Кіріспе
Номиналды, ординалдық, интервалдық және қатынас айнымалыларының аражігін ажырату. Өлшем деңгейі немесе өлшем шкаласы – айнымалыларға тағайындалған мәндердегі ақпараттың сипатын сипаттайтын жіктеме. Психолог Стэнли Смит Стивенс ең танымал жіктемені, төрт деңгейлі немесе өлшем шкаласын жасады: номиналды, ординалдық, интервалдық және қатынас. Өлшем деңгейлерін ажыратудың бұл жүйесі психологияда пайда болды және содан бері күрделі тарихқа ие болды, кейбір салаларда және кейбір ғалымдар тарапынан қабылданып, кеңейтілді, ал басқалары сынға алды немесе қабылдамады. Мостеллер мен Туки, сондай-ақ Крисман жасаған жіктемелер де бар.
Level of measurement or scale of measure is a classification that describes the nature of information within the values assigned to variables. Psychologist Stanley Smith Stevens developed the best known classification with four levels, or scales, of measurement: nominal, ordinal, interval, and ratio. This framework of distinguishing levels of measurement originated in psychology and has since had a complex history, being adopted and extended in some disciplines and by some scholars, and criticized or rejected by others. Other classifications include those by Mosteller and Tukey, and by Chrisman.
Математикалық операциялар
Теңдік және теңсіздік, жиынға тиесілілік сияқты теңдік арқылы анықталатын басқа операциялар – номиналды типтегі объектілерге қатысты қолданылатын жалғыз маңызды операциялар болып табылады.
Орталық тенденция
Мод, яғни ең көп кездесетін элемент, номиналды типтегі деректердің орталық тенденциясын сипаттау үшін қолданылуы мүмкін. Ал медиана, яғни ортаңғы разрядтағы элемент, номиналды типтегі деректер үшін мағынасыз, себебі номиналды типтегі деректерді реттеудің қажеті жоқ.
Тәртіптік шкала
Реттік тип деректерді реттілік бойынша (1-ші, 2-ші, 3-ші және т.б.) сұрыптауға мүмкіндік береді, бірақ олардың арасындағы салыстырмалы айырмашылықты анықтауға жол бермейді. Мысалға, бір жағынан, денсаулықты өлшеуде «ауырған» мен «сау», сотта «күнәлі» мен «күнәсіз», шындықты өлшеуде «жалған/бұрыс» пен «ақиқат/тура» сияқты екіұшты (немесе екіұштыға айналдырылған) мәндері бар екіұшты деректерді, ал екінші жағынан, пікірді өлшеуде «толық келісемін», «көп бөлігінде келісемін», «көп бөлігінде келіспеймін», «толық келіспеймін» сияқты мәндер спектрінен тұратын екіұшты емес деректерді қарастыруға болады. Реттік шкала оқиғаларды ретке келтіреді, бірақ шкала аралықтарын қандай да бір ереже бойынша теңдеуге тырысылмайды. Рангтық реттілік – реттік шкалалар болып табылады және олар жиі сапалық құбылыстарға қатысты зерттеулерде қолданылады. Студенттің бітіру сыныбындағы орны реттік шкаланың қолданылуын қамтиды. Реттік шкалаға негізделген бағалар туралы мәлімдеме жасауда өте сақ болу керек. Мысалы, егер Девидің орны 10-ға, ал Ганганың орны 40-қа тең болса, Девидің орны Гангадан төрт есе жақсы деп айтуға болмайды. Реттік шкалалар тек элементтерді жоғарыдан төменге реттеуге мүмкіндік береді. Реттік өлшемдердің абсолютті мәндері жоқ, және жақын рангтар арасындағы нақты айырмашылықтар бірдей болмауы мүмкін. Бір адам екіншісінен жоғары немесе төмен екенін ғана айтуға болады, бірақ нақтырақ салыстырулар жасау мүмкін емес. Осылайша, реттік шкаланың қолданылуы «үлкен» немесе «кішкентай» (теңдік туралы мәлімдеме де қабылданады) деген мәлімдемені білдіреді, бірақ қаншалықты үлкен немесе кішкентай екенін айта алмаймыз. Мысалы, 1-ші және 2-ші рангтар арасындағы нақты айырмашылық 5-ші және 6-шы рангтар арасындағы айырмашылықтан көп немесе аз болуы мүмкін. Бұл шкаладағы сандар тек рангтық мағынаға ие болғандықтан, орталық тенденцияның тиісті өлшемі – медиана. Дисперсияны өлшеу үшін проценттильдік немесе квартилдік өлшем қолданылады. Корреляциялар әртүрлі рангтық реттік әдістермен шектеледі. Статистикалық маңыздылық өлшемдері параметрлік емес әдістермен шектеледі (R. M. Kothari, 2004).
