財經時間序列預測:使用R的計量與機器學習方法

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何宗武
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具体描述

  本書為進階的教材,需要經濟計量方法和矩陣代數的基礎。時間序列預測是統計學裡非常實用的工具,不論是分析投資組合的數據、全球總經和金融市場,以及預測景氣循環變動等等,可以用過去的數據資料,預測未來趨勢,是可以符合實際決策需要的實用能力。
 
  書中並介紹機器學習方法,機器學習不是指特定估計方法,學習指的是如何在資料結構中運算,以追蹤最小預測誤差的方法獲得最佳預測(tuning)。我們應用機器學習演算法訓練歷史資料,執行特徵萃取(features extraction),再測試預測表現。依此建立一個可預測未來的模型,作為決策之用。
 
  使用R語言進行時間序列預測是本書的一大特點,R語言是統計學中普及且容易上手的分析工具,書中針對一個個資料分析步驟進行深度解說,教給讀者進行預測與評估的最實用方法。
深度洞察:现代金融市场与时间序列分析的精粹 第一部分:金融市场的演化与数据驱动的必然 在当代金融体系中,信息流动的速度与复杂性达到了前所未有的高度。从高频交易到宏观经济政策的发布,每一个事件都可能在瞬间重塑市场预期。本书立足于这一现实背景,旨在为读者构建一个全面、严谨且高度实用的金融时间序列分析框架。 我们不再仅仅满足于对历史数据进行简单的描述性统计。面对日益拥挤的市场和层出不穷的金融工具——股票、债券、外汇、衍生品、乃至加密资产——传统的分析范式已显乏力。现代金融研究和实践的核心驱动力,已经明确转向了对海量历史数据的深入挖掘和模式识别能力,即时间序列的预测与建模。 本书的叙事逻辑,并非停留在对特定软件工具的简单操作指南,而是深入探讨了支撑这些工具背后的计量经济学原理与统计学基础。金融时间序列的独特性在于其非平稳性、波动率聚集性(Volatility Clustering)和厚尾现象,这些特性使得直接应用标准的时间序列模型常常导致偏差或无效的推断。因此,我们首先需要建立对这些固有挑战的深刻理解。 我们将从基础的随机过程理论出发,逐步过渡到描述金融资产价格行为的关键模型。这包括对随机游走假设(Random Walk Hypothesis)的检验,以及更精细的对市场有效性在不同时间尺度下的表现进行剖析。理解资产价格背后的生成机制,是任何有效预测工作的前提。 第二部分:计量经济学的坚实基石——经典时间序列建模的回顾与升级 在迈向复杂模型的道路上,计量经济学提供了一套经过时间考验的分析工具箱。本书详尽地梳理了这些经典方法的精髓,并着重强调了它们在处理金融数据时的适用边界和潜在陷阱。 自回归移动平均(ARMA)模型族的构建,是时间序列分析的入门基石。我们不仅会介绍AR、MA、ARMA的基本结构,更重要的是探讨如何利用信息准则(如AIC、BIC)进行最优滞后阶数的选择,以及如何通过残差分析来验证模型的适应性。 然而,金融市场的波动性并非恒定不变,这是计量建模的一大难点。本书投入了大量的篇幅来处理条件异方差性(Conditional Heteroskedasticity)问题。 1. ARCH族模型(自回归条件异方差模型):我们详细解析了Engle(1982)提出的ARCH模型如何捕捉波动率的聚集效应,并逐步引向更具弹性的GARCH(广义ARCH)模型及其各种变体,如EGARCH(处理非对称效应)和GJR-GARCH(处理杠杆效应)。理解波动率的预测,在风险管理(如VaR计算)中具有不可替代的地位。 2. 协整与向量自回归(VAR)系统:对于处理多变量系统,如利率、汇率和通胀之间的动态关系,VAR模型是不可或缺的工具。本书将深入探讨格兰杰因果关系检验,以及在非平稳数据中如何通过协整检验(如Johansen检验)来识别长期均衡关系,并构建误差修正模型(VECM)以揭示短期动态调整机制。这对于宏观金融和资产组合管理至关重要。 第三部分:数据科学革命——机器学习在时间序列预测中的应用潜力 近年来,随着计算能力的飞跃和海量数据的涌现,机器学习(ML)方法开始对传统的计量经济学模型发起挑战。ML方法的核心优势在于其强大的非线性建模能力和特征工程的灵活性,这恰恰是传统线性模型难以捕捉的金融市场深层结构。 本书系统性地引入了一系列适用于时间序列预测的ML算法,并强调了在时间序列背景下应用这些算法的特殊注意事项: 1. 特征工程与时序依赖性:与标准的监督学习不同,时间序列预测要求特征构建必须尊重时间顺序。我们将讨论如何利用滞后值、移动平均、季节性指标以及统计量(如波动率的滚动标准差)来构建有效的预测因子。 2. 回归与分类算法的适应: 树模型(Decision Trees, Random Forests, Gradient Boosting Machines - XGBoost/LightGBM):这些模型在处理非线性关系和特征交互方面表现出色。我们将探讨如何利用它们来预测价格变动的方向(分类问题)或实际价格水平(回归问题)。 支持向量机(SVM):作为一种强大的非线性分类与回归工具,SVM在小样本和高维度问题中的鲁棒性值得深入研究。 3. 深度学习的突破:深度学习是时间序列预测领域的前沿阵地。 循环神经网络(RNN)及其高级变体,特别是长短期记忆网络(LSTM)和门控循环单元(GRU),因其捕获长期依赖关系的能力,成为建模复杂金融序列的首选。我们将详细解析这些网络的内部机制,以及如何设计有效的输入序列和输出结构来应对预测任务。 卷积神经网络(CNN):虽然主要用于图像处理,但CNN在提取时间序列中的局部模式(如特定的波动形态)方面也展现出潜力,我们探讨其在特征提取层面的应用。 第四部分:从模型到决策——验证、风险管理与实战考量 一个优秀的预测模型必须经过严苛的检验才能投入实际应用。本书的最后一部分,将焦点转移到模型的稳健性和实际操作层面。 1. 预测评估与样本内/样本外检验:我们强调时间序列交叉验证(Time Series Cross-Validation)的重要性,区别于随机抽样。评估指标的选择(如RMSE、MAE、方向准确率等)必须与业务目标紧密挂钩。 2. 模型选择与参数调优:在众多模型中进行选择,需要平衡预测精度、模型复杂度以及计算效率。我们将讨论网格搜索(Grid Search)、随机搜索(Random Search)以及更先进的贝叶斯优化在时间序列模型中的应用。 3. 风险与稳定性:金融预测的价值不仅在于其平均表现,更在于其在极端市场条件下的表现。模型必须具备一定的抗过拟合能力,并且对输入数据的微小扰动应保持相对稳定。 通过结合计量经济学的严谨理论框架与现代机器学习的强大计算能力,本书旨在提供一个既具学术深度又极富操作性的指南,帮助读者驾驭金融时间序列的复杂性,最终实现更精准的预测和更稳健的决策制定。

