Долгосрочное прогнозирование ежедневных цен на электроэнергию (пример)

Материал из MachineLearning.

(Различия между версиями)

Текущая версия

Решается задача долгосрочного прогнозирования цен на электроэнергию. Долгосрочное прогнозирование цен является основой для планирования и инвестирования. Для решения задачи рассматривается метод авторегрессии. При построении модели также производится отбор признаков при помощи метода наименьших углов

Полный текст этой работы, PDF

Постановка задачи

Дан временной ряд $\mathbf{s}_1=[x_1,\ldots,x_{T-1}]^T$ , $x\in\mathbb{R}^1$ и матрица признаков, столбцами которой являются $\mathbf{s}_2, \mathbf{s}_3 \ldots \mathbf{s}_m$ . Необходимо спрогнозировать следующую величину $x_{T}$ .

Предполагается, что

1) отсчёты сделаны через равные промежутки времени,

2) ряд имеет периодическую составляющую,

3) ряд не имеет пропущенных значений,

4) длина ряда кратна периоду $k$ .

Составляется $(m \times k)$ — матрица значений временного ряда:

$A = \left( \begin{array}{llll} x_T & x_{T-1} & \ldots & x_{T-k+1} \\ x_{(m-1)k} & x_{(m-1)k-1} & \ldots & x_{(m-2)k+1} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ x_{nk} & x_{nk-1} & \ldots & x_{n(k-1)+1} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ x_k & x_{k-1} & \ldots & x_1 \\ \end{array} \right),$ в которой длина ряда $T= mk$ .

$A = \left( \begin{array}{l|lll} x_T & x_{T-1} & \ldots & x_{T-k+1} \\ \hline\\ x_{(m-1)k} & x_{(m-1)k-1} & \ldots & x_{(m-2)k+1} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ x_{nk} & x_{nk-1} & \ldots & x_{n(k-1)+1} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ x_k & x_{k-1} & \ldots & x_1 \\ \end{array} \right).$

Введём обозначения $A= \left( \begin{array}{l|l} x_T & \mathbf{x}^T\\ \hline \\ \mathbf{y} & X \\ \end{array} \right).$

В случае, когда учитываются временные ряды $\mathbf{s}_1, \mathbf{s}_2 \cdots \mathbf{s}_m$ , для каждого $j$ -го временного ряда строится матрица $S_j$ и присоединяется справа. Полученная матрица $A= \begin{bmatrix} S_1 & S_2 & \cdots & S_m \end{bmatrix} .$

Пусть задан набор функций $G=\{g_1,\ldots,g_r\}$ , например,

$g_1=1, g_2=\sqrt{x}, g_3=x, g_4=x\sqrt{x}$ . Матрица порождённых признаков

$A = \left( \begin{array}{l|lllllll} x_T & g_1\circ x_{T-1} & \ldots & g_r\circ x_{T-1} & \ldots & g_1\circ x_{T-k+1} & \ldots & g_r\circ x_{T-k+1}\\ \hline\\ x_{(m-1)k} & g_1\circ x_{(m-1)k-1}& \ldots & g_r\circ x_{(m-1)k-1} & \ldots & g_1\circ x_{(m-2)k+1} & \ldots & g_r\circ x_{(m-2)k+1} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots\\ x_{nk} & g_1\circ x_{nk-1} & \ldots & g_r\circ x_{nk-1} & \ldots & g_1\circ x_{n(k-1)+1} & \ldots & g_r\circ x_{n(k-1)+1}\\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots\\ x_k & g_1\circ x_{k-1} & \ldots & g_r\circ x_{k-1} & \ldots & g_1\circ x_1 & \ldots & g_r\circ x_1\\ \end{array} \right).$

Пути решения задачи

Требуется решить задачу линейной регресии $|X\mathbf{w}-\mathbf{y}\|^2\longrightarrow\min.$ Требуется найти такие параметры $\mathbf{w}$ , которые доставляют минимум норме вектора невязок $X\mathbf{w}-\mathbf{y}$ .

$\mathbf{w}=(X^TX)^{-1}(X^T\mathbf{y}).$

В терминах линейной регрессии

$\mathbf{y}= X\mathbf{w}$

$y_T= <\mathbf{x}^{T}, \mathbf{w}>$

Возможны два подхода к нахождению значения $x_T$ . Первый заключается в последовательном построении прогнозируемых значений. В качестве вектора $\mathbf{x}^{T}$ выбираюся $K-1$ предыдущих значений временного ряда, и для каждого следующего значения $x_{T+1}, x_{T+2}, ..., x_{T+l}$ необходимо заново строить авторегрессионную матрицу $X$ . Второй подход заключается в прогнозировании периода ряда по предыдущему. В качестве вектора $\mathbf{x}^{T}$ выбираются $K-1$ значений ряда предшествующего периода. При данном подходе перестраивать авторегрессионную матрицу $X$ не нужно.