Орталық тенденция
Ортаңғы, яғни ортақ орналасқан элемент, орталық тенденцияны өлшеуге рұқсат етіледі; алайда, орташа (немесе есептік) орталық тенденцияны өлшеуге рұқсат етілмейді. Мода рұқсат етілген. 1946 жылы Стивенс психологиялық өлшемдердің, мысалы, пікірлерді өлшеудің, көбінесе ординалдық шкалаларда жүзеге асылатынын атап өтті; демек, орташа және стандарттық қателіктердің жарамдылығы жоқ, бірақ оларды сауалнамаларда қолданылатын айнымалыларды жақсарту туралы идеялар алу үшін пайдалануға болады. Психометриялық құралдар мен тесттер арқылы жиналған психологиялық деректердің көп бөлігі, когнитивтік және басқа да қабілеттерді өлшейтін деректер, ординалдық болып табылады, дегенмен кейбір теоретиктер оларды интервалдық немесе қатынас шкалалары ретінде қарастыруға болады деп санайды. Алайда, мұндай белгілердің ординалдықтан артық екенін көрсететін нақты дәлелдер аз (Cliff, 1996; Cliff & Keats, 2003; Michell, 2008). Атап айтқанда, IQ көрсеткіштері ординалдық шкаланы көрсетеді, онда барлық көрсеткіштер тек салыстыру үшін ғана мағыналы. Абсолюттік нөл жоқ, және 10 ұпайлық айырмашылық шкаланың әртүрлі бөліктерінде әртүрлі мағыналарға ие болуы мүмкін.
Интервалдық шкала
Интервал түрі өлшемдер арасындағы айырмашылықтың дәрежесін анықтауға мүмкіндік береді, бірақ өлшемдер арасындағы қатынасты анықтамайды. Мысалы, Цельсий шкаласы сияқты температура шкалалары, екі белгілі нүктесі бар (нақты жағдайларда судың қату және қайнау нүктесі), содан кейін 100 интервалға бөлінеді, кез келген эпохадан (мысалы, біздің заманымыздан) өлшенген күнді, картезиандық координаттардағы орналасуын және нағыз немесе магниттік солтүстіктен градустармен өлшенген бағытын келтіруге болады. 20 °C, 10 °C-тан "екі есе ыстық" деудің мәні жоқ (кельвин температурасынан өзгеше), сондай-ақ екі күнді тікелей көбейтуге/бөлуге болмайды. Дегенмен, айырмашылықтардың қатынастарын көрсетуге болады; мысалы, бір айырмашылық екіншісінен екі есе үлкен болуы мүмкін; мысалы, 15 °C мен 25 °C арасындағы он градустық айырмашылық, 17 °C мен 22 °C арасындағы бес градустық айырмашылықтан екі есе көп. Интервалдық айнымалылар кейде "өлшенген айнымалылар" деп те аталады, бірақ ресми математикалық термині – аффиндік кеңістік (бұл жағдайда аффиндік түзу).
