Доброго времени суток, уважаемыее! В данной публикации речь пойдет о модели прогноза спроса на товары в сетевых магазинах и ее реализации на C++.
Постановка задачи
Допустим, у нас имеется сеть магазинов, в каждый из которых завозят товары. Товары (для модели прогноза) попадают в каждый магазин произвольным образом. За некий период времени мы имеем статистику — сколько в каждом магазине продано тех или иных товаров. Требуется спрогнозировать продажи товаров за период времени, аналогичный выбранному, для всех магазинов по всем товарам, которые в них не завозились.
- Товары, завезенные в магазины, не заканчивались за период сбора статистики.
- Если в магазин завезли новые для него товары (при том, что старые товары остались), продажи не перераспределяться между старыми и новыми товарами. Статистика по старым товарам останется прежней, просто кто-то дополнительно покупает новые товары. Прогнозирование при невыполнении этого условия потребует дополнительных данных о том, как насыщается спрос при увеличении количества товаров.
- Период, за который собирали статистику, и период, для которого нужно сделать прогноз, идентичны по спросу.
Метод решения задачи
Задача решается с помощью метода ядерной регрессии (используя формулу Надарая-Ватсона). В качестве функции ядра используется квадратическая ядерная функция с шириной окна $inline$kernel_H$inline$.
«Расстояние» между товарами с разной ценой считается как:
$$display$$R_{prod}=left|log_{10}left(frac{price_1}{price_2}right)right|$$display$$
«Расстояние» между двумя магазинами считается как произведение задаваемого вручную коэффициента $inline$K_{shops}$inline$ и отрицательного десятичного логарифма взвешенной корреляции. Взвешенная корреляция вычисляется как произведение отношения количества типов товаров, которые есть в обоих магазинах к общему количеству типов товаров (вес «правдоподобия») и корреляции количеств проданных товаров (тех, которые общие для этих магазинов):
$$display$$Weight_{shops}=frac{N_{1,2}}{N_{total}}$$display$$
$$display$$R_{shops} = - K_{shops} cdot log_{10} left( Correlation_{shops} cdot Weight_{shops} right) $$display$$
Расстояние между двумя товарами в двух разных магазинах считается как корень из суммы квадратов расстояний между данными товарами и между данными магазинами.
Задаваемый вручную коэффициент для «расстояния» между двумя магазинами совместно с задаваемой шириной окна позволяют учитывать «расстояния» между товарами и магазинами в нужной нам пропорции.
Я запрограммировал два метода прогнозирования. «Общий» метод учитывает все проданные товары во всех магазинах. «Крестообразный» метод учитывает все проданные товары в текущем магазине и количества проданных прогнозируемых товаров в других магазинах.
Разница в результатах прогнозирования разными методами есть, но, на первый взгляд, небольшая (проверялась при окне $inline$kernel_H=3.0$inline$, коэффициенте расстояния магазинов $inline$K_{shops}=1.0$inline$ на матрице 20 магазинов * 20 товаров). При этом, при больших окнах функции ядра второй метод значительно быстрее первого.
Исходный код
Статистика представляет собой таблицу, в которой записаны количества проданных товаров (столбцы соответствуют товарам, строки — магазинам). Если товар не поступал в магазин, в соответствующей ячейке таблицы располагается "-1". Для удобства в первой строке таблицы указаны цены товаров.
#pragma once
#include <memory>
class DataHolder
{
protected:
// prices vector
std::vector<int> prices;
// mask of initial data: 1 if has init and 0 if not
std::vector<std::vector<bool>> maskData;
// initial data matrix
std::vector<std::vector<int>> initData;
// full data matrix (with prognosis)
std::vector<std::vector<int>> fullData;
public:
DataHolder() {}
virtual ~DataHolder() {}
// Load init data from csv file
// calculate range between shops
// @param filename - file path of loading data
void loadData(std::string filename);
// Save full data in csv file
// @param filename - file path of saving data
void saveData(std::string filename);
};
#include "DataHolder.h"
void DataHolder::loadData(std::string filename)
{
// Here is loading data from filename to initData
fullData = initData;
}
void DataHolder::saveData(std::string filename)
{
// Here is saving data from fullData to filename
}
#pragma once
#include <math.h>
#include <numeric>
#include "DataHolder.h"
class RangeCalculator :
