經濟神經網絡活動分析論文

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摘要經濟活動通常表現為復雜的非線性特性，針對這種特性，給出了用人工神經網絡（ANN）模型建立經濟活動的預測模型的原理和方法，并描述了構筑于神經網絡方法之上及其與神經網絡方法相結合的先進的模型方法，為刻畫復雜的、非確定的或信息不完整的經濟活動對象提供了思路。

關鍵詞經濟活動預測模型人工神經網絡

經濟活動諸如商品價格走勢、生產活動的產量預測、加工的投入產出分析、工廠的成本控制等方面都是重要的技術經濟層面。定量化的經濟活動分析是經濟學研究的必由之路，而建模是量化分析的基礎，這是因為模型為科學分析和質量、成本等控制提供了理論依據。本文針對經濟活動中大多數研究對象都具有的非線性特點，給出了用人工神經網絡（ArtificialNerveNetwork）模型建立經濟活動的預測模型的原理和方法，并描述了神經網絡與各種先進的建模方法相結合的模型化方法，為經濟活動的分析、預測與控制提供了理論基礎。

1神經網絡模型方法

現實的經濟系統是一個極其復雜的非線性系統，客觀上要求建立非線性模型。傳統上使用回歸與自回歸模型刻畫的都是線性關系，難于精確反映因變量的變化規律，也終將影響模型的擬合及預報效果。為揭示隱含于歷史記錄中的復雜非線性關系必須借助更先進的方法———人工神經網絡(ANN)方法。

人工神經網絡具有并行處理、自適應、自組織、聯想記憶及源于神經元激活函數的壓扁特性的容錯和魯棒性等特點。數學上已經證明，神經網絡可以逼近所有函數，這意味著神經網絡能逼近那些刻畫了樣本數據規律的函數，且所考慮的系統表現的函數形式越復雜，神經網絡這種特性的作用就越明顯。

在各類神經網絡模型中，BP（Back－Propagation誤差后向傳播）神經網絡模型是最常用的也是最成熟的模型之一。本質上，BP模型是對樣本集進行建模，即建立對應關系Rm→Rn,xk∈Rm,yk→Rn。數學上，就是一個通過函數逼近擬合曲線/曲面的方法，并將之轉化為一個非線性優化問題來求解。

對BP神經網絡模型，一般選用三層非循環網絡。假設每層有N個處理單元，通常選取連續可微的非線性作用函數如Sigmoid函數f(x)=1/(1+e-x)，訓練集包括M個樣本模式{(xk,yk)}。對第P個訓練樣本（P＝1，2，…，M），單元j的輸入總和記為apj，輸出記為Opj，則:

apj=WQ

Opj=f(apj)=1/(1+e-apj)（1）

對每個輸入模式P，網絡輸出與期望輸出（dpj）間誤差為：

E=Ep=((dpj-Opj)2)（2）

取BP網絡的權值修正式：

Wji(t+1)=Wji(t)+?濁?啄pj+?琢(Wji(t)-Wji(t-1))（3）

其中，對應輸出單元?啄pj=f’,(apj)(dpj-Opj)；對應輸入單元?啄pj=f’,(apj)?啄pkWkj；

?濁是為加快網絡收斂速度而取值足夠大又不致產生振蕩的常數；?琢為一常數項，稱為趨勢因子，它決定上一次學習權值對本次權值的影響。

BP學習算法的步驟：初始化網絡及學習參數；提供訓練模式并訓練網絡直到滿足學習要求；前向傳播過程,對給定訓練模式輸入，計算網絡的輸出模式，并與期望比較，如有誤差，則執行下一步，否則返回第二步；后向傳播過程,計算同一層單元的誤差?啄pj,按權值公式（3）修正權值;返回權值計算公式（3）。BP網絡的學習一般均需多周期迭代，直至網絡輸出與期望輸出間總體的均方根誤差ERMS達到一定要求方結束。

實踐中，BP網絡可能遇到如下問題：局部極小點問題；迭代收斂性及收斂速度引起低效率問題。此外還有，模型的逼近性質差；模型的學習誤差大，記憶能力不強；與線性時序模型一樣，模型網絡結構及節點作用函數不易確定；難以解決應用問題的實例規模與網絡規模之間的矛盾等。為克服這樣的一些問題，同時為了更好地面向實際問題的特殊性，出現了各種基于神經網絡模型或與之結合的模型創新方法。

2灰色神經網絡模型

灰色預測和神經網絡一樣是近年來用于非線性時間序列預測的引人注目的方法，兩種方法在建模時都不需計算統計特征，且理論上可以適用于任何非線性時間序列的建模。灰色預測由于其模型特點，更合用于經濟活動中具有指數增長趨勢的問題，而對于其他變化趨勢，則可能擬合灰度較大，導致精度難于提高。

對于既有隨時間推移的增長趨勢，又有同一季節的相似波動性趨勢，且增長趨勢和波動性趨勢都呈現為一種復雜的非線性函數特性的一類現實問題，根據人工神經網絡具有較好的描述復雜非線性函數能力特點，用其對季節性建模；最后根據最優組合預測理論，建立了兼有GM（1，1）和ANN優點的最優組合預測模型。該模型能夠同時反映季節性時間序列的增長趨勢性和同季波動性的雙重特性，適用于一般具有季節性特點的經濟預測。

