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湖北碳市場(chǎng)價(jià)格形成機(jī)制及價(jià)格預(yù)測(cè)

2017-10-19 06:22:37章成果
統(tǒng)計(jì)與決策 2017年19期
關(guān)鍵詞:碳價(jià)湖北分量

姚 奕,呂 靜,b,章成果

(南京師范大學(xué)a.數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院;b.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,南京 210023)

湖北碳市場(chǎng)價(jià)格形成機(jī)制及價(jià)格預(yù)測(cè)

姚 奕a,呂 靜a,b,章成果a

(南京師范大學(xué)a.數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院;b.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,南京 210023)

文章通過EMD-SVM模型考察湖北碳市場(chǎng)碳價(jià)格形成機(jī)制并進(jìn)行碳價(jià)格預(yù)測(cè)。結(jié)果表明:碳市場(chǎng)供需不均衡和碳市場(chǎng)發(fā)展過程中的重大事件對(duì)碳價(jià)格產(chǎn)生了較大的影響;同時(shí),EMD-SVM模型也被證實(shí)具備良好的預(yù)測(cè)能力,期望能為市場(chǎng)決策者和參與者提供碳資產(chǎn)管理和風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避保證。

碳價(jià)格;形成機(jī)制;預(yù)測(cè);EMD-SVM模型

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,環(huán)境及能源問題日漸突出,其中溫室效應(yīng)嚴(yán)重威脅人類的可持續(xù)發(fā)展。歷史經(jīng)驗(yàn)表明,僅依靠強(qiáng)制性減排要求或經(jīng)濟(jì)主體的自愿性減排很難達(dá)到減排目標(biāo)。二氧化碳排放權(quán)交易市場(chǎng)是通過市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)獲得低成本減排的有效手段,是減少溫室氣體排放量、提高能源利用效率、應(yīng)對(duì)全球氣候變化的有效途徑。為了取得試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn),摸索碳市場(chǎng)發(fā)展路徑,現(xiàn)階段中國試點(diǎn)碳市場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)備受各界關(guān)注。厘清碳價(jià)格的形成機(jī)制有益于制定碳排放權(quán)交易市場(chǎng)政策,有利于建立全國統(tǒng)一的碳排放權(quán)市場(chǎng),有效的碳價(jià)預(yù)測(cè)可以為市場(chǎng)參與者提高碳市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)防范能力和減少碳資產(chǎn)價(jià)值流失提供保障。

國內(nèi)外學(xué)者們對(duì)歐盟碳交易價(jià)格形成機(jī)制的研究較為豐富,研究者們普遍認(rèn)為經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、金融市場(chǎng)、制度設(shè)計(jì)、能源價(jià)格等深刻地影響著歐盟碳排放權(quán)價(jià)格[1-8]。對(duì)國際碳市場(chǎng)碳價(jià)格預(yù)測(cè)多基于經(jīng)典的時(shí)間序列分析方法、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)以及相關(guān)的混合模型[9-14]。然而,針對(duì)國內(nèi)試點(diǎn)碳市場(chǎng)價(jià)格進(jìn)行實(shí)證分析并進(jìn)行預(yù)測(cè)的研究并不豐富。事實(shí)上,一方面,由于中國碳市場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間不長,碳市場(chǎng)價(jià)格數(shù)據(jù)量有限,無法匹配一些可能的價(jià)格驅(qū)動(dòng)因素的年度數(shù)據(jù),如產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、天氣原因、人口規(guī)模等;另一方面,對(duì)發(fā)展尚不成熟的中國碳市場(chǎng)無法建立有效的計(jì)量模型?;诖?,本文選擇EMD模型克服以上問題,以湖北碳價(jià)格日數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過EMD-SVM模型考察湖北碳市場(chǎng)在一個(gè)完整的履約期內(nèi)其價(jià)格形成機(jī)制,并對(duì)碳價(jià)格進(jìn)行預(yù)測(cè),以期對(duì)中國碳交易試點(diǎn)市場(chǎng)監(jiān)管層、投資者和參與主體提供有價(jià)值的參考。