public DataHolder
{
friend class Prognoser;
private:
// count of shops
int shopsCount;
// count of products
int productsCount;
// marix of range squares between prices
std::vector<std::vector<double>> priceRanges;
// marix of range squares between shops
std::vector<std::vector<double>> shopsRanges;
// sums of earn of shops
std::vector<long> shopEarnSums;
public:
RangeCalculator() {}
virtual ~RangeCalculator() {}
// calculate ranges and advanced parameters
void calculateRanges();
private:
// calculate and fill priceRanges
void fillPriceRanges();
// calculate and fill shopsRanges
void fillShopsRanges();
// calculate range between shops
// @param i - first shop index
// @param j - second shop index
double calculateShopsRange(int i, int j);
// calculate earnings of shop
// @param i - shop index
double calculateShopEarnings(int i);
// calculate shopEarnSums
void calculateShopEarnSums();
// calculate range between different shops
// @param i - first shop index
// @param j - second shop index
double calculateShopsRangeByCorrelation(int i, int j);
// calculate correlation between two vectors
double calculateCorrelation(const std::vector<int> &X, const std::vector<int> &Y);
};
#include "RangeCalculator.h"
void RangeCalculator::calculateRanges()
{
shopsCount = initData.size();
productsCount = initData[0].size();
calculateShopEarnSums();
fillPriceRanges();
fillShopsRanges();
}
void RangeCalculator::fillPriceRanges()
{
// initialize vector
priceRanges.resize(productsCount);
for (int i = 0; i < productsCount; ++i)
priceRanges[i].resize(productsCount);
// calculate and fill
double range = 0, range2 = 0;
for (int i = 0; i < productsCount; ++i)
{
priceRanges[i][i] = 0;
for (int j = i + 1; j < productsCount; ++j)
{
range = log10((double)prices[i] / (double)prices[j]);
range2 = range * range;
priceRanges[i][j] = range2;
priceRanges[j][i] = range2;
}
}
}
void RangeCalculator::fillShopsRanges()
{
// initialize vector
shopsRanges.resize(shopsCount);
for (int i = 0; i < shopsCount; ++i)
shopsRanges[i].resize(shopsCount);
// calculate and fill
double range = 0, range2 = 0;
for (int i = 0; i < shopsCount; ++i)
{
shopsRanges[i][i] = 0;
for (int j = i + 1; j < shopsCount; ++j)
{
range = calculateShopsRange(i, j);
range2 = range * range;
shopsRanges[i][j] = range2;
shopsRanges[j][i] = range2;
}
}
}
double RangeCalculator::calculateShopsRange(int i, int j)
{
if (i != j)
{
return calculateShopsRangeByCorrelation(i, j);
}
else
return 0;
}
double RangeCalculator::calculateShopsRangeByCorrelation(int i, int j)
{
// collects products of shops, that are in both shops
std::vector<bool> maskX = maskData[i]; // mask of products in first shop
std::vector<bool> maskY = maskData[j]; // mask of products in second shop
std::vector<bool> maskXY(productsCount); // mask of products in both shops
for (int k = 0; k < productsCount; ++k)
maskXY[k] = maskX[k] * maskY[k];
// count of products in first shop
int vecLen = std::accumulate(maskXY.begin(), maskXY.end(), 0);
// weight of correlation calculation
double weightOfCalculation = (double)vecLen / (double)productsCount;
// calculating X and Y vectors
std::vector<int> X(vecLen);
std::vector<int> Y(vecLen);
int p = 0;
for (int k = 0; k < productsCount; ++k)
{
if (maskXY[k])
{
X[p] = initData[i][k];
Y[p] = initData[j][k];
++p;
}
}
// calculating range between shops
double correlation = calculateCorrelation(X, Y); // correlation
double weightedCorrelation = correlation * weightOfCalculation;
double range = -log10(fabs(weightedCorrelation) + 1e-10);
return range;
}
double RangeCalculator::calculateCorrelation(const std::vector<int> &X, const std::vector<int> &Y)
{
int count = X.size();
double sumX = (double)std::accumulate(X.begin(), X.end(), 0);
double sumY = (double)std::accumulate(Y.begin(), Y.end(), 0);
double midX = sumX / (double)count;
double midY = sumY / (double)count;
double cor1 = 0, cor2 = 0, cor3 = 0;
for (int i = 0; i < count; ++i)
{
cor1 += (X[i] - midX) * (Y[i] - midY);
cor2 += (X[i] - midX) * (X[i] - midX);
cor3 += (Y[i] - midY) * (Y[i] - midY);
}
double cor = cor1 / sqrt(cor2 * cor3);
return cor;
}
double RangeCalculator::calculateShopEarnings(int i)
{
double earnings = 0;
for (int j = 0; j < productsCount; ++j)
{
earnings += prices[j] * initData[i][j];
}
return earnings;
}
void RangeCalculator::calculateShopEarnSums()
{
