时间序列预测的方法及优缺点

第八章第八章 时间序列预测时间序列预测l什么是时间序列预测l时间序列预测的常用方法l时间序列预测法的优缺点分析8.1 时间序列预测的概述时间序列预测的概述l时间序列预测的概念l时间序列预测的原理与依据8.1.1 时间序列预测的概念时间序列预测的概念l时间序列预测法是一种定量分析方法，它是在时间序列变量分析的基础上，运用一定的数学方法建立预测模型，使时间趋势向外延伸，从而预测未来市场的发展变化趋势，确定变量预测值。l时间序列预测法也叫历史延伸法或外推法。l时间序列预测法的基本特点是：假定事物的过去趋势会延伸到未来；预测所依据的数据具有不规则性；撇开了市场发展之间的因果关系。8.1.2 时间序列预测的原理与依据时间序列预测的原理与依据l时间序列是指同一变量按事件发生的先后顺序排列起来的一组观察值或记录值。构成时间序列的要素有两个：其一是时间，其二是与时间相对应的变量水平。实际数据的时间序列能够展示研究对象在一定时期内的发展变化趋势与规律，因而可以从时间序列中找出变量变化的特征、趋势以及发展规律，从而对变量的未来变化进行有效地预测。l时间序列的变动形态一般分为四种：长期趋势变动，季节变动，循环变动，不规则变动。8.2 平均数预测平均数预测l平均数预测是最简单的定量预测方法。平均数预测法的运算过程简单，常在市场的近期、短期预测中使用。l最常用的平均数预测法有：简单算术平均数法 加权算术平均数法 几何平均数法8.2.1 简单算术平均数法（简单算术平均数法（1）l简单平均数法是用一定观察期内预测目标的时间序列的各期数据的简单平均数作为预测期的预测值的预测方法。l在简单平均数法中，极差越小、方差越小，简单平均数作为预测值的代表性越好。l简单平均数法的预测模型是：nxnxxxxxxniin1321.8.2.1 简单算术平均数法（简单算术平均数法（2）l例观察期123456预测值观察值10501080 1030 1070 1050 106010578.2.2 加权算术平均数法（加权算术平均数法（1）l加权算术平均数法是简单算术平均数法的改进。它根据观察期各个时间序列数据的重要程度，分别对各个数据进行加权，以加权平均数作为下期的预测值。l对于离预测期越近的数据，可以赋予越大的权重。l加权算术平均数法的预测模型是：1.3211332211nniiinnwwwwxwxwxwxwxwxx其中8.2.2 加权算术平均数法（加权算术平均数法（2）l例观察期123456预测值观察值10501080 1030 1070 1050 10601056权重(w)0.10.10.150.150.20.38.2.3 几何平均数法（几何平均数法（1）l几何平均数法是以一定观察期内预测目标的时间序列的几何平均数作为某个未来时期的预测值的预测方法。l几何平均数法一般用于观察期有显著长期变动趋势的预测。l几何平均数法的预测模型是：nnnnnnnaaaaaaaaaaxxxxxxxx01231201321.或 8.2.3 几何平均数法（几何平均数法（2）l例（本例中几何平均增长速度为3.87%。）观察期01234567预测值观察值115012101290136013801415147015001558环比速度-105.2106.6105.4101.5102.5103.9102.08.3 移动平均数预测移动平均数预测l移动平均法根据时间序列逐项移动，依次计算包含一定项数的平均数，形成平均数时间序列，并据此对预测对象进行预测。l移动平均可以消除或减少时间序列数据受偶然性因素干扰而产生的随机变动影响。l移动平均法在短期预测中较准确，长期预测中效果较差。l移动平均法可以分为：一次移动平均法 二次移动平均法8.3.1 一次移动平均法（一次移动平均法（1）l一次移动平均法适用于具有明显线性趋势的时间序列数据的预测。l一次移动平均法只能用来对下一期进行预测，不能用于长期预测。l必须选择合理的移动跨期，跨期越大对预测的平滑影响也越大，移动平均数滞后于实际数据的偏差也越大。跨期太小则又不能有效消除偶然因素的影响。跨期取值可在320间选取。8.3.1 一次移动平均法（一次移动平均法（2）l一次移动平均数的计算公式如下：nxxxxMxntttttt)1(21)1(1.8.3.1 一次移动平均法（一次移动平均法（3）l例观察年份观察年份时时 序序实际观察值实际观察值Mt(1)(n=4)199113819922451993335199444941.75199557049.75199664349.25199774652.00199885553.50199994547.252000106552.752001116457.252002124354.258.3.2 二次移动平均法（二次移动平均法（1）l二次移动平均法是对一次移动平均数再次进行移动平均，并在两次移动平均的基础上建立预测模型对预测对象进行预测。l二次移动平均法与一次移动平均法相比，其优点是大大减少了滞后偏差，使预测准确性提高。l二次移动平均只适用于短期预测。而且只用于 的情形。