1 研究方法

1.1 EMD算法

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)[15]算法從數(shù)據(jù)本身特性出發(fā),將原信號(hào)中不同尺度的波動(dòng)和趨勢(shì)逐級(jí)分解,生成一系列本征模函數(shù)(IMF),以揭示數(shù)據(jù)波動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律。分解出的IMF具有如下特征:(1)極值點(diǎn)的數(shù)量與過零點(diǎn)的數(shù)量最多相差一個(gè);(2)在任意時(shí)刻,其上、下包絡(luò)線的均值為0。

設(shè)碳價(jià)格序列為xt,EMD算法如下:

步驟1:確定序列x(t)的極值點(diǎn),利用三次樣條插值函數(shù)分別由極大值點(diǎn)、極小值點(diǎn)形成上包絡(luò)線eup(t)和下包絡(luò)線elow(t);

步驟2:計(jì)算包絡(luò)均值m(t),m(t)=(eup(t)+elow(t))/2;

步驟3:計(jì)算新序列c(t),c(t)=x(t)-m(t);

步驟4:若c(t)滿足IMF的兩個(gè)特征,則c(t)是一個(gè)IMF,用r(t)=x(t)-c(t)代替步驟1中的x(t);若c(t)不是一個(gè)IMF,則用c(t)代替步驟1中的x(t);

步驟5:重復(fù)步驟1至步驟4,直到c(t)成為一個(gè)IMF,記作c1(t)。重復(fù)算法,直到rn(t)只有一個(gè)極值點(diǎn)或是一個(gè)單調(diào)函數(shù)。

1.2 fine-to-coarse reconstruction算法

碳價(jià)格序列x(t)通過EMD算法分解得到m個(gè)IMF和1個(gè)趨勢(shì)項(xiàng),其算法步驟如下:

步驟1:計(jì)算從c1(t)到ci(t)的疊加和序列的均值;

步驟2:選取顯著性水平α,利用t檢驗(yàn)判別si中均值距離顯著不為0的ci(t);

步驟3:從c1(t)到ci-1(t)相加重構(gòu)為高頻分量,ci(t)到cn(t)相加構(gòu)成了低頻分量。

1.3 支持向量機(jī)(SVM)

SVM是由Cortes和Vapnik[16]提出的基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的機(jī)器學(xué)習(xí)方法,具有學(xué)習(xí)速度快、全局性、泛化性能好等特點(diǎn)。其基本思想是把輸入向量通過非線性映射φ(x)映射到高維特征空間,并在特征空間中進(jìn)行線性回歸,回歸函數(shù)為:

其中,ω是權(quán)向量,b是偏置向量,通過正則化和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則估計(jì)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化準(zhǔn)則可轉(zhuǎn)化為如下最優(yōu)化問題:

其中,ξi、為松弛變量,C為懲罰因子,ε是不敏感損失系數(shù),n為樣本容量。利用拉格朗日函數(shù)法求這個(gè)約束優(yōu)化問題,得到SVM回歸函數(shù):

其中,ai、是拉格朗日乘子,K(xi,xj)是核函數(shù)。

1.4 EMD-SVM模型

步驟1:對(duì)碳價(jià)格進(jìn)行EMD分解,得到若干個(gè)IMF和1個(gè)趨勢(shì)項(xiàng),并重構(gòu)為高頻、低頻分量和趨勢(shì)項(xiàng);

步驟2:對(duì)高頻、低頻分量和趨勢(shì)項(xiàng)三個(gè)序列進(jìn)行SVM預(yù)測(cè);

步驟3:將各序列的預(yù)測(cè)值重新組合得到碳價(jià)預(yù)測(cè)值。

2 實(shí)證分析

本文選取湖北碳市場(chǎng)2014年4月2日至2015年11月20日的日價(jià)格,其中已經(jīng)包含了一個(gè)履約期,除去節(jié)假日等因素,取得401組數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源于中國碳排放交易網(wǎng))。本文采用MATLAB和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.1 碳價(jià)格EMD分解

湖北碳市場(chǎng)碳價(jià)格經(jīng)過EMD分解得到7個(gè)IMF和1個(gè)趨勢(shì)項(xiàng),分解結(jié)果如圖1所示。

圖1中的IMF按照頻率從高到低排列為IMF1—IMF7,它們展示了碳價(jià)變化的頻率和振幅隨時(shí)間的變化,隨著頻率的降低,振幅也相應(yīng)增加。

