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用NeuralProphet预测股价：AI金融新利器（附源码）

news 来源：原创 2025/7/3 16:00:37

作者：老余捞鱼

原创不易，转载请标明出处及原作者。

写在前面的话：我用NeuralProphet模型预测了股票价格，发现其通过结合时间序列分析和神经网络算法，确实能提供比传统Last Value方法更精准的预测。经过一系列超参数调优，其预测效果更是显著，如果你也对AI金融股价预测感兴趣，这篇文章会给你带来不少启发。

一、NeuralProphet 概述

在本文中，我们将尝试用 NeuralProphet 来预测股票价格。NeuralProphet 是由 Meta 公司开发的，据说比之前的 Prophet 软件包更强大。在之前的文章中，我们用 Prophet 做过类似的任务，但效果不太理想。这次，我们将看看 NeuralProphet 是否能带来更好的表现。根据 NeuralProphet 官网的介绍：

NeuralProphet - 使用标准深度学习方法融合传统时间序列算法，基于 PyTorch 构建，灵感来自 Facebook Prophet 和 AR-Net。

NeuralProphet 采用可分解的时间序列模型，其模型组件包括趋势、季节性、事件效应和回归效应。它们的组合公式为:

y(t) = T(t) + S(t) + E(t) + F(t) + A(t) + L(t),where T(t) = Trend at time t
S(t) = Seasonal effects at time t
E(t) = Event and holiday effects at time t
F(t) = Regression effects at time t for future-known exogenous variables
A(t) = Auto-regression effects at time t based on past observations
L(t) = Regression effects at time t for lagged observations of exogenous variables

这种可分解的时间序列在预测领域非常常见。在文章的后半部分，我们会详细讲解如何调整上述方程中的各个组成部分，以便更好地优化预测结果。

官网地址如下：NeuralProphet

二、目的

我们的核心任务是利用过去 N 天的历史数据，预测 Vanguard 全市场 ETF（VTI）每日调整后的收盘价。为了实现这一目标，我们使用了 VTI 从 2013 年 1 月 2 日到 2018 年 12 月 28 日共 6 年的历史价格数据。这些数据可以从雅虎财经轻松获取，下载后的数据集结构如下所示。通过这个项目，我们旨在验证 NeuralProphet 模型在股价预测中的表现，并探索其在实际投资分析中的应用潜力。

我们总共有 1509 天的数据可供使用。整个数据集中的调整后收盘价图如下所示：

我们使用以下公式计算每日收益

其中，r(t) 和 p(t) 分别表示第 t 天的日收益率和调整后收盘价。为了观察每日收益的分布情况，我们绘制了下面的分布图：

如上图所示，分布图非常接近高斯分布。为了进一步验证这一点，我们使用 scipy.stats 软件包绘制概率图，如下所示。对于 scipy.stats 中的概率图，默认情况下是将样本分布与高斯分布进行比较。与红色直线的拟合度越高，则与高斯分布的拟合度越高。我们观察到，除了极端值（约 > +/- 2.5）外，每日回报的分布与高斯分布的拟合程度相当高。

为了全面评估 NeuralProphet 的性能，仅仅在单一日期进行一次预测是远远不够的。因此，我们将在数据集中的多个不同日期进行多次预测，并取这些预测结果的平均值作为最终评估依据。在每次预测中，我们都会将 NeuralProphet 方法与 Last Value 方法进行对比，以更客观地衡量 NeuralProphet 的准确性和稳定性。这种方法不仅能减少随机误差的影响，还能更好地反映模型在实际应用中的表现。

为了评估我们方法的有效性，我们将使用均方根误差 (RMSE)、平均绝对百分比误差 (MAPE) 和平均绝对误差 (MAE) 指标。对于所有指标，数值越小，预测效果越好。

