Кіріспе
Статистика түрі Тұрақты статистика - бұл негізіндегі үлестіру болжамы дұрыс болмаса да, өз қасиеттерін сақтайтын статистика. Көптеген жалпы проблемалар үшін мықты статистикалық әдістер жасалды, мысалы, орналасу, масштаб және регрессия параметрлерін бағалау. Бір себеп - статистикалық әдістерді шығару, олар аутлиерлерге әсер етпейді. Тағы бір ынталандыру - параметрлік үлестірілімнен аз ауытқулар болған кезде жақсы өнімділікпен әдістерді ұсыну. Мысалы, мықты әдістер әр түрлі стандартты ауытқулары бар екі қалыпты таралымның қоспалары үшін жақсы жұмыс істейді; осы модель бойынша t сынағы сияқты мықты емес әдістер нашар жұмыс істейді.
Robust statistics are statistics which maintain their properties even if the underlying distributional assumptions are incorrect. Robust statistical methods have been developed for many common problems, such as estimating location, scale, and regression parameters. One motivation is to produce statistical methods that are not unduly affected by outliers. Another motivation is to provide methods with good performance when there are small departures from a parametric distribution. For example, robust methods work well for mixtures of two normal distributions with different standard deviations; under this model, non robust methods like a t test work poorly.
Кіріспе
Қауіпсіз статистика танымал статистикалық әдістерді эмуляциялайтын әдістерді ұсынуға тырысады, бірақ модельдік болжамдардан аутлиерлер немесе басқа да кішігірім ауытқулар орынсыз әсер етпейді. Статистикада классикалық бағалау әдістері көбінесе тәжірибеде орындалмайтын болжамдарға негізделеді. Әсіресе, деректердің қателері, кем дегенде шамамен, қалыпты түрде таралады немесе орталық шек теоремасына қалыпты түрде таралған бағалауларды шығару үшін сенім артуға болады деп жиі болжанады. Өкінішке орай, деректе ерекшеліктер болған кезде, классикалық бағалаушылар төмендегідей бөліну нүктесі мен әсер ету функциясы арқылы бағаланғанда, жиі өте нашар нәтижелерге ие болады. Тәуелділік функциясында көрінетін мәселелердің практикалық әсерін қоспалар моделі бойынша ұсынылған бағалаушылардың үлгілік үлестірімін зерттеу арқылы эмпирикалық тұрғыдан зерттеуге болады, онда кішкене мөлшерде (көбінесе 1 - 5% жеткілікті) ластануды араластырады. Мысалы, 95% -дық қалыпты үлестіру мен 5% -дық қалыпты үлестірудің қоспасын бірдей орташа, бірақ айтарлықтай жоғары стандартты ауытқумен (аутлиерлерді білдіретін) пайдалануға болады. Қатаң параметрлік статистика екі жолмен жүзеге асырылуы мүмкін: әсер ету функциясының алдын ала таңдалған мінез-құлқына жету үшін бағалаушыларды жобалау арқылы қалыпты үлестіруді болжамдау бойынша оңтайлы бағалаушыларды басқа үлестірулер үшін оңтайлы немесе кем дегенде басқа үлестірулер үшін алынған бағалаушылармен ауыстыру арқылы: мысалы, t үлестіруін еркіндіктің төмен дәрежесімен (жоғары куртоз) немесе екі немесе одан да көп үлестірудің қоспасымен пайдалану арқылы. Келесі проблемалар үшін берік бағалаулар зерттелді: орналасу параметрлерін бағалау масштаб параметрлерін бағалау регрессия коэффициенттерін бағалау модель күйлерін бағалау модельдердегі модельдердің күй кеңістігі түрінде, бұл үшін стандартты әдіс Кальман сүзгісіне тең.
by designing estimators so that a pre selected behaviour of the influence function is achieved
by replacing estimators that are optimal under the assumption of a normal distribution with estimators that are optimal for, or at least derived for, other distributions: for example using the t distribution with low degrees of freedom (high kurtosis) or with a mixture of two or more distributions. Robust estimates have been studied for the following problems:
estimating location parameters
estimating scale parameters
estimating regression coefficients
estimation of model states in models expressed in state space form, for which the standard method is equivalent to a Kalman filter.
