第12章 神经网络预测法讲解
神经网络专题ppt课件
(4)Connections Science
(5)Neurocomputing
(6)Neural Computation
(7)International Journal of Neural Systems
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3.2 神经元与网络结构
人脑大约由1012个神经元组成，而其中的每个神经元又与约102～ 104个其他神经元相连接，如此构成一个庞大而复杂的神经元网络。 神经元是大脑处理信息的基本单元，它的结构如图所示。它是以细胞 体为主体，由许多向周围延伸的不规则树枝状纤维构成的神经细胞， 其形状很像一棵枯树的枝干。它主要由细胞体、树突、轴突和突触 (Synapse，又称神经键)组成。
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4.互连网络
互连网络有局部互连和全互连 两种。 全互连网络中的每个神经元都 与其他神经元相连。 局部互连是指互连只是局部的， 有些神经元之间没有连接关系。 Hopfield 网 络 和 Boltzmann 机 属于互连网络的类型。
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人工神经网络的学习
学习方法就是网络连接权的调整方法。 人工神经网络连接权的确定通常有两种方法：
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5. 20世纪70年代 代表人物有Amari, Anderson, Fukushima, Grossberg, Kohonen
经过一段时间的沉寂后，研究继续进行
▪ 1972年，芬兰的T．Kohonen提出了一个与感知机等神经 网络不同的自组织映射理论(SOM)。 ▪ 1975年，福岛提出了一个自组织识别神经网络模型。 ▪ 1976年C．V．Malsburg et al发表了“地形图”的自形成
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关于神经网络的国际交流
第一届神经网络国际会议于1987年6月21至24日在美国加州圣地亚哥 召开，标志着神经网络研究在世界范围内已形成了新的热点。
神经网络预测法总结80页PPT
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ，心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
Matlab中的神经网络预测方法
Matlab中的神经网络预测方法引言神经网络是一种模拟人脑神经元的计算模型，通过构建输入层、隐藏层和输出层之间的连接，可以对复杂的非线性问题进行建模和预测。
在Matlab中，有丰富的神经网络工具箱，提供了多种神经网络预测方法和算法。
本文将介绍一些常用的神经网络预测方法，并说明其在Matlab中的实现原理和应用场景。
一、前馈神经网络（Feedforward Neural Network）前馈神经网络是最常见的神经网络模型，也是最基本的一种。
其模型结构包括输入层、隐藏层和输出层，信号在网络中只能向前传播，不会回流。
前馈神经网络使用反向传播算法进行训练，通过不断调整连接权值和阈值来提高网络的预测能力。
在Matlab中，可以使用feedforwardnet函数创建前馈神经网络模型。
该函数的输入参数包括隐藏层节点数、训练算法和激活函数等。
例如，以下代码创建一个具有10个隐藏层节点的前馈神经网络模型：```matlabnet = feedforwardnet(10);```创建好的神经网络模型可以通过train函数进行训练，如下所示：```matlabnet = train(net, X, Y);```其中X和Y为训练数据的输入和输出。
训练完成后，可以使用sim函数对新的数据进行预测，如下所示：```matlabY_pred = sim(net, X_pred);```Y_pred为预测结果，X_pred为待预测的输入数据。
二、递归神经网络（Recurrent Neural Network）递归神经网络是另一种常见的神经网络模型，不同于前馈神经网络，递归神经网络允许信号在网络中进行循环传播，使得模型可以处理序列数据和时间序列数据。
