機械学習で株価分析 13.機械学習の試行

はじめに

本記事では、実際に機械学習を試行する方法を紹介します。なお、本記事は過去の記事 12.機械学習のためのデータ整形 の続きですので、未読の方はまずこちらをご参照ください。ここで、機械学習手法にはLightGBMを選定しています。興味のある方はその他の機械学習手法を調査・実装・比較検討してみてください。

概要

作成したトレーニングデータとテストデータに対し、以下のプログラムを実行することで、機械学習が実行できます。今回予測したいのは株価高騰フラグのTrue/Falseのため、パラメータにbinaryを指定しています。その他パラメータの設定に関しては、ぜひご自身で調査してみてください。

# 機械学習（LightGBM）のパラメータ設定
params = {
            'objective'    : 'binary',
            'metric'       : 'auc'   ,
            'boosting_type': 'gbdt'  ,
         }

# 機械学習（LightGBM）の試行
lgb_train = lgb.Dataset(X_train, y_train)
lgb.test  = lgb.Dataset(X_test, y_test)
gbm       = lgb.train(params, lgb_train)
y_pred    = gbm.predict(X_test)

# 機械学習結果の表示
display(pd.DataFrame(y_pred).tail().T)

ソースコード全文

以下にソースコード全文を示します。

!pip install yfinance

# 必要なライブラリをインポート
import yfinance as yf
yf.pdr_override()
import numpy  as np
import pandas as pd
from   pandas_datareader       import data
import datetime
from   IPython.display         import display
from   sklearn.model_selection import train_test_split
from   sklearn.preprocessing   import StandardScaler
import lightgbm as lgb

# 株価データの取得 ----------------------------------------------------------

# データの取得開始日・取得終了日を設定
day_start = datetime.date(2021,1,1)
day_end   = datetime.date.today() + datetime.timedelta(days=1)

# 銘柄名を変数に格納
stock_name  = ["4689.T"]

# 株価データを読み込み
df_stock = data.DataReader(stock_name, day_start, day_end, interval="1d")

# 取得する経済指標を設定
fred_name = ["^N225"]

# 経済指標データ取得
df_fred = data.DataReader(fred_name, day_start, day_end, interval="1d")

# 経済指標データの列名を編集
for i in range(len(fred_name)):
  df_fred = df_fred.add_prefix(fred_name[i] + " ")

# 株価データに経済指標データを統合
df_merge = pd.concat([df_stock, df_fred], axis=1)

# データのブランクを穴埋め
df_merge = df_merge.fillna(method='ffill')
df_merge = df_merge.fillna(0)


# 機械学習の試行 ----------------------------------------------------------

# 説明変数に株価に関する情報を追加
df_merge['Body']        = df_merge['Open']  - df_merge['Close']
df_merge['Body Ratio']  = df_merge['Body']  / df_merge['Close']
df_merge['Range']       = df_merge['High']  - df_merge['Low']
df_merge['Range Ratio'] = df_merge['Range'] / df_merge['Close']
df_merge['Gap']         = df_merge['Open']  - df_merge.shift(1)['Close']
df_merge['Gap Ratio']   = df_merge['Gap']   / df_merge.shift(1)['Close']
df_merge["Return"]      = df_merge.pct_change()["Adj Close"]

# 説明変数に各種移動平均と移動平均乖離率を追加
for dd in [5,10,15,20,25,30]:
  df_merge["Close " + str(dd) + "days Average"]  = df_merge["Close"].rolling(dd).mean()
  df_merge["Close " + str(dd) + "days Diverge"]  = (df_merge["Close"] - df_merge["Close " + str(dd) + "days Average"]) / df_merge["Close " + str(dd) + "days Average"]
  df_merge["Volume " + str(dd) + "days Average"] = df_merge["Volume"].rolling(dd).mean()
  df_merge["Volume " + str(dd) + "days Diverge"] = (df_merge["Volume"] - df_merge["Volume " + str(dd) + "days Average"]) / df_merge["Volume " + str(dd) + "days Average"]

# 株価高騰判定関数
rate_rise =  0.01
def func_flg_rise(data):
  if data["Return 1d_After"] > rate_rise :
    return  1
  else:
    return  0

# 目的変数作成のために翌日の株価の変動率データを追加
df_merge["Return 1d_After"] = df_merge.shift(-1)["Return"]

# 目的変数として翌日の株価の変動率を二値化
df_merge["flg_rise"] = df_merge.apply(func_flg_rise, axis=1)

# 説明変数から未来指標を削除
df_merge = df_merge.drop(["Return 1d_After"], axis=1)

# トレーニングデータとテストデータに分割
df_train, df_test = train_test_split(df_merge, test_size=0.2, shuffle=False)

# 説明変数と目的変数に分割
X_train = df_train.drop(["flg_rise"], axis=1)
X_test  = df_test.drop(["flg_rise"], axis=1)
y_train = df_train["flg_rise"]
y_test  = df_test["flg_rise"]

# 説明変数を標準化
std_scaler = StandardScaler()
std_scaler.fit(X_train)
X_train = pd.DataFrame(std_scaler.transform(X_train), columns=X_train.columns)
std_scaler.fit(X_test)
X_test  = pd.DataFrame(std_scaler.transform(X_test), columns=X_test.columns)

# 説明変数をnumpyに変換
X_train = np.array(X_train, dtype = 'float64')
X_test  = np.array(X_test,  dtype = 'float64')

# 機械学習（LightGBM）のパラメータ設定
params = {
            'objective'    : 'binary',
            'metric'       : 'auc'   ,
            'boosting_type': 'gbdt'  ,
        }

# 機械学習（LightGBM）の試行
lgb_train = lgb.Dataset(X_train, y_train)
lgb.test  = lgb.Dataset(X_test, y_test)
gbm       = lgb.train(params, lgb_train)
y_pred    = gbm.predict(X_test)

# 機械学習結果の表示
display(pd.DataFrame(y_pred).tail().T)

プログラムを実行し、予測結果が表示されれば成功です。

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