Кіріспе
Статистиканың үлкен ауытқуларға қатысты саласы – Статистикалық теория. Экстремалды құндылықтар теориясы немесе экстремалды құндылықтарды талдау (ЭВА) – ықтималдық таралымдарының медианасынан болатын ең үлкен ауытқуларды зерттейтін статистика саласы. Ол, берілген кездейсоқ айнымалының реттелген үлгісінен, бұрынғыдан да қауіптірек оқиғалардың болу ықтималдығын бағауға бағытталған. Экстремалды құндылықтарды талдау құрылыс инженериясы, қаржы, экономика, Жер ғылымдары, трафик болжамы және геологиялық инженерия сияқты көптеген салаларда кеңінен қолданылады. Мысалы, ЭВА гидрологияда 100 жылдық су тасқыны сияқты ерекше ірі су тасқынының ықтималдығын бағалау үшін қолданылуы мүмкін. Сол сияқты, толқын тоқтату құрылысын жобалау үшін жағалау инженері 50 жылдық толқынның мөлшерін анықтап, құрылысты оған сәйкес жобалайды.
the statistical theory
Extreme value theory or extreme value analysis (EVA) is a branch of statistics dealing with the extreme deviations from the median of probability distributions. It seeks to assess, from a given ordered sample of a given random variable, the probability of events that are more extreme than any previously observed. Extreme value analysis is widely used in many disciplines, such as structural engineering, finance, economics, earth sciences, traffic prediction, and geological engineering. For example, EVA might be used in the field of hydrology to estimate the probability of an unusually large flooding event, such as the 100 year flood. Similarly, for the design of a breakwater, a coastal engineer would seek to estimate the 50 year wave and design the structure accordingly.
Деректерді талдау
Экстремалды құндылықтарды практикалық талдау үшін екі негізгі тәсіл бар. Бірінші әдіс алдын ала қадам ретінде блок максима (минима) тізбектерін шығаруға негізделген. Көптеген жағдайларда жылдық максималарды (минималарды) шығару әдеттегі және ыңғайлы, нәтижесінде жылдық максималар сериясы (AMS) құралады. Екінші әдіс үздіксіз тіркелімнен белгілі бір шекті мәннен асып түскен кез келген кезең үшін ең жоғары мәндерді (немесе белгілі бір шекті мәннен төмен түскен) анықтауға негізделген. Бұл әдіс әдетте шектен асып түскен мәндер әдісі (POT) деп аталады. AMS деректері үшін талдау Fisher-Tippett-Gnedenko теоремасының нәтижелеріне ішінара сүйене алады, бұл сәйкес келу үшін жалпыланған экстремалды құндылықтар үлестірілімін (GEVD) таңдауға әкеледі. Алайда, іс жүзінде таратулардың кең ауқымынан таңдау үшін әртүрлі процедуралар қолданылады. Бұл теорема бір үлестірімнен тәуелсіз, өте көп мөлшердегі кездейсоқ айнымалылардың ең кішкентай немесе ең үлкен мәндерінің шекті үлестірімдеріне қатысты. Бір жыл ішіндегі маңызды кездейсоқ оқиғалардың саны шектеулі болғандықтан, байқалған AMS деректерінің талдауы көбінесе жалпыланған экстремалды құндылықтар үлестірілімінен (GEVD) басқа үлестірімдерді таңдауға әкелетіні таңқаларлық емес. POT деректері үшін талдау екі үлестіруді қажет етуі мүмкін: бірі – қарастырылып отырған уақыт кезеңіндегі оқиғалардың саны, екіншісі – асып түсулердің мөлшері. Біріншісі үшін жиі қолданылатын болжам – Пуассон үлестірілімі, ал асып түсулер үшін – жалпыланған Парето үлестірімі. Құйрыққа сәйкестікті Пикандс-Балкема-де Хаан теоремасымен негіздеуге болады. Novak (2011) «POT әдісі» терминін шекті мән кездейсоқ емес жағдайда қолданады және оны кездейсоқ шекті мәннен асып түсулермен жұмыс істеу жағдайынан ажыратады.