0T8.3.2 二次移动平均法（二次移动平均法（2）l二次移动平均法的预测模型如下：)(122.)2()1()2()1()1()1()1(2)1(1)1()2()1(21)1(ttttttttTtntttttntttttMMnbMMaTbaxnMMMMMnxxxxM其中8.3.2 二次移动平均法（二次移动平均法（3）l例观察年份观察年份时时 序序实际观察值实际观察值Mt(1)(n=4)Mt(2)(n=4)199113819922451993335199444941.75199557049.75199664349.25199774652.0048.19199885553.5051.13199994547.2550.502000106552.7551.382001116457.2552.692002124354.2552.888.3.2 二次移动平均法（二次移动平均法（4）l根据模型计算得到53.561913.062.55913.062.55913.0)88.5225.54(142)(1262.5588.5225.542211212)2(12)1(1212)2(12)1(1212xTxMMnbMMaT预测2003年所以有8.4 指数平滑法预测指数平滑法预测l指数平滑法来自于移动平均法，是一次移动平均法的延伸。指数平滑法是对时间数据给予加工平滑，从而获得其变化规律与趋势。l根据平滑次数的不同，指数平滑法可以分为：一次指数平滑法 二次指数平滑法 三次指数平滑法8.4.1 一次指数平滑法（一次指数平滑法（1）l公式：基本计算公式 一次指数平滑预测模型 当时间序列数据大于50时，初始值S0(1)对St(1)计算结果影响极小，可以设定为x1；当时间序列数据小于50时，初始值S0(1)对St(1)计算结果影响较大，应取前几项的平均值。tttxxx)1(1)1(1221)1(1)1()1(.)1()1()1(tttttttttxxxxSxS8.4.1 一次指数平滑法（一次指数平滑法（2）l例（,S0(1)取为前三项的平均值）时 序12345678910111213销售量10158201016182022242026St(1)1110.512.810.415.212.614.316.218.120.122.021.023.55.08.4.2 二次指数平滑法（二次指数平滑法（1）l二次指数平滑的计算公式l预测的数学模型)2(1)1()2()1(tttSSS)(12)2()1()2()1(ttttttttTtSSbSSaTbax其中8.4.2 二次指数平滑法（二次指数平滑法（2）l例：有关数据的计算见下表()。根据例中数据，有观察年份时 序观察值St(1)St(2)199614041.53442.655199724745.90645.256199835653.98152.236199946562.79660.684200057068.55966.984200167573.71272.366200278280.34278.747TTbaxSSbSSaT38.6937.8138.6)747.78342.80(8.018.0)(1937.81747.78342.8022777)2(7)1(77)2(7)1(778.08.4.3 三次指数平滑法（三次指数平滑法（1）l当时间序列为非线性增长时，一次指数平滑与二次指数平滑都将失去有效性；此时需要使用三次指数平滑法。l三次指数平滑法建立的模型是抛物线模型。l三次指数平滑的计算公式是：)3(1)2()3()2(1)1()2()1(1)1()1()1()1(tttttttttSSSSSSSxS8.4.3 三次指数平滑法（三次指数平滑法（2）l三次指数平滑法的数学预测模型：)2()1(2)34()45(2)56()1(233)3()2()1(22)3()2()1()3()2()1(2tttttttttttttttTtSSScSSSbSSSaTcTbax其中8.5 趋势法预测趋势法预测l分割平均法 直线趋势的分割平均法 抛物线趋势的分割平均法l最小二乘法l三点法 直线趋势预测模型 抛物线趋势预测模型8.5.1 直线趋势的分割平均法（直线趋势的分割平均法（1）l直线趋势的分割平均法的过程首先将时间序列数据分为前后相等的两段（当数据为奇数个时，去掉数列第1项或中间1项），并分别求出两端数据对应观察值与时序的平均值，并以此为坐标；假设两点的坐标分别为 。则选定直线趋势方程为：111212tbxattxxbbtax其中)、(2211,),(txtx8.5.1 直线趋势的分割平均法（直线趋势的分割平均法（2）l例观察年份199419951996199719981999200020012002时 序123456789观察值131516181921232426预测值2003（25.5）8.5.1 直线趋势的分割平均法（直线趋势的分割平均法（3）l计算过程tbtaxtbxattxxbttxx6.15.95.95.26.15.156.1585.25.75.155.235.7498765.2443215.234262423215.1541816151311121221218.5.2 抛物线趋势的分割平均法（抛物线趋势的分割平均法（1）l抛物线趋势的分割平均法要求将时间序列数据划分为等距离的三段。若数列不能被3整除，当余数为1时去掉数列首项；当余数为2时，去掉三段中间所夹两项。