《時間序列分析》課程教學大綱

《時間序列分析》教學大綱課程名稱：時間序列分析課程編號：2322英文名稱：TimeSeriesAnalysis學時：48學時 學分：3學分開課學期：第6學期適用專業(yè)：數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)課程類別：理論課課程性質(zhì)：專業(yè)方向拓展課先修課程：概率論基礎(chǔ)、數(shù)理統(tǒng)計、Python程序設(shè)計一、課程的性質(zhì)及任務(wù)《時間序列分析》課程是數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)一門重要的專業(yè)方向拓展課，包括平穩(wěn)時間序列分析，非平穩(wěn)時間序列分析、異方差函數(shù)分析等內(nèi)容，是利用隨機數(shù)學的方法分析隨時間變化的隨機數(shù)據(jù)序列的統(tǒng)計規(guī)律性，其內(nèi)容包括模型構(gòu)建、參數(shù)估計及最佳預測與控制等。該課程所學方法在經(jīng)濟學、社會科學領(lǐng)域以及自然科學領(lǐng)域均得到了十分廣泛的應(yīng)用。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與普及，其方法將日益發(fā)揮更加重要的作用。學好本課程已成為對數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)本科生的基本要求，同時也將為學生后續(xù)的學習與實踐打下重要的方法論基礎(chǔ)。通過該門課程的學習，讓學生能深刻地理解時間序列的基本理論、思想和方法，掌握時間序列分析中水平指標和速度指標的計算，并能預測未來，更能應(yīng)用于解決實踐中遇到的問題，從而提高學生的數(shù)理金融素質(zhì)，掌握用時間序列建模進行基本分析的方法。依據(jù)河北工程大學數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)計劃，本課程需要培養(yǎng)學生的能力是：能夠?qū)?shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的專業(yè)知識用于復雜工程問題的推演、分析和計算（畢業(yè)要求指標1.3）能夠基于數(shù)據(jù)科學相關(guān)科學原理和數(shù)學模型方法正確表達大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復雜工程問題（畢業(yè)要求指標2.2）在大數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)中能夠綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化及環(huán)境等制約因素（畢業(yè)要求指標3.4）能夠?qū)Σ杉降膶嶒灁?shù)據(jù)進行整理、分析和解釋，并能通過信息綜合、算法設(shè)計得出有效結(jié)論（畢業(yè)要求指標4.3）二、課程目標與要求2.1課程目標掌握時間序列的相關(guān)概念和序列預處理常用方法；掌握方差齊性、異方差性時間序列模型建模過程具備一定的專業(yè)技術(shù)研究能力，能夠采用時間序列模型技術(shù)對涉及時序數(shù)據(jù)的復雜工程問題進行研究，建立對應(yīng)模型，對實驗結(jié)果進行分析，通過信息綜合等方法獲得有效結(jié)論。能夠?qū)r序數(shù)據(jù)分析的復雜工程問題進行識別、表達和分析，得出有效結(jié)論；并能夠通過時間序列模型算法分析實際問題，建立模型，并編寫程序。在設(shè)計過程中能夠體現(xiàn)創(chuàng)新意識，能夠綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。

