MATLAB-灰度預測

面將主要從三方面進行大致講解,灰色預測概念及原理、灰色預測的分類及求解步驟、灰色預測的實例講解。

一、灰色預測概念及原理:

1.概述:

關於所謂的“顏色”預測或者檢測等,大致分爲三色:黑、白、灰,在此以預測爲例闡述。

其中,白色預測是指系統的內部特徵完全已知,系統信息完全充分;黑色預測指系統的內部特徵一無所知,只能通過觀測其與外界的聯繫來進行研究;灰色預測則是介於黑、白兩者之間的一種預測,一部分已知,一部分未知,系統因素間有不確定的關係。細緻度比較:白>黑>灰。

2.原理:

灰色預測是通過計算各因素之間的關聯度,鑑別系統各因素之間發展趨勢的相異程度。其核心體系是灰色模型(Grey Model,GM),即對原始數據做累加生成(或者累減、均值等方法)生成近似的指數規律在進行建模的方法。

二、灰色預測的分類及求解步驟:

1.GM(1,1)與GM(2,1)、DGM、Verhulst模型的分類比較:

預測模型

適用場景

涉及的序列

GM(1,1)模型

一階微分方程,只含有1個變量的灰色模型。適用於有較強指數規律的序列。

累加序列

均值序列

GM(2,1)模型

適用於預測預測具有飽和的S形序列或者單調的擺動發展序列缺陷。

累加序列

累減序列

均值序列

DGM模型

累加序列

累減序列

 

Verhulst模型

累加序列

均值序列

2.求解步驟思維導圖:

其中預測過程可能會涉及以下三種序列、白化微分方程、以及一系列檢驗,由於大致都相同,僅僅是某些使用累加和累減,而另外一些則使用累加、累減和均值三個序列的差別而已。於是下面筆者將對其進行歸納總結再進行繪製思維導圖,幫助讀者理解。

(1)原始序列(參考數據列):

(2)1次累加序列(1-AGO):

(3)1次累減序列(1-IAGO):(也就是原始序列中,後一項依次減去前一項的值,例如,[x(2)-x(1),x(3-x(2),...,x(n)-x(n-1))]。)

(4)均值生成序列:(這是對累加序列"(前一項+後一項)/2"得出的結果。)

 求解步驟:

 

三、灰色預測的實例講解:

1.使用GM(1,1)的預測檢驗“北方某城市1986年-1992年道路噪聲交通 平均聲級數據:”

見下圖:

 

x0 = [71.1 72.4 72.4 72.1 71.4 72 71.6]'; %這裏是列向量,相當於原始數據中因變量
n = length(x0);
lamda = x0(1:n-1)./x0(2:n) %計算級比
range = minmax(lamda') %計算級比的範圍
x1 = cumsum(x0)
B = [-0.5*(x1(1:n-1)+x1(2:n)),ones(n-1,1)]; %這是構造的數據矩陣B
Y = x0(2:n); %數據向量Y
u = B\Y  %擬合參數u(1)=a,u(2)=b
syms x(t)
x = dsolve(diff(x)+u(1)*x==u(2),x(0)==x0(1)); %建立模型求解
xt = vpa(x,6) %以小數格式顯示微分方程的解
prediction1 = subs(x,t,[0:n-1]); %求已知數據的預測值
prediction1 = double(prediction1); %符號數轉換成數值類型,以便做差分運算
prediction = [x0(1),diff(prediction1)] %差分運算,還原數據
epsilon = x0'-prediction %計算殘差
delta = abs(epsilon./x0') %計算相對殘差
rho = 1-(1-0.5*u(1))/(1+0.5*u(1))*lamda'%計算級比偏差值,u(1)=a

2.使用GM(2,1)的MATLAB實例:

題目:已知=(41,90,61,78,96,104),試建立GM(2,1)模型。

%% -------------2.GM(2,1)預測模型-------------------%%
x0 = [41 49 61 78 96 104];
n = length(x0);
add_x0 = cumsum(x0);%1次累加序列
minus_x0 = diff(x0)'; %1次累減序列
z = 0.5*(add_x0(2:end)+add_x0(1:end-1))';%計算均值生成序列
B = [-x0(2:end)',-z,ones(n-1,1)];
u = B\minus_x0 %最小二乘法擬合參數
syms x(t)
x = dsolve(diff(x,2)+u(1)*diff(x)+u(2)*x == u(3),x(0) == add_x0(1),x(5) == add_x0(6)); %求符號解
xt = vpa(x,6) %顯示小數形式的符號解
prediction = subs(x,t,0:n-1);
prediction = double(prediction);
x0_prediction = [prediction(1),diff(prediction)];%求已知數據點的預測值
x0_prediction = round(x0_prediction) %四捨五入取整數
epsilon = x0-x0_prediction %求殘差
delta = abs(epsilon./x0) %求相對誤差

 

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