LSTM预测时间序列

LSTM网络（长短期记忆网络）可以理解为是RNN的改进版，它的出现解决了RNN的记忆问题。也就是说RNN网络的某一时刻对距离此刻最近的时刻的状态最为敏感，而对距离此刻稍远时刻的状态不太敏感，这就导致了RNN某一时刻的输出受上一时刻影响最大（虽然不少情况确实如此），但实际情况并不是永远这样，例如一篇首尾呼应的文章，最后一段的内容显然极度依赖第一段的内容，而和文章中间部分的关系不大。
LSTM的出现，就是为了解决上述问题。通过在网络中增加精心设计的“门”来决定记住或者忘记之前时刻的内容，准确的说是决定要记住或者忘记之前时刻内容的程度(“门”的输出值为0-1，0表示“一点也不”，1表示“完全”，之间表示“部分”)。这样LSTM对于前面的问题，在预测最后一段内容时，就可以选择让第一段完全通过，而让中间部分完全不通过。
既然lstm这么厉害，接下来就介绍一下lstm的应用实例（keras实现），接下来也会贴出lstm的tensorflow实现：

lstm实现

模型介绍
实例的主要目的就是学习序列的变化规律，来预测下一时刻的序列值。

代码讲解

数据生成

import pandas as pd 
from random import random

flow = (list(range(1,10,1)) + list(range(10,1,-1)))*100
pdata = pd.DataFrame({"a":flow, "b":flow})  
pdata.b = pdata.b.shift(9)  
data = pdata.iloc[10:] * random()

上述的代码是用来生成本次的数据集。最后乘以一个随机值得到data作为总的数据集。

数据预处理

import numpy as np

def _load_data(data, n_prev = 100):  
    """ data should be pd.DataFrame() """
    docX, docY = [], []
    for i in range(len(data)-n_prev):
        docX.append(data.iloc[i:i+n_prev].as_matrix())
        docY.append(data.iloc[i+n_prev].as_matrix())
    alsX = np.array(docX)
    alsY = np.array(docY)
    return alsX, alsY

def train_test_split(df, test_size=0.1):  
    ntrn = round(len(df) * (1 - test_size))

    X_train, y_train = _load_data(df.iloc[0:ntrn])
    X_test, y_test = _load_data(df.iloc[ntrn:])
    return (X_train, y_train), (X_test, y_test)

(X_train, y_train),(X_test, y_test)=train_test_split(data)

X_train：训练数据
y_train：训练标签
X_test：测试数据
y_test：测试标签
通过调用自定义的两个函数就可以得到上述的(X_train, y_train),(X_test, y_test)。

模型搭建

from keras.models import Sequential  
from keras.layers.core import Dense, Activation  
from keras.layers.recurrent import LSTM

in_out_neurons = 2  
hidden_neurons = 50

model = Sequential()  
model.add(LSTM(in_out_neurons, hidden_neurons, return_sequences=False))  
model.add(Dense(hidden_neurons, in_out_neurons))  
model.add(Activation("linear"))  
model.compile(loss="mean_squared_error", optimizer="rmsprop")

训练

model.fit(X_train, y_train, batch_size=700, nb_epoch=100, validation_split=0.05)

预测

predicted = model.predict(X_test)

经过训练，通过观察predicted和y_test发现，得到的效果很好！

下面是完整代码：

import pandas as pd  
from random import random

flow = (list(range(1,10,1)) + list(range(10,1,-1)))*100
pdata = pd.DataFrame({"a":flow, "b":flow})  
pdata.b = pdata.b.shift(9)  
data = pdata.iloc[10:] * random()  # some noise 

import numpy as np

def _load_data(data, n_prev = 100):  
    """ data should be pd.DataFrame() """
    docX, docY = [], []
    for i in range(len(data)-n_prev):
        docX.append(data.iloc[i:i+n_prev].as_matrix())
        docY.append(data.iloc[i+n_prev].as_matrix())
    alsX = np.array(docX)
    alsY = np.array(docY)

    return alsX, alsY

def train_test_split(df, test_size=0.1):  
    ntrn = round(len(df) * (1 - test_size))

    X_train, y_train = _load_data(df.iloc[0:ntrn])
    X_test, y_test = _load_data(df.iloc[ntrn:])

    return (X_train, y_train), (X_test, y_test)

from keras.models import Sequential  
from keras.layers.core import Dense, Activation  
from keras.layers.recurrent import LSTM

in_out_neurons = 2  
hidden_neurons = 50

model = Sequential()  
model.add(LSTM(in_out_neurons, hidden_neurons, return_sequences=False))  
model.add(Dense(hidden_neurons, in_out_neurons))  
model.add(Activation("linear"))  
model.compile(loss="mean_squared_error", optimizer="rmsprop")  

(X_train, y_train), (X_test, y_test) = train_test_split(data)  # retrieve data
model.fit(X_train, y_train, batch_size=700, nb_epoch=100, validation_split=0.05)  

predicted = model.predict(X_test)

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