LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在股票價(jià)格趨勢預(yù)測中的應(yīng)用
——基于美港股票市場個(gè)股數(shù)據(jù)的研究

一、前言

截至2017年年底，全球股市總市值逼近百萬億美元，世界上市公司總數(shù)超過4萬家[1]，全球股票市場達(dá)到空前規(guī)模，其波動(dòng)對(duì)全球經(jīng)濟(jì)的影響是重大而深遠(yuǎn)的。雖然豐富的歷史股票信息為廣大投資者和分析者提供了數(shù)據(jù)資源，但是單單依靠分析者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和直覺進(jìn)行分析與判斷，顯然不可靠且低效，因此人們需要一個(gè)智能、科學(xué)且高效的研究方法來幫助指導(dǎo)股票交易。由于金融時(shí)間序列具有非平穩(wěn)性、非線性、高噪聲的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型難以對(duì)其作出較高精度的預(yù)測。 而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法以其良好的非線性逼近能力和自學(xué)自適應(yīng)等特點(diǎn)，成為目前比較流行的預(yù)測手段。其中，LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種新型可實(shí)現(xiàn)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其具備選擇性記憶性以及時(shí)序內(nèi)部影響的特性極適用于股票價(jià)格時(shí)間序列這種類隨機(jī)的非平穩(wěn)序列。

在過去幾年，國外學(xué)者對(duì)于RNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用多為圖片識(shí)別以及人工智能，國內(nèi)科學(xué)家以及學(xué)者們更加傾向研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)數(shù)學(xué)模型的結(jié)合使用，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到更好的預(yù)測結(jié)果[2]。對(duì)于LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，國內(nèi)學(xué)者也僅在近四五年將其運(yùn)用在數(shù)據(jù)挖掘的分類算法上，基于 LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在這些方面的優(yōu)異表現(xiàn)，文章旨在探究LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否可以應(yīng)用于個(gè)股的價(jià)格趨勢預(yù)測。

二、模型原理介紹

LSTM(Long Short-Term Memory)是長短期記憶網(wǎng)絡(luò)，是一種時(shí)間遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，適合于處理和預(yù)測時(shí)間序列中間隔和延遲相對(duì)較長的重要事件。LSTM算法最早由 Sepp Hochreiter和Jurgen Schmidhuber于1997年提出，是一種特定形式的RNN(Recurrent neural network，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))，而RNN是一系列能夠處理序列數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的總稱。本研究使用的LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理股票序列的流程[2]如圖1。

圖1 LSTM層的結(jié)構(gòu)

三、實(shí)驗(yàn)基本內(nèi)容

模型假設(shè)

文章采用Python語言編程實(shí)現(xiàn)LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和預(yù)測過程，以TensorFlow作為深度學(xué)習(xí)框架進(jìn)行訓(xùn)練，并進(jìn)行圖形擬合和誤差評(píng)估。

基于實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性、合理性以及準(zhǔn)確性考慮，文章選擇香港股票市場和美國股票市場個(gè)股作為研究對(duì)象。為減少單個(gè)個(gè)股被莊家控盤或主力做市的可能性以及削弱不同市場的相關(guān)影響，文章最終選取的基礎(chǔ)研究對(duì)象為美港股票市場中單個(gè)市場上市且市值較大的個(gè)股。

模型構(gòu)建

模型預(yù)測方式為利用前7個(gè)成交日的數(shù)據(jù)預(yù)測第8日的收盤價(jià)數(shù)據(jù)。訓(xùn)練的方式主要為取前70%的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后再取原數(shù)據(jù)后30%的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行滑動(dòng)順序預(yù)測。

模型結(jié)構(gòu)：模型層數(shù)劃分與時(shí)間點(diǎn)一致，且每一層均有輸入輸出，輸入時(shí)可根據(jù)時(shí)序前后逐一輸入，隱藏層內(nèi)的神經(jīng)元個(gè)數(shù)與自變量個(gè)數(shù)完全一致，本實(shí)驗(yàn)中為5個(gè)自變量(參數(shù))，分別是開盤價(jià)、最高價(jià)、最低價(jià)、收盤價(jià)與成交量。層與層之間根據(jù)時(shí)序從前向后影響和從后向前反饋，形成整個(gè)隱藏層的自循環(huán)。模型網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：(1)時(shí)間步數(shù)：7；(2)隱藏層數(shù)目：10；(3)學(xué)習(xí)率：0.01；(4)迭代次數(shù)：500。