При увеличении числа признаков (в случае добавления столбцов $\mathbf{s}_2..., \mathbf{s}_m)$ необходимо уменьшить размерность пространства засчёт отбора признаков. В качестве алгоритма отбора признаков выбран метод наименьших углов. Проверяется, улучшает ли отбор признаков прогнозирование.

Смотри также

Полный текст этой работы, PDF
Исходный код вычислительного эксперимента [1]

Литература

Vadim Strijov Model Generation and its Applications in Financial Sector. — Middle East Technical University, 2009.
Bradley Efron, Trevor Hastie, Iain Johnstone and Robert Tibshirani Least Angle Regression. — 2002.
Стрижов В.В Методы выбора регрессионных моделей. — ВЦ РАН, 2010.
Rafal Weron Modeling and Forecasting Electricity Loads and Prices. — 2006.
Hsiao-Tien Pao A Neural Network Approach to m-Daily-Ahead Electricity Price Prediction. — 2006.
Wei Wu, Jianzhong Zhou,Li Mo and Chengjun Zhu Forecasting Electricity Market Price Spikes Based on Bayesian Expert with Support Vector Machines. — 2006.

Данная статья была создана в рамках учебного задания.

Студент: Раиса Джамтырова

Преподаватель: В.В.Стрижов

Срок: 24 декабря 2010

В настоящее время задание завершено и проверено. Данная страница может свободно правиться другими участниками проекта MachineLearning.ru.

См. также методические указания по использованию Ресурса MachineLearning.ru в учебном процессе.

Источник — «http://machinelearning.ru/wiki/index.php?title=%D0%94%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%81%D1%80%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B3%D0%BD%D0%BE%D0%B7%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%B5%D0%B6%D0%B5%D0%B4%D0%BD%D0%B5%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D1%85_%D1%86%D0%B5%D0%BD_%D0%BD%D0%B0_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8E_%28%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%80%29»

