Кіріспе
Брайер ұпайлары - бұл ықтималдық болжаулардың дәлдігін өлшейтін қатаң дұрыс ұпай функциясы немесе қатаң дұрыс ұпай ережесі. Бір өлшемді болжаулар үшін ол болжалған ықтималдықтарға қолданылатын орташа квадрат қатеге қатаң тең. Бриер бағасы болжаулар ықтималдықтарды өзара ерекшеленетін дискретті нәтижелер немесе кластар жиынтығына беруге тиіс тапсырмаларға қолданылады. Мүмкін нәтижелер жиынтығы табиғаты бойынша екілік немесе категорикалық болуы мүмкін, ал осы нәтижелер жиынтығына берілген ықтималдықтар бірге қосылуы керек (онда әрбір жеке ықтималдық 0-ден 1-ге дейінгі аралықта болады). Оны 1950 жылы Глен В. Бриер ұсынған. Бриер бағасын шығындар функциясы ретінде қарастыруға болады. Нақтырақ айтқанда, N болжаулар жиынтығындағы барлық элементтерде Бриер ұпайсы: i элемент үшін ықтимал нәтижелерге берілген болжамды ықтималдық арасындағы орташа квадрат айырмашылықты өлшеуіш болып табылады. Нақты нәтиже Сондықтан, болжаулар жиынтығында Бриер ұпайсы неғұрлым төмен болса, болжаулар соғұрлым жақсы калибрленеді. Байқаңыз, Бриер ұпай, оның ең көп таралған формуласында, нөл мен бір арасындағы мәнді алады, өйткені бұл болжалған ықтималдық (нөл мен бір арасындағы болуы керек) мен нақты нәтиже арасындағы мүмкін болатын ең үлкен айырманың квадраты (ол 0 немесе 1 ғана мәндерін ала алады). Бриер бағасының бастапқы (1950) формуласында диапазон екі есеге дейін, нөлден екіге дейін. Бриер бағасы екілік және категориялық нәтижелер үшін дұрыс немесе жалған деп құрылымдалуы мүмкін, бірақ үш немесе одан да көп мәнді қабылдай алатын ординарлық айнымалылар үшін орынсыз.
The Brier Score is a strictly proper score function or strictly proper scoring rule that measures the accuracy of probabilistic predictions. For unidimensional predictions, it is strictly equivalent to the mean squared error as applied to predicted probabilities. The Brier score is applicable to tasks in which predictions must assign probabilities to a set of mutually exclusive discrete outcomes or classes. The set of possible outcomes can be either binary or categorical in nature, and the probabilities assigned to this set of outcomes must sum to one (where each individual probability is in the range of 0 to 1). It was proposed by Glenn W. Brier in 1950. The Brier score can be thought of as a cost function. More precisely, across all items in a set of N predictions, the Brier score measures the mean squared difference between:
The predicted probability assigned to the possible outcomes for item i
The actual outcome
Therefore, the lower the Brier score is for a set of predictions, the better the predictions are calibrated. Note that the Brier score, in its most common formulation, takes on a value between zero and one, since this is the square of the largest possible difference between a predicted probability (which must be between zero and one) and the actual outcome (which can take on values of only 0 or 1). In the original (1950) formulation of the Brier score, the range is double, from zero to two. The Brier score is appropriate for binary and categorical outcomes that can be structured as true or false, but it is inappropriate for ordinal variables which can take on three or more values.
Мысал
Мысалы, біреу белгілі бір күні жаңбыр жауу ықтималдығын болжап жатыр дейік. Содан кейін Бриер ұпай келесідей есептеледі: Егер болжамы 100% (= 1) болса және жаңбыр жауатын болса, онда Бриер ұпай 0 болады, бұл ең жақсы ұпайға қол жеткізуге болады. Егер болжау 100% болса және жаңбыр жаумаса, онда Brier ұпай 1, ең төменгі ұпайға қол жеткізеді. Егер болжамы 70% (= 0,70) болса және жаңбыр жауатын болса, онда Бриер ұпайлары (0,70−1) 2 = 0,09 болады. Ал егер болжамы 70% (= 0,70) болса және жаңбыр жаумаса, онда Бриердің баллы (0,70−0) 2 = 0,49 болады. Сол сияқты, егер болжамы 30% (= 0,30) болса және жаңбыр жауатын болса, онда Бриер ұпайлары (0,30−1) 2 = 0,49 болады. Егер болжау 50% болса (=0.50), онда жаңбыр жауған-жаумағанына қарамастан, Бриердің ұпайлары (0,50−1) 2 = (0,50−0) 2 = 0,25 болады.