Анықтама
"Қатты статистика" дегеннің әртүрлі анықтамасы бар. Нақты айтқанда, мықты статистика нәтижелердегі қателерге төзімді, бұл болжамдардан ауытқулар (мысалы, қалыптылық) арқылы жасалады. Бұл дегеніміз, егер болжамдар шамамен қанағаттандырылса, мықты бағалаушы әлі де ақылға қонымды тиімділікке ие болады және ақылға қонымды түрде кішігірім бейімділікке ие болады, сонымен қатар асимптотикалық бейтарап, яғни үлгінің өлшемі шексізге қарай қарайтын болса, 0-ге қарай бейтараптылыққа ие болады. Әдетте, ең маңызды жағдай - бұл деректердің негізгі таралуы туралы болжамдарды бұзуға арналған үлестірілетін беріктік.
Қолдану түрлері
Бұл мақалада статистикалық әдістердің жалпы қағидалары қарастырылса да, регрессия проблемалары, жалпыланған сызықтық модельдер және әртүрлі үлестірулердің параметрлік бағалауы үшін берік әдістер де бар.
Қаттылық өлшемдері
Қаттылықты сипаттау және өлшеу үшін қолданылатын негізгі құралдар - бұзылу нүктесі, әсер ету функциясы және сезімталдық қисығы.
Қатты бұзылу нүктесі
Интуитивті түрде, бағалаушының бөліну нүктесі - бұл қате байқаулардың үлесі (мысалы, кездейсоқ үлкен байқаулар) бағалаушы дұрыс емес (мысалы, кездейсоқ үлкен) нәтиже беруден бұрын шеше алады. Әдетте, асимптотикалық (түпсіз үлгі) шекті бөлік бөлік нүктесі ретінде келтіріледі, бірақ шекті үлгі бөлік нүктесі пайдалы болуы мүмкін. Мысалы, тәуелсіз кездейсоқ айнымалылар мен сәйкес келетін іске асыруларды ескере отырып , біз орташа бағаны бағалау үшін пайдалана аламыз. Мұндай бағалаушының бөліну нүктесі 0 (немесе шекті үлгідегі бөліну нүктесі) болады, өйткені біз кез келгенін өзгертіп, кез келгенін өзгертіп, кез келгенін өзгерте аламыз. Интуитивті түрде біз бұзылу нүктесі 50% -дан аспайтынын түсінеміз, өйткені егер байқаулардың жартысынан астамы ластанған болса, негізгі үлестіру мен ластаушы үлестіруді ажырату мүмкін емес. Сондықтан ең жоғары бұзылу нүктесі 0,5 және мұндай бұзылу нүктесіне жететін бағалаушылар бар. Мысалы, медиананың үзілу нүктесі 0,5 -ге тең. X% кесу орташа бағасы X% -ға бөлінген X таңдалған деңгейі үшін және көбірек мәліметтерді қамтиды. Сынақтардың деңгейі мен қуат бұзылу нүктелері Статистикада зерттеледі.
The higher the breakdown point of an estimator, the more robust it is. Intuitively, we can understand that a breakdown point cannot exceed 50% because if more than half of the observations are contaminated, it is not possible to distinguish between the underlying distribution and the contaminating distribution Therefore, the maximum breakdown point is 0.5 and there are estimators which achieve such a breakdown point. For example, the median has a breakdown point of 0.5. The X% trimmed mean has a breakdown point of X%, for the chosen level of X. and contain more details. The level and the power breakdown points of tests are investigated in
Statistics with high breakdown points are sometimes called resistant statistics.
