今天我们做一个关于股票的小项目--预测股票走势。首先要声明下，股市有风险，购买需谨慎啊！股票作为金融体系的一员，其走势收到了多方面的影响，并不是能够通过一两个算法，一些参数就可以完美预测，这是基于此，才衍生出了进入量化这个学科，专门用来做金融方面的数据分析。
而我们今天要做的小项目其实是最为初级的实战，就是通过线性回归算法，来简单预测未来股票的走势情况。
线性回归，这个最为基础的入门机器学习算法，它实在是太普遍，太简单了，甚至我们很多人在接触这个算法的时候，根本没有想到它竟然还是机器学习的一门算法。那么今天我们就简单的介绍下这个算法，并把它应用到股票预测上来。
线性回归
线性回归，英文是 liner regression。是利用线性回归方程的最小二乘函数对一个或多个自变量和因变量之间的关系进行建模的方法。
在上面的图表中可以看出，每一个 X 值，都会对应一个或几个 Y 值，而这些 Y 值并不是完全无规律的，它们会大致分布在一条直线的两边，对于这样的数据点，我们就可以使用线性回归来拟合预测。
数学表达
例如在空间中，我们拥有如下的数据点
其中 Y 是我们需要预测的数值，而 X 则是这些样本点的多个特征。
又因为我们假设 Y 和 X 之间是有线性关系的，所以就可以得到一个线性方程
矩阵表达
对于线性回归算法，就不再过多介绍了，感兴趣的同学可以去查找下资料，看看它的损失函数是如何推导的。
股票预测
现在我们就通过线性回归算法，来进行股票的预测。
获取数据
首先我们先导入相关库
代码语言：javascript复制import pandas as pd
import tushare as ts
接下来我们就可以通过 tushare 库来获取股票数据了
代码语言：javascript复制import tushare as ts
df = ts.get_hist_data('000001')
print(df)
>>>
open high close low volume price_change p_change
date
2019-11-05 16.80 17.44 17.15 16.79 1172485.88 0.23 1.36
2019-11-04 16.98 17.25 16.92 16.77 889824.25 0.06 0.36
2019-11-01 16.35 17.00 16.86 16.28 1254655.50 0.60 3.69
2019-10-31 16.42 16.47 16.26 16.24 862569.25 -0.17 -1.03
2019-10-30 16.80 16.96 16.43 16.42 854317.19 -0.48 -2.84
... ... ... ... ... ... ... ...
2017-05-12 8.68 8.90 8.90 8.64 917968.19 0.20 2.30
2017-05-11 8.65 8.72 8.70 8.60 503643.56 0.03 0.35
2017-05-10 8.63 8.80 8.67 8.62 573077.69 0.03 0.35
2017-05-09 8.56 8.64 8.64 8.55 324194.47 0.07 0.82
2017-05-08 8.60 8.62 8.57 8.54 460089.88 -0.06 -0.69 ma5 ma10 ma20 v_ma5 v_ma10 v_ma20
date
2019-11-05 16.724 16.739 16.720 1006770.41 966103.30 1106131.26
2019-11-04 16.676 16.666 16.673 930046.19 1037207.85 1116840.78
2019-11-01 16.624 16.663 16.606 966107.56 1042820.65 1124667.73
2019-10-31 16.628 16.628 16.558 853463.61 1037035.01 1112320.27
2019-10-30 16.750 16.672 16.531 902792.71 1063396.31 1153521.44
... ... ... ... ... ... ...