首先，建立GM（1，1）模型，設時間序列x(0)=(x(0)(1),x(0)(2),?撰,x(0)(n))，作一階累加生成：

x(1)=(x(1)(1),x(1)(2),?撰,x(1)(n))（4）

其中x(1)(k)=(x(0)(i),k=1,2,?撰,n

構造一階線性灰色微分方程并得到該方程的白化微分方程：

+ax=u

用最小二乘法求解參數a，u，得到x(1)的灰色預測模型：

(1)(k+1)=(X(0)(1)-u/a)e-ak+u/a,(k=0,1,2,?撰)（5）

其次，根據上節方法建立BP人工神經網絡模型。

第三，將兩模型優化組合。設f1是灰色預測值，f2是神經網絡預測值，fc是最優組合預測值，預測誤差分別為:e1,e2,ec，取w1和w2是相應的權系數，且w1+w2=1,有fc=w1f1+w2f2，則誤差及方差分別為ec=w1e1+w2e2,Var(ec)=w21Var(e1)+w22Var(e2)+2w1w2cov(e1,e2)

對方差公式求關于w1的極小值，并取cov(e1,e2)=0，即可得到組合預測權系數的值。

2基于粗糙集理論的神經網絡模型

粗糙集理論與模糊集理論一樣是研究系統中知識不完全和不確定問題的方法。模糊集理論在利用隸屬函數表達不確定性時，為定義一個合適的隸屬函數，需要人工干預，因而有主觀性。而粗糙集理論由粗糙度表示知識的不完全程度，是通過表達知識不精確性的概念計算得到的，是客觀的，并不需要先驗知識。粗糙集通過定義信息熵并進而規定重要性判據以判斷某屬性的必要性、重要性或冗余性。

一般來說，BP神經網絡模型對模型輸入變量的選擇和網絡結構確定等都基本憑經驗或通過反復試驗確定，這種方法的盲目性會導致模型質量變差。用粗糙集理論指導，先對各種影響預測的因素變量進行識別，以此確定預測模型的輸入變量；再通過屬性約簡和屬性值約簡獲得推理規則集；然后以這些推理規則構造神經網絡預測模型，并采用加動量項的BP的學習算法對網絡進行優化。有效改善了模型特性，提高了模型質量。其建模步驟為：由歷史數據及其相關信息歷史數據構造決策表；初始化；對決策表的決策屬性變量按劃分值域為n個區域的方式離散化；采用基于斷點重要性的粗糙集離散化算法選擇條件屬性變量和斷點（分點），同時計算決策表相容度，當決策表相容度為1或不再增加時，則選擇條件屬性變量和分點過程結束；由選擇的條件屬性變量及其樣本離散化值構造新的決策表，并對其約簡，得到推理規則集；由推理規則集建立神經網絡模型；對神經網絡進行訓練；若神經網絡擬合誤差滿足要求，則結束，否則，增加n。必須指出，區間分劃n太小，會使得擬合不夠，n太大，即輸出空間分得太細，會導致過多的區域對應，使網絡結構過于復雜，影響泛化（預測）能力。

3小波神經網絡模型

人工神經網絡模型存在的網絡結構及節點函數不易確定問題，結合小波分析優良的數據擬合能力和神經網絡的自學習、自適應特性建模，即用非線性小波基取代通常的非線性S型函數。

設非線性時間序列變化函數f(t)∈L2(R)，定義其小波變換為：

Wf(a,b)==f(t)?漬()dt（6）

式中，?漬ab(t)稱為由母小波?漬t（定義為滿足一定條件的平方可積函數?漬(t)∈L2(R)如Haar小波、Morlet小波、樣條小波等）生成的依賴于參數a、b的連續小波，也稱小波基。參數a的變化不僅改變小波基的頻譜結構，還改變其窗口的大小和形狀。對于函數f(t)，其局部結構的分辯可以通過調節參數a、b，即調節小波基窗口的大小和位置來實現。

用小波級數的有限項來逼近時序函數，即：

(t)=wk?漬()（7）

式中(t)，為時間序列y(t)的預測值序列；wk,bk,ak分別為權重系數，小波基的平移因子和伸縮因子；L為小波基的個數。參數wk,bk,ak采用最小均方誤差能量函數優化得到，L通過試算得到。

4模糊神經網絡模型

模糊集合和模糊邏輯以人腦處理不精確信息的方法為基礎，而人工神經網絡是以大量簡單神經元的排列模擬人腦的生理結構。二者的融合既具有神經網絡強大的計算能力、容錯性和學習能力，又有對于不確定、不精確信息的處理能力，即同時具有底層的數據處理、學習能力和高層的推理、思考能力。

一種應用模糊理論的方法是把模糊聚類用來確定模糊系統的最優規則數，從而確定模糊神經網絡的結構。這樣確定的網絡結構成為四層：第一層為直接輸入層；第二層為模糊化層，對輸入做模糊化處理；第三層為模糊推理層，對前層模糊結果做模糊推理；第四層為非模糊化層，可以采用重心非模糊化法，產生網絡輸出。該網絡采用動態處理法，增強了其處理能力，且適用性強、精度高。

5結語

除上述幾種結合式神經網絡方法之外，人工神經網絡模型在算法設計方面一直在取得巨大的進步。神經網絡模型方法是一種先進的具有智能的非線性建模方法，其在自然科學、經濟現象、社會活動等方面的應用正在不斷深化，把神經網絡方法引入經濟活動的分析和預測中，并緊密聯系諸多先進的建模方法，是使工業經濟、商業經濟及其對經濟本質規律的研究等各項工作推向前進的重要理論武器。

參考文獻

1楊璐,高自友.基于神經網絡的時序預測模型研究[J].北方交通大學學報,1998(3)

2牛東曉,陳志業,謝宏等.組合灰色神經網絡模型及其季節性負荷預測[J].華北電力大學學報,2000(4)