Modeling and Information System in Economics

Modeling and Information System in Economics

Вейвлет-аналіз як інструмент підвищення ефективності моделей штучного інтелекту

Wavelet analysis as a tool for improving the efficiency of artificial intelligence models

DOI:

10.33111/mise.105.13

Анотація: У статті представлено комплексний огляд вейвлет-аналізу як ефективного математичного інструменту для покращення продук тивності моделей штучного інтелекту (ШІ). Матеріали статті мають науково-методологічний та оглядовий характер і спрямовані на систе матизацію сучасних підходів до застосування вейвлет-перетворень в інтелектуальному аналізі даних. Сучасні системи ШІ працюють з вели кими обсягами складних і часто нестаціонарних даних, включаючи часові ряди, сигнали та зображення, що вимагає передових методів попередньої обробки та вилучення ознак. Традиційні підходи, такі як спектральний аналіз на основі Фурʼє, обмежені у своїй здатності фіксувати локальні ха рактеристики сигналів як у часовій, так і в частотній областях. У цьому контексті вейвлет-перетворення забезпечує потужну альтернативу, дозволяючи проводити багатомасштабний аналіз та одночасну локалі зацію ознак даних. У статті розглядаються теоретичні основи вейвлет аналізу, включаючи неперервні та дискретні вейвлет-перетворення, а також багатороздільний аналіз. Особлива увага приділяється здатності вейвлет-методів розкладати сигнали на компоненти різних частотних діапазонів, що дозволяє ідентифікувати як глобальні тенденції, так і ло кальні коливання. Ця властивість робить вейвлет-аналіз особливо кори сним для обробки зашумлених, нелінійних та нестаціонарних даних. Дос лідження зосереджене на інтеграції вейвлет-методів у сучасні технології штучного інтелекту. Зокрема, аналізується використання вейвлет-пе ретворень для попередньої обробки даних, зменшення шуму, вилучення ознак та зменшення розмірності. У статті також розглядаються 158 новітні підходи, які безпосередньо включають вейвлет-операції в архіте ктури машинного та глибокого навчання, включаючи згорткові нейронні мережі (CNN), рекурентні нейронні мережі (RNN) та моделі на основі тра нсформаторів. Такі гібридні підходи демонструють покращену стійкість, кращі можливості узагальнення та вищу точність прогнозування. Особ лива увага приділяється застосуванню вейвлет-аналізу в моделюванні часових рядів, зокрема в економічній та фінансовій сферах, де дані демон струють багатомасштабну поведінку та складну динаміку. Декомпозиція на основі вейвлетів дозволяє точніше моделювати та прогнозувати, ізо люючи шаблони на різних часових масштабах. Результати дослідження підтверджують, що вейвлет-аналіз є потужним та універсальним ін струментом для підвищення ефективності моделей штучного інтеле кту. Поєднання багатомасштабної обробки сигналів та інтелектуаль них алгоритмів відкриває нові перспективи для розробки передових методів аналізу даних. Майбутні напрямки досліджень включають розро бку адаптивних нейронних архітектур на основі вейвлетів та застосу вання вейвлет-методів у великих даних та системах штучного інтеле кту реального часу.
Abstract: The article presents a comprehensive review of wavelet analysis as an effective mathematical tool for improving the performance of artificial intelligence (AI) mod-els. The materials of the paper are of a scientific-methodological and review nature and are aimed at systematizing modern approaches to the application of wavelet transforms in intelligent data analysis. Modern AI systems operate on large volumes of complex and often non-stationary data, including time series, signals, and images, which require advanced methods for preprocessing and feature extraction. Traditional approaches, such as Fourier-based spectral analysis, are limited in their ability to capture local characteristics of signals in both time and frequency domains. In this context, wavelet transform provides a powerful alternative by enabling multiscale analysis and simultaneous localization of data features. The theoretical foundations of wavelet analysis, including continuous and discrete wavelet transforms, as well as multiresolution analysis, are examined in the paper. Particular attention is given to the ability of wavelet methods to decompose signals into components of different frequency ranges, which allows for the identification of both global trends and local fluctuations. This property makes wavelet analysis especially useful for handling noisy, nonlinear, and non-stationary data. The study focuses on the integration of wavelet-based techniques into modern artificial intelligence technologies. Specifically, the use of wavelet transforms for data preprocessing, noise reduction, feature extraction, and dimensionality reduction is analyzed. The paper also reviews recent approaches that incorporate wavelet operations directly into machine learning and deep learning architectures, including convolutional neural networks (CNNs), recurrent neural networks (RNNs), and transformer-based models. Such hybrid approaches demonstrate improved robustness, better generalization capabilities, and higher prediction accuracy. Special attention is paid to the application of wavelet analysis in time series modeling, particularly in economic and financial domains, where data exhibit multiscale behavior and complex dynamics. Wavelet-based decomposition enables more accurate modeling and forecasting by isolating patterns at different temporal scales. The results of the study confirm that wavelet analysis is a powerful and versatile tool for enhancing the efficiency of AI models. The combination of multiscale signal processing and intelligent algorithms opens new perspectives for the development of advanced data analysis methods. Future research directions include the development of adaptive wavelet-based neural architectures and the application of wavelet techniques in big data and real-time AI systems
Ключові слова: вейвлет-аналіз; штучний інтелект; машинне навчання; глибоке навчання; часові ряди; вилучення ознак; обробка сигналів; багато роздільний аналіз.
Key words: wavelet analysis; artificial intelligence; machine learning; deep learning; time series; feature extraction; signal processing; multiresolution analysis.
УДК: 004.8:519.6
UDC: 004.8:519.6
To cite paper
In APA style
Serdenko, T., & Levchuk, O. (2025). Wavelet analysis as a tool for improving the efficiency of artificial intelligence models. Modeling and Information System in Economics, 105, 158-168. http://doi.org/10.33111/mise.105.13
In MON style
Серденко Т.В., Левчук О.М. Вейвлет-аналіз як інструмент підвищення ефективності моделей штучного інтелекту. Моделювання та інформаційні системи в економіці. 2025. № 105. С. 158-168. http://doi.org/10.33111/mise.105.13 (дата звернення: 28.06.2026).
With transliteration
Serdenko, T., Levchuk, O. (2025) Veivlet-analiz yak instrument pidvyshchennia efektyvnosti modelei shtuchnoho intelektu [Wavelet analysis as a tool for improving the efficiency of artificial intelligence models]. Modeling and Information System in Economics, no. 105. pp. 158-168. http://doi.org/10.33111/mise.105.13 [in Ukrainian] (accessed 28 Jun 2026).
# 105 / 2025 # 105 / 2025
Download Paper
55
Views
9
Downloads
0
Cited by

