Кіріспе

Статистикалық есептеулердің соңғы нәтижесінде еркін өзгеріп отыруға болатын мәндердің саны. Статистикада еркіндік дәрежесінің саны – статистикалық мәліметтердің соңғы есептеуінде еркін өзгеріп отыруға болатын мәндердің саны. Статистикалық параметрлерді бағалау әртүрлі ақпарат немесе деректерге негізделуі мүмкін. Параметрдің бағасына кіретін тәуелсіз ақпарат мөлшері еркіндік дәрежесі деп аталады. Жалпы, параметрді бағалаудағы еркіндік дәрежесі, бағалауға кіретін тәуелсіз мәндердің саны мен параметрді бағалаудың аралық қадамдары ретінде қолданылатын параметрлер санының айырмасына тең. Мысалы, егер дисперсия тәуелсіз мәндердің кездейсоқ үлгісінен есептелсе, онда еркіндік дәрежесі тәуелсіз мәндердің санына (N) минус аралық қадамдар ретінде бағаланған параметрлер санына (бір, атап айтқанда, үлгі орташасы) тең болады. Математикалық тұрғыдан алғанда, еркіндік дәрежесі – кездейсоқ вектордың доменінің өлшемдерінің саны, яғни вектор толық анықталғанша қанша компонентті білу қажет екенін көрсетеді. Бұл термин көбінесе сызықтық модельдер (сызықтық регрессия, дисперсиялық талдау) контекстінде қолданылады, онда кейбір кездейсоқ векторлар сызықтық ішкі кеңістіктерде шектеледі, ал еркіндік дәрежесінің саны – ішкі кеңістіктің өлшемдеріне тең. Еркіндік дәрежесі сондай-ақ мұндай векторлардың ұзындығының квадратына (немесе координаттардың "квадраттарының қосындысына") және осыған байланысты статистикалық тестілеулерде туындайтын хи-квадрат және басқа да үлестірулердің параметрлерімен де байланысты. Бастауыш оқулықтарда еркіндік дәрежесі үлестіру параметрлері ретінде немесе гипотезаларды тексеру арқылы ұсынылуы мүмкін, бірақ еркіндік дәрежесін анықтайтын негізгі геометрия, осы ұғымды дұрыс түсіну үшін өте маңызды.

Тарих

Еркіндік дәрежесінің негізгі түсінігі 1821 жылы неміс астрономы және математигі Карл Фридрих Гаусс еңбегінде мойндалғанмен, оның қазіргі анықтамасы мен қолданылуын алғаш рет ағылшын статистигі Уильям Сили Госс 1908 жылы "Студент" атты псевдониммен жариялаған "Орташаның ықтимал қатесі" атты "Биометрика" мақаласында толықтай жазбаға алды. Госс "еркіндік дәрежесі" терминін пайдаланбаса да, ол осы ұғымды Студенттің t-үлестірімі деп белгілі болған нәрсені әзірлеу процесінде түсіндірді. Ағылшын статистигі және биологы Рональд Фишер бұл терминді 1922 жылы хи-квадраттар туралы жұмысынан бастап кеңінен танымал етті.

Нөмірлік

Теңдеулерде еркіндік дәрежесін белгілеу үшін әдетте ν (кіші грек әрпі ню) таңбасы қолданылады. Мәтін мен кестелерде "d. f." деген қысқарту жиі пайдаланылады. Р. А. Фишер еркіндік дәрежесін n арқылы белгілеген, бірақ қазіргі қолданыста n көбінесе сынама көлемі үшін резервтеліп қойылған.

