Python Day55

Task：
1.序列预测介绍
a.单步预测
b.多步预测的2种方式
2.序列数据的处理：滑动窗口
3.多输入多输出任务的思路
4.经典机器学习在序列任务上的劣势；以随机森林为例

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1. 序列预测介绍

序列预测是时间序列分析中的核心任务，旨在根据已知的过去数据，预测未来的数据点。

a. 单步预测

• 定义：预测序列中下一时刻的值，基于当前位置之前的历史数据。
• 应用：金融市场的股票价格预测下一天的股价。

示例：

# 简单的单步预测示例（未来值预测）
import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.linear_model import LinearRegression# 生成示例数据
np.random.seed(0)
data = np.cumsum(np.random.randn(100))  # 累积和，模拟时间序列
X = data[:-1].reshape(-1, 1)
y = data[1:]# 拟合模型
model = LinearRegression()
model.fit(X, y)# 预测下一步
last_value = data[-1].reshape(1, -1)
predicted_next = model.predict(last_value)
print("下一步预测值:", predicted_next[0])

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b. 多步预测的两种方式

1. 逐步预测（Recursive）：

• 逐步用模型预测下一时刻，然后将预测值作为未来预测的输入。
• 缺点：误差会累积。

# 递归多步预测示例
n_steps = 5
predictions = []
input_val = data[-1].reshape(1, -1)
for _ in range(n_steps):pred = model.predict(input_val)predictions.append(pred[0])input_val = np.array(pred).reshape(1, -1)
print("多步预测（递归）：", predictions)

2. 直接多步预测（Multi-Output）：

• 训练模型直接输出多个未来值。
• 适合长预测，但模型复杂。

示例（使用多输出回归）：

from sklearn.multioutput import MultiOutputRegressor# 创建多输出目标
n_future = 3
X_multi = []
y_multi = []for i in range(len(data) - n_future):X_multi.append(data[i].reshape(1, -1))y_multi.append(data[i+1:i+1+n_future])
X_multi = np.vstack(X_multi)
y_multi = np.vstack(y_multi)multi_model = MultiOutputRegressor(LinearRegression())
multi_model.fit(X_multi, y_multi)# 预测
future_preds = multi_model.predict(data[-1].reshape(1,-1))
print("直接多步预测：", future_preds)

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2. 序列数据的处理：滑动窗口

为了使用机器学习模型处理序列数据，通常需要构建具有固定长度的特征窗口。

示例：

def create_sliding_windows(data, window_size):X, y = [], []for i in range(len(data) - window_size):X.append(data[i:i+window_size])y.append(data[i+window_size])return np.array(X), np.array(y)# 创建窗口
window_size = 5
X, y = create_sliding_windows(data, window_size)
print("特征示例：", X[:2])
print("标签示例：", y[:2])

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3. 多输入多输出任务的思路

多输入多输出（Multi-Input Multi-Output, MIMO）任务中，模型同时接受多个不同数据源作为输入，并预测多个目标。

示例场景：

• 输入：多个特征（如历史价格、成交量等）
• 输出：未来几天的价格（多输出）

实现方案：

• 增加多个特征作为输入
• 训练多输出模型，比如多输出回归

示例：

from sklearn.multioutput import MultiOutputRegressor
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor# 假设有两个输入特征（如价格和成交量）
# 生成示例数据
np.random.seed(0)
X1 = np.random.randn(100, 1)
X2 = np.random.randn(100, 1)
X_multi_input = np.hstack([X1, X2])# 目标是未来两个时间点的价格
Y_future = np.hstack([data[1:101].reshape(-1,1), data[2:102].reshape(-1,1)])# 训练多输出回归（随机森林）
model = MultiOutputRegressor(RandomForestRegressor(n_estimators=100))
model.fit(X_multi_input[:-2], Y_future[:-2])# 预测
preds = model.predict(X_multi_input[-1].reshape(1, -1))
print("多输入多输出预测：", preds)

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4. 经典机器学习在序列任务上的劣势（以随机森林为例）

劣势总结：

• 无法捕获时间依赖性：传统机器学习模型需要提前构造特征（如滑动窗口），而不能本身理解序列的时间关系。
• 对序列的长程依赖表现较差：模型难以捕获长时间跨度的依赖。
• 缺乏序列的动态建模能力：无法自动学习状态转移规律。
• 特征工程复杂：需手动创造特征，否则模型表现不佳。

示例：随机森林在序列预测中的表现（缺乏时间依赖建模）

from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor# 利用滑动窗口生成特征
X, y = create_sliding_windows(data, window_size=5)# 训练模型
rf_model = RandomForestRegressor(n_estimators=100)
rf_model.fit(X, y)# 预测下一步
test_input = data[-5:].reshape(1, -1)
predicted_value = rf_model.predict(test_input)
print("随机森林预测值：", predicted_value[0])

总结：对于序列任务，深度学习模型（如RNN、LSTM）更适合捕获时间信息，而传统机器学习模型（如随机森林）仅作为特征预测，需要精心设计特征，且处理长序列依赖能力有限。

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