数学建模算法之使用 LSTM 神经网络进行时间序列预测（python版）

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使用 LSTM 神经网络进行时间序列预测的过程。下面我会对代码的主要部分进行解释：

• 定义 LSTM 网络：
  
  
  • lstm_reg 类继承自 nn.Module，它包含了一个 LSTM 层和一个线性层。
  • 在 __init__ 方法中，定义了 LSTM 层和线性层的结构，其中 input_size 是输入样本的特征维度，hidden_size 是 LSTM 层的神经元个数，num_layers 是 LSTM 网络的层数。
  • forward 方法实现了前向传播过程，将输入数据经过 LSTM 层和线性层得到输出。
    
• 创建预测数据集：
  
  ( i/ Y4 w& d: i. y
  • create_dataset 函数根据给定的数据集和滑动窗口大小创建预测的输入数据 data_X 和输出数据 data_Y。
    ( W. {' ^8 j: e. m9 }1 m+ J2 I
• 划分和重塑数据集：
  
  7 [4 ?& w% P' E# K
  • split_reshape_dataset 函数将数据集划分为训练集和测试集，并将数据集的形状调整为适应 LSTM 网络的输入。
  • 设置一个分割系数，默认为 0.7，即将数据集的前 70% 作为训练集，后 30% 作为测试集。
  • look_back 参数是滑动窗口的大小，决定了输入特征的维度。
    
• 数据预处理：
  
  ; j, L0 I4 c6 w2 x0 t+ a* a2 M/ K
  • data_preprocessing 函数对数据集进行预处理，包括丢弃空值和将数据归一化。
    / ]7 I2 e/ j* y, Y4 T+ d
• 构建和训练 LSTM 网络：
  
  * w3 [1 j$ _$ k' m1 J- T
  • 使用给定的参数创建 net 对象，即 LSTM 网络。
  • 定义损失函数 criterion 和优化器 optimizer。
  • 使用训练集进行训练，根据损失函数计算损失并通过优化器更新网络权重。
    - l; E: F5 k* y4 g7 R5 q8 O7 ]$ p
• 加载已经训练好的模型：
  
  ) z& t: T& s! A
  • 使用 torch.load 加载之前保存的模型参数文件。
    
• 进行预测：
  
  ; z0 [' b, `0 T' \8 p
  • 使用测试集数据进行预测，将预测结果经过逆归一化处理得到真实值。
  • 使用 Matplotlib 绘制真实值和预测值的曲线图。
    8 c  `' H% j6 v( d3 Z' f
• 计算 MSE 损失：
  
  
  • 将真实值和预测值之间的差平方，再求平均得到 MSE 损失。
    3 ^* a3 i. e6 W9 e, x

这段代码可以根据给定的数据集进行时间序列预测，并计算预测结果的 MSE 损失。

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