第九章_时间序列分析预测法.ppt
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1、第九章 时间序列分析预测法n n时间序列分析概念时间序列分析概念n n移动平均法概念与应用移动平均法概念与应用n n指数平滑法概念与应用指数平滑法概念与应用n n马尔可夫预测法与季节分析预测法概念与应用马尔可夫预测法与季节分析预测法概念与应用n n定量预测概述n n定量预测又称数学模型预测法。它是运用一定的统计和数学方法,通过建立数学分析模型来描述和预测事物变化发展规律的一种预测方法。n n因此有两个明显的特点:受人的主观因素影响较小,结果比较客观;对数据的要求、预测者专业能力的要求比较高n n由时间序列预测方法和回归分析预测方法两大类组成。定量预测方法时间序列预测法回归分析预测法算术平均预测
2、(简单、移动、指数平滑)季节分析预测(水平、趋势变动)马尔可夫预测(市场占有率预测)趋势预测(直线拟合、指数曲线拟合)一元线型回归预测多元线型回归预测非线性回归预测自相关回归预测n n最最早早的的时时间间序序列列分分析析可可以以追追溯溯到到70007000年年前前的的古古埃埃及及。古古埃埃及及人人把把尼尼罗罗河河涨涨落落的的情情况况逐逐天天记记录录下下来来,就就构构成成所所谓谓的的时时间间序序列列。对对这这个个时时间间序序列列长长期期的的观观察察使使他他们们发发现现尼尼罗罗河河的的涨涨落落非非常常有有规规律律。由由于于掌掌握握了了尼尼罗罗河河泛泛滥滥的的规规律律,使使得得古古埃埃及及的的农农业
3、业迅迅速发展,从而创建了埃及灿烂的史前文明。速发展,从而创建了埃及灿烂的史前文明。n n按按照照时时间间的的顺顺序序把把随随机机事事件件变变化化发发展展的的过过程程记记录录下下来来就就构构成成了了一一个个时时间间序序列列。对对时时间间序序列列进进行行观观察察、研研究究,找找寻寻它它变变化化发发展展的的规规律律,预预测测它它将将来来的走势就是时间序列分析。的走势就是时间序列分析。9.1 时间序列预测法概述n n时间序列预测方法,是把统计资料按时间发生的时间序列预测方法,是把统计资料按时间发生的先后进行排序得出的一连串数据,利用该数据序先后进行排序得出的一连串数据,利用该数据序列外推到预测对象未来
4、的发展趋势。一般可分为列外推到预测对象未来的发展趋势。一般可分为确定性时间序列预测法和随机时间序列预测法。确定性时间序列预测法和随机时间序列预测法。n n确定性时间序列法有:移动平均法、指数平滑法、确定性时间序列法有:移动平均法、指数平滑法、差分指数平滑法、自适应过滤法、直线模型预测差分指数平滑法、自适应过滤法、直线模型预测法、成长曲线模型预测和季节变动预测法等等。法、成长曲线模型预测和季节变动预测法等等。n n随机时间序列是通过建立随机时间序列模型来预随机时间序列是通过建立随机时间序列模型来预测,方法和数据要求都很高,精度也很高,应用测,方法和数据要求都很高,精度也很高,应用非常广泛。非常广
5、泛。时间序列预测法的优缺点n n优点:优点:在分析现在、过去、未来的联系时,以及未来在分析现在、过去、未来的联系时,以及未来的结果与过去、现在的各种因素之间的关系时,的结果与过去、现在的各种因素之间的关系时,效果比较好。效果比较好。数据处理时,并不十分复杂数据处理时,并不十分复杂n n缺点:缺点:反映了对象线性的、单向的联系反映了对象线性的、单向的联系 预测稳定的、在时间方面稳定延续的过程预测稳定的、在时间方面稳定延续的过程 并不适合进行长期预测并不适合进行长期预测9.2 移动平均预测法n n9.2.1 9.2.1 算术平均数法算术平均数法(Method of Simple Average)大
6、前大前 前前 昨昨 今今 明明n n预测模型:预测模型:适用范围:适用范围:预测对象的历史数据呈水平型变动状态,逐期增长量大体预测对象的历史数据呈水平型变动状态,逐期增长量大体相同的情况;相同的情况;短期预测;短期预测;可推广应用趋势型变动的历史数据。可推广应用趋势型变动的历史数据。已知 未知19992006年我国水电消费量在能源消费总量中所占的比重如下表所示,使用算术平均法预测2007年水电消费量在能源消费总量中所占的比重。年份年份1999199920002000200120012002200220032003200420042005200520062006比重比重(%)(%)4.94.95
7、.15.14.84.84.94.95.25.25.75.76.16.15.95.9解:根据预测模型即我国2007年水电消费在能源消费总量中所占比重为5.3%。案例9.2.2 简单移动平均预测n n移动平均预测(移动平均预测(Method of Single Moving AverageMethod of Single Moving Average)是)是利用过去若干期实际的平均值,来预测当期的值。方法上利用过去若干期实际的平均值,来预测当期的值。方法上与算术平均法类似。与算术平均法类似。n n比如,比如,1992199619921996年我国市镇人口在总人口所占的比重如年我国市镇人口在总人口所
