_time_bw = tbw print(f"最优空间带宽: {best_spatial_bw:.2f}, 最优时间带宽: {best_time_bw:.2f}, RMSE: {best_rmse:.4f}") ``` 3. **模型解释**: - 分析参数的空间分布图,识别空间异质性 - 绘制参数随时间的变化趋势,揭示时间动态 - 结合地理特征解释模型结果[^2] GTWR模型通过同时考虑空间和时间的非平稳性,能够更准确地捕捉复杂时空关系[^1][^2]。留一交叉验证虽然计算成本较高,但能提供模型性能的无偏估计,特别适合中小规模数据集。
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