Орталық үрдіс және статистикалық дисперсия
Режим, медиана және арифметикалық орташа интервалдық айнымалылардың орталық тенденциясын өлшеуге мүмкіндік береді, ал статистикалық таралудың өлшемдеріне ауқым және стандартты ауытқу жатады. Айырмашылықтарды ғана бөлуге болатындықтан, кейбір қатынастарға тәуелді өлшемдерді, мысалы, ауытқу коэффициентін анықтау мүмкін емес. Көбірек жіңішкелеу тұрғысынан, бастапқы нүктеге қатысты моменттерді анықтауға болады, бірақ тек ортақ моменттер ғана мағыналы, себебі бастапқы нүктенің таңдалуы кездейсоқ. Айырмашылықтардың қатынастары мағыналы болғандықтан, стандартталған моменттерді анықтауға болады, бірақ орташа мән бастапқы нүктеге қатысты момент болғандықтан, стандартты ауытқудан айырмашылығы (квадрат түбірінен) алынған ортақ момент болғандықтан, ауытқу коэффициентін анықтауға болмайды.
Орталық үрдіс және статистикалық дисперсия
Геометриялық орташа және гармониялық орташа, режим, медиана және арифметикалық орташамен қатар, орталық тенденцияны өлшеуге мүмкіндік береді. Студенттелген диапазон және вариация коэффициенті статистикалық таралуды өлшеуге мүмкіндік береді. Барлық статистикалық өлшемдерге рұқсат етіледі, себебі қатынас шкаласы үшін қажетті барлық математикалық амалдар анықталған.
Стивенс типологиясы туралы пікірталас
Стивенстің типологиясы кеңінен қабылданғанмен, оны басқа теоретиктер әлі де сынға алады, әсіресе номиналды және ординалды типтерде (Мишель, 1986). Мысалы, Дункан (1986) номиналды типке қатысты «өлшеу» сөзін қолдануға қарсылық білдірді, ал Люс (1997) Стивеннің өлшеу туралы анықтамасымен келіспеді. Стивенс (1975) өзінің өлшеу анықтамасы туралы: «Тапсырма кез келген тұрақты ереже бойынша жасалуы мүмкін. Рұқсат етілмейтін жалғыз ереже – кездейсоқ тағайындау, себебі кездейсоқтық, мәні бойынша, ереже емес» деді. Хэнд былай дейді: «Психологияның негізгі оқулықтары көбінесе Стивенстің негіздерімен басталады және оның идеялары кеңінен таралған. Шындығында, оның иерархиясының дұрыстығы математиктермен репрезентациялық өлшеу үшін, эмпирикалық жүйелерден нақты сандық континумдарға бейімделудің инвариантты қасиеттерін анықтау арқылы расталған. Әрине, идеялар қайта қаралып, кеңейтіліп, егжей-тегжейлі түсіндірілді, бірақ таңғаларлық нәрсе – оның шектеулі формалды аппаратпен және одан бері өткен ондаған жылдар ішіндегі көрегендігі». Стивенс бақылаулар жиынтығының өлшеу деңгейі қандай математикалық немесе статистикалық амалдарға рұқсат етілетінін анықтайды деп ұсынғанмен, статистикалық талдаулардың өзі өлшеу деңгейлері туралы болжамдар жасамайды. Ординалды тип үшін орташаны қолдану Стивенстің типологиясын қабылдайтындар арасында әлі де даулы мәселе болып табылады. Бірақ көптеген тәртіптік ғалымдар ординалдық деректер үшін орташаны қолданады. Бұл көбінесе тәртіптік ғылымда ординалды тип шын мәнінде ординалды және интервалдық типтердің арасында екендігімен негізделген; екі ординалды санат арасындағы интервалдық айырмашылық тұрақты болмаса да, көбінесе бірдей шамамен болады. Мысалы, білім беру контекстінде өлшеу модельдерін қолдану, жалпы баллдың бағалау диапазонындағы өлшемдермен салыстырмалы түрде сызықтық қатынаста екенін көрсетеді. Сондықтан кейбір ғалымдар ординалдық шкала санаттары арасындағы белгісіз интервалдық айырмашылық тым өзгермейтін болса, интервалдық шкала статистикасын, мысалы орташаны, ординалдық шкала айнымалыларына мағыналы түрде қолдануға болады деп санайды. SPSS сияқты статистикалық талдау бағдарламалық жасақтамасы пайдаланушыдан әрбір айнымалы үшін тиісті өлшеу класын таңдауды талап етеді. Бұл пайдаланушының кейінгі қателерінен туындаған мәнсіз талдауларды (мысалы, номиналды деңгейдегі айнымалымен корреляциялық талдау) жасауын болдырмайды. Л. Л. Турстон салыстырмалы бағалау заңына негізделген интервалдық типті алуға қатысты негіздемелерді әзірлеуде үлкен жетістіктерге қол жеткізді. Бұл заңның кең таралған қолданылуы – аналитикалық иерархия процесі. Георг Раш (1960) ықтималдық Раш моделін әзірледі, ол бағалаудағы жалпы балл сияқты бақылаулардың санынан интервалдық деңгейде өлшеу алудың теориялық негізін және негіздемесін ұсынады.