2017-05-12 8.696 8.696 8.696 555794.76 555794.76 555794.76
2017-05-11 8.645 8.645 8.645 465251.40 465251.40 465251.40
2017-05-10 8.627 8.627 8.627 452454.01 452454.01 452454.01
2017-05-09 8.605 8.605 8.605 392142.18 392142.18 392142.18
2017-05-08 8.570 8.570 8.570 460089.88 460089.88 460089.88 [611 rows x 13 columns]
可以看到，此时的变量 df 中已经保存了 000001 股票的数据，时间范围是从2017.05 到2019.11
查看特征
接下来我们看下数据各个列的含义
股票数据的特征
- date：日期
- open：开盘价
- high：最高价
- close：收盘价
- low：最低价
- volume：成交量
- price_change：价格变动
- p_change：涨跌幅
- ma5：5日均价
- ma10：10日均价
- ma20:20日均价
- v_ma5:5日均量
- v_ma10:10日均量
- v_ma20:20日均量
数据处理
检查是否有缺失值
代码语言：javascript复制df.dropna(axis=0 , inplace=True)
df.isna().sum()
>>>
open 0
high 0
close 0
low 0
volume 0
price_change 0
p_change 0
ma5 0
ma10 0
ma20 0
v_ma5 0
v_ma10 0
v_ma20 0
dtype: int64
再把数据按照时间排序
代码语言：javascript复制df.sort_values(by=['date'], inplace=True, ascending=True)
df.tail()
>>>
open high close low volume price_change p_change
date
2019-10-30 16.80 16.96 16.43 16.42 854317.19 -0.48 -2.84
2019-10-31 16.42 16.47 16.26 16.24 862569.25 -0.17 -1.03
2019-11-01 16.35 17.00 16.86 16.28 1254655.50 0.60 3.69
2019-11-04 16.98 17.25 16.92 16.77 889824.25 0.06 0.36
2019-11-05 16.80 17.44 17.15 16.79 1172485.88 0.23 1.36 ma5 ma10 ma20 v_ma5 v_ma10 v_ma20
date
2019-10-30 16.750 16.672 16.531 902792.71 1063396.31 1153521.44
2019-10-31 16.628 16.628 16.558 853463.61 1037035.01 1112320.27
2019-11-01 16.624 16.663 16.606 966107.56 1042820.65 1124667.73
2019-11-04 16.676 16.666 16.673 930046.19 1037207.85 1116840.78
2019-11-05 16.724 16.739 16.720 1006770.41 966103.30 1106131.26
画K线图
下面我们手动画一个K线图，来整体看下该支股票的走势
代码语言：javascript复制from plotly import tools
from plotly.graph_objs import *
from plotly.offline import init_notebook_mode, iplot, iplot_mpl
init_notebook_mode()
import plotly.plotly as py
import plotly.graph_objs as gotrace = go.Ohlc(x=df.index, open=df['open'], high=df['high'], low=df['low'], close=df['close'])
data = [trace]
iplot(data, filename='simple_ohlc')
我们来简单看下 K 线图该如何查看，先把图片放大，使我们可以看到每一天的具体情况
我们就以红框中的两天为例
绿色的代表当天使涨的，红色的代表当天使跌的；
而竖线的上下两端，就代表当天的最高价和最低价；
还有向左和向右的两条横线，向左的代表当天的开盘价，向右的代表当天的收盘价。所以绿色的线，向左的横线是低于向右的横线的，代表当天涨，红线则正好相反；
我们可以从K线图中看出，股票在总体上是没有线性规律的，但是在某几天之内，还是会有大致的线性规律的，所以我们可以通过线性回归预测未来某几天的股票走势，而不是未来某几个月甚至某几年的走势。
整理预测值
由于我们需要对训练好的模型做预测来确认模型的性能，所以需要把数据中的 close 数据做位置转移。
什么意思呢，比如说我要预测未来5天的股票走势，那么如果要预测的时间是2019-11-05，2019-11-04，2019-11-01，2019-10-31，2019-10-30，则需要在2019-10-29预测2019-11-05的股票走势，2019-10-29预测2019-11-04的走势，依次类推。所以就需要在2019-10-29、2019-10-28增加一列，可以记为 label，其数值就是2019-11-05、2019-11-04的 close 值。
代码语言：javascript复制num = 5 # 预测5天后的情况
df['label'] = df['close'].shift(-num) # 预测值
代码语言：javascript复制这里可能有点绕，没有理解的再慢慢体会下。
df.head(20)
观察下数据，每一行的 label 确实是未来第五天的 close 值。
提取特征
因为价格变化和交易量都是可以通过数据中的其他值计算出来的，所以和 label 一起排除在训练特征之外
代码语言：javascript复制feature = df.drop(['label', 'price_change', 'p_change'],axis=1)
print(feature.head())
>>>
open high close low volume ma5 ma10 ma20
date
2017-05-08 8.60 8.62 8.57 8.54 460089.88 8.570 8.570 8.570
2017-05-09 8.56 8.64 8.64 8.55 324194.47 8.605 8.605 8.605
