陳鐘國(guó)
金融時(shí)間序列預(yù)測(cè)是現(xiàn)代時(shí)間序列研究中最具挑戰(zhàn)性的課題。金融時(shí)間序列是復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng),被認(rèn)為是非平穩(wěn)的(non-stationary)、確定性混沌的(deterministic chaotic)并且含有大量噪聲[1]。非平穩(wěn)性說(shuō)明其分布是時(shí)變的;確定性混沌的特性則說(shuō)明它是短期可預(yù)測(cè)的;而噪聲高則意味著無(wú)法從金融市場(chǎng)過(guò)去的行為中獲取完整的信息,以全面揭示歷史價(jià)格與未來(lái)價(jià)格間的依賴(lài)關(guān)系,模型中不能包含的信息就被視為噪聲。
以人工智能為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)方法,如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)、支持向量回歸(SVR)等,屬于非線性的預(yù)測(cè)模型,符合金融時(shí)間序列的特性,逐漸得到人們的重視[2,3,6]。研究[3,5]表明,SVR的預(yù)測(cè)結(jié)果明顯優(yōu)于ANN。本研究將使用SVR建構(gòu)金融時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型。
SVR的精確性和泛化能力,很大程度上依賴(lài)于核心函數(shù)及超參數(shù)。本研究將采用粒子群優(yōu)化算法(PSO)來(lái)確定超參數(shù)及核函數(shù)的參數(shù)。
由于金融時(shí)間序列具有非平穩(wěn)性等特征,其統(tǒng)計(jì)特性可能隨時(shí)間而發(fā)生變化。單一的SVR模型不能有效地揭示數(shù)據(jù)的非平穩(wěn)性,其預(yù)測(cè)精度容易出現(xiàn)波動(dòng)。針對(duì)這一問(wèn)題,本研究提出一種混合多個(gè)SVR模型的算法,選取訓(xùn)練數(shù)據(jù)的不同子集訓(xùn)練出多個(gè)SVR模型,預(yù)測(cè)時(shí)通過(guò)對(duì)多個(gè)SVR模型的預(yù)測(cè)結(jié)果加權(quán)求和而得到最終預(yù)測(cè)結(jié)果,各個(gè)SVR模型的權(quán)重根據(jù)其預(yù)測(cè)精度動(dòng)態(tài)調(diào)整。通過(guò)選擇合適的子集,并采用合適的權(quán)重更新算法,可以盡量保證在某些模型預(yù)測(cè)精度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)仍能找到預(yù)測(cè)精度較高的模型,降低因金融時(shí)間序列的非平穩(wěn)性而使預(yù)測(cè)精度降低的風(fēng)險(xiǎn)。
實(shí)驗(yàn)表明,本文提出的算法,能有效地提高金融時(shí)間序列預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
SVM是Vapnik等學(xué)者在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上提出的分類(lèi)方法,建立在VC維理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化(SRM)準(zhǔn)則基礎(chǔ)上。與ANN相比,SVM具有小樣本學(xué)習(xí)、泛化能力強(qiáng)等特點(diǎn),能有效地避免過(guò)度學(xué)習(xí)、局部極小點(diǎn)及“維數(shù)災(zāi)難”等問(wèn)題。
SVR的主要概念與SVM相同,不同之處在于SVR是以回歸模型表示的。設(shè)訓(xùn)練樣本為{(xi,yi)}(i=1,2,…,n),輸入變量xi∈Rm是一個(gè)m維向量,輸出變量y∈R是一個(gè)連續(xù)值,n為樣本個(gè)數(shù)。SVR的目標(biāo)就是構(gòu)造如下的回歸函數(shù),公式(1)
其中Φ(x)可將輸入變量非線性映射到高維空間,將原本非線性可解的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成在高維空間線性可解的問(wèn)題。為確定上式中的系數(shù)w、b,可最小化,公式(2)
其中,第一項(xiàng)為經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)(誤差),第二項(xiàng)為結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)(用來(lái)預(yù)防發(fā)生過(guò)度學(xué)習(xí)問(wèn)題);C為修正系數(shù)。經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)通過(guò)下式的ε-不敏感函數(shù)進(jìn)行計(jì)算,公式(3)