shopEarnSums.resize(shopsCount);
for (int i = 0; i < shopsCount; ++i)
shopEarnSums[i] = calculateShopEarnings(i);
}
#pragma once
#include "RangeCalculator.h"
class Prognoser
{
private:
// shared_ptr by RangeCalculator object
std::shared_ptr<RangeCalculator> rc;
// koefficient to multiply by shops ranges
double kShopsR;
// square of kernel window width
double h2;
public:
// constructor
// @param rc - shared_ptr by RangeCalculator object
// @param kShopsR - koefficient to multiply by shops ranges
// @param h - kernel window width
Prognoser(std::shared_ptr<RangeCalculator> rc, double kShopsR, double h);
virtual ~Prognoser();
// prognose all missing data
// @param func_ptr - calculating of weighted sums function pointer
void prognose(void (Prognoser::*func_ptr)(int, int, double&, double&));
// calculate weighted sums with "cross" method
// @param shopInd - shop index
// @param prodInd - product index
// @param weightsSum - sum of weights
// @param contribSum - weighted sum of contributions
void calculateWeightSumsCross(int shopInd, int prodInd, double& weightsSum, double &contribSum);
// calculate weighted sums with "total" method
// @param shopInd - shop index
// @param prodInd - product index
// @param weightsSum - sum of weights
// @param contribSum - weighted sum of contributions
void calculateWeightSumsTotal(int shopInd, int prodInd, double& weightsSum, double &contribSum);
private:
// calculate kernel
// @param r2h2 - r*r/h/h, where r - range and h - window width
double calculateKernel(double r2h2);
// calculate prognosis of selected position with selected method
// @param shopInd - shop index
// @param prodInd - product index
// @param func_ptr - calculating of weighted sums function pointer
int calculatePrognosis(int shopInd, int prodInd,
void (Prognoser::*func_ptr)(int, int, double&, double&));
};
#include "Prognoser.h"
Prognoser::Prognoser(std::shared_ptr<RangeCalculator> rc, double kShopsR, double h)
{
this->rc = rc;
this->kShopsR = kShopsR;
this->h2 = h * h;
}
Prognoser::~Prognoser()
{}
double Prognoser::calculateKernel(double r2h2)
{
if (r2h2 > 1)
return 0;
else
return (1 - r2h2) * (1 - r2h2) * 15 / 16;
}
void Prognoser::prognose(void (Prognoser::*func_ptr)(int, int, double&, double&))
{
for (int i = 0; i < rc->shopsCount; ++i)
{
for (int j = 0; j < rc->productsCount; ++j)
{
if (!rc->maskData[i][j])
{
rc->fullData[i][j] = calculatePrognosis(i, j, func_ptr);
}
}
}
}
void Prognoser::calculateWeightSumsCross(int shopInd, int prodInd, double& weightsSum, double &contribSum)
{
double r2 = 0, r2h2 = 0, weight = 0;
// calculate sums by shops
for (int i = 0; i < rc->shopsCount; ++i)
{
if (rc->maskData[i][prodInd] && shopInd!=i)
{
r2 = rc->shopsRanges[shopInd][i];
r2 = r2 * kShopsR * kShopsR;
r2h2 = r2 / h2;
weight = 0 ? r2h2 >= 1. : calculateKernel(r2h2);
weightsSum += weight;
contribSum += weight * rc->initData[i][prodInd] *
rc->shopEarnSums[i] / rc->shopEarnSums[shopInd];
}
}
// calculate sums by products
for (int j = 0; j < rc->productsCount; ++j)
{
if (rc->maskData[shopInd][j] && prodInd != j)
{
r2 = rc->priceRanges[prodInd][j];
r2h2 = r2 / h2;
weight = 0 ? r2h2 >= 1. : calculateKernel(r2h2);
weightsSum += weight;
contribSum += weight * rc->initData[shopInd][j];
}
}
}
void Prognoser::calculateWeightSumsTotal(int shopInd, int prodInd, double& weightsSum, double &contribSum)
{
double r2 = 0, r2h2 = 0, weight = 0;
for (int i = 0; i < rc->shopsCount; ++i)
{
for (int j = 0; j < rc->productsCount; ++j)
{
if (i != shopInd || j != prodInd)
if(rc->maskData[i][j])
{
r2 = rc->shopsRanges[shopInd][i];
r2 = r2 * kShopsR * kShopsR;
r2 += rc->priceRanges[prodInd][j];
r2h2 = r2 / h2;
weight = 0 ? r2h2 >= 1. : calculateKernel(r2h2);
weightsSum += weight;
contribSum += weight * rc->initData[i][j] *
rc->shopEarnSums[i] / rc->shopEarnSums[shopInd];;
}
}
}
}
int Prognoser::calculatePrognosis(int shopInd, int prodInd,
void (Prognoser::*func_ptr)(int, int, double&, double&))
{
double weightsSum = 0; // sum of weights
double contribSum = 0; // sum of weighted contributions
//calculateWeightSumsCross(shopInd, prodInd, weightsSum, contribSum);
(this->*func_ptr)(shopInd, prodInd, weightsSum, contribSum);
int prognosis = -1;
if (weightsSum > 0)
prognosis = int(contribSum / weightsSum);
return prognosis;
}
Ссылки
К. В. Воронцов. Лекции по алгоритмам восстановления регрессии.
Автор: SunZi