2017-05-10 8.63 8.80 8.67 8.62 573077.69 8.627 8.627 8.627
2017-05-11 8.65 8.72 8.70 8.60 503643.56 8.645 8.645 8.645
2017-05-12 8.68 8.90 8.90 8.64 917968.19 8.696 8.696 8.696 v_ma5 v_ma10 v_ma20
date
2017-05-08 460089.88 460089.88 460089.88
2017-05-09 392142.18 392142.18 392142.18
2017-05-10 452454.01 452454.01 452454.01
2017-05-11 465251.40 465251.40 465251.40
2017-05-12 555794.76 555794.76 555794.76
数据规范化
代码语言：javascript复制from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn import preprocessing
X = feature.values
X = preprocessing.scale(X)
X = X[:-num]df.dropna(inplace=True)
Target = df.label
y = Target.valuesprint(np.shape(X), np.shape(y))
>>>
(606, 11) (606,)
构建模型
划分训练集和测试集
代码语言：javascript复制# 将数据分为训练数据和测试数据
X_train, y_train = X[0:550, :], y[0:550]
X_test, y_test = X[550:, -51:], y[550:606]
print(X_train.shape)
print(y_train.shape)
print(X_test.shape)
print(y_test.shape)
>>>
(550, 11)
(550,)
(56, 11)
(56,)
训练模型
代码语言：javascript复制lr = LinearRegression()
lr.fit(X_train, y_train)
lr.score(X_test, y_test)
>>>
0.5549047367028686
可以看到模型的得分并不是很高，这样很正常，毕竟股票走势不可能简单的通过一个线性回归模型就能够准确预测的
预测
代码语言：javascript复制X_Predict = X[-num:]
Forecast = lr.predict(X_Predict)
print(Forecast)
print(y[-num:])
print(X_Predict)
>>>
[16.27972269 16.59639261 16.6260728 16.45388175 16.64749987]
[16.43 16.26 16.86 16.92 17.15]
[[ 2.32368696 2.35103674 2.37083859 2.4030061 -0.25218353 2.49196006
2.61527982 2.44366571 0.22559643 0.22221994 0.69169444]
[ 2.41461999 2.51367369 2.58229797 2.51131585 -0.01723373 2.50932124
2.64797108 2.49788649 0.218406 0.27564109 0.59120658]
[ 2.55607137 2.49396012 2.58733272 2.58352236 -0.7100412 2.54710735
2.65160345 2.53922312 0.00424489 0.10942186 0.33793334]
[ 2.65710807 2.53338726 2.47656828 2.53194628 -0.08204654 2.52361869
2.62254455 2.57358085 0.05686897 -0.0040717 0.29472561]
[ 2.51060486 2.47917494 2.60243696 2.57320714 -0.54847362 2.57365975
2.60853401 2.62028587 -0.40702501 -0.0257436 0.25059866]]
下面我们就可以把真实的股票走势和我们预测的股票走势都通过折线的方式画出来，这样会更加直观的看出预测结果 我们先确定要预测的5天范围
代码语言：javascript复制trange = pd.date_range('2019-05-13', periods=num, freq='d')
Predict_df = pd.DataFrame(Forecast, index=trange)
Predict_df.columns = ['forecast']
再把预测的5天的数值插入到原始数据当中
代码语言：javascript复制# 将预测值添加到原始dataframe
df_new = ts.get_hist_data('000001')
# 按照时间升序排列
df_new.sort_values(by=['date'], inplace=True, ascending=True)
df_new.index = df_new.index.astype('datetime64[ns]')
df_concat = pd.concat([df_new, Predict_df], axis=1)df_concat = df_concat[df_concat.index.isin(Predict_df.index)]
df_concat
最后画出两条折线
代码语言：javascript复制# 画预测值和实际值
df_concat['close'].plot(color='green', linewidth=1)
df_concat['forecast'].plot(color='orange', linewidth=3)
plt.xlabel('Time')
plt.ylabel('Price')
plt.show()
可以看出，预测的股票数值与原始真实的数值是有较大差距的，但是股票的走势还是大致相近的，那么这也可以在一定程度上指导我们是买进还是卖出了！
完整代码，在 GitHub 上下载
https://github.com/zhouwei713/DataAnalyse/tree/master/stock_prediction
总结
本节我们简单介绍了线性回归算法，作为我们从小就接触过的算法，在机器学习领域也是有着不错的应用前景的。
我们就通过线性回归模型，训练了一个简单的股票预测程序，虽然准确率不高，但是总体走势还是有一定的参考性的。当然，还是那句话，股票走势是一个很复杂的事物，其会受到方方面面各种因素的影响，要想做好金融量化，股票预测等事情，需要付出更多的努力有技术！
