指数平滑法简介
指数平滑法（Exponential Smoothing）是一种时间序列分析方法，用于处理时间序列数据的平滑和预测。
它的核心思想是基于过去的观测值来预测未来的值，同时对过去的数据赋予不同的权重，最近的观测值被赋予更大的权重，从而捕捉到时间序列的趋势和季节性模式。
指数平滑法的参数有3个——alpha、beta、gamma，分别对应数据、趋势、季节性。注意：参数值可以手动设定，参数值越大则模型越看重近期数据。若不设定参数，则软件会根据最大似然法计算得出参数值。
一次指数平滑法不考虑趋势与季节性，因此参数仅有alpha。
二次指数平滑法在一次的基础上进一步考虑了趋势，因此参数为alpha和beta。
三次指数平滑法在二次的基础上进一步考虑了季节性，因此参数为alpha、beta、gamma。此处需要注意的是季节性可以是加性（additive）或者乘性（multiplicative）的，这部分后续会详细解释。
一次指数平滑法（Simple Exponential Smoothing）
这是最简单的指数平滑方法，适用于没有趋势和季节性的时间序列。它使用单一平滑参数 alpha，将过去观测值的加权平均用于预测未来值。
模型公式
其中lt代表时间t时，数据的平滑值，yˆt+h为t+h时间的预测值。
即，一次指数平滑法的预测值始终等于t时刻的平滑值。
R代码实现
# 读取文件
fc = read.table('AirPassengers.csv',sep=",",header=1)
# 把数据转化为时间序列格式
fc_ts = ts(fc$X,frequency=12,start=1949)
# 导入forecast库
library(forecast)
# 拟合并预测未来20个样本点及其置信区间（默认为80% - 95%）
pred = ses(fc_ts,h=20)
# 绘制
autoplot(pred)+autolayer(fitted(pred),series="Fitted")
# 查看模型参数
> pred$model
Simple exponential smoothing
Call:
ses(y = fc_ts, h = 20)
Smoothing parameters:
alpha = 0.9999
Initial states:
l = 111.9892
sigma: 33.8299
AIC AICc BIC
1733.787 1733.958 1742.696 
二次指数平滑法 —— 霍尔特线性指数平滑法（Holt's Exponential Smoothing）
适用于具有趋势但没有季节性的时间序列。它引入了两个平滑参数，alpha 和 beta，用于平滑观测值和趋势。
模型公式
其中lt代表时间t时，数据的平滑值，yˆt+h为t+h时间的预测值。
相比一次指数平滑法，这里进一步考虑了过往数据的趋势，并引入beta参数进行拟合。
第一个公式中，lt及bt均为常数，h代表预测的步数（h=1,2,3...），因此得出结论：二次指数平滑法的预测值为一元一次线性函数。
R代码实现
# 拟合并预测
pred = holt(fc$X,h=20)
# 绘制
autoplot(pred)+autolayer(fitted(pred),series="Fitted")
# 查看模型参数与结果
> pred$model
Holt's method
Call:
holt(y = fc$X, h = 20)
Smoothing parameters:
alpha = 0.9999
beta = 1e-04
Initial states:
l = 119.7517
b = 1.5963
sigma: 34.0125
AIC AICc BIC
1737.295 1737.729 1752.144 
三次指数平滑法——霍尔特-温特斯季节性指数平滑法（Holt-Winters Exponential Smoothing）
适用于具有趋势和季节性的时间序列。它引入了三个平滑参数，alpha、beta 和 gamma，用于平滑观测值、趋势和季节性成分。
模型所考虑的季节性因素可以为加性（additive），也可以为乘性（multiplicative）。这两者之间的主要区别是季节性对整个时间序列的影响方式不同。
加性季节性：这是一种模型，其中季节性效应被视为与时间序列的整体趋势和大小无关的部分。换句话说，季节性波动是一种在时间序列上的额外的、相对固定的波动。例如，如果你在夏季卖出的冰淇淋数量通常是每月总销售量的固定增量，那么你可能会使用加性季节性。
举例：总销售 = 基本销售 + 季节性增量（夏季增加的销售）乘性季节性：这是一种模型，其中季节性效应被视为与时间序列的整体趋势和大小相关的部分。季节性波动与总体趋势成比例变化。例如，如果总销售量逐渐增加，那么季节性波动也会相应增加。
举例：总销售 = 基本销售 * 季节性比率（夏季销售与总销售的比率）选择加性还是乘性季节性通常取决于你的数据和季节性模式的性质。如果季节性波动与总体趋势无关，那么加性季节性可能更适合。如果季节性波动与总体趋势相关，那么乘性季节性可能更适合。
模型公式 - 加性
st即季节性因素。
R代码实现
# 拟合模型并预测
pred = hw(ts(fc$X,frequency=12,start=1949),frequency=12,h=20,seasonal=c("additive"))
