ARIMA模型之AQI预测

本文详细介绍了如何使用ARIMA模型预测空气质量指数(AQI)的变化。通过时间序列分析,单位根检验,确定了ARIMA(2,0,1)(0,1)模型为最优模型,并对2016年到2019年的数据进行了预测,验证了模型的有效性。" 51044448,3725625,吴恩达机器学习课程笔记:第一周概要,"['机器学习', '吴恩达', '深度学习', '监督学习', '线性代数']

ARIMA模型是一种常用的时间序列分析方法,用于预测未来的数据趋势。ARIMA代表自回归积分移动平均模型,结合了自回归(AR)、差分(I)和移动平均(MA)三种组件。ARIMA模型适用于具有一定规律性和趋势性的数据集,通过分析数据的自相关性和趋势性,可以更准确地预测未来的走势。ARIMA模型的参数包括自回归阶数(p)、差分阶数(d)和移动平均阶数(q),需要通过对数据集的分析和调参来确定最佳的参数组合。总的来说,ARIMA模型是一种强大的工具,可以帮助我们更好地理解和预测时间序列数据的变化趋势。
本文介绍了如何利用ARIMA模型预测我国AQI(空气质量指数)的变化。具体过程如下:

1.ARIMA模型简介

具有如下结构的模型称之为求和自回归移动平均模型:

简记为ARIMA(p,d,q)ARIMA(p,d,q)ARIMA(p,d,q)模型,式中∇d=(1−B)d;Φ(B)=1−ϕ1B−⋯−ϕpBp\nabla^d=\left(1-B\right)^d;\quad\Phi(B)=1-\phi_1B-\cdots-\phi_pB^pd=(1B)d;Φ(B)=1ϕ1Bϕp

### 使用ARIMA模型预测AQI时间序列数据分析 #### 数据预处理 为了提高预测准确性,在应用ARIMA模型之前,通常需要对原始AQI数据进行预处理。对于AQI数值而言,对其进行取对数变换能够使数据的趋势更加线性化[^2]。 ```python import numpy as np # 假设aqi_series为包含AQI值的Pandas Series对象 log_aqi_series = np.log(aqi_series) ``` #### 参数估计与模型构建 ARIMA(p, d, q)中的三个参数——自回归项p、差分次数d以及移动平均项q的选择至关重要。这些参数决定了最终建模的效果好坏。一般情况下,可以通过观察ACF图(自相关函数)和PACF图(偏自相关函数)来初步判断合适的p和q值;而d则取决于原序列是否平稳,如果存在明显的趋势成分,则可能需要做一阶甚至更高阶的差分操作直至达到稳定状态为止。 ```python from statsmodels.tsa.stattools import adfuller def test_stationarity(timeseries): result = adfuller(timeseries) print('ADF Statistic:', result[0]) print('p-value:', result[1]) test_stationarity(log_aqi_series) # 如果 p-value 大于显著水平(比如0.05),说明该序列是非平稳的, # 需要继续执行差分直到获得一个平稳的时间序列。 diff_log_aqi_series = log_aqi_series.diff().dropna() ``` 一旦确认了适当的数据转换和平稳性检验之后,就可以尝试拟合不同组合下的ARIMA模型并评估其性能指标如AIC/BIC准则等选出最优解: ```python from statsmodels.tsa.arima.model import ARIMA model = ARIMA(diff_log_aqi_series, order=(p,d,q)) results_ARIMA = model.fit() print(results_ARIMA.summary()) ``` 这里`order=(p,d,q)`分别对应着上述提到过的三项超参数设置。需要注意的是实际项目里往往还需要经过多次迭代调整才能找到最理想的配置方案。 #### 结果解释与可视化展示 完成训练后,可以利用已有的历史数据来进行回测验证,并对未来一段时间内的AQI做出预报。同时也可以绘制出预测曲线同真实观测值对比以便直观感受效果优劣程度。 ```python predictions_diff = pd.Series(results_ARIMA.fittedvalues, copy=True) predictions_diff_cumsum = predictions_diff.cumsum() predictions_log = pd.Series(log_aqi_series.iloc[0], index=log_aqi_series.index) predictions_log = predictions_log.add(predictions_diff_cumsum, fill_value=0) predictions_aqi = np.exp(predictions_log) plt.plot(aqi_series) plt.plot(predictions_aqi) plt.title('RSS: %.4f'% sum((predictions_aqi-aqi_series)**2)) plt.show() ``` 这段代码实现了将差分后的预测结果累加回去得到未经差分前的状态,再反向计算指数还原到原来的尺度上并与原始AQI作比较。
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