组合预测

第11章组合预测•§11.1预测和组合预测的概念及分类•§11.2非最优正权组合预测模型权系数的确定方法•§11.3以预测误差平方和达到最小的线性组合预测模型•§11.4基于相关系数的最优组合预测模型§11.1预测和组合预测的概念及分类•11.1.1预测的概念及分类•预测学是阐述预测方法的一门学科和理论。科学预测方法是采用科学的判断和计量方法，对未来事件的可能变化情况作出事先推测的一种技术。预测学是一门应用方法论的学科。科学预测方法要求根据社会经济现象的历史和现实，综合多方面的信息，运用定性和定量相结合的分析的方法，用来揭示客观事物的发展变化的规律，并指出事物之间的联系、未来发展的途径和结果等。安徽省十一五规划教材安徽省十一五规划教材预测根据其目标和特点不同，可以分成不同的类别。传统的预测方法按属性不同，可以分为定性预测方法和定量预测方法。定性预测方法就是以人的经验、事理等主观判断为主的预测方法，对事物的未来的性质作出描述。一般地说定性预测方法适用于缺少历史统计资料，而需要更多地依赖专家的经验的情况下使用。定性预测方法通常有德尔菲法、主观概率法、市场调查法、领先指标法、模拟推理法和相关因素分析法等。定性预测法的特点可归纳为：安徽省十一五规划教材(1)强调对事物发展的性质进行描述性的预测。这主要通过专家的经验以及分析判断能力。尤其是对预测对象所掌握的历史数据不多或影响预测对象因素众多、复杂的情况下，难以作出定量分析。此时定性预测方法是较好的可行方法。(2)强调对事物发展的趋势、方向和重大转折点进行预测。安徽省十一五规划教材定性预测法的优点在于预测事物未来发展性质方面，且定性预测法的灵活性较强，能充分发挥人们的主观能动性。同时定性预测法预测简单迅速，可节省一定的人力、物力和财力。当然定性预测方法也存在缺点。其缺点表现为它受人们的主观因素的影响较大。这是因为定性预测方法主要依赖于人们的知识、经验和能力的大小等，因此它缺乏成套的数学模型，难以对事物发展做出数量上的精确度量。安徽省十一五规划教材定量预测方法就是利用预测对象的历史和现状的数据，按变量之间的函数关系建立数学模型，从而计算出预测对象的预测值。显然定量预测方法适用于历史统计资料较为丰富的情况。定量预测方法通常有移动平均法、指数平滑法、线性回归法、灰色预测法、Box-Jenkins模型法等等。定量预测方法的特点可归纳如下。安徽省十一五规划教材(1)强调对事物发展的数量方面进行较为精确性的预测。这主要通过历史统计数据建立相应的数学模型对事物发展做出数量上的预测。(2)强调对事物发展的历史统计资料利用的重要性。目前，国民经济核算体系及其它统计数据正好为定量预测法提供了信息来源。(3)强调建立数学模型的重要性，且要利用电子计算机来解决定量预测法中复杂的数学模型的参数计算问题。目前，电子计算机的迅速发展和普及，为定量预测法提供了良好的技术条件。安徽省十一五规划教材定量预测法的优点偏重于预测事物未来发展数量方面的准确描述。它较少依赖于人的的知识、经验等主观因素，而是更多地依赖于预测对象客观的历史统计资料，利用电子计算机对数学模型进行大量的计算而获得预测结果。其缺点是：对预测者的素质要求较高，预测者必须掌握数学方法、计算机技术及相应的专门理论；另外定量预测法的精确度较多地依赖于统计资料的质量和数量。同时若预测对象的系统结构发生质的变化时，相应的统计数据发生较大的波动，此时定量预测法难以获得满意的预测结果。11.1.2组合预测的概念及分类•所谓组合预测就是设法把不同的预测模型组合起来，综合利用各种预测方法所提供的信息，以适当的加权平均形式得出组合预测模型。组合预测最关心的问题就是如何求出加权平均系数，使得组合预测模型更加有效地提高预测精度。组合预测在国外称为combinationforecasting或combinedforecasting，在国内也称为综合预测等。