8、占的比重如表所示,试推广应用移动平均法预测表所示,试推广应用移动平均法预测19971997年我国市镇人口年我国市镇人口在总人口中所占的比重。在总人口中所占的比重。年份年份1992199219931993199419941995199519961996比重比重(%)(%)27.6327.6328.1428.1428.6228.6229.0429.0429.3729.37n19921996年市镇人口在总人口中所占比重分别为27.63%、28.14%、28.62%、29.04%和29.37%,平均比重为:则1997年市镇人口在总人口中所占比重为:28.56%n n一般可以通过比较预测均方差(MSE)
9、和绝对均差(MAE),来分析预测的误差。n n简单移动平均预测的明显缺点是:它假设平均数内的各项观察值对于未来都具有相同的影响,但一般在实际中,往往是越接近预测期的观察值对未来的影响越大,因此又有其它方法来修正。9.2.3 加权移动平均预测n根据时间顺序排列的历史数据,每个数据对预测值的重要性是不同的,将各个数据赋予不同的权重,可以更准确的预测。n往往会对于离预测期越近的数据赋予越大的权重。这样可以更接近事物真实的发展趋势。案例 20012006年我国原煤占能源生产总量的比重如表所示,若给予20012006年原煤占能源生产总量比重的权数分别为1、2、3、4、5、6,试预测2007年原煤所占的比
10、重。年份年份 20012001 2002 2002 2003 2003 2004 2005 2004 200520062006比重比重(%)74.1(%)74.1 74.3 74.3 74.0 74.0 74.6 74.6 75.3 75.374.874.8n n根据预测模型可得:根据预测模型可得:n n即即20072007年我国原煤占能源生产总量的比重为年我国原煤占能源生产总量的比重为74.7%74.7%n n可以看出,加权移动平均的特点是:强调时间序列近期的变动对未来具有较大影响,从而更为合理。但是有时会受加权系数选择的影响。n n总之,简单移动平均和加权平均最适用于没有明显趋势的、比较平
11、稳的时间序列,如果时间序列明显表现出某种趋势性特征,或者波动很大,预测效果就会很差。趋势性数列趋势性数列平稳性数列平稳性数列9.3 指数平滑预测法n n指数平滑(指数平滑(Method of Exponential SmoothingMethod of Exponential Smoothing)是)是一种特殊的加权平均法,特点是对离预测期较近的历一种特殊的加权平均法,特点是对离预测期较近的历史数据给予较大的权数,对较远的给予较小的权数,史数据给予较大的权数,对较远的给予较小的权数,权数由近到远呈指数递减,所以称之为指数平滑。有权数由近到远呈指数递减,所以称之为指数平滑。有着非常广泛的运用。着
12、非常广泛的运用。n n一般有简单一般有简单(一次)指数平滑(一次)指数平滑(Simple Exponential Simple Exponential SmoothingSmoothing),二次指数平滑(),二次指数平滑(Double Exponential Double Exponential SmoothingSmoothing)和更高次的指数平滑。)和更高次的指数平滑。9.3.1 简单指数平滑n n简单指数平滑的基本公式为:简单指数平滑的基本公式为:n n也可表示为:也可表示为:t t期估算值期估算值a*(ta*(t期实际值期实际值)+(1-a)*(t-1)+(1-a)*(t-1期估算
13、值期估算值)n n其中,其中,a a为平滑常数。可以看出,本期的简单平滑为平滑常数。可以看出,本期的简单平滑值等于本期的实际值与上一期平滑值的加权平均,值等于本期的实际值与上一期平滑值的加权平均,权数由权数由a a决定。决定。n n可以发现,这实际上是时间序列的观察值和初始可以发现,这实际上是时间序列的观察值和初始平滑值的加权平均。平滑值的加权平均。n n并且这一权数是递减的,距离估算期越远的观察并且这一权数是递减的,距离估算期越远的观察值对当前估算结果的影响越小。如,当值对当前估算结果的影响越小。如,当a a0.80.8时,时,分别为,分别为,0.80.8,0.160.16,0.0320.0