递归神经网络拥有记忆功能，可以通过上一时刻的输出来影响当前时刻的输出。
在Matlab中，可以使用narnet函数创建递归神经网络模型。
该函数的输入参数包括隐藏层节点数、训练算法和激活函数等。
神经网络预测的原理及应用
神经网络预测的原理及应用神经网络预测的原理神经网络是一种模仿人类大脑神经元之间连接方式和工作原理的数学模型。
神经网络通过多层的神经元之间相互连接来模拟输入与输出之间的关系，并通过训练过程来调整连接权重，从而实现数据的预测。
神经网络预测的原理包括以下几个关键步骤：1. 数据准备首先，需要准备好用于训练神经网络的数据集。
数据集应包含输入数据和对应的标签或输出数据。
对于监督学习问题，输入数据和输出数据要有明确的对应关系。
2. 网络结构设计设计适当的神经网络结构是预测的重要步骤。
神经网络由多个层次组成，包括输入层、隐藏层和输出层。
输入层接收原始数据，隐藏层进行中间处理，输出层产生预测结果。
3. 前向传播在前向传播阶段，输入数据从输入层开始，通过隐藏层逐渐传递到输出层。
在每个神经元中，输入数据经过加权和激活函数的处理，并传递给下一层的神经元。
4. 损失函数计算预测的结果需要和实际标签进行比较，以计算预测误差。
常用的损失函数包括均方误差、交叉熵等。
5. 反向传播通过反向传播算法，神经网络根据损失函数的结果，逐层计算各个神经元的梯度，并利用梯度下降法来更新网络中的权重和偏置，使得预测结果逐渐接近实际标签。
6. 优化算法选择选择合适的优化算法对神经网络进行训练可以加快收敛速度和提高预测准确率。
常见的优化算法有梯度下降、Adam、RMSprop等。
7. 模型评估在训练完成后，需要对模型进行评估，以验证其在未知数据上的预测能力。
常用的评估指标包括准确率、召回率、F1值等。
神经网络预测的应用神经网络预测在各个领域都有广泛的应用，以下列举几个常见的应用场景：1. 图像识别神经网络在图像识别方面有着广泛应用。
通过对大量的图像数据进行训练，神经网络可以学习到图像的特征，实现对图像中物体的自动识别和分类。
2. 自然语言处理神经网络在自然语言处理方面的应用也十分重要。
通过处理文本数据，神经网络可以实现语义分析、情感分析、机器翻译等任务，为人们提供更智能的语言交互体验。
神经网络预测法
12.1.3 BP神经网络过程
1．BP网络的结构
BP网络是一种单向传播的多层前向网络，具有三层或三层以 上的神经网络，包括输入层、中间层(隐层)和输入层。上下 层之间实现全连接，每一层神经元之间无连接。
输入层
隐层
输出层
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2．传递函数或激活函数
一般输入层和隐层的传递函数是S形函数（logsig）：
国内贷款 0.3684 0.3541 0.1176 0.4274 -0.0649 0.2077 0.2175 0.2340 -0.1785 0.9792 -0.4979
住宅销售额 0.5677 0.2616 0.2983 0.0965 0.3185 0.4722 -0.0675 0.1267 -0.4295 0.7275 -0.1880
如此反复迭代，就得到对未来一段时期的预测值。
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12.2 BP神经网络的MATLAB函数
1．数据的预处理和后处理
数据的预处理和后处理是有效训练神经网络的关键步骤， 直接影响到训练后神经网络的性能。常见的方法是将原 始数据进行归一化处理，即通过一定的线性变换将输入 和输出数据统一限制在[0，1]或[-1，1]区间内。
格式：net=newff(PR，SN，TF，BTF，BLF，PF)； 说明：PR：表示由每组输入（共P组）元素的最大值和最小值
组成的P×2维矩阵；或用函数minmax(P)表示； SN：表示网络隐含层和输出层神经元的个数； TF：表示网络隐含层和输出层的传递函数，tansig（默认），
logsig，purelin； BTF：表示网络的训练函数。普通训练traingdm：需设定
住宅销售额 办公楼销售额
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神经网络方法-PPT课件精选全文完整版