组合预测集结各单项预测方法的特点，它可以从不同的角度进行分类安徽省十一五规划教材安徽省十一五规划教材（1）按组合预测与各单项预测方法的函数关系，组合预测可以分成线性组合预测和非线性组合预测。设预测对象存在m个单项预测方法，利用这m个单项预测方法得到的第i个单项预测方法的预测值为fi，1,2,,im。若组合预测值f满足1122flflflfmm，则称该组合预测为线性组合预测。其中mlll,,2,1为各种预测方法的加权系数，它满足11mlii，0li，1,2,,im。安徽省十一五规划教材若组合预测值f满足),,,2,1(mffff其中为非线性函数，则称该组合预测为非线性组合预测。常见的非线性组合预测形式有加权几何平均组合预测1mliffii以及加权调和平均组合预测11fmlifii安徽省十一五规划教材（2）按组合预测加权系数计算方法的不同，组合预测方法可以分为最优组合预测方法和非最优组合预测方法。最优组合预测方法的基本思想就是根据某种准则构造目标函数，在一定的约束条件下求得目标函数的最大值或最小值，从而求得组合预测方法加权系数。最优组合预测方法一般可以表示成如下数学规划问题安徽省十一五规划教材max(min)(,,,),121,1s.t.(0,1,2,,),QQlllmmliilimi其中),,2,1(mlllQ为目标函数，,,,12lllm为各种单项预测方法加权系数，加权系数可以考虑允许负的和非负两种情形。安徽省十一五规划教材在求解一些最优组合预测模型时可能出现组合预测的权系数为负的现象，而负的组合预测的权系数没有实际的意义。非最优正权组合预测方法正好可以克服这个不足之处。非最优正权组合预测方法就是根据预测学的基本原理，并力求简便的原则来确定组合预测的权系数的一种方法。显然非最优正权组合预测方法目标函数值一般要劣于最优正权组合预测方法目标函数值。§11.2非最优正权组合预测模型权系数的确定方法•11.2.1几种常规的非最优正权组合预测模型权系数的确定方法•组合预测的核心的问题就是如何求出加权平均系数，使得组合预测模型更加有效地提高预测精度。若以预测绝对误差作为预测精度的衡量指标，则主要有几种常规的非最优正权组合预测模型权系数的确定方法。安徽省十一五规划教材安徽省十一五规划教材（1）算术平均方法令1ilm，1,2,...im（11.2.1）显然11miil，0il，1,2,...im。算术平均方法也称为等权平均方法。算术平均方法的特点是m种单项预测方法的加权系数完全相等，即把各个单项预测模型同等看待。安徽省十一五规划教材（2）预测误差平方和倒数方法预测误差平方和倒数方法也称为方差倒数方法，这是对等权平均方法的改进。一般说来每种单项预测模型的预测精度不同。预测误差平方和是反映预测精度的一个指标。预测误差平方和越大，表明该项预测模型的预测精度就越低，从而它在组合预测中的重要性就降低。重要性的降低表现为它在组合预测中的加权系数就越小。反之，对预测误差平方和较小的单项预测模型在组合预测中的应赋予较大的加权系数。令安徽省十一五规划教材111EiilmiEiii，1,2,,im。（11.2.2）显然11miil，0il，1,2,,im，其中iiE为第i种单项预测模型的预测误差平方和。22()11NNEexxtititiitt。（11.2.3）安徽省十一五规划教材itx为第i种单项预测方法在第t时刻的预测值，tx为同一预测对象的某个指标序列为},,2,1,{Nttx第t时刻的观测值。N表示时间长度。)(itxtxite为第i种单项预测方法在第t时刻的预测误差。安徽省十一五规划教材（3）均方误差倒数方法均方误差倒数方法的含义类似于预测误差平方和倒数方法。该方法体现了某单项预测模型的误差平方和越大，它在组合预测中的加权系数就应越小。