Кіріспе

Статистикалық модельдің сапасын бағалаушы – Акаике ақпараттық критерийі (AIC) – болжам қателігінің бағалаушысы және осылайша, берілген деректер жиынтығы үшін статистикалық модельдердің салыстырмалы сапасын анықтаушы. Деректерге қатысты модельдер жиынтығын қарастыра отырып, AIC әрбір модельдің сапасын басқа модельдерге қатысты бағалайды. Осылайша, AIC модельді таңдауға мүмкіндік береді. AIC ақпараттық теорияға негізделген. Статистикалық модель деректерді жасаған процесті бейнелеу үшін қолданылғанда, бейнелеу ешқашан толыққанды дәл болмайды; сондықтан, процесті бейнелеу үшін модельді пайдалану нәтижесінде біраз ақпарат жоғалады. AIC белгілі бір модельдің жоғалтқан ақпаратының салыстырмалы көлемін бағалайды: модель жоғалтқан ақпарат қанша аз болса, сол модельдің сапасы сонша жоғары болады. Модель жоғалтқан ақпарат көлемін бағалау кезінде AIC модельдің сәйкестігі мен модельдің қарапайымдылығы арасындағы тепе-тәуелдікті ескереді. Басқаша айтқанда, AIC модельдің тым күрделі болу қаупімен де, тым қарапайым болу қаупімен де күреседі. Акаике ақпараттық критерийі оны тұжырымдаған жапон статистигі Хироцугу Акаике атымен аталады. Қазір ол статистиканың негіздері үшін парадигманың құрылымдық бөлігі болып табылады және статистикалық қорытындылар жасауда кеңінен қолданылады.

Анықтама

Бізде кейбір деректердің статистикалық моделі бар делік. k – модельдегі бағаланатын параметрлердің саны болсын. Модельдің ықтималдық функциясының максималды мәні болсын. Онда модельдің AIC мәні келесідей есептеледі. Мысалы, AIC мәні 100, 102 және 110 болатын үш кандидат модель бар делік. Екінші модель ақпарат жоғалтуын азайту тұрғысынан бірінші модельге қарағанда еселік артық ықтимал. Сол сияқты, үшінші модель де ақпарат жоғалтуын азайту тұрғысынан бірінші модельге қарағанда еселік ықтимал. Осы мысалда біз үшінші модельді одан әрі қарастырудан алып тастаймыз. Содан кейін бізде үш мүмкіндік бар: (1) алғашқы екі модельді нақтырақ ажыратуға мүмкіндік беретіндей көбірек деректер жинау; (2) бірінші екі модельдің ішінде бір модельді таңдауға жеткілікті деректер жоқ деген қорытынды жасау; (3) бірінші екі модельдің салмақталған орташасын алу, салмақтары тиісінше 1 және 0,368 болып, содан кейін салмақталған көп модельдік негізде статистикалық қорытынды жасау. exp((AICmin − AICi)/2) шамасы i модельінің салыстырмалы ықтималдығы деп аталады. Ол ықтималдық қатынасы тестінде қолданылатын ықтималдық қатынасына өте жақын. Шындығында, кандидаттар жинағындағы барлық модельдердегі параметрлер саны бірдей болса, AIC қолдану ықтималдық қатынасы тестін қолдануға өте ұқсас көрінеді. Дегенмен, маңызды айырмашылықтар бар. Атап айтқанда, ықтималдық қатынасы тесті тек ішкі модельдер үшін ғана жарамды, ал AIC (және AICc) мұндай шектеуге ие емес.

Гипотезаларды тексеру

Әрбір статистикалық гипотезалық сынақ статистикалық модельдерді салыстыру түрінде жасалуы мүмкін. Сондықтан, әрбір статистикалық гипотезалық сынақты AIC арқылы көбейтуге болады. Төмендегі тармақшаларда екі мысал қысқаша сипатталған. Осы мысалдардың және көптеген басқа мысалдардың толық мәліметтері мен көрсетілген.

