【机器学习 | 数据挖掘】时间序列算法

时间序列是按时间顺序排列的、随时间变化且相互关联的数据序列。分析时间序列的方法构成数据分析的一个重要领域，即时间序列分析。以下是对时间序列算法的详细介绍：

一、时间序列的分类

时间序列根据所研究的依据不同，可有不同的分类：

1. 按研究对象数量分：有一元时间序列和多元时间序列。
2. 按时间连续性分：可分为离散时间序列和连续时间序列两种。
3. 按统计特性分：有平稳时间序列和非平稳时间序列。其中，严格的平稳时间序列是指其概率分布与时间t无关的时间序列；而宽平稳时间序列（也叫广义平稳时间序列）是指序列的一、二阶矩存在，而且对任意时刻t满足均值为常数、协方差为时间间隔τ的函数的序列。通常所研究的时间序列主要是宽平稳时间序列。
4. 按分布规律分：有高斯型时间序列和非高斯型时间序列。

二、时间序列的变化形式

一个时间序列往往是以下几类变化形式的叠加或耦合：

1. 长期趋势变动：指时间序列朝着一定的方向持续上升或下降，或停留在某一水平上的倾向，它反映了客观事物的主要变化趋势。
2. 季节变动。
3. 循环变动：通常是指周期为一年以上，由非季节因素引起的涨落起伏波形相似的波动。
4. 不规则变动：通常分为突然变动和随机变动。

三、常见的时间序列算法

1. 移动平均法

   • 定义：移动平均法是根据时间序列资料逐渐推移，依次计算包含一定项数的时序平均数，以反映长期趋势的方法。
   • 适用场景：当时间序列的数值由于受周期变动和不规则变动的影响，起伏较大，不易显示出发展趋势时，可用移动平均法消除这些因素的影响，分析、预测序列的长期趋势。
   • 分类：包括简单移动平均法、加权移动平均法、趋势移动平均法等。
     • 简单移动平均法：在求平均时，每期数据的作用是等同的。但这种方法只适合做近期预测，且预测目标的发展趋势变化不大的情况。
     • 加权移动平均法：考虑到每期数据所包含的信息量不一样，近期数据包含着更多关于未来情况的信心，因此该方法对近期数据给予较大的权重。
     • 趋势移动平均法：当时间序列出现直线增加或减少的变动趋势时，用简单移动平均法和加权移动平均法来预测会出现滞后偏差，因此需要进行修正。修正的方法是作二次移动平均，利用移动平均滞后偏差的规律来建立直线趋势的预测模型。

2. ARIMA算法

   • 定义：ARIMA（Autoregressive Integrated Moving Average）即差分自回归移动平均模型，是一种常用的时间序列分析算法，它结合了自回归（AR）、差分（I）和移动平均（MA）三种方法，以模拟和预测时间序列数据。
   • 操作步骤：
     1. 检测平稳性：使用差分和自相关函数等方法，检测原始时间序列数据是否具有平稳性。
     2. 选择差分阶数：根据平稳性检测结果，选择合适的差分阶数，使得差分序列具有平稳性。
     3. 选择自回归阶数和移动平均阶数：根据差分序列的自相关函数和偏差平方和等指标，选择合适的自回归阶数和移动平均阶数。
     4. 建立ARIMA模型：根据选定的差分阶数、自回归阶数和移动平均阶数，建立ARIMA模型。
     5. 估计模型参数：使用最小二乘法等方法，估计ARIMA模型的参数。
     6. 验证模型：使用残差检验等方法，验证ARIMA模型的合理性。
     7. 预测：根据估计的ARIMA模型参数，对未来的数据值进行预测。
   • 数学模型公式：ARIMA模型的数学模型公式为“φ(B)(1-B)dΔyt=θ(B)εt”，其中φ(B)是自回归项，θ(B)是移动平均项，B是回归项，d是差分阶数，yt是时间序列数据，εt是白噪声。

3. SARIMA算法

   • 定义：SARIMA（Seasonal Autoregressive Integrated Moving Average）即季节性差分自回归移动平均模型，是ARIMA的扩展版本，它在ARIMA的基础上，加入了季节性项，以更好地模拟和预测季节性时间序列数据。
   • 操作步骤：与ARIMA算法类似，但增加季节差分处理和季节性阶数的选择。
   • 数学模型公式：SARIMA模型的数学模型公式为“φ(B)(1-B)dΔΔsyt=θ(B)εt”，其中Δs是季节差分项。

4. 指数平滑法

   • 定义：指数平滑法是一种简单的时间序列分析算法，它通过对时间序列数据进行指数平滑，以模拟和预测时间序列数据。指数平滑是指将当前数据值与之前数据值进行加权平均，以得到更准确的预测值。
   • 操作步骤：
     1. 选择平滑因子：根据时间序列数据的平稳性和季节性，选择合适的平滑因子。
     2. 建立模型：根据选定的平滑因子，建立指数平滑模型。
     3. 估计模型参数：使用指数平滑公式，估计指数平滑模型的参数。
     4. 验证模型：使用残差检验等方法，验证指数平滑模型的合理性。
     5. 预测：根据估计的指数平滑模型参数，对未来的数据值进行预测。
   • 数学模型公式：指数平滑模型的数学模型公式为“yt=αyt-1+(1-α)εt-1”，其中yt是时间序列数据，α是平滑因子，yt-1是之前数据值，εt-1是残差。

综上所述，时间序列算法在数据挖掘和机器学习领域具有广泛的应用价值。通过选择合适的算法和参数，可以准确地模拟和预测时间序列数据的变化趋势，为决策提供支持。