Тарих
Экстремалды құндылықтар теориясын Л. Типпетт (1902–1985) қалады. Типпетт Британдық мақта өнеркәсібі ғылыми-зерттеу қауымдастығында жұмыс істеді, онда мақта жіптерін мықтырақ ету үшін зерттеулер жүргізді. Ол жіптің беріктігі оның ең әлсіз талшықтарының беріктігімен анықталатынын байқады. Р. А. Фишердің көмегімен Типпет тәуелсіз айнымалылар негізінде экстремалды шамалардың таралуын сипаттайтын үш асимптотикалық лимит алды. Э. Дж. Гумбел (1958) осы теорияны жүйеледі. Бұл нәтижелерді айнымалылар арасындағы аз байланысты ескере отырып кеңейтуге болады, бірақ классикалық теория дисперсия деңгейіндегі күшті байланыстарға қатысты қолданылмайды. Ерекше қызығушылық тудыратын бір әмбебаптық класс – бұл логарифмдік байланысқан өрістер, онда байланыстар қашықтықпен логарифмдік түрде азаяды.
Көптүрлілік теория
Бірнеше айнымалыдағы экстремалды мәндер теориясы қарастырылуы тиіс қосымша мәселелерді тудырады. Бір мәселе – экстремалды оқиғаның қандай екенін анықтау қажеттігі. Бұл бір айнымалы жағдайында түсінікті болса да, көп айнымалы жағдайында оны нақты анықтаудың бірмәнді жолы жоқ. Негізгі мәселе – нақты сандар жиынтығын реттеуге болады, бірақ векторлар жиынтығын реттеуге табиғи тәсіл жоқ. Мысалы, бір айнымалы жағдайында, бақылаулар жиынтығы берілгенде, бақылаулардың максималды (немесе минималды) мәнін таңдау арқылы ең экстремалды оқиғаны анықтау оңай. Дегенмен, екі айнымалы жағдайында, бақылаулар жиынтығы берілгенде, ең экстремалды оқиғаны қалай анықтауға болатыны бірден түсініксіз. Егер белгілі бір уақыттағы және кейінірек уақыттағы мәндер өлшенген болса, осы оқиғалардың қайсысы экстремалдырақ болып есептеледі? Бұл сұраққа әмбебап жауап жоқ. Көп айнымалы жағдайындағы тағы бір мәселе – шектік модель бір айнымалы жағдайындағыдай толыққанды берілмеген. Бір айнымалы жағдайында модель (GEV үлестірілімі) теориямен болжанбайтын және деректерге сәйкес келтіру арқылы анықталуы тиіс үш параметрді қамтиды. Көп айнымалы жағдайында модельде белгісіз параметрлер ғана емес, сонымен қатар теориямен нақты пішіні анықталмаған функция да бар. Алайда, бұл функция белгілі бір шектеулерді сақтауы керек. Мұндай шектеулерді сақтайтын бағалаушыларды құру оңай емес, бірақ кейбіреулері жақында жасалды. Қолданылу мысалы ретінде, екі айнымалы экстремалды мәндер теориясы мұхитты зерттеуде қолданылған.
Стационарлық емес шеткіліктер
1990 жылдары стационарлық емес уақыт қатарларын статистикалық модельдеу әзірленді. Стационарлық емес көпөлшемді экстремалдық әдістер бұрынғыдан да кешірек ұсынылды. Екіншісі, экстремалды мәндер арасындағы тәуелділіктің уақыт өте келе немесе басқа бір фактор бойынша қалай өзгеретінін қадағалау үшін қолданылуы мүмкін.
Бағдарламалық жасақтама
— R бағдарламалау тілінде экстремалды мәндер статистикасы бойынша пакет.
— Julia бағдарламалау тілінде экстремалды мәндер статистикасы бойынша пакет.
— Package for extreme value statistics in Julia.