信号和导师信号构成，分别对应网络的输入层和输出层。输
入层信号 INPi (i 1,根2,3据) 多传感器对标准试验火和各种环境条件
下的测试信号经预处理整合后确定，导师信号
Tk (k 1,2)
即上述已知条件下定义的明火和阴燃火判决结果，由此我们
确定了54个训练模式对，判决表1为其中的示例。
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基于神经网络的融合算法
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局部决策
局部决策采用单传感器探测的分析算法，如速率持续 法，即通过检测信号的变化速率是否持续超过一定数值来 判别火情。 设采样信号原始序列为
X(n) x1 (n), x2 (n), x3 (n)
式中，xi (n) (i 1,2,3) 分别为温度、烟雾和温度采样信号。
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局部决策
定义一累加函数 ai (m为) 多次累加相邻采样值 的xi (差n) 值之和
样板和对应的应识别的结果输入人工神经网络，网络就会通过
自学习功能，慢慢学会识别类似的图像。
第二，具有联想存储功能。人的大脑是具有联想功能的。用人
工神经网络的反馈网络就可以实现这种联想。
第三，具有容错性。神经网络可以从不完善的数据图形进行学
习和作出决定。由于知识存在于整个系统而不是一个存储单元
中，一些结点不参与运算，对整个系统性能不会产生重大影响。
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仿真结果
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仿真结果
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7.2 人工神经元模型—神经组织的基本特征
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7.2 人工神经元模型—MP模型
从全局看，多个神经元构成一个网络，因此神经元模型的定义 要考虑整体，包含如下要素： （1）对单个人工神经元给出某种形式定义； （2）决定网络中神经元的数量及彼此间的联结方式； （3）元与元之间的联结强度（加权值）。
神经网络预测时间序列
神经网络预测时间序列如何作预测?理想方法是利用已知数据建立一系列准则,用于一般条件下预测,实际上由于系统的复杂性而不太可能,如股票市场预测。
另一种途径是假设一次观测中过去、未来值之间存在联系。
其中一种选择是发现一个函数,当过去观测值作为输入时,给出未来值作为输出。
这个模型是由神经网络来实现的。
1.2 神经网络预测时间序列(1) 简单描述在时间序列预测中,前馈网络是最常使用的网络。
在这种情形下,从数学角度看,网络成为输入输出的非线性函数。
记一个时间序列为}{n x ,进行其预测可用下式描述:),,(1+-1-+=m n n n k n x x x f x (1)时间序列预测方法即是用神经网络来拟合函数)(⋅f ,然后预测未来值。
(2) 网络参数和网络大小用于预测的神经网络性质与网络参数和大小均有关。
网络结构包括神经元数目、隐含层数目与连接方式等,对一个给定结构来说, 训练过程就是调整参数以获得近似基本联系,误差定义为均方根误差,训练过程可视为一个优化问题。
在大多数的神经网络研究中,决定多少输入与隐层单元数的定量规则问题目前尚未有好的进展,近有的是一些通用指导:首先, 为使网络成为一个完全通用的映射,必须至少有一个隐层。
1989年证明一个隐层的网可逼近闭区间内任意一个连续函数。
其次,网络结构要尽可能紧致,即满足要求的最小网络最好。
实际上,通常从小网络开始。
逐步增加隐层数目。
同样输入元数目也是类似处理。
(3) 数据和预测精度通常把可用的时间序列数据分为两部分:训练数据和检验数据。
训练数据一般多于检验数据两倍。
检验过程有三种方式:短期预测精度的检验。
用检验数据作为输入,输出与下一个时间序列点作比较,误差统计估计了其精度。
长期预测中迭代一步预测。
以一个矢量作为输入,输出作为下一个输入矢量的一部分,递归向前传播。
直接多步预测。
即用1+-1-m n n n x x x ,,直接进行预测,输出k n x +的预测值,其中1>k 。