三、训练和验证

为了进行预测，我们需要将数据分为训练集和验证集。具体来说，我们将使用 3 年的数据（约 756 天，按每年 252 个交易日计算）作为训练集，并用接下来 1 年的数据（252 天）作为验证集。这意味着每次预测都需要 1,008 天的数据（756 天训练 + 252 天验证）。模型会在训练集上进行训练，而验证集则用于调整超参数。

为了优化超参数，我们采用了移动窗口验证法。举个例子，假设我们总共有 896 天的数据，并希望在第 857 天进行为期 40 天的预测。根据经验，对于预测范围 H，我们通常每隔 H/2 天进行一次预测。通过 756 天的训练集，我们可以进行 4 次验证（如下图所示）。我们会计算这 4 次验证的误差指标（如 RMSE、MAPE 等），并取其平均值。最终，选择误差平均值最小的超参数组合作为最佳模型配置。确定最佳超参数后，我们将在第 857 天进行预测并报告结果。这种方法不仅能提高模型的稳定性，还能更准确地评估其在实际应用中的表现。

在下文中，我们将首先对数据集的第 1009 天进行预测，预测期限为 21 天（注意，一个月约有 21 个交易日，不包括周末）。对于 NeuralProphet，我们将使用前 1008 天作为训练集和验证集，如上文所述，按 756:252 的比例分割。我们将在下一节首先解释最后值方法。

四、Last Value

在"Last Value"方法中，预测值直接采用最近一次的观测值。具体到我们的应用场景，就是将当前的调整后收盘价预测为前一天的调整后收盘价。这种方法具有以下特点：

实现简单，计算成本最低。
无需进行任何超参数调整。
常被用作评估更复杂预测模型的基准。

基于该方法，我们对数据集第1009天进行了21天期限的预测。这种朴素预测方法虽然简单，但在某些情况下可能表现出令人惊讶的有效性，特别是在时间序列具有较强持续性的情况下。

上述预测的 RMSE 为 1.89，MAPE 为 1.59%，MAE 为 1.80。

五、运行预测

5.1 无超参数调整的 NeuralProphet

要使用 NeuralProphet 运行预测，请使用下面的代码。

from neuralprophet import NeuralProphet, set_random_seedtrain_size = 252*3                     # Use 3 years of data as train set
val_size = 252                         # Use 1 year of data as validation set
train_val_size = train_size + val_size # Size of train+validation set
i = train_val_size                     # Day to forecast
H = 21                                 # Forecast horizonset_random_seed(random_seed) # Set a random seed for reproducibilitym = NeuralProphet()
m.set_plotting_backend("plotly-static")
metrics = m.fit(df_nprophet[i-train_val_size:i])# Create dataframe with the dates we want to predict
future = m.make_future_dataframe(df_nprophet[i-train_val_size:i], n_historic_predictions=True, periods=H)# Predict
forecast = m.predict(future)

为了快速直观，我们使用 Prophet 绘制预测图：

m.plot(forecast)

这个模型结构较为基础，其初始配置包括趋势项、每周周期性变化以及年度周期性变化。您可以根据以下方式单独查看每个组成部分的内容。

m.plot_components(forecast);

请注意观察就会发现，周季节性曲线图几乎是平的，这意味着 NeuralProphet 无法检测到周内差异。

单个系数的数值也可以绘制成如下图所示，以获得更深入的了解。

m.plot_parameters()

请注意，上面显示的 "季节性：年图 "和 "季节性：周图 "是成分图的一个周期。

在上图的预测中，显示的是股票收益预测。我们可以使用代码将其转换为价格：

# Convert back to price
est_adj_close = []
prev_tg = df.loc[i-1, 'adj_close']
for n in range(H):est_adj_close.append((float(preds_list.iloc[n])/100+1)*prev_tg)prev_tg = (float(preds_list.iloc[n])/100+1)*prev_tg

