УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ФИНАНСОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИ ПРАВИТЕЛЬСТВЕ РОССИЙСКОЙ ФЕдЕРАЦИИ П.Б. Лукьянов Моделирование и анализ в среде Rс использованием пакета Shiny Optnм, - h'fl>//\2700.1A10S ли~е..ная фунщ11я Случз111Ные значежя Воnноеая фун~,я Итоrоеая цена Составляющие кrоговоА цены Вкnад nине!'lноА фУнкции, о/, О Е1 1 '1 1 ' 11 1 n мм 1~ Вклад сnучайнь1х знвчении 1 % О В ~:о~~~ "'~ Вклад периодической функции, '/, • , .., ~~И 1 ' 1 Пep,tQA JIНII ФИНАНСОВЬIИ УНИВЕРСИТЕТ ПРИ ПРАВИТЕЛЬСТВЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего образования <<ФИНАНСОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИ ПРАВИТЕЛЬСТВЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ>> (Финансовый университет) Департамент математики П.Б. Лукьянов Моделирование и анализ в среде R с использованием пакета Shiny Учебно-методическое пособие Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки . << Экономика >> , . <<Менеджмент >> (бакалавриат) МОСКВА УДК 32.973.3 Л84 Автор: Лукьянов П.В., д.э.н., доцент, профессор Департамента ма тематики Финансового университета при Правительстве Россий ской Федерации. Рецензенты: 3ададаев СА., к.ф.-м.н., профессор, руководитель Департа мента математики Финансового университета при Правительстве Российской Федерации; Чернышов Л.Н., к.ф.-м.н., доцент ФГБОУ ВО <<Московский авиационный институт (национальный исследовательский уни верситет)>> . Лукьянов П.Б. Л84 Моделирование и анализ в среде R с использованием пакета Shiny: Учебно-методическое пособие для бакалавриата / П.Б. Лукьянов. - М: Прометей, 2023 - 102 с. Учебно-методическое пособие предназначено для освое ния компьютерных технологий в части разработки программ по анализу и моделированию прикладных экономических задач на языке R (базовый функционал языка R) с использованием интерактивных визуальных инструментов управления параме трами задачи (функционал пакета Shiny). Последовательно рас сматриваются этапы создания программ для анализа данных и их моделирования в формате клиент-серверных приложений. Пре доставление Пользователю развитого wеЬ-интерфейса для управ ления сложными приложениями является одним из актуальных направлений в развитии современных программных технологий анализа и моделирования данных. © Лукьянов П.Б., 2023 © Издательство <<Прометей>>, 2023 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ............................................ . 4 . Организация рабочего места ................. . 8 . Скрипты и первые программы. . . . . . . . . . . . . . . . Основы создания клиент-серверных приложений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3 .1. Реализация клиент-серверной технологии на языке R .... . ... . ... . ... . ... . ... . ..... 33 3.2. Визуальные элементы Shiny ............... 36 3. 3. Обработка информации от визуальных элементов . .............................. 43 3.4. Реактивное программирование и функция server() ................................. 4 5 . Моделирование цены актива . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Постановка задачи ....................... 53 4.2. Используемые математические функции и их параметры .......................... 54 4.3. Моделирование линейного роста цены . . ..... 58 4.4. Приложение Shiny. Моделирование цены актива, версия 1 ... . ... . ... . ... . ... . ..... 61 4.5. Моделирование скачков цены .............. 66 4.6. Приложение Shiny. Моделирование цены актива, версия 2 ......................... 71 4. 7. Моделирование периодических колебаний цены . .. . .......... . ............ . .. . .... 79 4. 8. Управление размещением визуальных элементов . .................... . ......... 83 4. 9. Моделирование и анализ в итоговом приложении Shiny . .. .. . ... .. .. .. .. .. .... 90 Литера тура и источники Интернет . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3 - ВВЕДЕНИЕ Для кого эта книга, и что в ней будет изучаться Освоение любого языка программирования можно разделить на несколько уровней: вначале человек (далее будем называть его студентом) разбирается с основами что такое переменные, функции, арифметические и логи ческие операторы и т.д. Студент выполняет простейшие задания, учится выводить на экран или в файл результаты своих вычислений, создает первые программы. На этом этапе характер самих заданий не так важен - важно, что в результате их выполнения у студента что-то получается, он видит, что все работает. В итоге у студента появляется интерес к процессу программирования, ему кажется, что он уже многое по нял, и пора переходить на следующий уровень: начинать создавать реальные проекты программировать что-то серьезное, интересное и полезное. Данное учебное пособие предназначено для тех, кто первый уровень уже преодолел, получил первые резуль таты, и теперь есть желание двигаться дальше. И здесь возникает вопрос куда двигаться дальше, что и как из учать? Не секрет, что любая <<правильная >> современная программа для своего написания требует большого слоя знаний и технологий, которые на данном этапе студентом еще не изучены или кажутся слишком сложными. Если, ные темы, имея сквозной идеи, хвататься раз пытаться разбираться в чужих примерах, 4 - Введение понимая, ради чего запутаться и потерять это делать, мотивацию к достаточно изучению легко програм мирования. Интерес к созданию программ будет угасать, а у студента появятся более интересные дела. Поэтому, чтобы успешно преодолеть следующий этап и приобрести опыт написания более-менее серьезных про грамм, нужно Сформулировать для себя некоторую прикладную задачу, которая понятна по своей сути, без привлечения языков программирования. Требуется простым языком описать, что нам дано в качестве исходных данных и что мы хотим из этих данных получить; Разбить решение прикладной задачи на этапы и