第12章 神经网络预测法
如何利用神经网络进行预测分析(Ⅰ)
神经网络是一种模仿人脑神经元之间相互连接的数学模型，可以用来进行复杂的数据处理和预测分析。
利用神经网络进行预测分析是一种常见的应用，可以用于股票价格预测、天气预测、人口增长预测等多个领域。
本文将探讨如何利用神经网络进行预测分析，并介绍一些常用的方法和技巧。
1. 数据收集在利用神经网络进行预测分析之前，首先需要收集相关的数据。
数据可以来自各种渠道，如历史数据、实时数据、传感器数据等。
例如，如果要预测股票价格，可以收集历史的股票交易数据；如果要预测天气，可以收集气象局的观测数据。
数据的质量和数量对预测结果有很大的影响，因此在收集数据时需要尽量确保数据的完整性和准确性。
2. 数据预处理在收集到数据后，需要对数据进行预处理以便神经网络进行分析。
数据预处理包括数据清洗、数据标准化、数据归一化等步骤。
数据清洗是指去除数据中的噪声和异常值，以确保数据的质量；数据标准化是指将数据按照一定的规则进行转换，使得数据具有统一的尺度和分布；数据归一化是指将数据按照一定的比例进行缩放，以便神经网络更好地学习和训练。
3. 神经网络模型选择选择合适的神经网络模型是进行预测分析的关键一步。
常用的神经网络模型包括前馈神经网络、循环神经网络、卷积神经网络等。
不同的神经网络模型适用于不同的预测分析任务，需要根据具体的问题选择合适的模型。
例如，对于时间序列数据的预测分析，循环神经网络通常是一个较好的选择；对于图像识别和语音识别等任务，卷积神经网络通常是更合适的模型。
4. 数据分割和训练在选择了合适的神经网络模型之后，需要将数据分割成训练集和测试集，并对神经网络进行训练。
训练集用于训练神经网络模型，测试集用于评估模型的性能。
在训练神经网络时，需要选择合适的优化算法和损失函数，以使得神经网络能够更好地拟合数据并进行预测分析。
5. 参数调整和模型评估在训练神经网络模型过程中，需要对模型的参数进行调整，并对模型的性能进行评估。
参数调整包括学习率的选择、隐藏层节点数的选择等。
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
232.02
基于人工神经网络的预测算法研究
基于人工神经网络的预测算法研究人工神经网络（Artificial Neural Network）是一种模拟人脑神经系统工作原理的计算模型，它通过大量的神经元单元之间的连接和相应的加权值，模拟人脑神经元之间的信息传递和处理过程。
基于人工神经网络的预测算法利用这一模型，通过对已有数据进行学习和训练，来预测未来的数据走势和趋势。
本文将围绕基于人工神经网络的预测算法进行研究，讨论其原理、应用、优势和局限性。
首先，我们来介绍基于人工神经网络的预测算法的原理。
人工神经网络由输入层、隐藏层和输出层组成，其中隐藏层可以包含多层。
每个神经元接收来自上一层的输入，并通过加权值和激活函数对输入进行处理，然后将结果传递给下一层。
在预测问题中，输入层通常表示历史数据特征，而输出层表示预测结果。
通过在训练过程中调整神经网络的连接权重，以及选择合适的激活函数和网络结构，使网络能够对输入与输出之间的关系进行建模和预测。
基于人工神经网络的预测算法在多个领域都有广泛的应用。
例如，它可以应用于金融市场预测，通过学习历史行情数据，来预测未来股票价格的走势；它也可以应用于气象预测，通过学习气象观测数据，来预测未来天气的变化；此外，它还可以应用于交通流量预测、销售预测、疾病预测等领域。
基于人工神经网络的预测算法可以为决策提供参考和辅助，帮助人们做出更准确的预测和计划。
相比于传统的统计分析方法，基于人工神经网络的预测算法具有一些优势。
首先，它可以处理非线性关系，而传统方法通常只能处理线性关系；其次，它可以自动学习和提取特征，无需过多人工干预；此外，它对于噪声和缺失数据具有一定的容错性，能够处理部分数据缺失的情况。
因此，基于人工神经网络的预测算法在处理复杂、非线性的预测问题时表现出色。
然而，基于人工神经网络的预测算法也存在一些局限性。
首先，神经网络的训练过程较为耗时，特别是在大规模数据集上进行训练时；其次，网络结构和参数的选择对预测结果的影响较大，需要进行一定的调试和优化；此外，神经网络的黑盒特性使得其内部的判断过程难以解释和理解，缺乏可解释性。
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 。
神经网络预测法
Step2 • 利用样本计算网络输出，得到误差
Step3
• 利用误差反向计算每一层旳sensitivty， 更新权值和阈值。直到误差满足精度 要求。
BP网络学习算法旳改善
▪ BP算法缺陷小结
➢ 易形成局部极小而得不到全局最优； ➢ 训练次数多使得学习效率低，收敛速度慢； ➢ 隐节点旳选用缺乏理论指导； ➢ 训练时学习新样本有遗忘旧样本旳趋势。
w eight
af(W,p)
期望输出 t=1---苹果 t=0---香蕉
有导师旳学习
期望输出（向量）
训练样本：{ p 1 ,t 1 } { p 2 ,t 2 } { p Q , t Q }
输入（向量）
基本思想：
对样本对（输入和期望输出）进行学习；将样本旳输 入送至神经网络，计算得到实际输出；若实际输出与 期望输出之间旳误差不满足精度要求，则调整权值W
2、创建/训练BP神经网络: newff, train 创建前需要拟定网络旳构造：
隐层数
含一种隐层旳MLP网络能够以任意精度逼近任何有理函数。 在设计BP网络时，应优先考虑3层BP网络（即有1个隐层）， 靠增长隐层节点数来取得较低旳误差。
隐层节点数 拟定隐层节点数旳最基本原则：在满足精度要求旳前提
BP神经网络旳Matlab工具箱函数
2、BP神经网络训练函数:
函数train用于训练已经创建好旳BP神经网络，其调 用格式为：
[net, tr, Y, E] = train(net, P, T)
训练前旳网络，
newff产生旳BP
网络
P：输入矩阵，每行相应于一种样本旳输入向量
T：输出矩阵，每行相应于该样本旳期望输出
下取尽量少旳隐层节点数。最佳隐层神经元个数可参照如下 公式：
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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格式：[P,T]=postmnmx(Pn，minp，maxp，Tn，mint，maxt) 说明：Postmnmx函数可将premnmx函数所归一化数据进行反 归一化处理 P=0.5*(Pn+1)*(maxp-minp)+minp T=0.5*(Tn+1)*(maxt-mint)+mint 将输入数据或目标数据转化为区间[0,1]的归一化处理公式为： Pn=(P-minp)／(maxp-minp) Tn=(T-mint)／(maxt-mint) 其对应的反归一化处理公式 P=Pn*（maxp-minp)+ minp T=Tn*（maxt-mint)+ mint