時間序列分析課程教學大綱PAGE16PAGE3512.2課程目標與畢業(yè)要求對應(yīng)關(guān)系畢業(yè)要求二級指標畢業(yè)要求1234●能夠?qū)?shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的專業(yè)知識用于復雜工程問題的推演、分析和計算1.具有扎實的數(shù)學與自然科學知識和工程基礎(chǔ)，系統(tǒng)地掌握數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)領(lǐng)域的基本理論、基礎(chǔ)知識，并綜合運用所學知識解決復雜工程問題。●能夠基于數(shù)據(jù)科學相關(guān)科學原理和數(shù)學模型方法正確表達大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復雜工程問題2.掌握統(tǒng)計與機器學習的基本方法，能夠綜合運用數(shù)學、自然科學和數(shù)據(jù)科學的基本原理，對復雜的工程系統(tǒng)，識別問題、描述問題并通過文獻研究分析與大數(shù)據(jù)相關(guān)的工程問題，以獲得有效結(jié)論?！裨诖髷?shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)中能夠綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化及環(huán)境等制約因素3.能夠設(shè)計出大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復雜工程問題的解決方案，具有數(shù)據(jù)采集、處理、分析、挖掘的能力，并能夠在設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等多維度協(xié)同發(fā)展因素。●能夠?qū)Σ杉降膶嶒灁?shù)據(jù)進行整理、分析和解釋，并能通過信息綜合、算法設(shè)計得出有效結(jié)論4.能夠基于數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)原理并采用科學方法對大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復雜工程問題進行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。2.3課程目標與培養(yǎng)環(huán)節(jié)對應(yīng)矩陣序號課程目標理論教學課內(nèi)實驗課后作業(yè)1掌握時間序列的相關(guān)概念和序列預處理常用方法；HL22. 掌握方差齊性、異方差性時間序列模型建模過程HML3具備一定的專業(yè)技術(shù)研究能力，能夠采用時間序列模型技術(shù)對涉及時序數(shù)據(jù)的復雜工程問題進行研究，建立對應(yīng)模型，對實驗結(jié)果進行分析，通過信息綜合等方法獲得有效結(jié)論。HM4能夠?qū)r序數(shù)據(jù)分析的復雜工程問題進行識別、表達和分析，得出有效結(jié)論；并能夠通過時間序列模型算法分析實際問題，建立模型，并編寫程序。在設(shè)計過程中能夠體現(xiàn)創(chuàng)新意識，能夠綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素HL注：H表示該能力的在此環(huán)節(jié)重點培養(yǎng)；M表示該能力在此環(huán)節(jié)有應(yīng)用要求；L表示該能力在此環(huán)節(jié)有所涉及。Python程序設(shè)計課程教學大綱PAGE2PAGE3612.4目標達成度的評價課程目標1主要通過理論教學環(huán)節(jié)進行培養(yǎng)，在課內(nèi)實驗有所涉及。主要通過課堂測試和期末考試中概念性、原理性題目進行考核。目標達成綜合以上內(nèi)容進行評價。課程目標2要通過理論教學環(huán)節(jié)進行培養(yǎng)，在課內(nèi)實驗有應(yīng)用要求，課后作業(yè)有所涉及。