在某些情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之類模型的表現(xiàn)可能會(huì)勝過(guò)更簡(jiǎn)單的模型，但很多情況下事情并不是這樣的。

打個(gè)比方：假設(shè)你需要購(gòu)買某種交通工具來(lái)跑運(yùn)輸，如果你經(jīng)常需要長(zhǎng)距離運(yùn)輸大型物品，那么， 購(gòu)買卡車是很劃算的投資；但如果你只是要去本地超市買點(diǎn)牛奶，那么買一輛卡車就太浪費(fèi)了。一輛汽車（如果你關(guān)心氣候變化的話，甚至可以買一輛自行車）也足以完成上述任務(wù)。

深度學(xué)習(xí)的使用場(chǎng)景也開始遇到這種問(wèn)題了：我們假設(shè)它們的性能優(yōu)于簡(jiǎn)單模型，然后把相關(guān)數(shù)據(jù)一股腦兒地塞給它們。此外，我們?cè)趹?yīng)用這些模型時(shí)往往并沒(méi)有對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)有適當(dāng)?shù)睦斫猓槐热缯f(shuō)我們沒(méi)有意識(shí)到，如果對(duì)數(shù)據(jù)有直觀的了解，就不必進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。

任何模型被裝在黑匣子里來(lái)分析數(shù)據(jù)時(shí)，總是會(huì)存在危險(xiǎn)，深度學(xué)習(xí)家族的模型也不例外。

時(shí)間序列分析我最常用的是時(shí)間序列分析，因此我們來(lái)考慮一個(gè)這方面的例子。

假設(shè)一家酒店希望預(yù)測(cè)其在整個(gè)客戶群中收取的平均每日費(fèi)用（或每天的平均費(fèi)用）——ADR。每位客戶的平均每日費(fèi)用是每周開銷的平均值。

LSTM 模型的配置如下：

model = tf.keras.Sequential（）

model.add（LSTM（4， input_shape=（1， lookback）））

model.add（Dense（1））

model.compile（loss=‘mean_squared_error’， optimizer=‘a(chǎn)dam’）

history=model.fit（X_train， Y_train， validation_split=0.2， epochs=100， batch_size=1， verbose=2）

下面是預(yù)測(cè)與實(shí)際的每周 ADR：

獲得的 RMSE 為 31，均值 160。RMSE（均方根誤差）的大小是平均 ADR 大小的 20％。誤差并不算高，但不得不承認(rèn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的是盡可能獲得比其他模型更高的準(zhǔn)確度，所以這個(gè)結(jié)果還是有些令人失望。

此外，這個(gè) LSTM 模型是一個(gè)一步預(yù)測(cè)——意味著如果沒(méi)有可用的時(shí)間 t 之前的所有數(shù)據(jù)，該模型就無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。

也就是說(shuō)，我們是不是太急著對(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)用 LSTM 模型了呢？

我們先回到出發(fā)點(diǎn)，首先對(duì)數(shù)據(jù)做一個(gè)全面的分析。

下面是 ADR 波動(dòng)的 7 周移動(dòng)平均值：

當(dāng)數(shù)據(jù)通過(guò) 7 周的移動(dòng)平均值進(jìn)行平滑處理后，我們可以清楚地看到季節(jié)性模式的證據(jù)。

我們來(lái)仔細(xì)看看數(shù)據(jù)的自相關(guān)函數(shù)。

我們可以看到，峰值相關(guān)性（在一系列負(fù)相關(guān)性之后）滯后 52，表明數(shù)據(jù)中存在年度季節(jié)屬性。

有了這一信息后，我們可以使用 pmdarima 配置 ARIMA 模型來(lái)預(yù)測(cè) ADR 波動(dòng)的最后 15 周，并自動(dòng)選擇 p、d、q 坐標(biāo)以最小化赤池量信息準(zhǔn)則。

》》》 Arima_model=pm.auto_arima（train_df， start_p=0， start_q=0， max_p=10， max_q=10， start_P=0， start_Q=0， max_P=10， max_Q=10， m=52， stepwise=True， seasonal=True， information_criterion=‘a(chǎn)ic’， trace=True， d=1， D=1， error_action=‘warn’， suppress_warnings=True， random_state = 20， n_fits=30）Performing stepwise search to minimize aic