著者信息

作者簡介
 
何宗武
 
  現任
  臺灣師範大學全球經營與策略研究所 教授
 
  經歷
  世新大學特聘教授
 
  專長為財務經濟學、金融大數據、計量經濟資料科學及程式語言等。著作多本相關書籍,如:《數位創新:商業模式經濟學》、《大數據決策分析盲點大突破10講:我分類故我在》、《管理數學、Python與R:邊玩程式邊學數學,不小心變成數據分析高手》、《R語言:深入淺出財經計量》、《R資料採礦與數據分析:以GUI套件Rattle結合程式語言實作》、《資料分析輕鬆學:R Commander高手捷徑》、《Eviews高手:財經計量應用手冊》。

图书目录

自序

Part I
時間序列預測基礎
1 統計與時間序列基礎

第1 節 隨機變數和預測 
第2 節 樣本和母體
第3 節 兩組中央趨勢 
第4 節 時間序列特徵
第5 節 時間序列預測的不同之處

2 財經時間序列開放資料之取得
第1 節 Fed 美國聯準會
第2 節 證交所5 秒鐘的高頻資料
第3 節 國際清算銀行的有效匯率指數BIS 
第4 節 R 內建套件quantmod 國際股市資料
第5 節 Fama-French Factor Data 
第6 節 套件JFE 內建函數

3 時間序列的訓練架構—Recursive Validation 
第1 節 K- 段交叉驗證方法(K-fold CV)
第2 節 N 步遞回驗證(N-step Recursive Validation)
第3 節 K-fold 的關聯問題和Rabinowicz-Rosset 修正CV

4 關於時間序列預測值的計算 
第1 節 資料配適的統計預測 
第2 節 預測未來之一:單步預測 
第3 節 預測未來之二:多步預測 
第4 節 評估模型的預測績效

Part II
經濟計量方法Econometric Methods

5 計量時間序列方法
第1 節 ARIMA 
第2 節 非線性移轉模型:SETAR 和LSTAR 
第3 節 BATS (Box-Cox transform, ARMA, Trend & Seasonality) 
第4 節 BAGGED (Bootstrap AGGregation) 
第5 節 GAMs 
第6 節 時間序列的組合預測簡介:AveW and Model Average 