主要通過課堂測試，課后作業(yè)和期末考試中各種時間序列模型題目進行考核，在實驗中體現(xiàn)為能熟悉掌握時間序列模型應(yīng)用。目標達成綜合以上內(nèi)容進行評價。課程目標3主要通過課內(nèi)實驗進行培養(yǎng)，在課后作業(yè)有應(yīng)用要求。主要通過布置大數(shù)據(jù)行業(yè)領(lǐng)域的時間序列案例題目進行考核，在實驗報告中體現(xiàn)為能給出符合要求的數(shù)據(jù)分析結(jié)論。在課后作業(yè)中體現(xiàn)為基于時間序列分析方法，綜合運用各種時間序列分析算法的能力；目標達成綜合以上內(nèi)容進行評價。課程目標4主要通過課內(nèi)實驗培養(yǎng)，在課后作業(yè)中有所涉及。在課后作業(yè)中體現(xiàn)為能夠按照要求完成各項任務(wù)要求；在實驗報告中要對數(shù)據(jù)案例進行描述、對數(shù)據(jù)分析結(jié)論進行評價。目標達成綜合以上內(nèi)容進行評價。三、教學方法及手段理論教學以課堂講授為主，上機實驗為輔并結(jié)合課堂討論、案例分析、師生互動等教學方法展開教學；理論教學強調(diào)將各種時間序列分析算法與實際項目案例的實際情況緊密聯(lián)系，面向知識的實際應(yīng)用；理論教學注重本課程與概率論、數(shù)理統(tǒng)計等先修課程的聯(lián)系；本課程教材力求內(nèi)容新穎，采用多樣化的方式進行教學，讓學生在理論與實踐相結(jié)合的基礎(chǔ)上，對課程所要求的實際操作能力有進一步的提高。充分利用多媒體等現(xiàn)代化教學手段，整體優(yōu)化教學過程和教學內(nèi)容，調(diào)動學生學習積極性；布置實際操作任務(wù)給學生上機操作并及時指導。課程強調(diào)學生的自主學習，強調(diào)通過自學的方式消化、吸收課程的龐大知識量，并在此基礎(chǔ)上舉一反三、靈活應(yīng)用。四、課程的基本內(nèi)容與教學要求第一章時間序列概述[教學目的與要求]：理解時間序列的定義、和發(fā)展歷史，掌握時間序列的幾個基本概念[本章主要內(nèi)容]：1.1時間序列定義1.2時間序列分析方法1.3時間序列發(fā)展歷史1.4時間序列分析軟件[本章重點]：時間序列的相關(guān)概念[本章難點]：時間序列的分析方法第二章時間序列的預處理[教學目的與要求]：理解和掌握平穩(wěn)性檢驗、純隨機性檢驗的原理和方法。[本章主要內(nèi)容]：2.1特征統(tǒng)計量2.2平穩(wěn)時間序列的定義2.3平穩(wěn)時間序列的統(tǒng)計性質(zhì)2.4平穩(wěn)性檢驗2.5純隨機序列定義2.6純隨機檢驗[本章重點]：1.平穩(wěn)時間序列的定義2.平穩(wěn)時間序列的證明3.平穩(wěn)時間序列的統(tǒng)計性質(zhì)[本章難點]：時間序列的相關(guān)統(tǒng)計量第三章平穩(wěn)時間序列分析[教學目的與要求]：理解ARMA模型的定義和性質(zhì)，掌握平穩(wěn)序列的建模方法，學會平穩(wěn)時間序列的預測[本章主要內(nèi)容]：3.1方法性工具3.2AR模型、MA模型、ARMA模型3.3平穩(wěn)時間序列建模3.4平穩(wěn)時間序列預測[本章重點]：1．ARMA模型的相關(guān)性質(zhì)2.ARMA模型的建模過程[本章難點]：模型識別參數(shù)估計序列預測第四章非平穩(wěn)序列的隨機分析[教學目的與要求]：理解掌握ARIMA模型、殘差自回歸模型。掌握條件異方差模型。[本章主要內(nèi)容]：4.1差分運算4.2ARIMA模型4.3殘差自回歸模型4.4方程齊性變換4.5條件異方差模型[本章重點]：ARIMA模型的建模殘差自回歸模型的建模[本章難點]：條件異方差模型的建立第五章非平穩(wěn)序列的確定性分析[教學目的與要求]：了解時間序列的分解原理，掌握時間序列的確定因素分解、趨勢分解、季節(jié)效應(yīng)分解方法，了解X-11建模方法。[本章主要內(nèi)容]：5.1.