🎓本文收录于《滚雪球学数学建模》系列专栏
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由于平台单篇字数限制,本期内容将拆分为2篇,具体文章链接如下:
- 【滚雪球学数学建模】第18.1节·时间序列分析与预测建模!
- 【滚雪球学数学建模】第18.2节·时间序列分析与预测建模!
全文目录
- 引言
- 1. 时间序列的基本概念与构成要素
- 1.1 时间序列的定义
- 1.2 时间序列的构成要素
- 1.2.1 趋势(Trend Component)
- 1.2.2 周期(Cyclical Component)
- 1.2.3 季节性(Seasonal Component)
- 1.2.4 随机波动(Irregular Component)
- 1.3 时间序列的分解模型
- 1.3.1 加法模型(Additive Model)
- 1.3.2 乘法模型(Multiplicative Model)
- 2. 时间序列的描述性分析
- 2.1 图形展示
- 2.2 统计量描述
- 2.2.1 均值函数
- 2.2.2 方差函数
- 2.2.3 自协方差函数
- 2.2.4 自相关函数(ACF)
- 2.2.5 偏自相关函数(PACF)
- 2.3 MATLAB代码示例:描述性分析
- 3. 时间序列的平稳性
- 3.1 严平稳与弱平稳
- 3.1.1 严平稳(Strictly Stationary)
- 3.1.2 弱平稳(Weakly Stationary)
- 3.2 非平稳性的表现形式
- 3.2.1 趋势非平稳
- 3.2.2 方差非平稳
- 3.2.3 周期性非平稳
- 3.2.4 结构突变
- 3.3 平稳性检验
- 3.3.1 单位根检验
- 3.3.2 自相关图检验
- 3.4 非平稳序列的平稳化处理
- 3.4.1 差分法(Differencing)
- 3.4.2 对数变换
- 3.4.3 去趋势(Detrending)
- 3.4.4 Box-Cox变换
- 3.5 MATLAB代码示例:平稳性检验与处理
- 4. 指数平滑法
- 4.1 简单指数平滑(Simple Exponential Smoothing)
- 4.2 Holt双参数指数平滑(Holt's Linear Trend)
- 4.3 Holt-Winters季节性指数平滑
- 4.3.1 加法季节性模型
- 4.3.2 乘法季节性模型
- 4.4 参数优化
- 4.5 MATLAB代码示例:指数平滑法
- 5. ARIMA模型
- 5.1 ARMA模型的基础
- 5.1.1 自回归模型(AR模型)
- 5.1.2 移动平均模型(MA模型)
- 5.1.3 ARMA模型
- 5.2 ARIMA模型
- 5.2.1 ARIMA模型定义
- 5.2.2 季节性ARIMA模型
- 5.3 模型识别
- 5.3.1 确定差分阶数d dd
- 5.3.2 确定AR和MA阶数
- 5.4 参数估计
- 5.4.1 矩估计法
- 5.4.2 最小二乘估计
- 5.4.3 极大似然估计
- 5.5 模型诊断
- 5.5.1 残差检验
- 5.5.2 正态性检验
- 5.5.3 参数显著性检验
- 5.6 预测
- 5.6.1 最优预测
- 5.6.2 递推预测
- 5.6.3 预测区间
- 5.7 MATLAB代码示例:ARIMA建模
- 6. 高级主题与扩展
- 6.1 向量自回归模型(VAR)
- 6.2 协整与误差修正模型(ECM)
- 6.3 ARCH/GARCH模型
- 6.4 状态空间模型与卡尔曼滤波
- 6.5 机器学习方法
- 6.5.1 支持向量回归(SVR)
- 6.5.2 随机森林与梯度提升
- 6.5.3 长短期记忆网络(LSTM)
- 6.5.4 Transformer模型
- 6.6 方法选择指南
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引言
时间序列分析是数学建模中一类极为重要的研究方法,广泛应用于经济预测、气象分析、信号处理、金融市场、工业过程控制等诸多领域。所谓时间序列,是指按时间顺序排列的一组观测数据,这些数据反映了某一现象随时间变化的动态特征。与一般的回归分析不同,时间序列数据具有明显的时间相关性——当前时刻的观测值往往与过去时刻的观测值存在密切联系。
在实际建模过程中,我们常常面临这样的问题:如何从历史数据中提取有用信息?如何识别数据中隐藏的规律性?如何基于已有数据对未来趋势做出合理预测?这些问题的解决离不开对时间序列内在结构的深入理解。本节将系统介绍时间序列分析的基本概念、分解方法、平稳性检验以及经典的预测建模技术。
1. 时间序列的基本概念与构成要素
1.1 时间序列的定义
从数学角度看,时间序列是一个定义在时间集合上的随机过程。设X t , t ∈ T {X_t, t \in T}