該函數(shù)定義了一個(gè)管狀區(qū)域,ε為管狀區(qū)域?qū)挾?,?dāng)預(yù)測(cè)值落在管狀區(qū)域內(nèi)時(shí)損失為零,預(yù)測(cè)值落在區(qū)域外時(shí),其損失相當(dāng)于預(yù)測(cè)值與區(qū)域邊界的差。
通過(guò)引入松弛變量(slack variables)ξ及ξ*,可將上述問(wèn)題轉(zhuǎn)化成二次規(guī)劃問(wèn)題,公式(4)
該問(wèn)題可通過(guò)拉格朗日乘子法求解,決策函數(shù)(decision function)有如下形式,公式(5)
其中ai和ai*為拉格朗日乘子,滿(mǎn)足aiai*=0,ai≥0,ai*≥0,i=1,…,n,可通過(guò)下列最大化對(duì)偶函數(shù)(dual function)求得,公式(6)
約束條件為:
根據(jù)二次規(guī)劃問(wèn)題的Karush-Kuhn-Tucker(KKK)條件,決策函數(shù)中僅有特定數(shù)量的系數(shù)(ai-ai*)非零。這些系數(shù)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)被稱(chēng)為支持向量。決策函數(shù)只需要這些數(shù)據(jù)點(diǎn)即可確定。一般而言,ε越大,支持向量的個(gè)數(shù)越少,解的形式也就越稀疏,但在訓(xùn)練誤差越大。
K(xi,xj)為核心函數(shù),K(xi,xj)=Φ(xi)*Φ(xj)。
使用核心函數(shù),可以處理任意維度的特征空間,只需在特征空間進(jìn)行內(nèi)積運(yùn)算,不必顯式地將變量映射到高維空間。
任何滿(mǎn)足Mercer條件的函數(shù)都可以當(dāng)作核心函數(shù)。典型的核心函數(shù)有多項(xiàng)式核心函數(shù)、徑向基函數(shù)(Radial basis function,RBF)等:
核心函數(shù)的選擇至關(guān)重要,因?yàn)樗g接定義了變量所映射到的高維特征空間的結(jié)構(gòu),從而影響解的復(fù)雜程度。RBF函數(shù)已被廣泛地應(yīng)用于基于SVR模型的金融時(shí)間序列的預(yù)測(cè)[2-3]。在本研究中也使用RBF核作為核心函數(shù),因?yàn)镽BF核能夠?qū)崿F(xiàn)非線性映射,一般不會(huì)出現(xiàn)太大偏差,且僅需調(diào)整參數(shù)γ。
SVR的泛化能力(預(yù)測(cè)精度)很大程度上依賴(lài)于SVR超參數(shù)和核心函數(shù)參數(shù)的選擇。選定RBF作為核心函數(shù)后,需要調(diào)整的參數(shù)為:修正系數(shù)(C)、管狀區(qū)域?qū)挾龋é牛?,RBF核的參數(shù)(γ)。
(1)交叉驗(yàn)證法
參數(shù)選擇的基本思路是:通過(guò)嘗試不同的參數(shù)組合,比較其預(yù)測(cè)精度,選出預(yù)測(cè)精度最高的參數(shù)組合。
交叉驗(yàn)證法是衡量模型精度的一種常規(guī)方法。例如使用10折交叉驗(yàn)證,就是將訓(xùn)練數(shù)據(jù)集分成10份,輪流將其中9份做訓(xùn)練1份做測(cè)試,10次的結(jié)果的均值作為對(duì)精度的估計(jì)。模型的精度通常用均方根誤差(RMSE)進(jìn)行衡量,RMSE越小,精度越大,公式(7)
其中,n為測(cè)試數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù),pi為預(yù)測(cè)輸出,ai為實(shí)際輸出。
(2)使用PSO算法確定參數(shù)
為了確保SVR模型的預(yù)測(cè)精度以及減少計(jì)算量,本研究采用PSO算法確定上述參數(shù),PSO算法具有流程簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、無(wú)需復(fù)雜調(diào)整的優(yōu)點(diǎn),比傳統(tǒng)的網(wǎng)格搜索具有更高性能。
粒子的位置代表一種參數(shù)組合(C,ε,γ),使用該參數(shù)組合在訓(xùn)練數(shù)據(jù)上采用5折交叉驗(yàn)證法得到RMSE,粒子的適應(yīng)度的計(jì)算公式為(8)
實(shí)驗(yàn)中,SVR參數(shù)選擇范圍為:C=[2,1000],ε=[0.001,0.2],γ=[0.0001,2];采用的PSO參數(shù)為:c1=1.9,c2=1.9,r1=1.2,r2=1.2,ωstart=0.8,ωend=0.2,tmax=50,粒子個(gè)數(shù)為20。
使用上述參數(shù)運(yùn)行PSO算法,當(dāng)達(dá)到最大迭代次數(shù)或所得解不再變化,就終止迭代。
(3)其他方法
由于本研究需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)(尤其是在研究SVR輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)的選擇的時(shí)候),為減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間,還考慮了其他選擇參數(shù)組合的方法。