時間序列分解5.2.確定性因素分解5.3.趨勢分析5.4.季節(jié)效應(yīng)分析5.5X-11過程[本章重點]：1.時間序列趨勢分解和季節(jié)效應(yīng)分解[本章難點]：季節(jié)效應(yīng)的時間序列模型的建立和預測五、課內(nèi)實驗5.1本課程實驗教學的地位和作用時間序列分析實驗是鞏固和擴展課程理論知識的必要環(huán)節(jié)。理解時間序列分析的基本原理，掌握各種時序分析方法。根據(jù)要求編譯Python語言，能根據(jù)要求編寫相應(yīng)的代碼程序完成調(diào)試與測試，分析數(shù)據(jù)，得出分析結(jié)論。通過實驗提高學生解決實際時序數(shù)據(jù)的分析能力，鍛煉學生分析、調(diào)試程序、、設(shè)計實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析算法以及撰寫實驗報告的能力。5.2教學基本要求通過實驗預習及設(shè)計，理解時間序列分析方法的基本原理，可利用Python軟件完成相關(guān)數(shù)據(jù)分析，為實驗的順利開展奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)要求動手編寫程序，利用Python語言構(gòu)建時間序列模型，能根據(jù)要求編寫相應(yīng)的代碼程序完成調(diào)試與測試，分析數(shù)據(jù)，得出分析結(jié)論熟悉常用各種數(shù)據(jù)分析算法的編程能力；學會使用Python語言，測試調(diào)整參數(shù)，排除運行故障。正確處理實驗數(shù)據(jù)，分析內(nèi)在規(guī)律，掌握處理實驗結(jié)果的能力。5.3實驗內(nèi)容及要求大綱基本內(nèi)容包括六個實驗項目，在16個學時內(nèi)完成。實驗一時間序列預處理本實驗為定量性實驗。通過實驗操作，讓學生學習時間序列預處理的工作原理，鍛煉學生編程、分析、調(diào)試參數(shù)的能力，進而掌握數(shù)據(jù)預處理能力。培養(yǎng)學生具有分析數(shù)據(jù)與排除運行故障和分析實驗結(jié)果的能力。要求學生課前預習實驗指導書，根據(jù)實驗指導書提供的背景知識并參考課程所用教材完成數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)的理論計算。鼓勵學生用Python軟件完成數(shù)據(jù)處理，得到預期結(jié)果。指導教師應(yīng)概述實驗原理、方法及操作使用等內(nèi)容，并對典型問題作針對性指導，以及監(jiān)督實驗室安全運轉(zhuǎn)。具體實驗步驟和結(jié)果分析、處理由學生獨立完成。實驗內(nèi)容要求如下：課前預習內(nèi)容：平穩(wěn)性檢驗原理。純隨機性檢驗原理Python語言結(jié)構(gòu)。平穩(wěn)性檢驗。要求：繪制對應(yīng)的時序圖和樣本自相關(guān)圖，正確使用pandas模塊，使用describe函數(shù)進行描述性分析，要求至少得到4項統(tǒng)計指標。純隨機性檢驗。要求：編制相應(yīng)的python程序，構(gòu)造Q和LB檢驗統(tǒng)計類，驗證得出時間序列數(shù)據(jù)的純隨機性，要求至少完成2項操作。實驗二平穩(wěn)時間序列分析本實驗為定量性實驗。通過實驗操作理解平穩(wěn)時間序列的定義，使學生掌握平穩(wěn)時間序列AR、MA、ARMA模型的性質(zhì)。要求學生課前預習實驗指導書，掌握分類模型的原理和特點。鼓勵學生用Python軟件觀察平穩(wěn)時間序列結(jié)果，對實驗過程及結(jié)果有所預期。指導教師應(yīng)概述實驗的原理、方法及編程等內(nèi)容，并對典型問題作針對性指導，以及監(jiān)督實驗室安全運轉(zhuǎn)。具體實驗步驟和結(jié)果分析、處理由學生獨立完成。實驗內(nèi)容要求如下：課前預習內(nèi)容：平穩(wěn)時間序列模型的基本構(gòu)架。