14、32,0.00640.0064。所以,可。所以,可以起到类似加权移动平均的作用。以起到类似加权移动平均的作用。n n对于初始值。假定对于初始值。假定20002000年的销售额年的销售额600600万为初始值。万为初始值。则,则,n n下一期的预测值为:下一期的预测值为:案例n19911996年我国人均布产量如表第栏所示,试用一次指数平滑法(a分别取0.4和0.8)计算19911996年的理论预测值,并预测1997年我国人均布产量。为比较预测效果,分别计算a取0.4和0.8时的均方误差。年份年份人均布产人均布产量量Y Yt ta a=0.4=0.4a a=0.8=0.8S St t误差平方误差平
15、方S St t误差平方误差平方1991199119921992199319931994 1994 19951995199619961997199715.7915.7916.3716.3717.2317.2317.7317.7321.5921.5917.1717.1715.79*15.79*16.0216.0216.5016.5017.017.018.8418.8418.1718.170 00.340.341.461.461.511.5121.0721.072.792.7915.7915.79*16.2516.2517.0317.0317.5917.5920.7920.7917.8917.890
16、 00.340.340.960.960.490.4916.0016.0013.1013.10合计合计27.1727.1730.8930.89均方误差均方误差4.534.535.155.15n n简单指数平滑预测准确性相当程度上取决于a的值,一般而言,如果时间序列是比较平稳的,应尽量选择比较小的a值,这样可以降低指数平滑的敏感性;而当时间序列的波动比较大时,应尽可能选择较大的a值,这样可以使预测结果能比较迅速的对新情况做出调整。n n但是a值取得过大,又容易丧失整个序列的趋势性。根据经验,选取的a值一般在0.30.5之间比较理想。简单指数平滑的局限性n n简单指数平滑的缺点是比较适用于时间序列趋
17、势不明显的简单指数平滑的缺点是比较适用于时间序列趋势不明显的场合,而当序列明显表现出线型趋势时,简单指数平滑预场合,而当序列明显表现出线型趋势时,简单指数平滑预测值总会落后于实际值的变动。测值总会落后于实际值的变动。n n例如,预测某省农民家庭人均食品支出额,假如例如,预测某省农民家庭人均食品支出额,假如a a取取0.90.9。年份年份食品支出食品支出预测值预测值(a=0.9a=0.9)绝对误差绝对误差19991999243.29243.29-0 020002000277.82277.82243.29*243.29*34.5334.5320012001320.39320.39274.37274
18、.3746.0246.0220022002389.09389.09315.79315.7973.3073.3020032003444.84444.84381.76381.7663.0863.0820042004496.23496.23438.53438.5357.7057.70绝对均差绝对均差45.7745.779.3.2 布朗线型指数平滑n n在时间序列呈现出随趋势变动的情况下,通常采在时间序列呈现出随趋势变动的情况下,通常采用布朗指数平滑(用布朗指数平滑(Browns Linear Exponential Browns Linear Exponential SmoothingSmoothi
19、ng),也称二次指数平滑。),也称二次指数平滑。n n首先先计算出简单和二次指数平滑值首先先计算出简单和二次指数平滑值n n之后,再建立趋势方程:之后,再建立趋势方程:T T为时间间隔为时间间隔n n可以通过计算出的简单和二次指数平滑值来确定系数a,bn n例如,例如,20032003年年1 1月销售量为月销售量为6060,2 2月为月为7070,a a0.50.5。则:。则:通过趋势方程对通过趋势方程对3 3月份进行预测:月份进行预测:案例n n预测某省农民家庭人均食品支出额,假如预测某省农民家庭人均食品支出额,假如a a取取0.80.8。年份年份食品食品支出支出S1S1a=0.8a=0.8
20、S2S2a=0.8a=0.8a ab bY Y绝对绝对误差误差19991999243.29243.29243.29*243.29*243.29*243.29*243.29243.290 020002000277.82277.82270.91270.91265.39265.39276.43276.4322.0822.08243.29243.2934.5234.5220012001320.39320.39310.49310.49301.47301.47319.51319.5136.0836.08298.51298.5121.8821.8820022002389.09389.09373.37373.
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