抛物线趋势的分割平均法的预测模型为：、可以由下列方程组求得2ctbtax233322222111tctbaxtctbaxtctbaxacb、8.5.2 抛物线趋势的分割平均法（抛物线趋势的分割平均法（2）l例l将上表数据分为等距的三段，每段两个数据。分别计算三点坐标得到：观察年份199719981999200020012002时 序123456观察值1200140016201862212724135.526522702241321275.324317412186216205.12211300214001200332211txtxtx 8.5.2 抛物线趋势的分割平均法（抛物线趋势的分割平均法（3）l待定参数的联立方程组为：2222115.16525.1024115.16525.10245.55.522705.35.317415.15.11300ttxcbacbacbacba所以有 求解得8.5.3 最小二乘法（最小二乘法（1）l最小二乘法即适用于直线趋势的预测，也适用于曲线趋势的预测。l最小二乘法直线趋势预测模型为：tbxtbxnattnxttxnbbtax)(1)(22其中8.5.3 最小二乘法（最小二乘法（2）l例观察年份时 序(t)观察值(x)txt2趋势值199311313112.7199421530415.5199531854918.21996420801620.919975241202523.619986271623626.319997302104929.120008322566431.820019353158134.62002103636010037.3合计25016003852508.5.3 最小二乘法（最小二乘法（3）l根据上表可知：tbtaxtbxtbxnattnxttxnbt txnxxntt727.210105.5727.225)(1727.28252250553851025055160010)(385160025102505.510552222 8.5.4 直线趋势预测模型（直线趋势预测模型（1）l若时间序列呈直线趋势，则选用三点法的直线趋势预测模型。当数据项大于10时，取5项加权平均，在序列的首尾两端求得近期和远期两点坐标 。l直线趋势预测模型为：将坐标点的值代入预测模型有T)t(MRtM,33 和),1(1btaxbRanRTbbnaTbaR3115)34(311即有8.5.4 直线趋势预测模型（直线趋势预测模型（2）l当数据项在610时，取3项加权平均，在序列的首尾两端求得近期和远期两点坐标 。l将坐标点代入到预测模型，有：T)t(MRtM,和),(3311bRanRTbbnaTbaR373)32(37即有8.5.4 直线趋势预测模型（直线趋势预测模型（3）l例观察年份时序t观察值x权数wwx加权平均199314.4014.40R199424.7829.56199535.13315.39199645.81合计29.354.89199756.94199867.36加权平均199978.1318.13T200088.56217.12200198.91326.73合计51.988.668.5.4 直线趋势预测模型（直线趋势预测模型（4）l计算过程txbRanRTbxxxTxxxR63.042.342.363.03789.43763.03989.466.8366.8)32(321189.4)32(3211987321所以有即有8.5.5 抛物线趋势预测模型抛物线趋势预测模型l首先将时间序列划分为等距的三组，若项数大于15，则每组数据取5项加权平均；若数据项数在915之间，则每组取3项加权平均。l设近、中、远期三组数据的平均值的坐标点分别为 、。l抛物线趋势预测的数学模型为：),(11RtM),(和),(3322TtMStM2ctbtax5项加权平均预测模型项加权平均预测模型l将坐标点的值代入到预测模型，得到：cbRacnnRTbnSTRccnbnaTcnbnaScbaR153113735)5()2(2)34()34()673(673)311(3112222即有3项加权平均预测模型（项加权平均预测模型（1）l将坐标点的值代入到预测模型，得到：cbRacnnRTbnSTRccnbnaTcnbnaScbaR6373533)3()2(2)32()32()653(653)37(372222即有3项加权平均预测模型（项加权平均预测模型（2）l例观察年份时 序(t)观察值(x)权数wwx加权平均1992141141R1993251210219943593177199546632053.31996572172S1997677215419987823246199988547278.72000986186T200110852170200211823246合 计50283.73项加权平均预测模型（项加权平均预测模型（3）l计算过程2226375.0875.11625.29625.29)6375.0(6875.11373.53637875.11)6375.0(351133113.537.8335336375.0)311()7.7827.833.53(2)3()2(27.837.783.53ttxcbRacnnRTbnSTRcTSR所以有即有 8.6 季节变动法预测季节变动法预测l季节变动预测的基本思路是：首先根据时间序列的实际值，观察不同年份的季或月有无明显的周期波动，以判断该序列是否存在季节变动；然后设法消除趋势变动和剩余变动的影响，以测定季节变动；最后求出季节指数，结合预测模型进行预测。