Құрылымдық теңдеулер үлгілерінде

Құрылымдық теңдеу модельдерінің (SEM) нәтижелері ұсынылған кезде, олар әдетте жалпы модельге сәйкестіктің бір немесе бірнеше индекстерін қамтиды, олардың ең көп таралғандары χ2 статистикасы болып табылады. Бұл басқа да жиі есептелетін индекстердің негізін құрайды. Бұл басқа статистикалар ең жиі түсіндірілетін болса да, χ2 еркіндік дәрежесі модельдің сәйкестігін және модельдің өзінің сипатын түсіну үшін маңызды. SEM-дегі еркіндік дәрежесі талдауға кірістірілетін бірегей ақпарат мөлшері мен бірегей түрде бағаланатын параметрлер саны арасындағы айырмашылық ретінде есептеледі, бірегей ақпарат кейде «белгілі», ал параметрлер «белгісіз» деп аталады. Мысалы, 4 сұрақтан тұратын бір факторлы растаушы факторлық талдауда 2 еркіндік дәрежесі үшін 10 белгілі (төрт сұрақ арасындағы алты бірегей ковариация және төрт сұрақ дисперсиясы) және 8 белгісіз (4 факторлық жүктеме және 4 қате дисперсиясы) болады. Еркіндік дәрежесі модельдің сәйкестігін түсіну үшін маңызды, себебі басқа шарттар тең болса, еркіндік дәрежесі аз болған сайын, χ2 сияқты көрсеткіштер жақсы болады. СЭМ қолданылған зерттемелерді оқитын адамдар еркіндік дәрежесі арқылы мақала авторлары дұрыс модельге сәйкес келетін статистиканы ұсынып отыр ма екенін анықтай алады. Ұйымдық ғылымдарда, мысалы, жоғары рейтингті журналдарда жарияланған мақалалардың шамамен жартысы сол мақалаларда сипатталған модельдермен сәйкес келмейтін еркіндік дәрежесі туралы хабарлайды, бұл оқырманға қандай модельдер нақты тексерілгенін ойлануға мүмкіндік береді.

Қалдықтар

Еркіндік дәрежесін қарастырудың ең көп таралған жолы – басқа бір мәліметті бағалауға қолжетімді тәуелсіз мәліметтер мөлшері. Нақтырақ айтқанда, еркіндік дәрежесінің саны – сол үлгі алынған популяцияның параметрін бағалау үшін қолжетімді деректер үлгісіндегі тәуелсіз байқаулардың саны. Мысалы, егер екі байқау болса, орташа есептегенде екі тәуелсіз байқау болады; бірақ дисперсияны есептегенде, тек бір тәуелсіз байқау ғана болады, себебі екі байқау үлгідегі орташа мәннен бірдей қашықтықта орналасқан. Статистикалық модельдерді деректерге бейімдеу кезінде, қалдық векторлары вектордағы компоненттер санынан кіші өлшемді кеңістікте болуға міндетті. Осы кіші өлшем – қателік үшін еркіндік дәрежесінің саны, сондай-ақ қалдық еркіндік дәрежесі деп те аталады.

Диапазонды талдау (ANOVA)

Статистикалық тестілеу мәселелерінде, әдетте компоненттік векторлардың өзіне емес, олардың ұзындығының квадратына немесе Квадраттардың қосындысына қызығушылық танытылады. Квадраттар қосындысының еркіндік дәрежесі – сәйкес компоненттік векторлардың еркіндік дәрежесі. Жоғарыдағы үш популяциялық мысал – бір жолды дисперсиялық талдаудың (ANOVA) мысалы. Модель немесе емдеуге қатысты квадраттар қосындысы – бұл 2 еркіндік дәрежесі бар екінші вектордың квадрат ұзындығы. Қалдық немесе қателік квадраттар қосындысы – 3(n–1) еркіндік дәрежесімен. Әрине, ANOVA бойынша кіріспе оқулықтарында векторларды көрсетпей формулалар келтіріледі, бірақ осы SS формулаларын тудыратын негізгі геометрия осы және кез келген жағдайда еркіндік дәрежесін анық анықтауға мүмкіндік береді. Халықтың орташа мәндері арасында айырмашылық жоқ деген нөлдік гипотеза бойынша (және стандартты ANOVA-ның тұрақтылық шарттары орындалса) квадраттар қосындысы тиісті еркіндік дәрежесімен масштабталған хи-квадраттық үлестірімге ие болады. F-тест статистикасы – еркіндік дәрежесімен масштабталғаннан кейін алынған қатынас. Егер популяциялық орташа мәндер арасында айырмашылық болмаса, бұл қатынас 2 және 3n–3 еркіндік дәрежесімен хи-квадраттық үлестірілімге сәйкес келеді. Кейбір күрделі жағдайларда, мысалы, теңгерімсіз бөлінген сюжеттік жоспарларда, квадраттар қосындысы енді масштабталған хи-квадраттық үлестірімге ие болмайды. Квадраттар қосындысын еркіндік дәрежесімен салыстыру мағынасыз болады, және бұл жағдайларда бағдарламалық құралдар белгілі бір бөлшек "еркіндік дәрежесін" көрсете алады. Мұндай сандар нақты еркіндік дәрежесін білдірмейді, бірақ сәйкес квадраттар қосындысы үшін хи-квадраттық үлестірімнің жуық шамасын ғана ұсынады. Мұндай жуықтаулардың егжей-тегжейлі сипаттамасы осы беттің аясынан тыс.