Студенттің t-тестісін қайталау

Гипотезалық сынақтың мысалы ретінде, екі қалыпты таралымдағы популяциялардың орташаларын салыстыру үшін t-сынағын қарастырайық. t-сынағына берілетін дерек – екі популяцияның әрқайсысынан алынған кездейсоқ үлгі. Сынақты модельдерді салыстыру ретінде құру үшін екі түрлі модель құрастырамыз. Бірінші модель екі популяцияның әртүрлі орташа және стандартты қатеуліктері бар екенін көрсетеді. Бірінші модельдің ықтималдық функциясы екі бөлек қалыпты таралымның ықтималдықтарының көбейтіндісі болып табылады; демек, оның төрт параметрі бар: μ1, σ1, μ2, σ2. Нақтырақ айтқанда, ықтималдық функциясы былай болады (үлгі көлемін n1 және n2 арқылы белгілейміз). Екінші модель екі популяцияның бірдей орташаға, бірақ әртүрлі стандартты қатеуліктерге ие екенін көрсетеді. Екінші модельдің ықтималдық функциясы жоғарыдағы теңдеуде көрсетілгендей болады; демек, оның үш параметрі бар. Содан кейін екі модельдің ықтималдық функцияларын максимизациялаймыз (іс жүзінде, ықтималдық функцияларының логарифмдерін максимизациялаймыз); одан кейін модельдердің AIC мәндерін есептеу оңай. Келесі қадам – салыстырмалы ықтималдықты есептеу. Мысалы, егер екінші модель бірінші модельге қарағанда 0,01 есе аз ықтимал болса, онда біз екінші модельді одан әрі қарастырудан шығарып тастаймыз: демек, екі популяцияның орташалары әртүрлі деген қорытындыға келеміз. t-сынағы екі популяцияның стандартты қатеуліктері бірдей деп есептейді; егер бұл есеп дұрыс болмаса және екі үлгінің көлемі әртүрлі болса, сынақ сенімді болмайды (Welch t-сынағы осы жағдайда жақсырақ болар еді). AIC арқылы популяциялардың орташаларын салыстыру, жоғарыдағы мысалда көрсетілгендей, мұндай есептер жасамайтындықтан артықшылыққа ие.

Категориялық деректер жиынтығын салыстыру

Гипотезалық сынақтың тағы бір мысалы ретінде, екі популяция бар деп есептейік, және әрбір популяцияның әрбір мүшесі екі санаттың бірінде орналасады: #1 санат немесе #2 санат. Әрбір популяция биномдық түрде үлестірілген. Біз екі популяцияның үлестірімдері бірдей екенін білгіміз келеді. Бізге екі популяциядан кездейсоқ үлгілер берілген. m – бірінші популяциядан алынған үлгінің көлемі. m1 – #1 санаттағы байқаулардың саны (үлгіде); демек, #2 санаттағы байқаулардың саны m – m1. Сол сияқты, n – екінші популяциядан алынған үлгінің көлемі болсын. n1 – бұл #1 санаттағы байқаулардың саны (үлгіде). p – бірінші популяцияның кездейсоқ таңдалған мүшесінің #1 санатта болу ықтималдығы болсын. Осылайша, бірінші популяцияның кездейсоқ таңдалған мүшесінің #2 санатта болу ықтималдығы 1 – p. Бірінші популяцияның үлестірімінде бір параметр бар екеніне назар аударыңыз. q – екінші популяцияның кездейсоқ таңдалған мүшесінің #1 санатта болу ықтималдығы болсын. Екінші популяцияның үлестірімі де бір параметрге ие. Екі популяцияның үлестірімдерін салыстыру үшін екі түрлі модель құрастырамыз. Бірінші модель екі популяцияның әртүрлі үлестірімдерге ие болу мүмкіндігін қарастырады. Бірінші модельдің ықтималдық функциясы екі түрлі биномдық үлестірімнің ықтималдықтарының көбейтіндісі болып табылады; сондықтан оның екі параметрі бар: p, q. Нақтырақ айтқанда, ықтималдық функциясы былай көрінеді. Екінші модель екі популяцияның бірдей үлестірімге ие екенін қарастырады. Екінші модельдің ықтималдық функциясы жоғарыдағы теңдеуде көрсетілгендей болады; сондықтан екінші модельде бір параметр бар. Содан кейін екі модельдің ықтималдық функцияларын максимизациялаймыз (практикада, біз логарифмдік ықтималдық функцияларын максимизациялаймыз); одан кейін модельдердің AIC мәндерін есептеу оңай. Келесі қадам – салыстырмалы ықтималдықты есептеу. Мысалы, егер екінші модель бірінші модельге қарағанда 0,01 есе аз ықтимал болса, онда біз екінші модельді одан әрі қарастырудан шығарып тастаймыз: демек, екі популяцияның әртүрлі үлестірімдерге ие екеніне қорытынды жасаймыз.