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。
正切S形函数（tansig）
1 e x f ( x) x 1 e
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。
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 X n , X n1 ,, X nm 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 X n , X n1,, X nm ，这 m个数据输入网络，输出是下一时刻的预测值X nm1 若要继续对 X nm2 的值进行预测，则用实际观测值X m 2 作为输入数据，得到预测值 X n
889.37 2367.77 1439.08
1845.97
1201.37 2486.77 2060.52
402.54
230.72 431.14 487.32
237.07
192.76 299.86 318.99
北京市房地产开发投资及销售额增长率
日期 2000 2001 2002 2003 2004
国内贷款 0.3684 0.3541
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12.3 案例分析 12.3.1 北京市房地产开发投资及销售分析 北京市1999年至2010年房地产开发投资的资金来源中 的国内贷款，与各种房屋类型销售额数据如表12-1所 示，进而计算出2000年至2010年各项指标的增长率， 数据如表12-2所示，试将住宅、办公楼、商业营业用 房的销售额增长率作为输入元素，国内贷款额增长率 作为目标函数，建立BP神经网络仿真模拟。
（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
382.77
586.86 549.96 676.92 841.42
716.53
789.16 1085.11 1739.94 1626.30
57.68
40.58 99.21 249.62 352.94
25.95
51.78 50.59 120.85 162.56
2007
2008 2009 2010
1063.21
住宅销售额 0.5677 0.2616
办公楼销售额 -0.2435 0.1754
商业营业用房销售额 -0.5839 1.0756
0.1176
0.4274 -0.0649 0.2077 0.2175 0.2340 -0.1785 0.9792 -0.4979
0.2983
0.0965 0.3185 0.4722 -0.0675 0.1267 -0.4295 0.7275 -0.1880
3．设定参数 net=init(net)；初始化网络权值和阈值（可不设定) net.trainparam.show=训练状态的显示幅度；（默认25） net.trainparam.lr=学习速率；（权值阈值的调整幅度） net.trainparam.mc=动量系数；（权阈值改变的重复度） net.trainparam.epochs=训练次数；（默认100） net.trainparam.goal=误差精度；（默认0） net.trainparam.time=训练秒数；（可不选）
-0.0679
-0.3516 0.8940 0.9227 0.3464 0.1315 -0.5566 0.6252 0.1225
0.7336
0.6908 -0.0233 0.8708 0.2965 0.3773 -0.2069 0.4419 0.0618
2005
2006 2007 2008 2009, X nm1
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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 nm1, 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。
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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。
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）：
1 f ( x) 1 e x
2.创建网络 （1）newff函数：用来建立一个前馈BP网络 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 学习速率、动量系数，快速训练trainlm(默认)： BLF：表示网络权值学习函数，learngdf(默认)； PF：表示网络性能函数，mse(默认)，网络输出和目标输出的 均方误差。
案例二： 中空保温玻璃的销售预测 MATLAB程序如下： clear p=[0.5677 -0.2435 -0.5839 0.2616 0.1754 1.0756 0.2983 -0.0679 0.7336 0.0965 -0.3516 0.6908 0.3185 0.8940 -0.0233 0.4722 0.9227 0.8708 -0.0675 0.3464 0.2965 0.1267 0.1315 0.3773 -0.4295 -0.5566 -0.2069 0.7275 0.6252 0.4419 -0.1880 0.1225 0.0618]'; t=[0.3684 0.3541 0.1176 0.4274 -0.0649 0.2077 0.2175 0.2340 -0.1785 0.9792 -0.4979];
北京市房地产开发投资及销售原始数据
日期 1999 2000 2001 国内贷款 165.22 238.82 340.30 住宅销售额 232.02 409.34 531.71 办公楼销售额 66.08 51.80 61.73 商业营业用房销售 额 7.62 4.25 12.46
2002
2003 2004 2005 2006
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。