平穩(wěn)序列的建模步驟序列預測平穩(wěn)序列的建模，要求：通過序列預處理后，針對平穩(wěn)的非白噪聲序列，從模型識別、參數(shù)估計、模型檢驗、模型優(yōu)化和序列預測等各個步驟，建立ARMA模型，最后利用預測方法最小原則對序列進行預測。要求至少完成1項完整的建模和預測過程。實驗三非平穩(wěn)序列的隨機分析本實驗為定量性實驗。通過實驗操作理解時間序列分解基本原理，使學生掌握差分運算的實質(zhì)性質(zhì)，鍛煉學生編程、分析、測試程序以及處理實驗結(jié)果的能力。要求學生課前預習實驗指導書，掌握非平穩(wěn)時間序列建模方法。鼓勵學生用Python軟件實現(xiàn)建模結(jié)果，對實驗過程及結(jié)果有所預期。指導教師應(yīng)概述實驗的原理、方法及編程等內(nèi)容，并對典型問題作針對性指導，以及監(jiān)督實驗室安全運轉(zhuǎn)。具體實驗步驟和結(jié)果分析、處理由學生獨立完成。實驗內(nèi)容要求如下：課前預習內(nèi)容：ARIMA模型結(jié)構(gòu)。殘差自回歸模型結(jié)構(gòu)。異方差模型結(jié)構(gòu)。ARIMA模型建立，要求：通過分析時序數(shù)據(jù)，判斷時間序列數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性和純隨機性，對于非平穩(wěn)序列可對其進行差分運算，再應(yīng)用平穩(wěn)序列建模步驟，建立ARIMA模型，要求完成全部操作。殘差自回歸模型建立，要求：針對數(shù)據(jù)進行殘差自回歸檢驗，發(fā)現(xiàn)殘差序列中是否隱含相關(guān)信息，建立對應(yīng)的殘差自回歸模型，要求完成全部操作。條件異方差模型建立，要求：對時間序列模型的殘差序列進行異方差檢驗，若滿足方差非齊，建立對應(yīng)的ARCH模型、GARCH模型和GARCH的衍生模型，要求至少完成ARCH模型。實驗四非平穩(wěn)序列的確定性分析本實驗為定量性實驗。通過實驗操作理解X-11季節(jié)調(diào)整模型，使學生掌握移動平均法的運用過程。鍛煉學生編程、分析、測試程序以及處理實驗結(jié)果的能力。要求學生課前預習實驗指導書，掌鼓勵學生用Python軟件實現(xiàn)建模，對實驗過程及結(jié)果有所預期。指導教師應(yīng)概述實驗的原理、方法及編程等內(nèi)容，并對典型問題作針對性指導，以及監(jiān)督實驗室安全運轉(zhuǎn)。具體實驗步驟和結(jié)果分析、處理由學生獨立完成。實驗內(nèi)容要求如下：課前預習內(nèi)容：X-11季節(jié)調(diào)整模型。X-12-ARIMA模型指數(shù)平滑預測模型2．X-11,X-12建模過程，要求：通過對樣本數(shù)據(jù)分析，使用移動平均法和ARIMA模型結(jié)合，建立對應(yīng)的時間序列模型，要求至少完成1項建模。5.4教學文件及教學形式教學文件：《Python—統(tǒng)計人的視角》、《Python數(shù)據(jù)分析與挖掘?qū)崙?zhàn)》、《Python數(shù)據(jù)挖掘?qū)崙?zhàn)》。教學形式主要包括：預習、課堂指導與實驗操作、撰寫實驗報告。實驗報告學生自擬。實驗報告包括：實驗?zāi)康?、編程語言，描述方法原理，詳細敘述編程步驟，要有完整的數(shù)據(jù)和編程、圖表表示的實驗結(jié)果，以理論聯(lián)系實際為出發(fā)點，調(diào)整參數(shù)并分析與實際數(shù)據(jù)之間的誤差，總結(jié)實驗中出現(xiàn)的問題及解決方法。5.5實驗項目及學時分配序號實驗項目實驗學時實驗類型實驗類別實驗性質(zhì)1時間序列預處理2定量性專業(yè)必修2平穩(wěn)時間序列分析4定量性專業(yè)必修3非平穩(wěn)序列的隨機分析6定量性專業(yè)必修4非平穩(wěn)序列的確定性分析4定量性專業(yè)必修5.6本課程實驗用到的場地和儀器大數(shù)據(jù)實驗中心機房、多功能多媒體設(shè)備、智慧黑板。