數(shù)據(jù)獲取與處理

(一)數(shù)據(jù)獲取：文章主要研究對(duì)象為友邦保險(xiǎn)(01299.HK)、長和(00001.HK)、微軟(MSFT)以及亞馬遜(AMZN)2016年11月2日至2017年11月1日的日K數(shù)據(jù)。利用Wind數(shù)據(jù)庫Excel插件下載股票的日K數(shù)據(jù)，時(shí)間區(qū)間為2016年11月2日至2017年11月1日，股票屬性為日期、開盤價(jià)、收盤價(jià)、最高價(jià)、最低價(jià)以及日成交量，剔除無效日期的數(shù)據(jù)，得到包括以上六個(gè)屬性的CSV文件。為了驗(yàn)證模型的有效性，文章選取了多只股票的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)示例如下：

表1 友邦保險(xiǎn)股票歷史樣本數(shù)據(jù)示例

(二)數(shù)據(jù)歸一化處理：在將歷史數(shù)據(jù)帶入模型進(jìn)行訓(xùn)練前，由于數(shù)據(jù)中幾個(gè)參數(shù)的維度不同，比如成交量與價(jià)格之間數(shù)量級(jí)上的巨大差異，所以需要先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。歸一化使得每個(gè)參數(shù)隨梯度下降的步長與其數(shù)量級(jí)相對(duì)應(yīng)，可提升模型的收斂速度及預(yù)測精度。把數(shù)據(jù)維度控制在0到1之間，歸一化函數(shù)如下：

Xnew=(Xold-min(X))/(max(X)-min(X))

而為了保證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)數(shù)量級(jí)相符，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果的輸出也需要進(jìn)行反歸一化處理，公式為：

y(i)=yi(max(xi)-min(xi) )+min(xi)

其中，yi為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

模型的訓(xùn)練效果分析

圖2 LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練誤差變化趨勢圖

學(xué)習(xí)率可用來限制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)每次更新中權(quán)重項(xiàng)修正值的大小。迭代次數(shù)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練集上訓(xùn)練同時(shí)更新權(quán)重項(xiàng)的次數(shù)。這兩個(gè)參數(shù)和訓(xùn)練集一起，都是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中預(yù)測函數(shù)的輸入?yún)?shù)。在學(xué)習(xí)率為0.01的情況下，訓(xùn)練集不斷對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行迭代訓(xùn)練使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出誤差越來越小，直至誤差收斂于一個(gè)很小的區(qū)間。下圖為當(dāng)學(xué)習(xí)率為0.01，迭代次數(shù)為500，對(duì)改進(jìn)的LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分別輸入4只不同股票訓(xùn)練數(shù)據(jù)時(shí)訓(xùn)練誤差的收斂情況。其中橫坐標(biāo)表示迭代次數(shù)，縱坐標(biāo)表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的誤差平方和。

綜合比較以上四圖的曲線，容易得出，在模型的訓(xùn)練過程中，當(dāng)學(xué)習(xí)率為0.01、迭代次數(shù)為500時(shí)，4只不同股票的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)對(duì)模型的訓(xùn)練均使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測誤差快速收斂于(0，0.1)區(qū)間，且收斂的迭代次數(shù)均在100次以內(nèi)。這說明改進(jìn)的LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)能快速收斂，并且誤差很小。模型訓(xùn)練時(shí)誤差在前100次迭代中快速減小說明改進(jìn)的LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有快速性，而模型訓(xùn)練后誤差穩(wěn)定在較低水平說明模型具有穩(wěn)定性。股票市場在多年的發(fā)展中累積了大量的歷史交易數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)維度眾多，價(jià)格預(yù)測難度大，模型的快速性有利于快速分析海量股票數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)即時(shí)預(yù)測效果。對(duì)股票價(jià)格進(jìn)行預(yù)測會(huì)很大程度上影響投資者的未來收益，股價(jià)預(yù)測的準(zhǔn)確性對(duì)投資者有著重要意義，因而網(wǎng)絡(luò)模型的穩(wěn)定性也是模型適用于股價(jià)預(yù)測的一大特點(diǎn)。