2.2 IMF特征分析

本文利用IMF平均周期、方差占比、IMF與原價(jià)格序列的Pearson相關(guān)系數(shù)和Kendall相關(guān)系數(shù)等指標(biāo)分析IMF和趨勢(shì)項(xiàng)的特征和意義,結(jié)果見表1。

圖1 湖北碳價(jià)格的EMD分解結(jié)果

表1 IMF和趨勢(shì)項(xiàng)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

IMF1—IMF4周期較短,分別為3天、8天、17天和45天,均不超過45天,其Pearson相關(guān)系數(shù)和Kendall相關(guān)系數(shù)都在0.01水平上顯著,表明周期為3天、8天、17天和45天的價(jià)格影響因素均對(duì)湖北碳價(jià)格的形成產(chǎn)生顯著影響;其方差占比均不大,說明周期較短的價(jià)格影響因素對(duì)碳價(jià)格波動(dòng)的貢獻(xiàn)較小。

IMF5—IMF7周期較長,分別為100天、201天和401天,均超過了100天,其中除了IMF6之外,IMF5和IMF7的Pearson相關(guān)系數(shù)和Kendall相關(guān)系數(shù)都在0.01水平上顯著,數(shù)值較IMF1—IMF4整體偏大,且其方差占比遠(yuǎn)大于IMF1—IMF4的方差占比,說明較長周期的價(jià)格影響因素對(duì)湖北碳價(jià)格波動(dòng)的貢獻(xiàn)更大。

趨勢(shì)項(xiàng)的Pearson相關(guān)系數(shù)和Kendall相關(guān)系數(shù)都在0.01水平上顯著,方差占比為11%,趨勢(shì)項(xiàng)對(duì)湖北碳價(jià)格的形成作用顯著。

2.3 碳價(jià)格結(jié)構(gòu)影響因素分析

根據(jù)fine-to-coarse reconstruction算法將湖北碳價(jià)格序列分解后的模態(tài)進(jìn)行重構(gòu),對(duì)組合而成的高頻分量、低頻分量以及趨勢(shì)項(xiàng)進(jìn)行分析。計(jì)算si(i=1,2,…,7)均值的t檢驗(yàn)值(顯著性水平α=0.05),下頁表2的檢驗(yàn)結(jié)果表明,t檢驗(yàn)值在i=5處距離0開始顯著,由此,IMF1—IMF4疊加代表了高頻分量,IMF5—IMF7疊加代表了低頻分量,其相關(guān)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)列于表3。湖北碳價(jià)格及其高頻分量、低頻分量和

趨勢(shì)項(xiàng)的分解如圖2所示。

表2 si均值和t檢驗(yàn)值

表3 高頻、低頻分量和趨勢(shì)項(xiàng)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

圖2 湖北碳價(jià)格高頻分量、低頻分量及趨勢(shì)項(xiàng)

比較表1和表3所列結(jié)果,高頻分量的相關(guān)系數(shù)較重構(gòu)之前有了明顯提高,相關(guān)性增強(qiáng),對(duì)碳價(jià)形成貢獻(xiàn)更大。低頻分量和趨勢(shì)項(xiàng)的方差占比也均在40%左右,對(duì)碳價(jià)格波動(dòng)性的解釋能力增強(qiáng)。由此,對(duì)碳價(jià)格影響因素的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,改善了碳價(jià)形成機(jī)制分析的準(zhǔn)確性。

2.3.1 高頻分量(IMF1—IMF4):市場(chǎng)短期供需不均衡和市場(chǎng)隨機(jī)效應(yīng)影響

碳市場(chǎng)具有一般市場(chǎng)屬性,受到市場(chǎng)供需狀況的影響,而市場(chǎng)供需受到能源價(jià)格、投機(jī)行為、天氣、突發(fā)的政治局勢(shì)等因素的影響。這些因素的影響往往持續(xù)時(shí)間短,體現(xiàn)在高頻分量中。對(duì)高頻分量的分析有助于理解碳市場(chǎng)發(fā)展過程中市場(chǎng)短期供需不均衡和市場(chǎng)隨機(jī)效應(yīng)對(duì)碳價(jià)格的影響。