神经网络预测方法
(4)神经网络的预测方法神经网络(Neural Network)是由许多并行的、高度相关的计算处理单元组成，这些单元类似生物神经系统的神经元。
虽然单个的神经元的结构十分简单，但是，由大量神经元相互连接所构成的神经元系统所实现的行为是十分丰富的。
与其它方法相比，神经网络具有并行计算和白适应的学习能力㈤。
神经网络系统是一个非线性动力学系统计算系统。
神经网络模型有许多种类，经常使用的有BP网络、RBF网络、Hopfield网络、Kohonen网络、BAM网络等等，近年又出现了神经网络与模糊方法、遗传算法相结合的趋势。
浚方法已在交通流预测中得到了应用。
在交通流预测中应用最早使用最多的是反传BP网络。
应用神经网络进行交通流预测的步骤如下：第一步，根据实际情况，选择适当的网络结构作为预测工具，根据已确定的预测因子和被预测量，决定网络的输入和输出，进而决定网络的结构(网络各层次的节点数)第二步，准备样本数据和样本的规范化处理，样本分为训练样本和检验样本；第三步，利用训练样本是对网络进行训练和学习；第四步，利用检验样本对网络训练结构进行检验，验证网络的泛化能力；第五步，用训练好的网络，根据已知的数据进行实际预测。
与传统的预测方法相比，神经网络的预测方法的预测精度要好一些。
这主要是得益于神经网络自身的特点。
神经网络擅长描述具有较强非线性、难于用精确数学模型表达的复杂系统的特性，并且具有自适应能力。
由于神经网络算法是离线学习，在线预测，所以几乎没有延时，实时性很好。
此外，神经网络对预测因子的选择也较为灵活，任何认为与待预测交通流量有关的数据均可纳入输入向量中。
但是，神经网络也有一些弱点，主要表现在以下几个方面：三、由于使用大量的样本进行训练，所以神经网络的学习训练过程收敛较慢，容易产生“过度学习”的情况，陷入对样本值的机械记忆而降低了泛化能力。
因此，应用神经网络目前很难做到在线学习，只能将学习与预测分离成两个阶段(一个离线、一个在线)来完成。
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3．滚动预测
滚动预测，又可称为迭代一步预测，是先进行单步预 测，再将网络输出的预测值反馈给网络输入端作为输 入的一部分，用于下一步的预测。 若开始预测时输入数据是实际的时序观测值 Xn, Xn1, , Xnm 输出是下一时刻的预测值 Xnm1 ，
将 X nm1 与 X n1, X n2, , X nm 一起作为输入数据对 X nm2 项进行估计，得到输出的预测值 X nm2
（1）读入样本； （2）数据处理； （3）创建网络； （4）设定参数； （5）训练网络； （6）模拟输出； （7）调整参数：学习速率、动量系数、训练次数、 误差精度等； （8）仿真预测：网络固定，输入新的样本集，模拟 输出。
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12.1.4 BP神经网络预测
BP神经网络通过对以往历史数据的学习，找出数据的变化 趋势之间的非线性关系，并将其存储在网络具体的权值和 阀值中，从而预测未来数据的走势。
第12章 神经网络预测法 12.1 神经网络基本理论 12.2 BP神经网络的MATLAB函数 12.3 案例分析 12.3.1 北京市房地产开发投资及销售分析 12.3.2 深证综合指数预测
练习与提高（12）
12.1 神经网络基本理论
12.1.1 人工神经网络
人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)，是由大 量处理单元(神经元Neurons)广泛互连而成的网络,由分 布于若干层的节点组成。每个单节点都有自己的输入值、 权重、求和与激活函数以及输出值，在处理之前，数据 被分为训练数据集(Training Data set)和测试数据集 (Testing Data set)，然后将权重或输入，指派到第一层 的每一个节点。每次重复时，系统处理输入，并与实际 值相比较，得到度量后的误差，并反馈给系统，调整权 重。大多数情形下，调整后的权重都能更好地预测实际 值。当达到预定义的最小误差水平时，处理结束。
如此反复迭代，就得到对未来一段时期的预测值。
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12.2 BP神经网络的MATLAB函数