均方误差倒数方法的加权系数的计算公式为12121iiimiiiElE，1,2,...im（11.2.4）安徽省十一五规划教材显然11miil，0il，1,2,,im，其中iiE的含义同上。（4）简单加权平均方法简单加权平均方法也是一种非等权平均方法。它是先把各个单项预测模型预测的误差的方差和iiE，1,2,,im进行排序，不妨设11E22E…Emm，根据各个单项预测模型预测的误差的方差和其权系数成反比的基本原理知，排序越靠前面的单项预测模型，它在组合预测中的加权系数就应越小。即令安徽省十一五规划教材2(1)1iilmimmii1,2,,im（11.2.5）显然11mlii，0il，1,2,,im，其中iiE的含义也同上。（5）二项式系数方法二项式系数方法和简单加权平均方法有一点相似之处，它也是先把各个单项预测模型预测的误差的方差和iiE，1,2,,im进行排序，不妨设11E22E…mmE，但它取组合预测中的加权系数的思想和简单加权平均方法是不同的。它是按着统计学的中位数的概念，若单项预测模型预测的误差的方差和过大或过小，则其对应的权系数均较小.而处于各单项预测模型预测的误差的方安徽省十一五规划教材和的中位数所对应的权系数最大。即令121222imimcl，1,2,3...im。（11.2.6）由二项式定理知212112120mmimic且212121imimmcc，则有21121012mmimic12，即安徽省十一五规划教材2212101C12m-m-im-i所以11miil，0il，1,2,,im。11.2.2非最优组合预测系数确定方法的应用举例太阳黑子数多种时间序列模型的组合预测。对太阳活动规律的模拟与预测是全球多学科研究的热点，尤其是太阳黑子相对数极大极小的年份和数值更为世界所关注。已用太阳黑子数1700-1979年的数据建立了五种时间序列模型安徽省十一五规划教材表11.2.1是1980-1987年太阳黑子数的观察值和五种时间序列模型的预测值。表11.2.1的结果显示五种时间序列模型的预测值在1980-1987年太阳黑子数有基本一致的起伏规律。即均在1980年太阳黑子数达到高峰，在1987年太阳黑子数跌到谷底。在具体数值上五种时间序列模型有较大的差异。下面用上述的五种权系数的确定方法给出其组合预测模型，并作对比分析。安徽省十一五规划教材表11.2.1太阳黑子数和五种时间序列模型的预测值年份黑子数的观察值TAR模型含趋势叠合模型不含趋势叠合模型ARMA模型AR模型1980154.6158.63167.5163.5167.7158.971981140.4137.24147.5139.5140.8128.991982115.998.21110.7100.494.4784.74198366.661.3172.2165.3848.4248.64198445.932.6448.8835.0216.4721.66198517.917.4220.7715.24.059.38198613.416.412.117.8129.0910.7198729.226.4726.321.7524.8832.23安徽省十一五规划教材（1）算术平均方法，得出的组合预测权系数向量为（l1，l2，l3，l4，l5）=（0.2，0.2，0.2，0.2，0.2）。（2）预测误差平方和倒数方法，得出的组合预测权系数向量为（l1，l2，l3，l4，l5）=（0.2255，0.4172，0.2363，0.0614，0.0596）。（3）均方误差倒数方法，得出的组合预测权系数向量为（l1，l2，l3，l4，l5）=（0.2263，0.3078，0.2316，0.1180，0.1163）。（4）简单加权平均方法，得出的组合预测权系数向量为（l1，l2，l3，l4，l5）=（3/15，5/15，4/15，2/15，1/15）。（5）二项式系数方法，得出的组合预测权系数向量为（l1，l2，l3，