Ықтималдық үлестірілімдерінде

Бірнеше жиі кездесетін статистикалық үлестірулер (Студенттің t, хи-квадрат, F) параметрлері бар, олар көбінесе еркіндік дәрежесі деп аталады. Бұл терминология, осы үлестірулер көптеген қолданыстарда пайда болғанда, параметрдің алдыңғы ANOVA мысалындағыдай, жатқызушы кездейсоқ вектордың еркіндік дәрежесіне сәйкес келетінін көрсетеді. Тағы бір қарапайым мысал: егер тәуелсіз қалыпты кездейсоқ айнымалылар болса, статистика n-1 еркіндік дәрежесімен хи-квадраттық үлестірілімді ұстанады. Мұнда еркіндік дәрежесі сандардың қалдықтарының қосындысынан туындайды, ал өз кезегінде n-1 негізгі қалдық вектордың еркіндік дәрежесі болып табылады. Бұл үлестірулерді сызықтық модельдерге қолданғанда, еркіндік дәрежесі параметрлері тек бүтін сандық мәндерді ғана қабылдайды. Үлестірулердің негізгі отбасылары еркіндік дәрежесі параметрлерінің бөлшек мәндеріне мүмкіндік береді, олар күрделірек қолданыстарда пайда болуы мүмкін. Мысалдардың бірі – тиімді еркіндік дәрежесіне негізделген хи-квадраттық жуықтаулар қолданылатын мәселелер. Басқа қолданыстарда, мысалы, ауыр құйрықты деректерді модельдеуде, t немесе F үлестірілімі эмпирикалық модель ретінде қолданылуы мүмкін. Бұл жағдайларда, терминология қолданыла берсе де, үлестіру параметрлеріне ерекше еркіндік дәрежесінің интерпретациясы жоқ.

Стандартты емес регрессияда

Көптеген стандартты емес регрессия әдістері, соның ішінде реттелген ең кіші квадраттар (мысалы, қырқа регрессиясы), сызықтық тегістегіштер, тегістеу шплиндары және жартылай параметрлік регрессия, қарапайым ең кіші квадраттар проекцияларына негізделмейді, керісінше, реттелген (жалпыланған және/немесе жазаланған) ең кіші квадраттарға негізделген. Сондықтан, өлшемділік тұрғысынан анықталған еркіндік дәрежесі мұндай процедуралар үшін көбінесе пайдалы емес. Дегенмен, бұл процедуралар әлі де бақылаулар бойынша сызықтық болып табылады, ал регрессияның сәйкес келетін мәндерін модельдегі бастапқы ковариаттардың әр мәні үшін сәйкес келетін мәндердің векторы арқылы көрсетуге болады, мұнда y – бастапқы жауаптар векторы, ал H – шапқыштар матрицасы немесе, жалпы алғанда, тегістеу матрицасы. Статистикалық қорытынды жасау үшін квадраттардың қосындысын есептеуге болады: модельдің квадраттар қосындысы ; қалдықтардың квадраттар қосындысы . Алайда, H қарапайым ең кіші квадраттарға сәйкес келмейтіндіктен (яғни, ортогональды проекция емес), бұл квадраттардың қосындылары енді (масштабталған, орталық емес) хи-квадраттық үлестірілімге ие емес, және өлшемдік түрде анықталған еркіндік дәрежесінің маңызы жоқ. Модельдің сәйкестігін бағау, кросс-валидация және басқа да статистикалық қорытынды жасау процедураларын жүзеге асыру үшін тиімді еркіндік дәрежесін әр түрлі жолдармен анықтауға болады. Мұнда регрессияның тиімді еркіндік дәрежесі мен қалдықтардың тиімді еркіндік дәрежесін ажырату қажет.