當(dāng)ε處于合理的范圍之內(nèi)時(shí),ε的變動(dòng)對(duì)SVR模型的影響不明顯[3],因此在部分實(shí)驗(yàn)中取ε=0.001。
實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)γ不變時(shí),C的變動(dòng)對(duì)SVR模型的影響不明顯。為了進(jìn)一步節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間,在部分實(shí)驗(yàn)中選擇C=3σy,其中σy為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中輸出變量的標(biāo)準(zhǔn)差。
時(shí)間序列包含一系列標(biāo)量數(shù)據(jù),因?yàn)橐话阏J(rèn)為時(shí)間序列的下一輸出與時(shí)間并不直接相關(guān),而與系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān),所以必須選擇合適的輸入向量,以重構(gòu)狀態(tài)空間。重構(gòu)狀態(tài)空間的方式包括過(guò)嵌入法(over-embedding)、特性向量法(feature vector)。
使用過(guò)嵌入法[5],必須選擇合適的維度m、時(shí)延d,在時(shí)刻i,輸入向量為{pi,pi-d,…,pi-(m-1)d},輸出變量為pi+d(pi為時(shí)刻i的價(jià)格)。對(duì)于金融時(shí)間序列,目前還沒(méi)有系統(tǒng)化的方法可以確定合適維度和時(shí)延。常規(guī)的方法,如互信息法[5]、偽鄰點(diǎn)法[5],由于金融時(shí)間序列噪聲比較高,效果并不理想。
特性向量方法,指的是考慮當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)往前的一個(gè)時(shí)間窗口,將其中的數(shù)據(jù)壓縮成幾個(gè)特性值,作為輸入向量。如果選擇的是合適的特性,輸入向量的維度往往小于過(guò)嵌入法。
本研究采用的是特征向量法,特征的選擇參考了文獻(xiàn)[3]的方法。假設(shè)選定的輸入向量維度為m,時(shí)延為d。在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)j,輸入向量為{RDP1,d,…,RDPm-1,d,EMA15},輸出變量為RDPd:
其中p(j)為時(shí)間點(diǎn)j的價(jià)格。EMA15的計(jì)算方法為:當(dāng)前價(jià)格減去15日EMA(指數(shù)移動(dòng)平均)價(jià)格。計(jì)算RDPd時(shí)必須先求得當(dāng)前以及d天后的3日EMA價(jià)格。用EMA平滑化數(shù)據(jù),可以提高模型的預(yù)測(cè)性能[3]。
對(duì)于輸入向量維度和時(shí)延的選擇,采用的是窮舉法:嘗試各種維度和時(shí)延的組合,使用單一SVR模型的方法進(jìn)行預(yù)測(cè),計(jì)算預(yù)測(cè)誤差。由于這一過(guò)程相當(dāng)耗時(shí),實(shí)驗(yàn)中采用了采用1.3節(jié)第3小節(jié)中的方法確定C、ε,并將γ的選擇范圍限定為{0.001,0.005,0.01}。
單一SVR模型的主要問(wèn)題在于不能有效處理非平穩(wěn)的金融時(shí)間序列。某一SVR模型在各個(gè)時(shí)間段的預(yù)測(cè)誤差(用NMSE表示),如圖1所示:
圖2 某一SVR模型在各個(gè)時(shí)間段的預(yù)測(cè)誤差
從圖1可以看出,同一SVR模型在不同時(shí)間段的預(yù)測(cè)誤差可能出現(xiàn)較大波動(dòng),例如在時(shí)間段22處預(yù)測(cè)誤差驟增,這種情況通常表示當(dāng)前時(shí)間段的統(tǒng)計(jì)特性發(fā)生變化,已經(jīng)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性不一致。
為了解決單一SVR模型的問(wèn)題,我們選取訓(xùn)練數(shù)據(jù)的不同子集,從中訓(xùn)練出多個(gè)SVR模型,分別用這些模型進(jìn)行預(yù)測(cè),并分析了這些模型在各個(gè)時(shí)間段的預(yù)測(cè)誤差,部分模型的預(yù)測(cè)誤差,如圖2所示:
圖2 多個(gè)SVR模型在各個(gè)時(shí)間段的預(yù)測(cè)誤差
從圖2中可以看出,雖然存在所有模型的預(yù)測(cè)誤差同時(shí)驟增的情況(如時(shí)間段22處),但通常情況下,在某些模型誤差驟增時(shí),其他模型的誤差仍然保持平穩(wěn)。根據(jù)這一規(guī)律,為了降低某些SVR模型誤差驟增所造成的影響,本研究提出一種混合多個(gè)SVR模型的算法,通過(guò)對(duì)多個(gè)SVR模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)求和而得到預(yù)測(cè)結(jié)果,公式(9)