之后，股票价格的预测结果如下。

上述预测的 RMSE 为 1.60，MAPE 为 1.35%，MAE 为 1.52。

5.2 带有超参数调整功能的 NeuralProphet - Changepoints

时间序列的轨迹通常会发生突变。这种变化点检测的强度可以通过参数 n_changepoints 来调整。增加 n_changepoints 会使趋势更灵活，导致过度拟合。减少 n_changepoints 会降低趋势的灵活性，导致拟合不足。默认情况下，该参数设置为 10。

在偏移量 m 的基础上，再将增长率 k 乘以自起点 t0 起的时间差 (t1-t0)，就得到了 t1 时刻的趋势效应。

trend(t1) = m + k(t1 - t0) = trend(t0) + k(t1-t0)

测试 n_变化点的值为 2、5、10、15 和 20。对于 n_changepoints 的每个值，我们使用训练集和验证集进行预测，结果如下：

上述过程共耗时 8 分钟。接下来，我们使用这个值在测试集上运行预测。结果如下所示。

上述预测的 RMSE 为 2.75，MAPE 为 2.35%，MAE 为 2.65。

5.3 带有超参数调整的 NeuralProphet - Monthly Seasonality

每月的季节性可以在 NeuralProphet 中这样设置：

m = NeuralProphet()
m = m.add_seasonality(name="monthly", period=30.5, fourier_order=3)

NeuralProphet 中的季节性是借助傅立叶项来建模的。上述傅立叶阶数指的是用于估计季节性的偏和中的项数。

使用 2、4、6、8 和 10 的傅立叶阶数值进行测试。对于每个傅立叶阶数值，我们使用训练集和验证集进行预测，结果如下：

上述过程总共耗时 8 分钟。接下来，我们使用这个值在测试集上进行预测。结果如下所示。

上述预测的 RMSE 为 2.19，MAPE 为 1.87%，MAE 为 2.12。

5.4 带有超参数调整功能的 NeuralProphet - 活动和假期

在节假日期间，股市的走势可能会受到影响。以“圣诞反弹”现象为例，这是指股市在圣诞节期间通常会出现的上涨趋势。NeuralProphet 在进行市场预测时能够将这些特定事件纳入考量。为此，我们首先需要创建一个事件数据框，如下所示，这一步骤可以通过导入CSV文件轻松完成。

事件可以在 NeuralProphet 中这样设置（events 就是上图所示的数据帧）：

m = NeuralProphet()
m.add_events("hols", lower_window=lower_window, upper_window=upper_window)
history_df = m.create_df_with_events(df, holidays)
m.fit(history_df)
future = m.make_future_dataframe(history_df, events_df=events, n_historic_predictions=True, periods=H)
forecast = m.predict(future)

窗口大小超参数将假期扩展到日期周围的 [lower_window, upper_window]天数。为简单起见，假设 lower_window 和 upper_window 的大小相同，即 lower_window = upper_window = 窗口大小。我们将测试窗口大小的值 0、1 和 2。对于每个窗口大小值，我们使用训练集和验证集进行预测，结果如下：

过程共耗时 5 分钟。接下来，我们使用这个值在测试集上进行预测。结果如下所示。

预测的 RMSE 为 2.05，MAPE 为 1.74%，MAE 为 1.96。

5.5 带有超参数调整功能的 NeuralProphet - 自回归

自回归是一种时间序列模型，它使用前一时间步的观测值作为回归方程的输入，以预测下一时间步的值。

NeuralProphet 中的自回归由 n_lags 参数决定。我们将测试 n_lags 的值 0、2、5 和 10。对于每个 n_lags 值，使用训练集和验证集进行预测，结果如下：