高頻分量的Pearson相關(guān)系數(shù)和Kendall相關(guān)系數(shù)分別為0.632和0.338,說明高頻分量與碳價(jià)格存在著較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系,市場(chǎng)短期供需不均衡對(duì)碳價(jià)的形成貢獻(xiàn)較大,圖2中也顯示了高頻分量與原價(jià)格序列相似程度高,具有較一致的變化趨勢(shì)。

履約是碳市場(chǎng)運(yùn)行的重要節(jié)點(diǎn),履約期前后,碳市場(chǎng)的交易量和交易價(jià)格均會(huì)呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)。在2015年7月前后,高頻序列波動(dòng)較其他時(shí)間段更大。6月份,高頻分量基本在0均值附近波動(dòng),碳市場(chǎng)受到正常的短期供需不均衡影響;7月份,高頻分量逐漸正向上升,并達(dá)到了峰值2.58元/噸,市場(chǎng)活躍,供不應(yīng)求;隨著履約期臨近,履約單位通過交易獲取了配額,到了8月初,高頻分量大幅減少至0均值以下;履約完成后,高頻分量波動(dòng)減弱,在0均值附近波動(dòng)。對(duì)未來碳市場(chǎng)和配額等因素的不確定,導(dǎo)致了市場(chǎng)投機(jī)現(xiàn)象的存在,碳價(jià)格在短期內(nèi)較大的變動(dòng)。湖北碳市場(chǎng)履約期的碳價(jià)格變化為履約期碳市場(chǎng)平穩(wěn)過度提供了參考。

2.3.2 低頻分量(IMF5—IMF7):重大事件影響

重大事件對(duì)碳價(jià)格的影響體現(xiàn)在低頻分量中,這樣的異質(zhì)性環(huán)境對(duì)碳價(jià)格的影響較大,持續(xù)時(shí)間長,幅度大,而頻率較低。對(duì)低頻分量的分析有助于理解碳市場(chǎng)發(fā)展過程中重大事件對(duì)碳價(jià)格的影響。

從IMF5—IMF7的周期來看,均超過100天,重大事件的影響持續(xù)時(shí)間長,影響很難消除,且振幅較大,對(duì)碳價(jià)格波動(dòng)的影響程度大。低頻分量的Pearson相關(guān)系數(shù)和Kendall相關(guān)系數(shù)分別為0.134和0.124,說明低頻分量與碳價(jià)格存在著顯著的相關(guān)關(guān)系,在數(shù)值上明顯小于高頻分量對(duì)應(yīng)的數(shù)值,重大事件對(duì)碳價(jià)格形成影響較弱。然而,低頻分量對(duì)碳價(jià)格變化的解釋度為41%,表明重大事件在一定程度上解釋了湖北碳價(jià)格的波動(dòng)。

由于湖北碳市場(chǎng)交易時(shí)間不長,且試點(diǎn)市場(chǎng)尚處于摸索階段,碳價(jià)格易受到如新制度、配額分配等重大事件的影響。2014年9月9日,湖北碳市場(chǎng)推出國內(nèi)第一單碳資產(chǎn)質(zhì)押貸款融資業(yè)務(wù),之后的一個(gè)多月時(shí)間內(nèi),低頻分量緩慢上行;2015年3月6日,湖北碳市場(chǎng)首次履約動(dòng)員暨核查工作啟動(dòng)會(huì)召開后,低頻分量大幅上行;2015年6月中旬,國家外匯管理局正式同意合格境外投資者可以參與湖北碳市場(chǎng)交易,意味著合格境外投資者可以外匯或跨境人民幣參與湖北碳排放權(quán)交易,低頻分量又出現(xiàn)持續(xù)上行。因此,市場(chǎng)參與者應(yīng)關(guān)注重大事件的發(fā)生,并根據(jù)其性質(zhì)判斷碳價(jià)走勢(shì)。

