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| 本文作者： 三川 | 2017-05-08 19:03 |
雷鋒網(wǎng)按：本文作者 Jason Brownlee 為澳大利亞知名機器學(xué)習(xí)專家，對時間序列預(yù)測尤有心得。原文發(fā)布于其博客。雷鋒網(wǎng)編譯。
Jason Brownlee
機器學(xué)習(xí)方法，比如深度學(xué)習(xí)，是可以用來解決時間序列預(yù)測問題的。
但在使用機器學(xué)習(xí)之前，時間序列問題需要被轉(zhuǎn)化為監(jiān)督學(xué)習(xí)問題。從僅僅是一個序列，變成成對的輸入、輸出序列。
這篇教程里，你將學(xué)到如何把單變量、多變量時間序列問題轉(zhuǎn)為機器學(xué)習(xí)算法能解決的監(jiān)督學(xué)習(xí)問題。本教程包含：
如何創(chuàng)建把時間序列數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)為監(jiān)督學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集的函數(shù)；
如何讓單變量時間序列數(shù)據(jù)適配機器學(xué)習(xí)
如何讓多變量時間序列數(shù)據(jù)適配機器學(xué)習(xí)
現(xiàn)在我們開始。
正式開始前，我們需要更好地理解時間序列和監(jiān)督學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)形式。時間序列是一組按照時間指數(shù)排序的數(shù)字序列，可被看成是一列有序的值。比如：
監(jiān)督學(xué)習(xí)問題由輸入（X）和輸出（y）速成，其算法能學(xué)習(xí)如何根據(jù)輸入模式預(yù)測輸出模式。
比如：
對于把時間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為監(jiān)督學(xué)習(xí)問題，這是一個關(guān)鍵的函數(shù)。
給定一個 DataFrame， shift() 函數(shù)可被用來創(chuàng)建數(shù)據(jù)列的副本，然后 push forward （NaN 值組成的行添加到前面）或者 pull back（NaN 值組成的行添加到末尾）。為了給時間序列數(shù)據(jù)集創(chuàng)建滯后觀察（lag observation）列以及預(yù)測觀察（forecast observation）列，并按照監(jiān)督學(xué)習(xí)的格式來，這是必須的操作。
我們來看看一些 shift 函數(shù)的實操例子。
我們可以定義一個由 10 個數(shù)字序列組成的偽時間序列數(shù)據(jù)集，該例子中，DataFrame 中的單個一列如下所示：
運行該例子，輸出時間序列數(shù)據(jù)，每個觀察要有對應(yīng)的行指數(shù)。
我們通過在頂端插入新的一行，用一個時間步（time step）把所有的觀察降檔（shift down）。由于新的一行不含數(shù)據(jù)，可以用 NaN 來表示“無數(shù)據(jù)”。
Shift 函數(shù)能完成該任務(wù)。我們可以把處理過的列插入到原始序列旁邊。
運行該例子，使數(shù)據(jù)集有了兩列。第一列是原始觀察，第二列是 shift 過新產(chǎn)生的列。
可看到，把序列向前 shift 一個時間步，產(chǎn)生了一個原始的監(jiān)督學(xué)習(xí)問題，雖然 X 、y 的順序不對。無視行標(biāo)簽的列。由于 NaN 值，第一行需要被拋棄。第二行第二列（輸入 X）現(xiàn)實輸入值是 0.0，第一列的值是 1 （輸出 y）。
我們能看到，如果在 shift 2、3 ……重復(fù)該過程，要如何創(chuàng)建能用來預(yù)測輸出值 y 的長輸出序列（X）。
Shift 操作器可以接受一個負(fù)整數(shù)值。這起到了通過在末尾插入新的行，來拉起觀察的作用。下面是例子：
運行該例子顯示出，新的一列的最后一個值是一個 NaN 值?？梢钥吹?，預(yù)測列可被作為輸入 X，第二行作為輸出值 (y)。輸入值 0 就可以用來預(yù)測輸出值 1。
技術(shù)上，在時間序列預(yù)測術(shù)語里，當(dāng)前時間是（t），未來是(t+1, t+n) 它們都是預(yù)測時間。過去的觀察 (t-1, t-n) 被用來做預(yù)測。對于一個監(jiān)督學(xué)習(xí)問題，在一個有輸入、輸出模式的時間序列里，我們可以看到如何用正負(fù) shift 來生成新的 DataFrame 。
這不僅可用來解決經(jīng)典的 X -> y 預(yù)測問題， 還可用到輸入、輸出都是序列的 X -> Y 上。
另外，shift 函數(shù)也在所謂的多元時間序列問題上有效。這種情況下，并不是時間序列不只有一組觀察，而是多組（舉個例子，氣溫和氣壓）。所有時間序列中的變量可被向前或向后 shift，來創(chuàng)建多元輸入輸出序列。更多詳情下文會提到。
給定理想的輸入、輸出序列長度，我們可以用 Pandas 里的 shift() 函數(shù)自動生成時間序列問題的框架。