# 绘制
autoplot(pred)+autolayer(fitted(pred),series="Fitted")
> pred$model
Holt-Winters' additive method
Call:
hw(y = ts(fc$X, frequency = 12, start = 1949), h = 20, frequency = 12)
Smoothing parameters:
alpha = 0.9935
beta = 2e-04
gamma = 6e-04
Initial states:
l = 120.9608
b = 1.3934
s = -29.1816 -54.3842 -20.7169 15.0727 65.1554 66.1846
33.5822 -4.232 -8.0946 -3.8205 -34.3364 -25.2288
sigma: 18.0471
AIC AICc BIC
1565.872 1570.729 1616.359
模型公式 - 乘性
R代码实现
# 拟合并预测（设定参数seasonal=c("multiplicative")）
pred = hw(ts(fc$X,frequency=12,start=1949),frequency=12,h=20,seasonal=c("multiplicative"))
# 绘制
autoplot(pred)+autolayer(fitted(pred),series="Fitted")
# 查看模型结果
> pred$model
Holt-Winters' multiplicative method
Call:
hw(y = ts(fc$X, frequency = 12, start = 1949), h = 20, seasonal = c("multiplicative"),
Call:
frequency = 12)
Smoothing parameters:
alpha = 0.3146
beta = 0.0071
gamma = 0.5977
Initial states:
l = 120.3796
b = 1.7757
s = 0.9298 0.7946 0.9024 1.0451 1.1338 1.1388
1.0529 0.9638 1.0349 1.0807 0.9854 0.9378
sigma: 0.0407
AIC AICc BIC
1405.654 1410.511 1456.141 
如何选择预测能力最准确的模型？
如何从上述4个模型中挑选出一个最适合当前数据的模型呢？
我们拟合模型的目的是预测时间序列数据，因此我们应该评估模型的预测能力。
一种可行的方法是：把一部分数据拿出来拟合模型，并得到一系列预测值，再把这些预测值与刚刚没有用于拟合模型的数据（真实值）做比较，测试其误差水平。这两个数据集也分别被称为训练集与验证集。
最后选择误差水平最低的一个模型即可。文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-779103.html
选择训练集与验证集
# 选取训练集
train = 1:120
training = fc$X[train]
# 选取训练集以外的作为交叉验证集
test = fc$X[-train] 误差水平——RMSE最小均方根
library(Metrics)
# 检验ses模型
ses_pred_test = ses(training,h=length(test))
rmse_1 = rmse(test,ses_pred_test$mean)
# 检验holt模型
holt_pred_test = holt(training,h=length(test))
rmse_2 = rmse(test,holt_pred_test$mean)
# 检验hw模型 加法
hw_add_pred_test = hw(ts(training,frequency=12),h=length(test),seasonal=c("additive"))
rmse_3 = rmse(test,hw_add_pred_test$mean)
# 检验hw模型 乘法
hw_mul_pred_test = hw(ts(training,frequency=12),h=length(test),seasonal=c("multiplicative"))
rmse_4 = rmse(test,hw_mul_pred_test$mean)
RMSE = c(rmse_1,rmse_2,rmse_3,rmse_4)
print("模型与均方根误差:")
data.frame(Methods,RMSE)
[1] "模型与均方根误差:"
Methods RMSE
1 SES 137.33125
2 HOLT 117.11250
3 HW_ADD 91.22328
4 HW_MUL 37.18140显然，乘性三次指数平滑法具有最小误差水平，表明其预测能力在4个模型中最佳。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-779103.html
到了这里，关于R - 时间序列数据的预测——指数平滑法（一次、二次、三次）详解附代码与公式的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！