6 經濟計量預測實做—臺灣工業生產指數成長率預測 
第1 節 資料與訓練架構
第2 節 R 程式的單步靜態預測 
第3 節 R 程式的動態預測的訓練 

Part III
機器學習 Machine Learning

7 機器學習的演算法 
第1 節 迴歸樹、隨機森林和KNN 
第2 節 簡易人工神經網路(Simple Artificial Neural Network) 
第3 節 Support Vector Machine 
第4 節 Gradien Boosting Machine 
第5 節 正則方法:LASSO, Ridge and Elastic Net 
第6 節 自動化機器學習模式:autoML 委員會 
第7 節 機器學習的動態預測—R 套件iForecast 說明 
附錄

8 機器學習預測實做—指數報酬率預測(Index Returns Forecasting) 
第1 節 資料與模型 
第2 節 R 程式說明與結果呈現 

Part IV
深度學習方法

9 深度學習方法的訓練與學習RNN-LSTM 
第1 節 原理簡說
第2 節 軟體環境設置

10 LSTM 預測實做—美國失業率和通貨膨脹 
第1 節 LSTM 程式說明
第2 節 iForecast 內的ttsLSTM() 

Part V
類別資料
11 分類模式

第1 節 二元廣義線性模式
第2 節 GLM 的R 程式
第3 節 混淆矩陣
第4 節 決策樹分類案例研究 

12 類別時間序列資料的預測—景氣循環
第1 節 資料與問題說明
第2 節 機器學習R 程式

附錄1 R 套件iForecast 介紹 
附錄2 矩陣進一步性質與應用 
第1 節 方陣的特殊性質
第2 節 應用
參考文獻

图书序言

  • ISBN:9786263431492
  • 規格:平裝 / 336頁 / 19 x 26 x 1.68 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读

 
  這幾年的數位革命風潮,造成機器/深度學習的資料演算法普及,也對既有的統計預測有了相當的影響,因應這個趨勢,中研院蔡瑞胸院士2021年也出版了一本書(Pena and Tsay, 2021, Statistical Learning for Big Dependent Data),蔡士的重點就在於時間序列預測在機器學習的資料驅動架構下,可以如何使用以及預測表現如何。這幾年,我也接了兩個政府機構的機器學習委託案,分別處理經濟成長和景氣循環的預測。趁著執行委託案的機會,我也將應用機器學習於時間序列預測的相關技術問題,做了整理與克服,例如:多步(動態)預測的產生在一般程式中沒有,既定程式(Python or R) 多是橫斷面資料預測的延伸使用,所以,到了時間序列,就只是單步(靜態)預測。因應這些問題,結案後,就順勢產生了R 套件iForecast,迄今已經多次改版。除了可以學習程式細節,同時也可以簡單透過套件使用這些方法。套件會與時俱進,因此,讀者追蹤iForecast 套件,或許是最好的方法。
 
  面對機器學習,統計顯得更重要;面對財經時間序列,計量經濟學也更重要。因此,將整體學習所需要的一些內容做了整理與觀念釐清後,就出版了這本書。這本書有些主題會比較進階,例如:第3 章第3 節討論到Rabinowicz and Rosset (2022) 刊登在JASA 的論文,也用模擬說明了這篇研究對時間序列的意義;在深度學習很紅的循環神經網路(RNN, Recurrent Neural Network) 之LSTM 方法,是屬於比較典型的資訊演算,我們也納入介紹。因此,內容若干主題,可依照背景自行斟酌學習。
 
  時間序列預測對產業有很多意義,例如:股市波動、失業與通膨等等,時間序列不似橫斷面資料,所需預測的未來往往不長,但是動態的挑戰相當嚴峻。基於模型選擇的困境,就務實的角度,將多個模型的預測加權平均組合起來,如Models Average 應該是最有效的,這也是本書建議預測實務時的作法。
 
  最後,這本書的出版,我還是不免於俗地要感謝臺師大良好的研究環境,讓我教學之餘,可以完成這本研究型的專題著作。
 
何宗武
國立臺灣師範大學管理學院
全球經營與策略研究所
2022/7/4

用户评价

评分

當我考慮購買一本工具書時,衡量的不僅是內容的廣度,更是其「易用性」與「現代性」。R語言的生態系迭代速度很快,許多舊的套件語法可能已經被新的、更有效率的語法取代。因此,一本優秀的財經計量書,必須採用當前最穩定、最受業界推崇的套件組合。我非常關注書中對於處理時間序列數據缺失值、異常值(Outlier)的策略,以及如何將模型結果視覺化成專業的報告圖表。畢竟,預測的最終目的不只是算出一個數字,而是要說服決策者或客戶。因此,如果書中能深入探討如何使用R的強大繪圖功能(例如`ggplot2`的進階應用),將複雜的殘差分析、波動率模擬結果,轉化為清晰、具說服力的視覺語言,那這本書的實用價值將會直線上升。這不僅是技術層面的問題,更是專業溝通的藝術。