六、課程學時分配教學課次教學內(nèi)容教學環(huán)節(jié)與計劃時數(shù)教學環(huán)節(jié)計劃時數(shù)1時間序列定義和預處理理論課42平穩(wěn)時間序列分析理論課103非平穩(wěn)序列的隨機分析理論課12４非平穩(wěn)序列的確定性分析理論課65實驗1時間序列預處理實驗課26實驗2平穩(wěn)時間序列分析實驗課47實驗3非平穩(wěn)序列的隨機分析實驗課68實驗4非平穩(wěn)序列的確定性分析實驗課4注：實驗課由任課教師負責協(xié)調(diào)安排時間。七、課程考核與成績評定7.1考核方式考核環(huán)節(jié)包括課程學習過程考核和期末考核，其中課程過程考核占總成績的40%，分別由課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、實驗情況進行評定；期末考核占總成績的60%。各環(huán)節(jié)的比重如下?？己谁h(huán)節(jié)比重合計過程考核（平時成績）課堂表現(xiàn)10%40%作業(yè)10%實驗20%期末考核（課程論文）大作業(yè)的報告30%60%答辯30%總計100%100%7.2考核內(nèi)容及要求本課程為考查課?？己藘?nèi)容及分值分配如下。考核方式考核內(nèi)容分值課程目標總分值期末考核60%時間序列平穩(wěn)性檢驗5~10目標1100分時間序列可逆性檢驗5~10目標1方法性工具的應(yīng)用計算10~15目標7平穩(wěn)時間序列模型的結(jié)構(gòu)5~10目標6平穩(wěn)時間序列的建模步驟10～20目標2,7非平穩(wěn)時間序列的建模10～15目標3,6,7殘差自回歸模型的建模5～10目標4,6方程齊性的判定2~5目標1條件異方差模型的的建立2～5目標5過程考核40%課堂表現(xiàn)課堂測試、出勤情況10目標1、2、3、4、5、6、710分課后作業(yè)作業(yè)完成情況10目標2、3、4、6、710分實驗實驗出勤、實驗表現(xiàn)及實驗報告20目標1,2,3,4，5、6、720分7.3成績評定1.課堂表現(xiàn)課堂表現(xiàn)總分10分，由課堂測試與課堂出勤情況評定。其中，課堂測試滿分6分，以客觀題（填空、選擇、判斷）為主，每學期隨堂測試15~20次，每次測試1~2道題目，每答錯一道題目扣0.5分（直到扣滿6分為止）；課堂出勤滿分4分，缺勤一次扣1分，遲到或請假扣0.5分。2.課后作業(yè)課后作業(yè)總分10分，由作業(yè)完成情況評定。每學期布置作業(yè)5次，每次作業(yè)占2分，評分標準如下；評分標準分值標準描述課后作業(yè)3能夠按時認真完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度認真、書寫清楚、分析計算正確。2能夠按時完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度較好、書寫較清楚、分析計算基本正確1能夠按時完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度一般、書寫不清楚、分析計算錯誤較多0不交作業(yè)或作業(yè)態(tài)度不認真、抄襲他人作業(yè)3.實驗成績實驗成績占所學課程的20%，即20分。根據(jù)學生的實驗表現(xiàn)及實驗報告結(jié)果，進行綜合評定。具體評分標準如下表所示。評分標準分值標準描述實驗表現(xiàn)（10）10無遲到、早退現(xiàn)象，態(tài)度端正，與同組同學配合認真完成編寫及調(diào)試程序，運行結(jié)束后，按要求整理實驗報告。8有遲到、早退現(xiàn)象或編程過程不夠認真。6有遲到、早退現(xiàn)象且編程過程不認真。4有遲到、早退現(xiàn)象，編程過程不動手，渾水摸魚。0曠課實驗報告（10）10有完整正確的python程序，過程敘述內(nèi)容完整，正確分析數(shù)據(jù)，圖形繪制清晰合理，結(jié)論正確，書寫認真。8有python程序，過程敘述內(nèi)容較完整，正確