1．数据的预处理和后处理
数据的预处理和后处理是有效训练神经网络的关键步骤， 直接影响到训练后神经网络的性能。常见的方法是将原 始数据进行归一化处理，即通过一定的线性变换将输入 和输出数据统一限制在[0，1]或[-1，1]区间内。
利用premnmx或prestd函数可以对输入和目标数据集进 行归一化处理，使其落入[-1，1]区间。
格式： [Pn，minp，maxp]=premnmx(P) [Pn，minp，maxp，Tn，mint，maxt]=premnmx(P,T) 说明：premnmx函数用于对网络的输入数据或目标数 据进行归一化，归一化后的数据将分布在[-1，1]区间 内。归一化公式为： Pn=2*(P-minp)／(maxp-minp)-l Tn=2*(T-mint)／(maxt-mint)-l 其中，P为原始输入数据，maxp和minp分别是P中的最 大值和最小值，Pn为归一化后的输入数据。T是原始目 标数据，maxt和mint分别是T的最大值和最小值，Tn是 归一化后的目标数据。
X nmk f ( X n , X n1, , X nm )
用神经网络进行预测，即用神经网络通过一组数据点 Xn, Xn1, , Xnm 来拟合函数f，得出未来n m k（k>1）时刻 数据的预测值。
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1．单步预测
当k=1时，且网络的所有输入数据都是时间序列的实际 观测值时所做的预测就是单步预测。 在进行预测时，把实际的时序观测值 Xn, Xn1, , Xnm ，这 m个数据输入网络，输出是下一时刻的预测值X nm1
（1）读入样本、设定初始权值和阈值； （2）设定参数； （3）计算隐含层输出； （4）计算输出层输出； （5）计算输出值与期望值的误差； （6）判断误差是否小于设定值，是则结束； （7）调整隐层到输出层的权值和阈值； （8）调整输入层到隐层的权值和阈值； （9）返回计算隐含层输出。
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4．学习过程
若要继续对X nm2 的值进行预测，则用实际观测值Xn1, Xn2, , Xnm1 作为输入数据，得到预测值X nm2
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2．多步预测 当k>l时，网络输入m个历史数据，输出 X n , m1 X nm2, , X nmk 的预测值。多步预测用于股票价格预测误差较大。这 是因为在网络运行调整权值和阀值时，每次迭代都要 累加前一次k个预测值的误差，从而造成网络难以收 敛的情况，甚至导致网络发生振荡。
12.1.3 BP神经网络过程
1．BP网络的结构
BP网络是一种单向传播的多层前向网络，具有三层或三层以 上的神经网络，包括输入层、中间层(隐层)和输入层。上下 层之间实现全连接，每一层神经元之间无连接。
输入层
隐层
输出层
2．传递函数或激活函数
一般输入层和隐层的传递函数是S形函数（logsig）：
f
(
x)
1
1 e
x
正切S形函数（tansig）
f
(
x)
1 1
e e
x x
输出层的是线性函数，用purelin表示
3．模拟过程
网络通过对已知信息的反复学习训练，运用根据误差 来逐步调整与改变神经元连接权重和神经元阈值的方 法，使得相似的输入有相似的输出，从而达到处理信 息、模拟输入输出关系的目的。
12.1.2 BP神经网络的基本原理
BP(Back-Propagation Network) 是一种多层网络的“逆 推”学习算法。其基本思想是:
学习过程由信号的正向传播与误差的反向传播组成。 正向传播时，输入样本从输入层传入，经隐层逐层处理 后传向输出层。若输出层的实际输出与期望输出不符，则转 向误差的反向传播阶段。 误差的反向传播是将输出误差以某种形势通过隐层向输 入层逐层反传，并将误差分摊给各层的所有单元，从而获得 各层单元的误差信号，此误差信号即作为修正各单元权值的 依据。 这种信号正向传播与误差反向传播的各层权值调整过程 是周而复始地进行。权值不断调整的过程，也就是网络的学 习训练过程。此过程一直进行到网络输出的误差减少到可以 接受的程度，或进行到预订的设定的学习次数为止。