時間序列分析之一次指數平滑法



指數平滑法最早是由C.C Holt於1958年提出的,後來經統計學家深入研究使得指數平滑法非常豐富,應用也相當廣泛,一般有簡單指數平滑法Holt雙參數線性指數平滑法Winter線性和季節性指數平滑法。這裏的指數平滑法是指最簡單的一次指數平滑。

指數平滑法是一種特殊的加權平均法,對本期觀察值和本期預測值賦予不同的權重,求得下一期預測值的方法。

一次指數平滑法公式如下:

指數平滑法 ————————-(1)

指數平滑法 爲t+1期的指數平滑趨勢預測值;
指數平滑法 爲t期的指數平滑趨勢預測值;
指數平滑法 爲t期實際觀察值;
指數平滑法 權重係數,也稱爲指數平滑係數那爲什麼這個種方法會叫做指數平滑法呢?從這個公式並沒有看到指數的出現,那指數從何說起平滑又是什麼意思,下面就解析這個問題。

在(1)中,最後一個指數平滑法又可以寫成如下

一次指數平滑法 ——————–(2)

於是我們把(2)代入(1)式中,得

一次指數平滑法 ————————-(3)

而t-1期的預測值又可以寫成:

一次指數平滑法 ————————(4)

把(4)代入(3)式中,得:

一次指數平滑法 ————-(5)

同樣道理,再進行多一次同樣的代入運算,得:

一次指數平滑法 ————-(6)

通用公式可以寫成如下形式:

一次指數平滑法 ———-(7)

由(7)式我們可以看出,t+1期的預測值跟t期及之前的所有期的實際觀察值的n遞增,所以這裏就是指數平滑法中的“指數”的意義所在

由於的n(整數)按步長1一直遞增,而在0到1之間,所以的值會越來越小,從(7)式中看就是說離t+1期越久遠的實際觀察值,對t+1期的預測值的影響越少。

從(7)式中,還有最後一項,F1就是第一期的預測值,但數據中並沒有第一期的預測值,所以一般取前3期的實際觀察值來代替,實際上這個F1並不重要,因爲是個介於0-1之間的小數,當t很大時,的t次方(乘方)後,已經非常接近0的了,所以F1在(7)式中的作用並不大。

(7)式用文字描述就是,對離預測期較近的觀察值賦予較大的權數,對離預測值較遠的觀察值賦予較小的權數,權數由近到遠按指數規律遞減,所以叫做指數平滑法

上面說到第一期的F1的值一般取前三期的實際觀察值的平均數,這只是一般情況,接下來討論一下這個F1的取值。

一般分爲兩種情況,當樣本爲大樣本時(n>42),F1一般以第一期的觀察值代替;當樣本爲小樣本時(n<42),F1一般取前幾期的平均值代替。

下面舉個例子來說明指數平滑法的計算方法,讓大家更容易清晰的明白指數平滑法是如何進行的。

某產品過去20個月的銷售數據如下(點擊下載EXCEL文件exponential_smoothing.zip ):

C列爲指數平滑法計算得到的預測值,F1的值爲前三期的平均值,即在C2處輸入=AVERAGE(B2:B4),C3處輸入=$E$1*B2+(1-$E$1)*C2,E1的值是指數平滑係數,C3中引用到E1的值需要有絕對引用,這樣把C3處的公式下拉複製到C21時,公式永遠都是引用E1的指數平滑係數。

得出來的結果如下圖:

可以看到,指數平滑法進行預測,是有滯後作用的,這是指數平滑法的一個缺點。要對21期進行預測,只需在A22處輸入21,把公式下拉複製到C22即可。

由此圖可見,預測趨勢與實際變動趨勢一致,但預測值比實際值滯後,如果再算一下均方誤差,也會出現比較大的情況,一般通過改變指數平滑係數,找出一個均方誤差最小的。

一次指數平滑法優點在於它在計算中將所有的觀察值在考慮在內,對各期按時期的遠近賦予不同的權重,使預測值更接近實際觀察值。

但一次指數平滑法只適合於具有水平發展趨勢的時間序列分析,只能對近期進行預測。如果碰到時間序列具有上升或下降趨勢時,在這個上升或下降的過程中,預測偏差會比較大,這時最好用二次指數平滑法進行預測,二次指數平滑法將會在以後的文章中介紹。

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