If the forecast is 100% ( = 1) and it rains, then the Brier Score is 0, the best score achievable. If the forecast is 100% and it does not rain, then the Brier Score is 1, the worst score achievable. If the forecast is 70% ( = 0.70) and it rains, then the Brier Score is (0.70−1)2 = 0.09. In contrast, if the forecast is 70% ( = 0.70) and it does not rain, then the Brier Score is (0.70−0)2 = 0.49. Similarly, if the forecast is 30% ( = 0.30) and it rains, then the Brier Score is (0.30−1)2 = 0.49. If the forecast is 50% ( = 0.50), then the Brier score is (0.50−1)2 = (0.50−0)2 = 0.25, regardless of whether it rains.
Сенімділік
Сенімділік термині болжамды ықтималдықтардың нақты ықтималдықтарға қаншалықты жақын екенін өлшейді, бұл болжамды ескере отырып. Сенімділік ағылшын тіліне қарағанда қарама-қарсы бағытта анықталады. Егер сенімділік 0 болса, болжам өте сенімді болады. Мысалы, егер біз барлық жаңбырдың 80% ықтималдығы болжанған барлық болжамды жағдайларды топтастырсақ, біз осындай болжам шығарылғаннан кейін 5 реттен 4 рет жаңбыр жауса ғана толық сенімділікке ие боламыз.
Қаулы
Резолюция термині әр түрлі болжамдар берген шартты ықтималдықтардың климаттық орташадан қаншалықты айырмашылығын өлшейтінін көрсетеді. Бұл термин неғұрлым жоғары болса, соғұрлым жақсы. Ең нашар жағдайда, климаттық ықтималдық әрқашан болжанып тұрса, шешім нөлге тең. Ең жақсы жағдайда, шартты ықтималдықтар нөл мен бір болса, шешім белгісіздікке тең.
Белгісіздік
Белгісіздік термині оқиғаның нәтижесіне тән белгісіздікті өлшеуіш болып табылады. Бинарлық оқиғалар үшін, ол әрбір нәтиже 50% уақыт пайда болған кезде ең жоғары, ал нәтиже әрқашан пайда болса немесе ешқашан пайда болмаса, ең аз (нөл) болады.
Екі компонентті ыдырау
Ал, баламалы (және байланысты) ыдырау үштің орнына екі терминді тудырады. Бірінші термин калибрлеу деп аталады (анықтамалық калибрлеу ретінде қолданылуы мүмкін, статистикалық калибрлеуді қараңыз) және сенімділікке тең. Екінші термин - тазарту, ол шешім мен белгісіздіктің жиынтығы және ROC қисығының астындағы аумақпен байланысты. Бриер баллы мен CAL + REF ыдырауын графикалық түрде Бриер қисықтары арқылы көрсетуге болады, онда әрбір жұмыс жағдайы үшін күтілетін шығын көрсетіледі. Бұл Бриер баллын сыныптық асимметриялардың біркелкі таралуы бойынша жиынтық өнімділіктің өлшеміне айналдырады.