其中,K為模型的個(gè)數(shù),fi(x)為模型i的預(yù)測(cè)結(jié)果,wi為模型i的權(quán)重,f(x)為最終的預(yù)測(cè)結(jié)果。由于最終的預(yù)測(cè)結(jié)果綜合考慮不同模型的預(yù)測(cè)結(jié)果,在部分模型出現(xiàn)較大偏差時(shí),如果其他模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較高且權(quán)重足夠大,就能夠抵消誤差驟增所造成的影響。
各個(gè)SVR模型的權(quán)重根據(jù)其上一輪的預(yù)測(cè)誤差動(dòng)態(tài)調(diào)整:
其中,K為模型的個(gè)數(shù),ei為模型i在上一輪的預(yù)測(cè)誤差(如:預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之差的絕對(duì)值),為所有模型在上一輪的預(yù)測(cè)誤差的平均值。容易看出,上一輪預(yù)測(cè)精度較高的模型權(quán)重更高,式中取平方的目的主要是為了進(jìn)一步增加其權(quán)重。由于金融時(shí)間序列有短期平穩(wěn)的特點(diǎn),多數(shù)SVR模型的預(yù)測(cè)精度在短時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定,所以這種更新權(quán)重方法能夠提高下一輪的預(yù)期預(yù)測(cè)精度。這里只根據(jù)上一輪的預(yù)測(cè)誤差調(diào)整權(quán)值,是為了及時(shí)降低誤差驟增的模型的權(quán)重從而抵消其影響。實(shí)驗(yàn)也證實(shí):如果考慮更早之前的預(yù)測(cè)誤差,預(yù)測(cè)精度并沒(méi)有得到提高。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),如果只選取權(quán)重較高的約25%的模型進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)精度比使用全部模型更好。上述權(quán)重還需歸一化:
為了盡量確保在某些模型的預(yù)測(cè)精度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)仍能找到預(yù)測(cè)精度較高的模型,必須選取合適訓(xùn)練數(shù)據(jù)子集。本研究采用的方法是:分別將訓(xùn)練數(shù)據(jù)平均劃分為2、3、4、5、6、10個(gè)分區(qū),得到共30個(gè)分區(qū)。
為驗(yàn)證本文提出的算法,使用表1中所列的指數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如表1所示:
表1 所用指數(shù)及其代號(hào)
數(shù)據(jù)從Yahoo Finance網(wǎng)站獲得,原始數(shù)據(jù)包括了每個(gè)交易日的開(kāi)盤(pán)價(jià)、收盤(pán)價(jià)、最高價(jià)、最低價(jià)、交易量等,實(shí)驗(yàn)中使用的是收盤(pán)價(jià)。數(shù)據(jù)集所跨越的歷史時(shí)期包含眾多重大的經(jīng)濟(jì)事件,應(yīng)該足以驗(yàn)證本文所提出的混合多個(gè)SVR模型的算法在非平穩(wěn)的金融時(shí)間序列上的表現(xiàn)。
首先根據(jù)1.4節(jié)的方法計(jì)算每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的輸入向量及輸出變量。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用維度m=5,時(shí)延d=5。
超出±2倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍的RDP值被當(dāng)作異常值,用與之相近的邊界值代替。
由于RBF函數(shù)對(duì)所有特征采用相同處理,從而賦予各個(gè)特征相同的權(quán)值,數(shù)值范圍較大的特征比數(shù)值范圍較小的特征影響更大。為了平衡各個(gè)特征的影響,將輸入向量各維的數(shù)據(jù)歸一到[-1,1]。
為了衡量模型的預(yù)測(cè)能力,采用衡量指標(biāo)包括:RMSE(root mean square error,均方根誤差)、NMSE(normalized mean squared error,歸一化均方誤差)、WDS(weighted directional symmetry,加權(quán)方向?qū)ΨQ(chēng)性),公式(10)
其中,n為測(cè)試數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),pi為預(yù)測(cè)輸出,ai為實(shí)際輸出。