Басқа да ұсынылған типологиялар
Стивенстің типологиясынан өзге типологиялар да ұсынылған. Мысалы, Mosteller және Tukey (1977), Nelder (1990) үздіксіз сандар, үздіксіз пропорциялар, сандар пропорциялары және деректердің санаттық түрлерін сипаттады. Сондай-ақ, Chrisman (1998), van den Berg (1991) еңбектерін қараңыз.
Мостеллер мен Тукидің типологиясы (1977)
Мостеллер мен Тукидің жіктемелі мүшелігі тұйық жиын теориясының негізгі ұғымы болып табылады, ал абсолютті өлшемдер ықтималдықтарды, сондай-ақ Демпстер-Шафер теориясындағы сенімділік пен беймәлімдікті қамтиды. Циклдық қатынас өлшемдері бұрыштар мен уақытты қамтиды. Санаулар қатынас өлшемдері сияқты көрінеді, бірақ шкаласы ерікке бағынбайды және бөлшектік санаулар көбінесе мағынасыз. Логарифмдік интервалдық өлшемдер көбінесе қор нарығының графиктерінде көрсетіледі. Бұл өлшемдердің барлық түрлері академиялық географиядан тыс кеңінен қолданылады және Стивенстің бастапқы жұмысына толық сәйкес келмейді.
Масштаб түрлері және Стивенстің "өлшеудің операциялық теориясы"
Масштаб типтері теориясы Стивенстің "өлшеудің операциялық теориясының" интеллектуалдық серігі болып табылады, ол психология және мінез-құлық ғылымдарында беделді болды, Мишельдің (1999) сипаттамасына қарамастан, ол табиғи ғылымдардағы өлшеумен қарама-қайшы келеді. Ең бастысы, өлшеудің операциялық теориясы 1932 жылы Британдық ғылымды дамыту қауымдастығы құрған, психологиялық және мінез-құлық ғылымдарында нақты ғылыми өлшеу мүмкіндігін зерттеуге арналған комитеттің қорытындысына жауап ретінде пайда болды. Бұл комитет, Фергюсон комитеті деп белгілі болды, соңғы есеп жариялады (Ferguson, et al., 1940, 245 б.), онда Стивенстің соне шкаласы (Stevens & Davis, 1938) сынға ілікті: сезімнің қарқындылығы мен стимулдың қарқындылығы арасындағы сандық қатынасты білдіретін кез келген заң, сезімге қатысты қосымшаның ұғымына мағына берілмегенше, жалған ғана емес, тіпті мағынасыз болып табылады. Яғни, егер Стивенстің соне шкаласы шынымен де дыбыстық сезімдердің қарқындылығын өлшесе, онда мұндай сезімдердің сандық қасиеттеріне дәлелдер ұсыну қажет еді. Қажетті дәлел – аддитивті құрылымның болуы, бұл ұғымды неміс математигі Отто Хёльдер (Хёльдер, 1901) жан-жақты қарастырған. Физик және өлшеу теориясының маманы Норман Роберт Кэмпбелл Фергюсон комитетінің талқылауына басымдық жасағандықтан, комитет конкатенациялық операциялардың болмауына байланысты әлеуметтік ғылымдарда өлшеу мүмкін емес деген қорытындыға келді. Бұл қорытынды кейін Дебреудің (1960) және Лус пен Тукидің (1964) бірлескен өлшеу теориясын ашу арқылы жоққа шығарылды. Алайда Стивенс сезімдерде аддитивті құрылымның бар-жоғын тексеру үшін тәжірибелер жүргізудің орнына, Фергюсон комитетінің қорытындыларын жаңа өлшеу теориясын ұсыну арқылы күшсіз етуге тырысты: Н.