上述过程共耗时 7 分钟。接下来，我们使用这个值在测试集上运行我们的预测。结果如下所示。

预测的 RMSE 为 1.18，MAPE 为 0.89%，MAE 为 1.01。

5.6 带有超参数调整功能的 NeuralProphet - 结合所有超参数

下一步将测试超参数的组合，找出最佳的超参数集。以网格搜索方式测试上述每个超参数组合总共需要 5 * 5 * 3 * 4 * 7 分钟 = 35 小时。为了节省时间，参考上述结果，只用以下值进行测试：

n_changepoints_list = [2, 5]
fourier_order_list = [6, 8]
window_list = [1]         
n_lags_list = [0, 2]

此外，我们还尝试了上述超参数，首先是不带事件超参数的超参数，其次是带事件超参数的超参数。以下是不带事件超参数的结果。

以下是使用事件超参数得出的结果。

从上面可以看出，n_changepoints、fourier_order、window 和 n_lags 的最佳值分别为 2、6、1、2 和使用事件。接下来，我们使用这些值在测试集上运行我们的预测。结果如下所示。

上述预测的 RMSE 为 1.04，MAPE 为 0.81%，MAE 为 0.91。

经过对所有超参数的细致优化，我们在第1009天的预测中，利用NeuralProphet模型取得了卓越的表现。在完成超参数的全面调整后，该模型在RMSE、MAPE和MAE指标上均达到了最低值，超越了包括Last Value基准在内的其他所有预测方法。接下来，我们将探究NeuralProphet模型在其他日期的预测成效。

5.7 多日预测

在审视了上述超参数调整带来的成果之后，我们计划将这种方法扩展应用，以对连续多天进行预测。我们的预测将从数据集的第1009天起步，并以42天为周期进行新一轮预测。鉴于数据集包含1509天的数据，我们将执行共计12轮的预测。每轮预测都将覆盖未来21天的时间范围。同时，对于每一天t的预测，我们都将应用之前确定的最优超参数配置。

从上文中可以明显看出，并非所有的预测结果都是理想的。有些日期的预测方向和幅度与实际值相当接近，然而在其他日期，预测的方向和幅度则与实际值相去甚远。以下展示了每项预测的性能指标结果。

让我们将上述结果与下图所示的 " Last Value "方法进行比较。

NeuralProphet 在12次预测中的平均RMSE为2.15，平均MAPE为1.41%，平均MAE为1.88。相比之下，Last Value方法的平均RMSE为2.53，平均MAPE为1.69%，平均MAE为2.26。在这些指标上，NeuralProphet 显然表现更为优异。这一结果颇为有趣，因为在我的先前实验中，使用的是Prophet而非NeuralProphet，那时Last Value方法的表现更为突出。在这个案例中，NeuralProphet 的贡献不容小觑。

六、观点总结

NeuralProphet 在股价预测中表现卓越：文章通过对比 Last Value 方法和 Prophet 模型，证实 NeuralProphet 在预测股价时具有更高的准确性，成为金融分析中的新利器。
超参数调优是提升模型性能的关键：作者通过调整 changepoints、fourier_order、window_size 和 n_lags 等超参数，展示了如何优化模型，从而显著提升预测效果。
事件和假期对股市影响不可忽视：文章强调了节假日和特殊事件对股价波动的重要性，提醒我们在建模时需充分考虑这些因素，以提高预测精度。
自回归显著提升预测准确性：通过引入自回归参数 n_lags，NeuralProphet 能够更好地捕捉时间序列中的动态变化，从而大幅提升预测的可靠性。
NeuralProphet 具备高度灵活性和扩展性：作者通过添加事件数据框架和调整季节性参数，展示了 NeuralProphet 如何适应复杂的市场环境，满足多样化的预测需求。
多日预测实验证明 NeuralProphet 的优越性：在多次预测实验中，NeuralProphet 的 RMSE、MAPE 和 MAE 指标均优于 Last Value 方法，展现了其在股价预测领域的巨大潜力。

代码地址：Stocks2025/StockReturnsPrediction_fh21/StockReturnsPrediction_v9_neuralprophet.ipynb at master · alexyu2013/Stocks2025 · GitHub

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