1. Bruna J., Mallat S. Invariant scattering convolution networks. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2013. Vol. 35, No. 8. P. 1872–1886.

2. Daubechies I. Ten lectures on wavelets. Philadelphia : SIAM, 1992. 357 p.

3. Frusque G., Fink O. Robust time series denoising with learnable wavelet packet transform. Advanced Engineering Informatics. 2024. Vol. 62. Article 102656.

4. Fujieda S., Takayama K., Hachisuka T. Wavelet convolutional neural networks. Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition Workshops. 2020. P. 58–67.

5. Gençay R., Selçuk F., Whitcher B. An introduction to wavelets and other filtering methods in finance and economics. San Diego : Academic Press, 2001. 359 p.

6. Korkmaz C., Tekalp A. M. Training transformer models by wavelet losses improves quantitative and visual performance in single image super resolution. Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition Workshops. 2024.

7. Li Q., Shen L., Guo S., Lai Z. WaveCNet: Wavelet integrated CNNs to suppress aliasing effect for noise-robust image classification. IEEE Transactions on Image Processing. 2021. Vol. 30. P. 7074–7089.

8. Liu W., Yan Q., Zhao Y. Densely self-guided wavelet network for image denoising. Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition Workshops. 2020.

9. Mallat S. A wavelet tour of signal processing: the sparse way. 3rd ed. Burlington : Academic Press, 2009. 832 p. 167

10. Nason G. P. Wavelet methods in statistics with R. New York : Springer, 2008. 272 p.

11. Percival D. B., Walden A. T. Wavelet methods for time series analysis. Cambridge : Cambridge University Press, 2000. 594 p.

12. Wang B.-S., Hsieh J.-W., Chang M.-C., Chen P.-Y., Ke L., Lyu S. Learnable discrete wavelet pooling for convolutional networks. Proceedings of the British Machine Vision Conference. 2021.

13. Wolter M., Garcke J. Adaptive wavelet pooling for convolutional neural networks. Proceedings of the 24th International Conference on Artificial Intelligence and Statistics. 2021. Vol. 130. P. 1936–1944.

14. Wu J. et al. Wavelet-integrated deep neural networks: a systematic review of applications and architectures. Neurocomputing. 2025.

15. Zheng X., Zhou B., Gao J., Wang Y., He Y., Jin Y., Li Y. How framelets enhance graph neural networks. Proceedings of the 38th International Conference on Machine Learning. 2021. Vol. 139. P. 12761 12771.