Статистиканың негіздері

Статистикалық қорытындылау гипотезаларды тексеру және бағалауды қамтиды деп жалпыға белгілі. Гипотезаларды тексеру жоғарыда талқыланғандай, АИК арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Ал бағалаудың екі түрі бар: нүктелік бағалау және интервалдық бағалау. Нүктелік бағалау АИК парадигмасы шеңберінде жүзеге асырылуы мүмкін: ол максималды ықтималдық бағалау арқылы қамтамасыз етіледі. Интервалдық бағалау да АИК парадигмасы шеңберінде жүзеге асырылуы мүмкін: ол ықтималдық интервалдары арқылы беріледі. Осылайша, статистикалық қорытындылауды жалпы алғанда АИК парадигмасы бойынша жасауға болады. Статистикалық қорытындылау үшін ең көп қолданылатын парадигмалар – фреквентистік қорытындылау және Байес қорытындылау. Дегенмен, АИК фреквентистік немесе Байес парадигмасына сүйенбей статистикалық қорытындылау жүргізу үшін қолданылуы мүмкін: себебі АИК маңыздылық деңгейлеріне немесе Байес априорлы мәндеріне жүгінбестен түсіндірілуі мүмкін. Яғни, АИК фреквентизмнен де, байесианизмнен де ерекшеленетін статистиканың негізін құруға пайдаланылуы мүмкін.

Үлгі көлеміне байланысты өзгертулер

Егер үлгінің көлемі шағын болса, AIC параметрлері көп модельдерді таңдау ықтималдығы жоғары, яғни AIC артықша сәйкестікке (overfitting) ұшырауы мүмкін. Мұндай ықтимал артықша сәйкестікті болдырмау үшін AICc әзірленді: AICc – бұл кішкентай үлгілер үшін түзетуі бар AIC. AICc формуласы статистикалық модельге байланысты. Егер модель бірөлшекті, параметрлері сызықтық және регрессорларға байланысты қалыпты таралымды қалдықтары болса, онда AICc формуласы былай болады: —мұнда n үлгінің көлемін, ал k параметрлер санын білдіреді. Осылайша, AICc – бұл параметрлер саны үшін қосымша айыппұл мүшесі бар AIC. n → ∞ болғанда қосымша айыппұл мүшесі 0-ге жақындайды, демек AICc AIC-ге жақындайды. Егер модель бірөлшекті және қалыпты қалдықтары бар сызықтық модель емес болса, онда AICc формуласы жоғарыдағы формуладан өзгеше болады. Кейбір модельдер үшін формуланы анықтау қиын болуы мүмкін. Дегенмен, AICc қолжетімді әрбір модель үшін AICc формуласы k және k² екеуін қамтитын AIC плюс мүшелер арқылы беріледі. AIC формуласы керісінше, k-ны қамтиды, бірақ k²-ні қамтимайды. Басқаша айтқанда, AIC – ақпараттық шығынның бірінші реттік бағасы, ал AICc – екінші реттік бағасы. Формуланың талқылануы, басқа шарттардың мысалдарымен, сондай-ақ басқа шарттармен, бастапқы бағалаудың жиі мүмкін болатыны туралы мәліметтер келтірілген. Қорыта айтқанда, AICc-тің AIC-ге қарағанда (әсіресе кішкентай үлгілер үшін) дәлдігі жоғарырақ, бірақ AICc-ні есептеу кейде AIC-ге қарағанда қиын болуы мүмкін. Егер барлық үміткер модельдерде бірдей k және AICc үшін бірдей формула болса, онда AICc және AIC бірдей (салыстырмалы) бағалаулар береді; сондықтан AIC орнына AIC-ні пайдаланудың ешқандай кемшілігі жоқ. Сонымен қатар, егер n, k²-ден әлдеқайда үлкен болса, онда қосымша айыппұл мүшесі мардымсыз болады; демек, AIC орнына AICc-ні пайдаланудың кемшілігі де мардымсыз болады.