ARIMA（0，1，0）（0，1，0）［52］ ： AIC=422.399， Time=0.27 sec

ARIMA（1，1，0）（1，1，0）［52］ ： AIC=inf， Time=16.12 sec

ARIMA（0，1，1）（0，1，1）［52］ ： AIC=inf， Time=19.08 sec

ARIMA（0，1，0）（1，1，0）［52］ ： AIC=inf， Time=14.55 sec

ARIMA（0，1，0）（0，1，1）［52］ ： AIC=inf， Time=11.94 sec

ARIMA（0，1，0）（1，1，1）［52］ ： AIC=inf， Time=16.47 sec

ARIMA（1，1，0）（0，1，0）［52］ ： AIC=414.708， Time=0.56 sec

ARIMA（1，1，0）（0，1，1）［52］ ： AIC=inf， Time=15.98 sec

ARIMA（1，1，0）（1，1，1）［52］ ： AIC=inf， Time=20.41 sec

ARIMA（2，1，0）（0，1，0）［52］ ： AIC=413.878， Time=1.01 sec

ARIMA（2，1，0）（1，1，0）［52］ ： AIC=inf， Time=22.19 sec

ARIMA（2，1，0）（0，1，1）［52］ ： AIC=inf， Time=25.80 sec

ARIMA（2，1，0）（1，1，1）［52］ ： AIC=inf， Time=28.23 sec

ARIMA（3，1，0）（0，1，0）［52］ ： AIC=414.514， Time=1.13 sec

ARIMA（2，1，1）（0，1，0）［52］ ： AIC=415.165， Time=2.18 sec

ARIMA（1，1，1）（0，1，0）［52］ ： AIC=413.365， Time=1.11 sec

ARIMA（1，1，1）（1，1，0）［52］ ： AIC=415.351， Time=24.93 sec

ARIMA（1，1，1）（0，1，1）［52］ ： AIC=inf， Time=21.92 sec

ARIMA（1，1，1）（1，1，1）［52］ ： AIC=inf， Time=30.36 sec

ARIMA（0，1，1）（0，1，0）［52］ ： AIC=411.433， Time=0.59 sec

ARIMA（0，1，1）（1，1，0）［52］ ： AIC=413.422， Time=11.57 sec

ARIMA（0，1，1）（1，1，1）［52］ ： AIC=inf， Time=23.39 sec

ARIMA（0，1，2）（0，1，0）［52］ ： AIC=413.343， Time=0.82 sec

ARIMA（1，1，2）（0，1，0）［52］ ： AIC=415.196， Time=1.63 sec

ARIMA（0，1，1）（0，1，0）［52］ intercept ： AIC=413.377， Time=1.04 sec

Best model： ARIMA（0，1，1）（0，1，0）［52］

Total fit time： 313.326 seconds

根據(jù)上面的輸出，ARIMA（0，1，1）（0，1，0）［52］ 是 AIC 的最佳擬合模型。使用這個(gè)模型，對(duì)于 160 的平均 ADR，可獲得 10 的 RMSE。

這比 LSTM 實(shí)現(xiàn)的 RMSE 要低得多（這是一件好事），僅占均值大小的 6％多。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治龊螅藗儠?huì)認(rèn)識(shí)到，數(shù)據(jù)中存在的年度季節(jié)屬性可以讓時(shí)間序列更具可預(yù)測(cè)性，而使用深度學(xué)習(xí)模型來(lái)嘗試預(yù)測(cè)這種屬性在很大程度上是多余的。