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從另一個角度來看,這本書的出現,剛好銜接了計量經濟學與當前最熱門的資料科學之間的鴻溝。過去,我們學計量,偏重於假設檢定、模型的內生性處理和嚴謹的因果推論;但現在的金融界,越來越多地使用機器學習模型,追求的更多是「預測準確度」本身,而非模型的「可解釋性」。這兩派人馬在方法論上有時是互相排斥的。因此,一本能夠巧妙地將兩者整合起來的書籍,價值就顯著提升了。我特別好奇作者是如何處理這種「風格差異」的。是先用嚴謹的計量模型建立基準線(Baseline),再逐步導入機器學習的複雜結構,還是直接跳到深度學習來捕捉非線性關係?對於我們這些從傳統計量背景出身的人來說,理解機器學習模型背後的統計意義,比單純調參更為重要。如果書中能對像是時間序列特有的交叉驗證策略(例如滾動窗口法),以及如何評估機器學習預測結果的經濟顯著性,提供深入的見解,那絕對會是一本值得反覆翻閱的聖經級參考書,而不是用完一次就束之高閣的速食讀物。

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這本《財經時間序列預測:使用R的計量與機器學習方法》,光看書名就讓人覺得這是一本非常「實戰」的工具書。對於我們這些長期在金融市場裡打滾,又需要仰賴數據分析來做決策的同行來說,這簡直是久旱逢甘霖。市面上很多理論書講得頭頭是道,但一到實際操作,尤其是在處理複雜的金融數據時,那種「紙上談兵」的感覺就很明顯。我特別欣賞書名中強調的「使用R」,這代表著它不是空談理論,而是手把手教你怎麼在最主流的計量分析軟體環境下,將那些艱澀的計量模型,像是GARCH族群,或是更進階的機器學習算法,真正落地應用到預測股價波動、利率走勢或是匯率變動上。我期待書中能有足夠詳盡的R程式碼範例,讓我們這些已經對R有基本認識的讀者,可以快速複製、修改並套用到自己手上那些非標準化的數據集上。金融領域的數據常常伴隨著高頻雜訊和結構性斷點,如何用這些新舊工具有效清洗和建模,是決定預測準確性的關鍵,希望這本書能提供一些業界前輩的獨門心法,而不僅僅是教科書上的標準流程。

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坦白說,市面上講解R語言的數據分析書籍已經多到數不清了,但專精於「時間序列」這個細分領域,而且還能與「財經」應用緊密結合的,數量就銳減了。這本書的目標讀者群看來相當明確:不只是單純的學生,更可能是負責實務報表、策略回測或量化交易的專業人士。這讓我非常期待書中對於實際應用場景的刻畫。例如,在處理高頻交易數據時,如何利用R的平行運算能力來加速模型訓練?或者在處理結構性金融危機(如2008年金融海嘯)的數據時,如何利用狀態空間模型或隱藏馬可夫模型來捕捉市場的狀態轉移?如果作者能夠提供一些在台灣本地市場(例如台股加權指數、櫃買指數)的實例,那將會是極大的加分項,因為不同市場的波動特性和監管環境,都會影響模型參數的最佳設定。這種與本地化情境結合的深度解析,往往是翻譯書或純理論書無法提供的關鍵洞察。

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總體而言,這本《財經時間序列預測》給我的感覺,就像是邀請了一位經驗豐富的計量分析師,手持著R這個強大武器,帶領我們走進複雜多變的金融預測世界。我希望這本書能擺脫學術論文常見的冗長鋪陳,直擊核心——也就是「如何用最有效率的方式,在R中建立一個能抵抗市場噪音、且能持續迭代優化的預測模型」。對於想要從傳統計量轉型到數據科學方法的金融從業人員來說,它應該是提供一個清晰路徑圖的角色。最重要的是,好的工具書應該能激發讀者進一步探索的慾望,而不僅僅是提供標準答案。如果書中能點出目前時間序列預測領域中尚未被完全解決的挑戰,並暗示讀者未來的研究方向,那它就遠遠超越了一本操作手冊的範疇,而成為引領思考的催化劑。我已迫不及待想看看它如何詮釋我們這個時代最關鍵的金融難題。

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