Тарих

Akaike ақпарат критерийін статистик Хироцугу Акайке жасаған. Ол бастапқыда «ақпараттық критерий» деп аталды. Дегенмен, 1973 жылғы жарияланым осы ұғымдардың тек бейресми ұсынысы болды. Алғашқы ресми жарияланым 1974 жылы Акайке жариялаған мақаласы болды, ол lc=y-ға дейін Web of Science дерекқорында 35 100-ден астам, ал Google Scholar деректері бойынша 64 000-нан астам сілтеме алды. AIC кеңінен қолданыс тапқандықтан, көбінесе Акайкенің 1974 жылғы мақаласына сілтеме жасай бермейді; шын мәнінде, lc=y-дан бастап Google Scholar бағалауынша, AIC қолданылған шамамен 289 000 ғылыми мақала мен кітап бар. AIC-тің бастапқы туындысы кейбір қатаң болжамдарға сүйенді. Ол болжамдарды әлдеқайда әлсіретуге болатынын көрсетті. Алайда Такеучидің еңбегі жапон тілінде болғандықтан, көп жылдар бойы Жапониядан тыс жерлерде кеңінен танылмады. (Аудармасы) AICc бастапқыда тек сызықтық регрессия үшін ұсынылды. Бұл , және сол авторлардың бірнеше қосымша мақалаларының жұмысына бастама берді, олар AICc қолданылатын жағдайларды кеңейтті. Ақпараттық теориялық тәсілдің алғашқы толық баяндамасы – Takeuchi-дің жұмысын ағылшын тілінде ұсынған томдық еңбек болды. Бұл том AIC-тің қолданылуын едәуір арттырды және қазір Google Scholar-да 64 000-нан астам сілтемеге ие. Акайке өзінің тәсілін «энтропияны максимизациялау принципі» деп атады, өйткені бұл тәсіл ақпарат теориясындағы энтропия ұғымына негізделген. Расында, статистикалық модельдегі AIC-ті азайту термодинамикалық жүйедегі энтропияны максимизациялауға тең; яғни, статистикадағы ақпараттық теориялық тәсіл термодинамиканың екінші заңын қолданумен бірдей. Осылайша, AIC Людвиг Болцманның энтропия туралы еңбегімен байланысты. Бұл мәселелер туралы толыққанды ақпарат алу үшін және қараңыз.

Деректерді өңдеу

Кандидат модельдердің AIC мәндері бірдей деректер жиынтығымен есептелуі керек. Кейде біз жауап айнымалысының моделін, y, жауап айнымалысының логарифмінің моделімен, log(y), салыстыруымыз қажет болуы мүмкін. Жалпы, біз деректер моделін түрлендірілген деректер моделімен салыстырамыз. Төменде деректерді түрлендіруді қалай жүзеге асыруға болатынын көрсететін мысал келтірілген (:"Зерттеушілер барлық гипотезалардың бірдей жауап айнымалысын пайдалана отырып модельденгеніне көз жеткізуі керек"). Екі модельді салыстырайық: біреуі y-тің қалыпты таралуымен, екіншісі log(y)-тің қалыпты таралуымен. Біз екі модельдің AIC мәндерін тікелей салыстырмауымыз керек. Оның орнына, біз қалыпты жинақталған үлестіру функциясын y-тің логарифмін ескере отырып түрлендіруіміз керек. Бұл үшін тиісті интегралды ауыстыру арқылы орындауымыз қажет: сондықтан біз (табиғи) логарифм функциясының туындысына көбейтуіміз керек, ол 1/y. Осылайша, түрлендірілген үлестірілімнің ықтималдық тығыздық функциясы мынадай болады: — бұл логарифмдік қалыпты үлестірілімнің ықтималдық тығыздық функциясы. Содан кейін біз қалыпты модельдің AIC мәнін логарифмдік қалыпты модельдің AIC мәнімен салыстырамыз. Модель дұрыс көрсетілмеген жағдайда, Takeuchi's Information Criterion (TIC) ыңғайлырақ болуы мүмкін. Алайда, TIC көбінесе бағалау қателіктерінен туындаған тұрақсыздыққа ұшырайды.

Үлгілерді таңдаудың басқа әдістерімен салыстыру

AIC және BIC (және олардың түрлері) арасындағы маңызды айырмашылық – дұрыс және дұрыс емес сипатталған модельдер класындағы асимптотикалық қасиеттері. Олардың негізгі айырмашылықтары регрессиялық айнымалыларды таңдау және авторегрессиялық тәртіпті таңдау мәселелерінде жақсы зерттелген. Егер мақсат болжам жасау болса, AIC және бір элементті шығарып тастау арқылы кросс-валидация әдістері артықшылыққа ие. Егер мақсат таңдау, қорытынды шығару немесе түсіндіру болса, BIC немесе көп элементті шығарып тастау арқылы кросс-валидация әдістері артықшылыққа ие. AIC және басқа да танымал модельдерді таңдау әдістеріне толық шолу Динг және авторлар (2018) еңбегінде келтірілген.

Крес-валидациямен салыстыру

Бір элементті шығарып тастап жүргізілетін кросс-валидация, қарапайым сызықтық регрессия модельдері үшін асимптотикалық жағынан АИК-қа тең. АИК-қа асимптотикалық теңдік аралас әсерлер модельдері үшін де сақталады.

Маллоустың Cp-мен салыстыру

Маллоустың Cp (Гаусс) сызықтық регрессиясында AIC-ге балама болады.