Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЛР4_КОЭД_Шакиров_Ибрагимова_МО417

.docx
Скачиваний:
55
Добавлен:
14.09.2022
Размер:
458.02 Кб
Скачать

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Уфимский государственный авиационный технический университет»

Кафедра вычислительной математики и кибернетики

Лабораторная работа №4

«Прогнозирование временных рядов»

по дисциплине:

«Компьютерная обработка экспериментальных данных»

Выполнили:

студенты группы МО-417

Ибрагимова К.Б.

Шакиров А.Р.

Проверила:

Харисова Э.А.

Уфа 2022

Задание и порядок выполнения работы:

  1. Загрузить N значений временного ряда, соответственно варианту. Для данной выборки найти оценки математического ожидания и дисперсии. Построить график xt = (t), t=1, 2, …, N полученных значений временного ряда.

  2. Использовать постоянную модель (n=0) для прогнозирования значений временного ряда при  = 0,1 и  = 0,3. St1 считать прогнозом на момент времени t+1. Начальное значение S01 найти как среднее арифметическое пяти первых значений временного ряда. На каждом шаге сравнить предсказанное xtˆ и действительное xt значения, выписывая ошибку предсказания xt = xt - xtˆ, t=1, 2, …, N. Вычислить дисперсию s2[xtˆ] ошибки предсказания по данным эксперимента.

  3. Оценить начальные значения коэффициентов линейной модели A0(0) и A1(0), воспользовавшись методом наименьших квадратов, то есть по значениям xt = (t) нужно построить аппроксимирующую прямую. Точка пересечения этой линии с осью ординат определяет величину A0(0), а тангенс угла наклона к оси абсцисс – величину A1(0).

  4. Используя операторы экспоненциального сглаживания первого и второго порядков (пункт «Многократное экспоненциальное сглаживание»), получить сглаженные значения St1 и St2, t=1, 2, …, N при значениях постоянной сглаживания  = 0,1 и  = 0,3. Построить графики (всего четыре графика).

  5. Использовать линейную модель (n=1) для прогнозирования значений временного ряда х с интервалом упреждения τ =∆t, что равносильно m=1 при  = 0,1 и  = 0,3. На каждом шаге сравнить предсказанное xtˆ и действительное xt значения, выписывая ошибку предсказания xt = xt - xtˆ, t=1, 2, …, N. Вычислить дисперсию ошибки предсказания по данным эксперимента s2[xtˆ].

  6. Выполнить пункт 5) для m=5.

  7. Представить рекомендацию по выбору модели (порядка полинома) для заданного временного ряда по приведенному в пункте «Выбор модели» алгоритму.

Ход работы:

  1. Загрузим 30 значений временного ряда, соответственно варианту 10.

Рисунок 1 – Исходные данные

Для данной выборки найдем оценки математического ожидания и дисперсии.

Рисунок 2 – Оценки математического ожидания и дисперсии

Построим график xt = (t), t=1, 2, …, 30 полученных значений временного ряда.

Рисунок 3 – График значений временного ряда

  1. Используем постоянную модель (n=0) для прогнозирования значений временного ряда при  = 0,1.

St1 будем считать прогнозом на момент времени t+1. Начальное значение S01 найдем как среднее арифметическое пяти первых значений временного ряда. С помощью рекуррентной формулы рассчитаем следующие значения:

На каждом шаге сравним предсказанное xtˆ и действительное xt значения, выписывая ошибку предсказания xt = xt - xtˆ, t=1, 2, …, N.

Рисунок 4 – Прогнозные значения St1 и ошибка предсказания xt

Вычислим дисперсию s2[xtˆ] ошибки предсказания по данным эксперимента по формуле:

Рисунок 5 – Дисперсия ошибки предсказания s2[xtˆ]

Проделаем аналогичные вычисления при  = 0,3.

Рисунок 6 – Прогнозирование значений временного ряда

  1. Оценим начальные значения коэффициентов линейной модели A0(0) и A1(0), воспользовавшись методом наименьших квадратов.

По значениям xt = (t) построим аппроксимирующую прямую. Точка пересечения этой линии с осью ординат определяет величину A0(0), а тангенс угла наклона к оси абсцисс – величину A1(0).

Найдем значения a1 и a0 по формулам:

Рисунок 7 – Коэффициенты уравнения

Найдем зависимость вида y = a0 + a1*x.

Рисунок 8 – Зависимость вида y = 33,5333 + 1,2*x

Построим аппроксимирующую прямую.

Рисунок 9 – Аппроксимирующая прямая

  1. Используя операторы экспоненциального сглаживания первого и второго порядков, получим сглаженные значения St1 и St2, t=1, 2, …, N при значениях постоянной сглаживания  = 0,1 и  = 0,3.

Получим сглаженные значения St1 и St2 при постоянной сглаживания  = 0,1. Начальные значения получим по формулам:

Рисунок 10 – Сглаженные значения St1 и St2 при постоянной сглаживания  = 0,1

Получим сглаженные значения St1 и St2 при постоянной сглаживания  = 0,3.

Рисунок 11 – Сглаженные значения St1 и St2 при постоянной сглаживания  = 0,3

Построим графики сглаженных значений.

Рисунок 12 – Сглаженные значения

  1. Используем линейную модель (n=1) для прогнозирования значений временного ряда х с интервалом упреждения τ =∆t, что равносильно m=1 при  = 0,1.

Найдем коэффициенты линейной модели по формулам:

На каждом шаге будем сравнивать предсказанное xtˆ и действительное xt значения, выписывая ошибку предсказания xt = xt - xtˆ, t=1, 2, …, N.

Рисунок 13 – Коэффициенты линейной модели и ошибка предсказания xt

После того как получим оценки коэффициентов модели, вычислим оценку будущего наблюдения:

При m = 1, n = 1 формула вида

примет вид

и вычислим дисперсию s2[xtˆ] ошибки предсказания по данным эксперимента:

Рисунок 14 – Оценка будущего наблюдения и дисперсия s2[xtˆ]

ошибки предсказания при m=1

Проделаем аналогичные вычисления при  = 0,3.

Рисунок 15 – Вычисления при  = 0,3

  1. Выполним предыдущий пункт при m=5.

При m = 5, n = 1 формула вида

примет вид

При  = 0,1

Рисунок 16 – Вычисления при m=5 и  = 0,1

При  = 0,3

Рисунок 17 – Вычисления при m=5 и  = 0,3

Дисперсия ошибки предсказания s2[xtˆ] при m=5 увеличилась по сравнению с дисперсией ошибки предсказания при m=1.

  1. Для определения порядка полинома на основе выборки вычислим разности первого порядка ∆x(t) = xt+1 — xt. Если среднее разностей (п-1)-го порядка отлично от нуля, а среднее разностей n-го порядка равно нулю, то моделью служит полином (n—1)-й степени

При подборе модели опишем не весь ряд целиком, так как модель должна хорошо представлять лишь некоторый отрезок.

Рисунок 18 – Выбор модели (порядка полинома)

Так как среднее разностей 1-порядка равно нулю, то моделью служит полином нулевого порядка, т. е. константа.

Вывод

В ходе выполнения лабораторной работы были изучены методы прогнозирования значений временного ряда.

Соседние файлы в предмете Компьютерная обработка экспериментальных данных