Day16 - 时序信号预测

Time Series Forecasting

时序信号预测是指根据时间序列数据的历史记录来预测未来值的过程。即用过去的自己预测未来的自己,属于时序自回归。这在很多领域都有广泛的应用,比如金融市场的股票价格预测、销售量预测、天气预报等。时序预测通常涉及到统计学和机器学习的方法。

常见的时序预测方法:

选择合适的预测方法取决于数据的特点、预测目标、计算资源等因素。预处理时序数据是确保模型能够有效学习和预测的关键步骤。预处理的目的是清理数据、增强信号并减少噪声,从而提高预测模型的性能。

如何预处理时序数据?

如何选择合适的模型和预处理策略?

选择合适的时序预测模型和预处理策略是一个动态迭代的过程,需要结合数据特性、业务需求以及计算资源等多个因素不断地试验和优化,可通过以下步骤,逐步找到最符合场景的解决方案。

时间序列分析和模型训练的简短示例:

import pandas as pd
import numpy as np
from statsmodels.tsa.seasonal import seasonal_decompose
from statsmodels.tsa.stattools import adfuller
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import mean_squared_error

# 加载数据
data = pd.read_csv('path_to_your_data.csv', parse_dates=['date_column'], index_col='date_column')

# EDA: 分解时间序列
result = seasonal_decompose(data['target_column'], model='additive')
result.plot()

# 平稳性检验
def check_stationarity(ts):
    result = adfuller(ts)
    print(f'ADF Statistic: {result[0]}')
    print(f'p-value: {result[1]}')
    for key, value in result[4].items():
        print('Critical Values:')
        print(f'   {key}, {value}')

check_stationarity(data['target_column'])

# 创建滞后特征
for i in range(1, 13):  # 假设我们想要12个滞后特征
    data[f'lag_{i}'] = data['target_column'].shift(i)

# 处理缺失值(由于滞后特征引入)
data.dropna(inplace=True)

# 划分训练集和测试集
X = data.drop('target_column', axis=1)
y = data['target_column']
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, shuffle=False)

# 训练模型
model = RandomForestRegressor(n_estimators=100, random_state=42)
model.fit(X_train, y_train)

# 预测并评估
predictions = model.predict(X_test)
mse = mean_squared_error(y_test, predictions)
print(f'Mean Squared Error: {mse}')

 

### 如何在机器学习预测模型中有效添加和处理时序特征 为了提高时间序列预测的效果,在构建机器学习模型时,可以通过多种方式引入并优化时序特征。以下是几种常见的策略及其具体实施方法: #### 1. 提取基本的时间戳特征 通过分解原始时间戳字段,提取出年份、月份、星期几等基本信息作为额外输入变量。这些特征可以帮助模型捕捉周期性和季节性模式。 ```python import pandas as pd def extract_timestamp_features(df, timestamp_col): df['year'] = df[timestamp_col].dt.year df['month'] = df[timestamp_col].dt.month df['day_of_week'] = df[timestamp_col].dt.dayofweek return df ``` 上述代码展示了如何从日期列生成新的特征[^1]。 #### 2. 利用滞后(lag)特征 创建过去的观测值作为当前时刻的附加输入,这种方法特别适用于短期依赖关系较强的数据集。 ```python def create_lags(df, target_column, lags=[1, 2]): for lag in lags: df[f'lag_{lag}'] = df[target_column].shift(lag) return df.dropna() ``` 此函数实现了简单的滞后面板构造逻辑[^2]。 #### 3. 计算滚动统计量(rolling statistics) 通过对历史窗口内的数值计算均值、标准差或其他聚合指标来增强模型对于趋势变化的理解能力。 ```python def add_rolling_statistics(df, column_name, window_size=7): df[f'{column_name}_roll_mean'] = df[column_name].rolling(window=window_size).mean() df[f'{column_name}_roll_std'] = df[column_name].rolling(window=window_size).std() return df.dropna() ``` 这里定义了一个用于添加移动平均线及相关度量的方法。 #### 4. 应用傅里叶变换或者小波分析技术 当面对高频波动信号时,频域转换可能揭示隐藏规律从而改善最终表现形式。 #### 5. 自动化特征工程工具的应用 考虑到手动设计复杂特性耗时费力,可借助第三方库完成这一过程,比如 `tsfresh` 或者自定义脚本实现批量生产候选属性集合后再筛选重要部分送入算法训练阶段。 综上所述,合理运用以上技巧能够显著提升基于MLP架构类别的深度学习框架针对高维数时间序列任务中的泛化能力和准确性水平。
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