基于Python的LSTM网络实现单特征预测回归任务

长短期记忆网络（Long Short-Term Memory, LSTM）是一种特殊的递归神经网络（RNN），适用于处理时间序列数据和其他序列数据的预测问题。它特别适合处理具有时间依赖性和长期依赖关系的序列数据。

以下是基于Python和Keras库的LSTM网络实现单特征预测回归任务的详细代码介绍：

import numpy as np
import pandas as pd
from keras.models import Sequential
from keras.layers import LSTM, Dense
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
from sklearn.model_selection import train_test_split# 加载数据
# 在这里，我们假设你有一个CSV文件 'data.csv'，其中有两个列：'date' 和 'value'
data = pd.read_csv('data.csv')
data['date'] = pd.to_datetime(data['date'])# 将数据按时间排序
data.sort_values(by='date', inplace=True)# 提取单一特征
feature = data['value'].values# 将数据缩放到0到1之间
scaler = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))
feature_scaled = scaler.fit_transform(feature.reshape(-1, 1))# 准备数据
def prepare_data(feature, look_back=1):X, y = [], []for i in range(len(feature) - look_back):X.append(feature[i:i + look_back])y.append(feature[i + look_back])return np.array(X), np.array(y)look_back = 10  # 选择过去多少个时间步作为输入
X, y = prepare_data(feature_scaled, look_back)# 划分训练和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)# 将输入数据重新调整为LSTM所需的三维数组格式
# 格式为 (样本数量, 时间步, 特征数量)
X_train = np.reshape(X_train, (X_train.shape[0], X_train.shape[1], 1))
X_test = np.reshape(X_test, (X_test.shape[0], X_test.shape[1], 1))# 创建LSTM模型
model = Sequential()
model.add(LSTM(50, input_shape=(look_back, 1)))
model.add(Dense(1))# 编译模型
model.compile(optimizer='adam', loss='mean_squared_error')# 训练模型
model.fit(X_train, y_train, epochs=50, batch_size=32, validation_data=(X_test, y_test))# 预测
y_pred = model.predict(X_test)# 将预测结果反缩放
y_pred_inv = scaler.inverse_transform(y_pred)
y_test_inv = scaler.inverse_transform(y_test)# 评估模型
from sklearn.metrics import mean_squared_error
mse = mean_squared_error(y_test_inv, y_pred_inv)
print("均方误差 (MSE):", mse)# 可视化结果
import matplotlib.pyplot as pltplt.plot(data['date'].iloc[-len(y_test):], y_test_inv, label='真实值')
plt.plot(data['date'].iloc[-len(y_test):], y_pred_inv, label='预测值')
plt.legend()
plt.show()