這是一個很有用的工具。它幫助我們用機器學(xué)習(xí)算法探索同一個時間序列問題的不同框架，來找出哪一個將會產(chǎn)生具有更好效果的模型。這部分中，我們?yōu)?series_to_supervised() ，一個新的 Python 函數(shù)定義。它能把單變量、多變量時間序列轉(zhuǎn)化為監(jiān)督學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集。
該函數(shù)有四個參數(shù)：
Data:作為一個列表或 2D NumPy 陣列的觀察序列。必需。
n_in: 作為輸入 X 的 lag observation 的數(shù)量。值可能在 [1..len(data)] 之間?？蛇x。默認(rèn)為 1 。
n_out: 作為輸出 y 的觀察的數(shù)量。值可能在 [0..len(data)-1] 之間?？蛇x。默認(rèn)為 1 。
dropnan: 不管隨著 NaN 值是否丟掉一些行，它都是布爾值（Boolean）?？蛇x。默認(rèn)為 True。
函數(shù)返回一個單個的值：
return: 序列的 Pandas DataFrame 轉(zhuǎn)為監(jiān)督學(xué)習(xí)。
新數(shù)據(jù)集創(chuàng)建為一個 DataFrame，每一列通過變量字?jǐn)?shù)和時間步命名。這使得開發(fā)者能設(shè)計各種各樣時間步序列類型的預(yù)測問題。
當(dāng) DataFrame 被返回，你可以決定怎么把它的行，分為監(jiān)督學(xué)習(xí)的 X 和 y 部分。這里可完全按照你的想法。該函數(shù)用默認(rèn)參數(shù)定義，因此，如果你僅僅用你的數(shù)據(jù)調(diào)用它。它會創(chuàng)建一個 X 為 t-1，y 是 t 的 DataFrame。
該函數(shù)兼容 Python 2 和 Python 3。完整函數(shù)在下面，包括注解。
有了整個的函數(shù)，現(xiàn)在可以開始探索怎么用它。
在時間序列預(yù)測中，使用滯后觀察（比如 t-1）作為輸入變量來預(yù)測當(dāng)前時間不，是通用做法。這被稱為一步預(yù)測（one-step forecasting）。下面的例子，展示了如何一個滯后時間步（ t-1）預(yù)測當(dāng)前時間步（t）.
運行例子，輸出改造過的時間序列的輸出。
可看到，觀察被命名為“var1”，輸入觀察被命名為 (t-1)，輸出時間步被命名為 (t)。還可以看到，NaN 值得行，已經(jīng)自動從 DataFrame 中移除。我們可以用隨機數(shù)字長度的輸入序列重復(fù)該例子，比如 3。這可以通過把輸入序列的長度確定為參數(shù)來實現(xiàn)。比如：
data = series_to_supervised(values, 3)
完整例子如下：
再一次，運行例子輸出改造的序列?？梢钥吹捷斎胄蛄惺钦_的從左到右的順序。輸出變量在最右邊進行預(yù)測。
有另一類預(yù)測問題，是用過去的觀察，來預(yù)測出將來貫徹的一個序列。這可以被稱作序列預(yù)測或者多步驟預(yù)測。通過確定另一個參數(shù)，我們能把一個時間序列轉(zhuǎn)化為序列預(yù)測。比如，我們可以把一個輸入序列為兩個過去觀察，要預(yù)測兩個未來觀察的序列問題，進行如下轉(zhuǎn)化：
data = series_to_supervised(values, 2, 2)
完整例子如下：
運行該例子，顯示出分別把 (t-n)、（t+n） 作為輸入、輸出變量，以及把當(dāng)前觀察 （t）作為輸出之間的區(qū)別。
另一種重要的時間序列類型被稱為多元時間序列。這時有對多個不同度量（measure）的觀察，以及我們對預(yù)測其中的一個或更多的興趣。比如說，也許有兩組時間序列觀察 obs1 和 obs2 ，我們想要預(yù)測其中之一，或者兩個都預(yù)測。我們可用同樣的方法調(diào)用 series_to_supervised()。舉個例子：
運行這個例子會輸出數(shù)據(jù)的新框架，顯示出兩個變量在一個時間步下的輸入模式，以及兩個變量一個時間不的輸出模式。
取決去問題的具體內(nèi)容。可以隨機把列分為 X 和 Y 部分，比如說，如果當(dāng)前觀察 var1 也被作為輸入提供，那么只有 var2 會被預(yù)測。
通過上面這樣確定具體的輸入輸出序列長度，可輕松完成多元時間序列的預(yù)測。下面是一個把一個時間步作為輸入，兩個時間步作為預(yù)測序列的轉(zhuǎn)化例子。
運行該例子會顯示改造過的大 DataFrame。
建議：拿你自己的數(shù)據(jù)集做實驗，試試多個不同的框架來看哪個效果更好。
該課程將系統(tǒng)介紹人工智能中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，特別是深度學(xué)習(xí)的發(fā)展現(xiàn)狀、基本原理和主要方法。包括：人工智能綜述，生物神經(jīng)系統(tǒng)，人工神經(jīng)元模型，BP網(wǎng)絡(luò)，Hopfield網(wǎng)絡(luò)，深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）和深度強化學(xué)習(xí)等。重點分析若干典型CNN模型，并結(jié)合具體應(yīng)用案例，進行編程實操剖析。
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視頻地址：http://www.mooc.ai/course/65
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