2.3.3 趨勢(shì)項(xiàng):潛在運(yùn)行規(guī)律

趨勢(shì)項(xiàng)反映了碳價(jià)格演化的長期趨勢(shì),是碳市場(chǎng)制度因素對(duì)碳價(jià)格影響的體現(xiàn),可以為碳價(jià)格的預(yù)測(cè)提供有價(jià)值的參考。圖2中湖北碳價(jià)格出現(xiàn)了先增后降的狀態(tài),運(yùn)行較為平穩(wěn),碳價(jià)格未出現(xiàn)較大波動(dòng)。趨勢(shì)項(xiàng)基本上反映著碳價(jià)格演化的趨勢(shì),碳價(jià)格始終圍繞著趨勢(shì)項(xiàng)小幅波動(dòng)。趨勢(shì)項(xiàng)方差占比為39%,由此,趨勢(shì)項(xiàng)較好地體現(xiàn)了碳價(jià)格平穩(wěn)的長期趨勢(shì),較充分地解釋了碳價(jià)格的波動(dòng)。

2.4 價(jià)格預(yù)測(cè)

根據(jù)SVM分別對(duì)高頻、低頻分量和趨勢(shì)項(xiàng)進(jìn)行預(yù)測(cè),采用RBF核,預(yù)測(cè)誤差如表4所示。

表4 分項(xiàng)預(yù)測(cè)誤差

表4預(yù)測(cè)結(jié)果表明,EMD-SVM模型預(yù)測(cè)能力較強(qiáng),尤其是趨勢(shì)項(xiàng)的預(yù)測(cè)能力出色,反映出趨勢(shì)項(xiàng)較好地把握碳價(jià)格演化的趨勢(shì),描述著碳價(jià)格的長期走勢(shì)。

為了比較預(yù)測(cè)效果,本文還采用了SVM模型和AR(2)模型進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)誤差如表5所示。

表5 預(yù)測(cè)誤差比較

各預(yù)測(cè)方法的誤差結(jié)果反映出EMD-SVM模型的預(yù)測(cè)效果明顯優(yōu)于SVM模型和AR(2)模型。由于EMD-SVM模型把碳價(jià)分解為高頻、低頻分量和趨勢(shì)項(xiàng)后對(duì)各項(xiàng)進(jìn)行預(yù)測(cè)再組合,有利于減少預(yù)測(cè)過程中的誤差累積,從而提高了預(yù)測(cè)的精度,具有較優(yōu)的預(yù)測(cè)能力。

3 結(jié)論

本文利用EMD模型將湖北碳價(jià)格重構(gòu)為高頻、低頻分量和趨勢(shì)項(xiàng),以剖析碳價(jià)格形成機(jī)制,描述不同經(jīng)濟(jì)含義對(duì)碳價(jià)格的影響。高頻分量代表了市場(chǎng)供需不均衡和隨機(jī)效應(yīng)對(duì)碳價(jià)格的影響因素,其與原碳價(jià)格存在著較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系,短期的市場(chǎng)波動(dòng)造成的價(jià)格變化與碳價(jià)格變化一致,表明了市場(chǎng)供需不均衡對(duì)湖北碳價(jià)格產(chǎn)生了較大的影響;低頻分量體現(xiàn)了重大事件對(duì)碳價(jià)格的影響,碳市場(chǎng)發(fā)展的重大事件解釋了碳價(jià)的波動(dòng);趨勢(shì)項(xiàng)反映了碳價(jià)格演化的長期趨勢(shì),是碳市場(chǎng)制度因素對(duì)碳價(jià)格影響的體現(xiàn),湖北碳價(jià)格運(yùn)行穩(wěn)定,碳價(jià)格圍繞趨勢(shì)項(xiàng)小幅波動(dòng),趨勢(shì)項(xiàng)基本反映碳價(jià)格的走勢(shì),可以為碳價(jià)格的預(yù)測(cè)提供有可靠的參考。此外,對(duì)分解得到的高頻、低頻分量和趨勢(shì)項(xiàng)序列采用SVM進(jìn)行預(yù)測(cè),能減少預(yù)測(cè)誤差,提高碳價(jià)格預(yù)測(cè)精度。

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(責(zé)任編輯/劉柳青)

F206

A

1002-6487(2017)19-0166-04

中國博士后基金資助項(xiàng)目(2013M541697);江蘇省高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013SJD790031);江蘇省博士后基金資助項(xiàng)目(1302044C)

姚 奕(1976—),女,江蘇宜興人,博士,副教授,研究方向:能源軟科學(xué)。

(通訊作者)呂 靜(1978—),女,江蘇宜興人,博士研究生,講師,研究方向:機(jī)器學(xué)習(xí)。

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