l季节变动预测必须收集三年以上的资料。l季节变动预测的方法有：简单平均法 季节比例法8.6.1 简单平均法（简单平均法（1）l简单平均法也称做同月（季）平均法，即通过对若干年份的资料数据求出同月（季）的平均水平，然后对比各月（季）的季节指数表明季节变动程度，结合预测模型进行预测。l简单平均法的具体步骤是：根据各年份资料求出每月（季）平均数；计算全时期月（季）总平均数；求出月（季）季节指数；进行预测。月（季）季节指数的计算月（季）季节指数的计算lSI表示月（季）季节指数，表示各月（季）平均数，表示全时期总月（季）平均数%100XxSIiiixX8.6.1 简单平均法（简单平均法（2）l例：若假定2002年全年预计销量为30000，则全年月平均销量为2500。月 年199920002001合计月平均季节指数预测值18012032052017313.7342.5212020040072024019.04753200350700125041733.1827.545008501500285095075.31882.558001500240047001567124.33107.56250045006800138004600364.891207240064007200160005333422.910572.5860090015003000100079.31982.59200400600120040031.7792.51010025040075025019.849511601002003601209.5237.5124080110230776.1152.5合计760015650221304538012611200.0025008.6.2 季节比例法（季节比例法（1）l季节比例法是为了消除趋势变动和剩余变动的影响，利用各月（季）的实际值与趋势值之比计算季节指数来分析和确定各月（季）预测值的一种方法。l季节比例法的基本步骤是：求趋势值 计算各期的趋势比率 计算季节指数 进行预测8.6.2 季节比例法（季节比例法（2）l例：根据下表时间序列预测2002年各季度销售量。观察年分时序（t）观察值（x）t2tx趋势值趋势比率（TI）199913213225.091.2821843626.210.6932196327.330.774391615628.451.3720005362518029.371.226213612630.690.687244916831.810.758446435232.931.3420019398135134.051.15102510025035.170.71112812130836.290.77124814457637.411.28合计7837565025988.6.2 季节比例法（季节比例法（3）l计算过程第一步：求趋势值 假定各季度销售量呈直线趋势变化，根据最小二乘法建立直线趋势预测模型 ，利用上表中数据可求得 即有直线趋势预测数学模型btaxt97.23127812.11237512.1786501237578259812)(222 ntbnxattnxttxnbtxt12.197.238.6.2 季节比例法（季节比例法（4）l第二步：根据直线趋势预测模型计算各期趋势值。89.411612.197.2377.401512.197.2365.391412.197.2353.381312.197.2381.31712.197.2321.26212.197.2309.25112.197.2316151413721xxxxxxx8.6.2 季节比例法（季节比例法（5）l第三步：计算各期趋势比率。28.141.374877.029.362877.033.272169.021.261828.109.2532121212111111333222111xxTIxxTIxxTIxxTIxxTIxxTIiii所以有:趋势比率的计算公式是8.6.2 季节比例法（季节比例法（6）l第四步：计算季节指数。季节指数等于同月（季）趋势比率和与资料年份数的比。所以有33.1328.134.137.176.0377.075.077.069.0371.068.069.022.1315.122.128.14321SISISISI8.6.2 季节比例法（季节比例法（7）l第五步：进行预测。根据上述计算结果，2002年各季度的销售量预测值如下：7.5533.189.41)(0.3176.077.40)(4.2769.065.39)(0.4722.153.38)()(4164431533214221131112SIxSIbtaXSIxSIbtaXSIxSIbtaXSIxSIbtaXSIxSIbtaXiiii所以有 预测公式为：8.6.2 季节比例法（季节比例法（8）l预测结果。