On unified framework for nonlinear grey system models: An integro-differential equation perspective

稳健性(进化) 非线性系统 应用数学 积分微分方程 数学 数学优化 积分方程 计算机科学 微分方程 偏微分方程 一阶偏微分方程 数学分析 生物化学 量子力学 基因 物理 化学
作者
Lu Yang,Naiming Xie,Baolei Wei,Xiaolei Wang
出处
期刊:Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation [Elsevier BV]
卷期号:108: 106250-106250 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.cnsns.2022.106250
摘要

Nonlinear grey system models, serving to time series forecasting, are extensively used in diverse areas of science and engineering. However, most research concerns improving classical models and developing novel models, relatively limited attention has been paid to the relationship among diverse models and the modelling mechanism. The current paper proposes a unified framework and reconstructs the unified model from an integro-differential equation perspective. First, we propose a methodological framework that subsumes various nonlinear grey system models as special cases, providing a cumulative sum series-orientated modelling paradigm. Then, by introducing an integral operator, the unified model is reduced to an equivalent integro-differential equation; on this basis, the structural parameters and initial value are estimated simultaneously via the integral matching approach. The modelling procedure comparison further indicates that the integral matching-based integro-differential equation provides a direct modelling paradigm. Next, large-scale Monte Carlo simulations are conducted to compare the finite sample performance, and the results show that the reduced model has higher accuracy and robustness to noise. Applications of forecasting the municipal sewage discharge and water consumption in the Yangtze River Delta of China further illustrate the effectiveness of the reconstructed nonlinear grey models.

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