RMSE、NMSE都衡量了模型的預(yù)測(cè)誤差,值越小,表示模型的預(yù)測(cè)精度更高。不同的是,NMSE將測(cè)試數(shù)據(jù)本身的方差考慮在內(nèi)。
WDS不僅衡量預(yù)測(cè)誤差,還考慮方向準(zhǔn)確度。WDS越小,則表示模型越好。這一指標(biāo)對(duì)于市場(chǎng)交易者更有實(shí)際意義,因?yàn)榻灰渍哧P(guān)心的往往是未來(lái)的價(jià)格的走勢(shì)而非具體價(jià)格。
需要說(shuō)明的是,計(jì)算WDS時(shí),必須先將輸出變量轉(zhuǎn)換成價(jià)格。
對(duì)上述5個(gè)指數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,將轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)集的前90%作為訓(xùn)練數(shù)據(jù),后10%作為測(cè)試數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)中分別考察了單一SVR模型和混合多個(gè)SVR模型的算法(混合模型)的預(yù)測(cè)能力。
單一SVR模型使用全部訓(xùn)練數(shù)據(jù)訓(xùn)練出一個(gè)SVR模型,并用該模型在測(cè)試數(shù)據(jù)上進(jìn)行預(yù)測(cè)。
混合模型先將選擇訓(xùn)練數(shù)據(jù)的不同子集,再在各個(gè)子集上進(jìn)行訓(xùn)練,得到多個(gè)SVR模型,再利用前文描述的算法在測(cè)試數(shù)據(jù)上進(jìn)行預(yù)測(cè)。
訓(xùn)練時(shí),使用PSO算法尋找在訓(xùn)練數(shù)據(jù)上交叉驗(yàn)證誤差最小的SVR超參數(shù)及核心函數(shù)參數(shù)。
列出了各個(gè)指數(shù)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如表2所示:
表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
同一結(jié)果,如圖3所示:
圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,與單一模型相比,混合模型的預(yù)測(cè)誤差(NMSE)降低了10%~30%,而WDS也降低了5%~25%。由此可見(jiàn),混合模型的預(yù)測(cè)能力明顯優(yōu)于單一模型。
為了分析模型的預(yù)測(cè)誤差隨時(shí)間變化的情況,將預(yù)測(cè)結(jié)果根據(jù)時(shí)間分為30個(gè)時(shí)間段,計(jì)算每個(gè)時(shí)間段的RMSE?;旌夏P团c模型中用到的各個(gè)SVR模型的預(yù)測(cè)誤差(RMSE),其中黑線表示混合模型,如圖4所示:
圖4 混合模型預(yù)測(cè)誤差與其他模型的對(duì)比
在各個(gè)時(shí)間段,混合模型的預(yù)測(cè)誤差基本上都低于其他模型。由此可見(jiàn),混合模型確實(shí)能夠有效處理非平穩(wěn)的金融時(shí)間序列,在市場(chǎng)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性變動(dòng)時(shí)仍能保持較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。從圖4中可以看到,在各個(gè)時(shí)間段,當(dāng)某些模型的預(yù)測(cè)誤差驟增時(shí),仍有其他模型的預(yù)測(cè)誤差保持穩(wěn)定,這說(shuō)明所選擇的訓(xùn)練數(shù)據(jù)子集具有互補(bǔ)性,而權(quán)重的調(diào)整算法也較合理,能有效抵消非平穩(wěn)性的影響。
但是,時(shí)間段22處的預(yù)測(cè)誤差仍然較大,這可能是因?yàn)檫x擇訓(xùn)練數(shù)據(jù)的子集的算法還有待改進(jìn),也有可能因?yàn)槭袌?chǎng)在該時(shí)間段的可預(yù)測(cè)性較低,在后續(xù)研究中將繼續(xù)研究這一問(wèn)題。
本文提出一種混合多個(gè)SVR模型的金融時(shí)間序列預(yù)測(cè)算法。在全球5大股指上的實(shí)驗(yàn)表明,與單一SVR模型相比,該算法預(yù)測(cè)金融時(shí)間序列的能力有顯著提升。這種改進(jìn)主要是由于算法考慮了時(shí)間金融序列的非平穩(wěn)性,采用不同的數(shù)據(jù)訓(xùn)練出多個(gè)SVR模型,通過(guò)合理調(diào)整各個(gè)模型的權(quán)重來(lái)抵消某些模型出現(xiàn)波動(dòng)而造成的影響,從而提高整體的預(yù)測(cè)精度。
后續(xù)研究中將進(jìn)一步優(yōu)化算法,繼續(xù)分析SVR輸入向量的維度、時(shí)延對(duì)算法預(yù)測(cè)能力的影響,并將該算法應(yīng)用于其他非平穩(wěn)時(shí)間序列,考察算法的通用性。
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