Р. Кэмпбеллдің (Соңғы есеп, 340 б.) сөзін келтірсек, өлшеу, ең кең мағынасында, ережелерге сәйкес объектілер мен құбылыстарға сандарды тағайындау деп анықталады (Стивенс, 1946, 677 б.). Стивенс тағы бір Гарвард ғалымы, Нобель сыйлығының лауреаты, физик Перси Бриджманның (1927) идеяларымен күшті ықпалданды, және Стивенс өлшеуді анықтау үшін оның операциялизм доктринасын қолданды. Стивенстің анықтамасында, мысалы, ұзындық (өлшеу нысаны) өлшеуіш таспаны қолдану арқылы өлшенетін (және де, демек, сандық) болып анықталады. Операционизмді сынаушылар екі объект немесе құбылыс арасындағы қатынастарды олардың бірінің қасиеттерімен шатастырады деп мәлімдейді (Moyer, 1981a,b; Rogers, 1989). Канадтық өлшеу теориясының маманы Уильям Розебум Стивенстің масштаб типтері теориясының ерте және өткір қарсыласы болды.
any law purporting to express a quantitative relation between sensation intensity and stimulus intensity is not merely false but is in fact meaningless unless and until a meaning can be given to the concept of addition as applied to sensation. That is, if Stevens's sone scale genuinely measured the intensity of auditory sensations, then evidence for such sensations as being quantitative attributes needed to be produced. The evidence needed was the presence of additive structure – a concept comprehensively treated by the German mathematician Otto Hölder (Hölder, 1901). Given that the physicist and measurement theorist Norman Robert Campbell dominated the Ferguson committee's deliberations, the committee concluded that measurement in the social sciences was impossible due to the lack of concatenation operations. This conclusion was later rendered false by the discovery of the theory of conjoint measurement by Debreu (1960) and independently by Luce & Tukey (1964). However, Stevens's reaction was not to conduct experiments to test for the presence of additive structure in sensations, but instead to render the conclusions of the Ferguson committee null and void by proposing a new theory of measurement:
Paraphrasing N. R. Campbell (Final Report, p.340), we may say that measurement, in the broadest sense, is defined as the assignment of numerals to objects and events according to rules (Stevens, 1946, p.677). Stevens was greatly influenced by the ideas of another Harvard academic, the Nobel laureate physicist Percy Bridgman (1927), whose doctrine of operationalism Stevens used to define measurement. In Stevens's definition, for example, it is the use of a tape measure that defines length (the object of measurement) as being measurable (and so by implication quantitative). Critics of operationism object that it confuses the relations between two objects or events for properties of one of those of objects or events. (Moyer, 1981a,b; Rogers, 1989). The Canadian measurement theorist William Rozeboom was an early and trenchant critic of Stevens's theory of scale types.
Бір айнымалының мән-жайға байланысты әртүрлі масштаб түрі болуы мүмкін
Тағы бір мәселе, бір айнымалы қалай өлшенгеніне және талдау мақсаттарына байланысты әртүрлі масштаб түріне жатуы мүмкін. Мысалы, шаштың түсі көбінесе номиналды айнымалы ретінде қарастырылады, себебі оның нақты реті жоқ. Дегенмен, түстерді (шаштың түсін қоса алғанда) әртүрлі тәсілдермен реттеуге болады, оның ішінде реңі бойынша да; мұндай нәрсе колориметрия деп аталады. Рең – интервалдық деңгейдегі айнымалы.