回歸分析：預(yù)測(cè)客戶 ADR 值我們換個(gè)角度來(lái)討論上述問(wèn)題。

現(xiàn)在我們不再嘗試預(yù)測(cè)平均每周 ADR，而是嘗試預(yù)測(cè)每個(gè)客戶的 ADR 值。

為此我們使用兩個(gè)基于回歸的模型：

線性 SVM（支持向量機(jī)）

基于回歸的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

兩種模型均使用以下特征來(lái)預(yù)測(cè)每個(gè)客戶的 ADR 值：

IsCanceled：客戶是否取消預(yù)訂

country：客戶的原籍國(guó)

marketsegment：客戶的細(xì)分市場(chǎng)

deposittype：客戶是否已支付訂金

customertype：客戶類型

rcps：所需的停車位

arrivaldateweekno：到達(dá)的星期數(shù)

我們使用平均絕對(duì)誤差作為效果指標(biāo)，來(lái)對(duì)比兩個(gè)模型相對(duì)于平均值獲得的 MAE。

線性支持向量機(jī)這里定義了 epsilon 為 0.5 的 LinearSVR，并使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行了訓(xùn)練：

svm_reg_05 = LinearSVR（epsilon=0.5）

svm_reg_05.fit（X_train， y_train）

現(xiàn)在使用測(cè)試集中的特征值進(jìn)行預(yù)測(cè)：

》》》 svm_reg_05.predict（atest）array（［ 81.7431138 ， 107.46098525， 107.46098525， 。..， 94.50144931，

94.202052 ， 94.50144931］）

這是相對(duì)于均值的均值絕對(duì)誤差：

》》》 mean_absolute_error（btest， bpred）

30.332614341027753》》》 np.mean（btest）

105.30446539770578

MAE 是均值大小的 28％。讓我們看看基于回歸的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否可以做得更好。

基于回歸的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定義如下：

model = Sequential（）

model.add（Dense（8， input_dim=8， kernel_initializer=‘normal’， activation=‘elu’））

model.add（Dense（2670， activation=‘elu’））

model.add（Dense（1， activation=‘linear’））

model.summary（）

使用的批大小是 150，用 30 個(gè) epoch 訓(xùn)練模型：

model.compile（loss=‘mse’， optimizer=‘a(chǎn)dam’， metrics=［‘mse’，‘mae’］）

history=model.fit（xtrain_scale， ytrain_scale， epochs=30， batch_size=150， verbose=1， validation_split=0.2）

predictions = model.predict（xval_scale）

現(xiàn)在將測(cè)試集的特征輸入到模型中，以下是 MAE 和平均值：

》》》 mean_absolute_error（btest， bpred）

28.908454264679218》》》 np.mean（btest）

105.30446539770578

我們看到，MAE 僅僅比使用 SVM 所獲得的 MAE 低一點(diǎn)。因此，當(dāng)線性 SVM 模型顯示出幾乎相同的準(zhǔn)確度時(shí)，很難證明使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)客戶 ADR 是合適的選項(xiàng)。

無(wú)論如何，用于“解釋”ADR 的特征選擇之類的因素比模型本身有著更大的相關(guān)性。俗話說(shuō)，“進(jìn)垃圾，出垃圾”。如果特征選取很爛，模型輸出也會(huì)很差。

在上面這個(gè)例子里，盡管兩個(gè)回歸模型都顯示出一定程度的預(yù)測(cè)能力，但很可能要么 1）選擇數(shù)據(jù)集中的其他特征可以進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性，要么 2）ADR 的變量太多，對(duì)數(shù)據(jù)集中特征的影響太大。例如，數(shù)據(jù)集沒(méi)有告訴我們關(guān)于每個(gè)客戶收入水平的任何信息，這些因素將極大地影響他們每天的平均支出。

結(jié)論

在上面的兩個(gè)示例中我們已經(jīng)看到，使用“更輕”的模型已經(jīng)能夠匹配（或超過(guò)）深度學(xué)習(xí)模型所實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確性。

在某些情況下，數(shù)據(jù)可能非常復(fù)雜，需要“從頭開始”在數(shù)據(jù)中使用算法學(xué)習(xí)模式，但這往往是例外，而不是規(guī)則。

對(duì)于任何數(shù)據(jù)科學(xué)問(wèn)題，關(guān)鍵是首先要了解我們正在使用的數(shù)據(jù)，模型的選擇往往是次要的。

可以在此處找到上述示例的數(shù)據(jù)集和 Jupyter 筆記本。
編輯：lyn