Категория: Практика и вычислительные эксперименты

@@ Строка 1: / Строка 1: @@
+Решается задача долгосрочного прогнозирования цен на электроэнергию. Долгосрочное прогнозирование цен является основой для планирования и инвестирования. Для решения задачи рассматривается метод авторегрессии. При построении модели также производится отбор признаков при помощи
+[[Метод наименьших углов (пример)|метода наименьших углов]]
+{{tip|Полный текст этой работы, [https://mlalgorithms.svn.sourceforge.net/svnroot/mlalgorithms/Group774/Dzhamtyrova2010Forecasting/doc/Dzhamtyrova10forecasting.pdf PDF]}}
 == Постановка задачи ==
-Задана выборка <tex> D= \Bigl\{(\mathbf{x^i}, \mathbf{y^i})\Bigr\} _1 ^ m  -</tex> множество <tex> m </tex> пар, состоящих из вектора значений свободных переменных <tex>\mathbf{x^i} </tex> и значения зависимой переменной <tex>\mathbf{y^i} </tex>. Индекс <tex> i </tex> объектов далее будем рассматривать, как элементы множества <tex> i \subset I =\Bigl\{1, \cdots, m\Bigr\}. </tex> Выборка разбивается на два множества <tex> I= \mathfrak{L} \sqcup \mathfrak{C} </tex> на обучающую и контрольную. Контрольная выборка содержит данные за последний месяц.
+Дан временной ряд <tex>\mathbf{s}_1=[x_1,\ldots,x_{T-1}]^T</tex>, <tex>x\in\mathbb{R}^1</tex>  и матрица признаков, столбцами которой являются <tex> \mathbf{s}_2, \mathbf{s}_3 \ldots \mathbf{s}_m</tex>. Необходимо спрогнозировать следующую величину <tex>x_{T}</tex>.
-Дан временной ряд
+Предполагается, что
-<tex>x=\begin{Vmatrix}
-x_1 \\
-x_2 \\
-\vdots \\
-x_T
-\end{Vmatrix}
-</tex>.
-Составляется <tex> (m {X} k) </tex>  -матрица значений временного ряда:
+) отсчёты сделаны через равные промежутки времени,
+) ряд имеет периодическую составляющую,
+) ряд не имеет пропущенных значений,
+) длина ряда кратна периоду  <tex>k</tex>.
+Составляется <tex> (m \times k)</tex>&nbsp;&#151; матрица значений временного ряда:
 <tex>
-X=\begin{Vmatrix}
+A =
-x_T    & x_T-1 \cdots & x_T-k+1 \\
+\left(
-x_(m-1)k & x_(m-1)k-1   \cdots & x_(m-2)k+1  \\
+\begin{array}{llll}
-\vdots
+x_T     & x_{T-1}   & \ldots & x_{T-k+1}   \\
-\\
+x_{(m-1)k} & x_{(m-1)k-1} & \ldots & x_{(m-2)k+1} \\
-x_k & x_k-1  \cdots & x_1\\
+\ldots  & \ldots    & \ldots & \ldots    \\
-\end{Vmatrix}
+x_{nk} & x_{nk-1} & \ldots & x_{n(k-1)+1} \\
-</tex>, в которой длина ряда <tex> T= mk </tex>.
+\ldots  & \ldots    & \ldots & \ldots    \\
+x_k     & x_{k-1}   & \ldots & x_1       \\
+\end{array}
+\right),
+</tex>
+в которой длина ряда <tex> T= mk </tex>.
-Обозначим столбцы матрицы <tex> x_k, \cdots  x_1\\ </tex>. Для каждого столбца <tex> i </tex> матрицы <tex> X </tex> построим набор моделей-предикатов. Для это зафиксируем столбец <tex> x_i </tex> , считая, что прогнозируеем значение ряда в момент времени <tex> i+k </tex>.
+<tex>
-==Пути решения задачи==
+A =
+\left(
+\begin{array}{l|lll}
+x_T     & x_{T-1}   & \ldots & x_{T-k+1}   \\
+\hline\\
+x_{(m-1)k} & x_{(m-1)k-1} & \ldots & x_{(m-2)k+1} \\
+\ldots  & \ldots    & \ldots & \ldots    \\
+x_{nk} & x_{nk-1} & \ldots & x_{n(k-1)+1} \\
+\ldots  & \ldots    & \ldots & \ldots    \\
+x_k     & x_{k-1}   & \ldots & x_1       \\
+\end{array}
+\right).
+</tex>
+Введём обозначения
+<tex>
+A=
+\left(
+\begin{array}{l|l}
+x_T     & \mathbf{x}^T\\
+\hline \\
+\mathbf{y} & X \\
+\end{array}
+\right).
+</tex>
-* Прогноз вектора <tex> \mathbf{y} </tex> с горизонтом прогноза, равным длине периода выполняется при помощи авторегрессии.
-* Прогноз временных рядов матрицы <tex> X </tex> выполняется при помощи авторегрессии. Построение вектора <tex> \mathbf{y} </tex> по матрице признаков <tex> X </tex>, выполняется при помощи [[Метод наименьших углов (пример)|LARS]].
-===Авторегрессия===
+В случае, когда учитываются временные ряды <tex> \mathbf{s}_1, \mathbf{s}_2 \cdots \mathbf{s}_m</tex>, для каждого <tex>j</tex>-го временного ряда строится матрица <tex>S_j</tex> и присоединяется справа. Полученная матрица <tex> A= \begin{bmatrix} S_1 & S_2 & \cdots & S_m \end{bmatrix} .</tex>
-Построение авторегрессионной матрицы.
+Пусть задан набор функций <tex>G=\{g_1,\ldots,g_r\}</tex>, например,
-Зафиксируем столбец <tex> x_i </tex>, и для каждого из них построим набор моделей предикатов.
-Для каждого из прочих столбцов <tex> x_j, j= 1 \cdots  ,k\\ </tex> решим задачу линейной регрессии <tex> |x_i-\mathbf{G_jw}\|^2\longrightarrow\min </tex>, где матрица
+<tex>g_1=1, g_2=\sqrt{x}, g_3=x, g_4=x\sqrt{x}</tex>. Матрица порождённых признаков
 <tex>
-G=\begin{Vmatrix}
+A =
