python实现灰色预测模型(GM11)——以预测股票收盘价为例

2023-03-12 07:48:56

程序简述
数据集截图
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核心代码解析(接口，可直接运行)
接口调用、运行效果
- Main.py

程序简述

利用灰色预测GM11模型预测股票收盘价，由于灰色预测模型适合短期预测和小样本，所以程序输入数据为5个，输出为1个，进行动态建模
程序输入：原序列、需要往后预测的个数
程序输出：预测值、模型结构(后验差比、发展系数、灰色作用量)

灰色预测模型（GM11）即对原始数据作累加生成（或其它方法生成）得到近似的指数规律再进行建模的方法。灰色预测模型对于不同问题采用不同模型，模型主要解决生成序列是有指数变化规律，只能描述单调的变化过程。

数据集截图

图1，上证指数股票数据，共7128行，但出于灰色预测的特性，本文只用了最后30个数据做实验

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核心代码解析(接口，可直接运行)

程序输入原序列和需要预测个数后会返回模型结构和预测值

# -*- coding: utf-8 -*-
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd
import numpy as np
 
def GM11(x,n):
    '''
    灰色预测
    x：序列，numpy对象
    n:需要往后预测的个数
    '''
    x1 = x.cumsum()#一次累加  
    z1 = (x1[:len(x1) - 1] + x1[1:])/2.0#紧邻均值  
    z1 = z1.reshape((len(z1),1))  
    B = np.append(-z1,np.ones_like(z1),axis=1)  
    Y = x[1:].reshape((len(x) - 1,1))
    #a为发展系数 b为灰色作用量
    [[a],[b]] = np.dot(np.dot(np.linalg.inv(np.dot(B.T, B)), B.T), Y)#计算参数  
    result = (x[0]-b/a)*np.exp(-a*(n-1))-(x[0]-b/a)*np.exp(-a*(n-2))  
    S1_2 = x.var()#原序列方差
    e = list()#残差序列
    for index in range(1,x.shape[0]+1):
        predict = (x[0]-b/a)*np.exp(-a*(index-1))-(x[0]-b/a)*np.exp(-a*(index-2))
        e.append(x[index-1]-predict)
    S2_2 = np.array(e).var()#残差方差
    C = S2_2/S1_2#后验差比
    if C<=0.35:
        assess = '后验差比<=0.35，模型精度等级为好'
    elif C<=0.5:
        assess = '后验差比<=0.5，模型精度等级为合格'
    elif C<=0.65:
        assess = '后验差比<=0.65，模型精度等级为勉强'
    else:
        assess = '后验差比>0.65，模型精度等级为不合格'
    #预测数据
    predict = list()
    for index in range(x.shape[0]+1,x.shape[0]+n+1):
        predict.append((x[0]-b/a)*np.exp(-a*(index-1))-(x[0]-b/a)*np.exp(-a*(index-2)))
    predict = np.array(predict)
    return {
            'a':{'value':a,'desc':'发展系数'},
            'b':{'value':b,'desc':'灰色作用量'},
            'predict':{'value':result,'desc':'第%d个预测值'%n},
            'C':{'value':C,'desc':assess},
            'predict':{'value':predict,'desc':'往后预测%d个的序列'%(n)},
            }
 
if __name__ == "__main__":
    data = np.array([1.2,2.2,3.1,4.5,5.6,6.7,7.1,8.2,9.6,10.6,11,12.4,13.5,14.7,15.2])
    x = data[0:10]#输入数据
    y = data[10:]#需要预测的数据
    result = GM11(x,len(y))
    predict = result['predict']['value']
    predict = np.round(predict,1)
    print('真实值:',y)
    print('预测值:',predict)
    print(result)

接口调用、运行效果

Main.py

以上证指数为例，进行灰色预测建模，效果勉强，数据集的选择和预测长度很重要

# -*- coding: utf-8 -*-
from Module.BuildModel import GM11
from sklearn.metrics import mean_absolute_error
import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import os

#路径目录
baseDir = os.path.dirname(os.path.abspath(__file__))#当前目录
staticDir = os.path.join(baseDir,'Static')#静态文件目录
resultDir = os.path.join(baseDir,'Result')#结果文件目录

#读取数据
data = pd.read_csv(staticDir+'/000001.csv',encoding='gbk')
train = data['收盘价'].values[-15:-10]#训练数据
test = data['收盘价'].values[-10:]#测试数据

#GM11动态建模
yPre = []
for i in range(test.shape[0]):
    #只预测1个数
    result = GM11(train,1)
    yPre.append(result['predict']['value'][0])
    #更新训练集
    train = train.tolist()[:-1]
    train.append(test[i])
    train = np.array(train).reshape(-1)
#计算MAE
MAE = mean_absolute_error(test,yPre)

#打印模型
print(result['C']['desc'])
print(result['a']['desc'],np.round(result['a']['value'],2))
print(result['b']['desc'],np.round(result['b']['value'],2))

#可视化
#用来正常显示中文标签
plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei'] 
#用来正常显示负号
plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False
plt.plot(range(test.shape[0]),yPre,label="预测值")
plt.plot(range(test.shape[0]),test,label="观测值")
plt.legend()
plt.title('GM11预测效果，MAE：%2f'%MAE)
plt.savefig(resultDir+'/GM11预测效果.png',dpi=100,bbox_inches='tight')

图2，程序输出，模型结构

图3，预测值和观测值对比折线图，对于短期预测GM11表现良好

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