預(yù)測結(jié)果圖形擬合對(duì)比分析

模型預(yù)測結(jié)果擬合成圖形如下(如圖例所示，藍(lán)色曲線為預(yù)測值，紅色曲線為真實(shí)值，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為股票價(jià)格)：

圖3 LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)股票收盤價(jià)趨勢預(yù)測(2017.7.19-2017.11.1)

觀察以上四個(gè)擬合圖的曲線，將預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較，不難看出：雖然部分仿真輸出與真實(shí)輸出比較存在一定程度的時(shí)間滯后性，模型對(duì)四只港股價(jià)格的仿真輸出與真實(shí)輸出在總體趨勢上基本一致。限于所給精度要求和訓(xùn)練樣本個(gè)數(shù)，存在一定預(yù)測誤差是在所難免的，模型預(yù)測結(jié)果擬合曲線表明LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)友邦保險(xiǎn)、長和、微軟以及亞馬遜四只美港股票市場個(gè)股的價(jià)格趨勢預(yù)測還是比較準(zhǔn)確的。

從單只股票的預(yù)測價(jià)格和真實(shí)價(jià)格對(duì)比來看，微軟的預(yù)測效果是四個(gè)仿真預(yù)測實(shí)驗(yàn)中最好的，而友邦保險(xiǎn)和亞馬遜的預(yù)測值與真實(shí)值的偏差程度較大，預(yù)測效果略遜一籌。這說明模型對(duì)不同個(gè)股的預(yù)測效果不同，個(gè)股預(yù)測效果優(yōu)劣不僅與股票市場因素有關(guān)，也與個(gè)股自身因素相關(guān)。

模型預(yù)測精度分析

文章采用均方根誤差(RMSE)對(duì)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。均方根誤差也稱為標(biāo)準(zhǔn)誤差，是觀測值與真實(shí)值的誤差平方根的均值。在實(shí)際測量中，觀測次數(shù)總是有限的，真實(shí)值只能用最可信賴(最佳)值來代替，而方根誤差對(duì)一組測量中的特大或特小誤差反映非常敏感，所以，均方根誤差能夠很好地反映出測量的精密度。RMSE計(jì)算公式如下，其中Yi為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出值，Y為真實(shí)值。

當(dāng)對(duì)某一個(gè)變量進(jìn)行多次測量時(shí)，RMSE反映了測量數(shù)據(jù)偏離真實(shí)值的程度，RMSE越小，表示測量精度越高。下表為模型對(duì)4只港股進(jìn)行預(yù)測時(shí)的RMSE數(shù)據(jù)。

表2 模型對(duì)個(gè)股價(jià)格預(yù)測的均方根誤差對(duì)比表

從表2中可以看到，模型預(yù)測亞馬遜的RMSE為0.051609，較其他3只股票的預(yù)測RMSE大，其預(yù)測值與真實(shí)值擬合圖形的分散程度較大，而模型預(yù)測微軟的RMSE為0.033077，較其他3只股票的預(yù)測RMSE小，其預(yù)測值與真實(shí)值擬合圖形的分散程度較小，預(yù)測精度最高。模型對(duì)友邦保險(xiǎn)、長和、微軟以及亞馬遜4只個(gè)股價(jià)格趨勢預(yù)測的RMSE均處于(0，0.1)的區(qū)間內(nèi)，說明模型對(duì)于大市值港股價(jià)格的預(yù)測精度很高，預(yù)測結(jié)果顯著。

五、結(jié)論與展望

實(shí)驗(yàn)利用LSTM對(duì)股票市場預(yù)測進(jìn)行建模，用訓(xùn)練好的模型來進(jìn)行股票預(yù)測，選取代表性個(gè)股的股票數(shù)據(jù)為例，對(duì)其進(jìn)行預(yù)測，用實(shí)例證明了LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，能擬合股票數(shù)據(jù)做出預(yù)測，并取得了較好的效果。

然而文章選取的研究數(shù)據(jù)量有限，研究結(jié)果難以代表整個(gè)股票市場的預(yù)測應(yīng)用效果。另外，文章只討論了LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在美港股市中的預(yù)測適用性，并未對(duì)模型適用性差的情況作出進(jìn)一步改進(jìn)。該研究課題還有很大的可研究空間。