Brier Skill Score (BSS) - Брайердің біліктілік көрсеткіші
Берілген негізгі балл үшін шеберлік баллы - негізгі баллдың ауытқуы және (теріс) масштабталған нұсқасы, сондықтан шеберлік баллдың нөлдік мәні болжаулар үшін балл тек базалық немесе эталондық немесе әдетті болжаулар жиынтығына тең, ал бір (100%) шеберлік балл құны ең жақсы баллды білдіреді. 0-ден төмен біліктілік бағасы - бұл көрсеткіш бастапқы немесе эталондық болжаудан нашар дегенді білдіреді. Негізгі балл Бриер баллы (BS) болған кезде, Бриер шеберлік баллы (BSS) анықталады. Анықтамалық болжаулар қағидаты бойынша кез келген бұрыннан бар модельмен берілуі мүмкін болса да, әдетте, деректер жиынтығында берілген кластың жалпы үлесін немесе жиілігін болжайтын наивтік модельді, деректер жиынтығында әрбір жағдайда болатын сол кластың тұрақты болжалған ықтималдығы ретінде пайдалануға болады. Бұл базалық модель "біліктіліксіз" модельді білдіреді, оны жақсартуға тырысады. Біліктілік баллдары метеорологиялық болжау әдебиеттерінен бастау алады, мұнда наивті әдетті анықтамалық болжаулар "үлгілі климатология" болжаулары деп аталады, мұнда климатология ауа райы болжамының ұзақ мерзімді немесе жалпы орташасын білдіреді, ал үлгілі шамалары қазіргі деректер жиынтығынан есептеледі. Бұл әдетті жағдайда, екілік (екі сыныпты) жіктеу үшін, эталондық Бриер ұпай (осы мақаланың бірінші теңдеуінің белгісін қолдану арқылы, Анықтама бөлімінің жоғарғы жағында) беріледі: мұнда жай ғана орташа нақты нәтиже, яғни деректер жиынтығындағы 1-ші сыныптың жалпы үлесі: Бриер ұпаймен төменгісі жақсы (бұл жоғалту функциясы), 0 ең жақсы ұпай. Бірақ Brier дағдысының баллы жоғары болса, 1 (100%) ең жақсы балл болып табылады. Brier дағдысының баллы Brier баллынан гөрі түсіндіруге ыңғайлы болуы мүмкін, өйткені BSS - бұл BS-нің эталондық модельмен салыстырғанда пайыздық жақсаруы, ал теріс BSS дегеніміз, сіз эталондық модельден тіпті нашар жұмыс істеп жатырсыз, бұл Brier баллының өзіне қарағанда айқын болмауы мүмкін. Алайда, 100% -ға жақын БСС-ті күтуге болмайды, өйткені бұл әрбір ықтималдық болжамының 0 немесе 1 -ге жақын болуын талап етеді (әрине, дұрыс). Бриер бағасы қатаң дұрыс баға беру ережесі болғандықтан және BSS оның тек аффиндік түрленуі болғандықтан, BSS де қатаң дұрыс баға беру ережесі болып табылады. Сіз классификацияның (әдеттегілік бағалаудың) BSS оның BS-ге тең екенін байқауыңыз мүмкін, өйткені регрессияның анықтау коэффициенті оның орташа квадрат қатесіне (MSE) тең.
where is the Brier score of reference or baseline predictions which we seek to improve on. While the reference predictions could in principle be given by any pre existing model, by default one can use the naïve model that predicts the overall proportion or frequency of a given class in the data set being scored, as the constant predicted probability of that class occurring in each instance in the data set. This baseline model would represent a "no skill" model that one seeks to improve on. Skill scores originate in the meteorological prediction literature, where the naïve default reference predictions are called the "in sample climatology" predictions, where climatology means a long term or overall average of weather predictions, and in sample means as calculated from the present data set being scored. In this default case, for binary (two class) classification, the reference Brier score is given by (using the notation of the first equation of this article, at the top of the Definition section):
where is simply the average actual outcome, i. e. the overall proportion of true class 1 in the data set:
With a Brier score, lower is better (it is a loss function) with 0 being the best possible score. But with a Brier skill score, higher is better with 1 (100%) being the best possible score. The Brier skill score can be more interpretable than the Brier score because the BSS is simply the percentage improvement in the BS compared to the reference model, and a negative BSS means you are doing even worse than the reference model, which may not be obvious from looking at the Brier score itself. However, a BSS near 100% should not typically be expected because this would require that every probability prediction was nearly 0 or 1 (and was correct of course). Because the Brier score is a strictly proper scoring rule, and the BSS is just an affine transformation of it, the BSS is also a strictly proper scoring rule. You might notice that classification's (probability estimation's) BSS is to its BS, as regression's coefficient of determination is to its mean squared error (MSE).
Кемшіліктер
Брайер бағасы өте сирек (немесе өте жиі) оқиғалар үшін жеткіліксіз болады, өйткені ол сирек оқиғалар үшін маңызды болжамдағы шағын өзгерістерді жеткілікті түрде ажырата алмайды. Wilks (2010) "Қосымша сирек кездесетін оқиғалардың жоғары біліктілік болжаулары үшін өте үлкен үлгілер мөлшері, яғни n > 1000 қажет, ал жалпы оқиғалардың төмен біліктілік болжаулары үшін өте кіші үлгілер мөлшері қажет" деп тапты.
sample sizes, i. e. n > 1000, are required for higher skill forecasts of relatively rare events, whereas only quite modest sample sizes are needed for low skill forecasts of common events."