季度序号趋势比率平均趋势比率2002年趋势值2002年预测值19992000200111.281.221.151.2238.5347.020.690.680.710.6939.6527.430.770.750.770.7640.7731.041.371.341.281.3341.8955.7l9、静夜四无邻，荒居旧业贫。22.9.222.9.2Friday,September 02,2022l10、雨中黄叶树，灯下白头人。1:24:421:24:421:249/2/2022 1:24:42 AMl11、以我独沈久，愧君相见频。22.9.21:24:421:24Sep-222-Sep-22l12、故人江海别，几度隔山川。1:24:421:24:421:24Friday,September 02,2022l13、乍见翻疑梦，相悲各问年。22.9.222.9.21:24:421:24:42September 2,2022l14、他乡生白发，旧国见青山。2022年9月2日星期五上午1时24分42秒1:24:4222.9.2l15、比不了得就不比，得不到的就不要。2022年9月上午1时24分22.9.21:24September 2,2022l16、行动出成果，工作出财富。2022年9月2日星期五1时24分42秒1:24:422 September 2022l17、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。上午1时24分42秒上午1时24分1:24:4222.9.2l9、没有失败，只有暂时停止成功！。22.9.222.9.2Friday,September 02,2022l10、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。1:24:421:24:421:249/2/2022 1:24:42 AMl11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。22.9.21:24:421:24Sep-222-Sep-22l12、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。1:24:421:24:421:24Friday,September 02,2022l13、不知香积寺，数里入云峰。22.9.222.9.21:24:421:24:42September 2,2022l14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2022年9月2日星期五上午1时24分42秒1:24:4222.9.2l15、楚塞三湘接，荆门九派通。2022年9月上午1时24分22.9.21:24September 2,2022l16、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2022年9月2日星期五1时24分42秒1:24:422 September 2022l17、空山新雨后，天气晚来秋。上午1时24分42秒上午1时24分1:24:4222.9.2l9、杨柳散和风，青山澹吾虑。22.9.222.9.2Friday,September 02,2022l10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。1:24:421:24:421:249/2/2022 1:24:42 AMl11、越是没有本领的就越加自命不凡。22.9.21:24:421:24Sep-222-Sep-22l12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。1:24:421:24:421:24Friday,September 02,2022l13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。22.9.222.9.21:24:421:24:42September 2,2022l14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2022年9月2日星期五上午1时24分42秒1:24:4222.9.2l15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。2022年9月上午1时24分22.9.21:24September 2,2022l16、业余生活要有意义，不要越轨。2022年9月2日星期五1时24分42秒1:24:422 September 2022l17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。上午1时24分42秒上午1时24分1:24:4222.9.2MOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit amet,consectetur 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