-g_1(x_mj)    & g_2(x_mj) \cdots & g_r(x_mj) \\
+\left(
-g_1(x_(m-1)j & g_2(x_(m-1)j)   \cdots & g_r(x_(m-1)j  \\
+\begin{array}{l|lllllll}
-\vdots
+x_T  & g_1\circ x_{T-1}    & \ldots & g_r\circ x_{T-1}        & \ldots & g_1\circ x_{T-k+1} & \ldots   & g_r\circ x_{T-k+1}\\
-\\
+\hline\\
-g_1(x_j) & g_2(x_j)  \cdots & g_r(x_j)\\
+x_{(m-1)k} & g_1\circ x_{(m-1)k-1}& \ldots & g_r\circ x_{(m-1)k-1}   & \ldots & g_1\circ x_{(m-2)k+1} & \ldots & g_r\circ x_{(m-2)k+1} \\
-\end{Vmatrix}
+\ldots & \ldots      & \ldots & \ldots        & \ldots & \ldots  & \ldots      & \ldots\\
+x_{nk} & g_1\circ x_{nk-1}    & \ldots & g_r\circ x_{nk-1}       & \ldots & g_1\circ x_{n(k-1)+1} & \ldots & g_r\circ x_{n(k-1)+1}\\
+\ldots & \ldots      & \ldots & \ldots        & \ldots & \ldots  & \ldots      & \ldots\\
+x_k & g_1\circ x_{k-1}     & \ldots & g_r\circ x_{k-1}        & \ldots & g_1\circ x_1  & \ldots         & g_r\circ x_1\\
+\end{array}
+\right).
 </tex>
-Функции <tex> g_1, \cdots , g_r </tex> заданы или определены, исходя из дополнительных условий.
+==Пути решения задачи==
+Требуется решить задачу линейной регресии  <tex>|X\mathbf{w}-\mathbf{y}\|^2\longrightarrow\min. </tex>
+Требуется найти такие параметры <tex>\mathbf{w}</tex>, которые доставляют минимум норме вектора невязок <tex>X\mathbf{w}-\mathbf{y}</tex>.
+<tex> \mathbf{w}=(X^TX)^{-1}(X^T\mathbf{y}).</tex>
+В терминах линейной регрессии
+<tex>\mathbf{y}= X\mathbf{w}</tex>
+<tex>y_T=  <\mathbf{x}^{T}, \mathbf{w}></tex>
-Выбирается заданное число <tex> p </tex> векторов <tex> G_jw </tex> , доставляющих наибольшее значение функционалу качества. Обозначим <tex> P </tex> - множество выбранных индексов <tex> {j} </tex>. Строится корректор над множеством моделей-предикатов- линейная регрессия   <tex> |x_i-\mathbf{H_pb}\|^2\longrightarrow\min </tex> с ограничением на неотрицательность векторов <tex> b </tex>. Матрица <tex> H_p </tex> - присоединённые векторы <tex> G_jw </tex>. Прогнозируемое значение ряда <tex> x </tex> в момент времени <tex> k+i </tex> равно значению первого элемента  вектора <tex> H_pb </tex>.
+Возможны два подхода к нахождению значения <tex>x_T</tex>. Первый заключается в последовательном построении прогнозируемых значений. В качестве вектора <tex>\mathbf{x}^{T}</tex> выбираюся <tex>K-1</tex> предыдущих значений временного ряда, и для каждого следующего значения <tex>x_{T+1}, x_{T+2}, ..., x_{T+l}</tex>   необходимо заново строить авторегрессионную матрицу <tex>X</tex>. Второй подход заключается в прогнозировании периода ряда по предыдущему. В качестве вектора <tex>\mathbf{x}^{T}</tex> выбираются <tex>K-1</tex> значений ряда предшествующего периода. При данном подходе перестраивать авторегрессионную матрицу <tex>X</tex> не нужно.
+При увеличении числа признаков (в случае добавления столбцов <tex>\mathbf{s}_2..., \mathbf{s}_m)</tex> необходимо уменьшить размерность пространства засчёт отбора признаков. В качестве алгоритма отбора признаков выбран [[Метод наименьших углов (пример)|метод наименьших углов]]. Проверяется, улучшает ли отбор признаков прогнозирование.
 ==Смотри также==
-[https://mlalgorithms.svn.sourceforge.net/svnroot/mlalgorithms/electricity%20forcasting ссылка на статью и код]
+* Полный текст этой работы, [https://mlalgorithms.svn.sourceforge.net/svnroot/mlalgorithms/Group774/Dzhamtyrova2010Forecasting/doc/Dzhamtyrova10forecasting.pdf PDF]
+* Исходный код вычислительного эксперимента [https://mlalgorithms.svn.sourceforge.net/svnroot/mlalgorithms/Group774/Dzhamtyrova2010Forecasting]
 ==Литература==
@@ Строка 63: / Строка 112: @@
 |ссылка       = http://www3.iam.metu.edu.tr/iam/images/9/9b/Strijov-ankara.pdf
 |заглавие     = Model Generation and  its Applications  in Financial Sector
+|издательство = Middle East Technical University
 |год          = 2009
 }}
@@ Строка 74: / Строка 124: @@
 |автор        = Стрижов В.В
 |заглавие     =  Методы выбора регрессионных моделей
+|издательство = ВЦ РАН
 |год          = 2010
 }}
@@ Строка 95: / Строка 146: @@
 }}
-{{Задание|Раиса Джамтырова|В.В.Стрижов|24 декабря 2010|Раиса Джамтырова|Strijov}}
+{{ЗаданиеВыполнено|Раиса Джамтырова|В.В.Стрижов|24 декабря 2010|Раиса Джамтырова|Strijov}}
 [[Категория:Практика и вычислительные эксперименты]]

Долгосрочное прогнозирование ежедневных цен на электроэнергию (пример)

Материал из MachineLearning.

Текущая версия

Содержание

Постановка задачи

Пути решения задачи

Смотри также

Литература

Просмотры

Личные инструменты

Навигация

Поиск

Инструменты