подзадачи; Программировать и автоматизировать отдельные подзадачи, постепенно объединяя их в единое целое; В итоге получить стабильно работающее прило жение с набором полезных функций, развитым интерфей сом, средствами представления и визуализации результа тов. Решив таким образом несколько задач из разных прикладных областей, изучив и использовав различные техники и шаблоны программирования, студент получает необходимые знания, опыт и практические результаты, которые может использовать при реализации других про ектов. В данной книге в качестве языка программирования используется R по нескольким причинам: Язык R предназначен для обработки и анализа больших массивов данных с использованием векторных вычислений, что существенно снижает необходимость использования циклов; 2. R - кроссплатформенный язык, программы ра ботают на любой операционной системе (ОС); 5 - Введение Язык позволяет создавать современные инте рактивные wеЬ-приложения с возможностью их запуска в любом браузере; У языка богатые средства визуализации и пред ставления результатов; В настоящее время количество учебных пособий по языку R на русском языке невелико; Все необходимое программное обеспечение бес платное. R не программировали, Если ранее Вы на языке есть опыт программирования других языках, то можно спокойно начать изучать R по этой книге. Дело в том, что базовые управляющие конструкции всех вы сокоуровневых языков программирования примерно одинаковы, по различным нюансам даются необходимые пояснения. При разборе примеров практически весь ис ходный код представлен в скриншотах. В качестве сквозного примера разбирается задача моделирования цены акции на бирже. Рассматривают ся математические функции, которые могут быть ис пользованы для моделирования этих функций поведением учетом этих функций, цены актива; параметров, на основе управляющих формируется модель цены актива; разрабатывается клиент-серверное приложение с возможностями моделирования любого, заранее задан ного поведения цены акции с наглядными графиками динамики цены. В дальнейшем приложение может быть использовано для разработки и тестировании различных торговых стратегий. В процессе разработки приложения изучаются следу ющие темы: Формирование и обработка структур данных; пользование математических генераторов случайных функций, чисел; 6 - создание ис частности, собственных Введение функций и управление ими через наборы параметров; управление базовой графикой и использование основных и вспомогательных графических функций; разработка клиент - серверных приложений с использованием пакета Shiny; дизайн wеЬ-интерфейсов с визуальными интерак тивными элементами (frontend); разработка серверной части приложений с размещением в ней бизнес- логики приложения (backend). 7 - ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОЧЕГО МЕСТА Традиционно для разработки программ на любом языке программирования используется персональный компьютер и специализированное программное обеспе чение. Нам для решения объявленных во введении задач на персональный компьютер потребуется установить сле дующие программные продукты: 1. Язык R, в виде стандартного набора исполняемых и служебных файлов языка; Интегрированную среду разработки RStudio, в которой будет выполняться программирование; Пакет Shiny (расширение языка R) для разработ ки клиент-серверных приложений. Из необязательных, но крайне полезных программ рекомендуется установить клавиатурный переключатель языков Caramba Switcher, с помощью которого упрощается написание комментариев в программах. Скачать переклю чатель можно с официального сайта caramba-switcher .com. Установка языка R Необходимо скачать установить компьютер последнюю версию языка R. Для этого нужно перейти на официальный сайт разработчиков R, где размещены установочные файлы языка (другое название - дистри бутивы), разные для разных операционных систем. Точкой с адресом входа для скачивания https: //cran.r-project.org/ 8 - является страница (рис. 1.1). С этой . Организаци я рабочего места страницы доступны все официальные материалы, раз мещенные в сложной системе дублирующих друг друга сайтов ( зеркал), называемой CRAN - The Comprehensive R Archive Network (сеть материалов среды R). Для установки языка следует выбрать нужную опера ционную систему, перейти на соответствующую страницу и скачать дистрибутив. Так, для ОС Windows нужно щелкнуть на строчке Download R for Windows, на следующем экране выбрать ссылку install R for the first time, после чего при переходе на новую страницу выбрать Download R for Windows. The Comprehensive R Archive Network Download and Install R Precoшpiled biuary distributions of tlte base syste1n a11d coiшibшed packages. \Yi11rJo,vs sшd i\lac нsers 111os1 likely \\'t\111 опе oftl1ese versions ofR: CR.A.V Mjrrors • Do,,·nload Rfor Liвu;s r ~. Гedora Redbлi. Ub11nn1) \Vlщ's 11е-,,·: • PP'"Plood R for ошсоs Шrffi • Do"·дload R fQI \\'incfo,,·s СRА;-,;Тещц АЬощR R is parr of 111,шу L ш.1.1х disuibшious. you sl1ot1ld cbeck ,,·it11 уош Liш1x package n1at1agen1ent S}'Sleш in addition to tl1e li1Jk аЬоvе. R Hoщe;RiJge Tl1t> R JQ\l[!Н1i Source Code for all Platforms \\ ~11do,,'S and :\!ас t1sers шost likely ,.,·ащ to do,,·п1oad tl1e Sofмare precoшpiled Ьil)aries listed in the upper Ьох. not lhe source code. R soщces Т11е soшc~s lш,•е 10 Ьt' coшpiled b~fore )'О\1 сап ше tJ1em. If уон do RBjщ1rjes l)Ot knO\\"\,·Ьа1 tbls meaus. у01.1 рrоЬаЫу do no1 \\·аш 10 do i,t Pnckag~s Рис. 1.1. Фрагмент официальной стартовой страницы R После скачивания дистрибутива его нужно запустить (двойной щелчок мышью по имени скачанного файла) время установки периодически нажимать кнопку <<Далее >>, оставляя значения по умолчанию без измене ний. Для разных установке дистрибутива операционных могут отличаться, предлагается 9 - систем инструкции всегда выбрать при загруз язык, папку