Мысал: жарық жылдамдығы туралы мәліметтер
Жарық жылдамдығы мысалында ең төменгі екі байқауды алып тастау орташа шаманың 26.2-ден 27.75-ке өзгеруіне әкеледі, бұл 1.55-ке өзгеру. Qn әдісімен алынған масштабтың бағалауы 6.3. Біз бұл санды іріктеп алынған санның квадрат түбіріне бөлсек, мықты стандартты қатеге ие боламыз, ал бұл сан 0,78 деп шығады. Осылайша, екі ерекше мәнді алып тастаудан туындайтын орташа мәннің өзгеруі мықты стандартты қатеден шамамен екі есеге артық. 10% -ға қысқартылған жарық жылдамдығы деректерінің орташа мәні 27,43 -ті құрайды. Ең төменгі екі байқауды алып тастап, қайта есептеу 27,67 береді. Ауа райының орташа көрсеткіші ерекше көрсеткіштерге аз әсер етеді және оның бұзылу нүктесі жоғары. Егер ең төменгі -44-ті -1000-ге ауыстырсақ, орташа көрсеткіш 11,73 болады, ал 10% -ға қысқартылған орташа көрсеткіш әлі де 27,43 -ті құрайды. Қолданбалы статистиканың көптеген салаларында деректерді симметрияға жақын ету үшін логикалық түрлендіру жиі кездеседі. Логвистік түрлендіру кезінде өте кішкентай мәндер үлкен теріс болады, ал нөлдер теріс шексіз болады. Сондықтан бұл мысалдың мәні зор.
Жергілікті ауысу сезімталдығы
Бұл Липшиц тұрақтысына ұқсайтын мән, бақылаудың көршілес нүктеге біршама ауысуының әсерін білдіреді, яғни, бақылауды қосу және бірін алып тастау .
M-аяқтайтын құрылғылар
(Бұл тармақтың математикалық контексі эмпирикалық әсер ету функциялары бөлімінде берілген.) Тарихи тұрғыдан алғанда, сенімді бағалаудың бірнеше тәсілдері ұсынылды, соның ішінде R бағалаушылары мен L бағалаушылары. Алайда, М бағалаушылар қазір олардың жалпылығы, олардың жоғары сыныпталу нүктелері мен салыстырмалы түрде жоғары тиімділігі нәтижесінде осы салада басым болып көрінеді. M бағалаушылар өздігінен берік емес. Алайда, оларды қолайлы қасиеттерге, соның ішінде беріктікке қол жеткізу үшін жобалауға болады. M бағалаушы - бұл ең жоғары ықтималдық бағалаушыларының (МШС) жалпылануы, ол максимизациялаумен немесе, баламалы түрде, минимализациялаумен анықталады 1964 жылы Губер мұны , мұнда қандай да бір функция бар. Сондықтан MLE - бұл M бағалаушылардың ерекше жағдайы (осыдан "максималды ықтималдық түрі" бағалаушылары). Минимализацияны жиі дифференциациялау және шешу арқылы жасауға болады , мұнда (егер туындысы болса). Бірнеше таңдау және ұсынылды. Төмендегі екі суретте төрт функция және олардың сәйкес функциялары көрсетілген. Квадраттық қателер үшін ол жылдамдаған сайын артады, ал абсолютті қателер үшін ол тұрақты түрде артады. Винсоризация қолданылған кезде осы екі әсердің қоспасы енгізіледі: x-тің кіші мәндері үшін, квадраттық жылдамдықпен өседі, бірақ таңдалған шекке жеткеннен кейін (осы мысалда 1,5), өсу қарқыны тұрақты болады. Бұл Винсоридің бағалаушысы, сондай-ақ, Хьюбердің шығын функциясы деп аталады. Тукидің екі салмақты (бісквер деп те аталады) функциясы бастапқыда квадраттық қателік функциясы сияқты әрекет етеді, бірақ үлкен қателіктер үшін функция азаяды.
M estimators are not inherently robust. However, they can be designed to achieve favourable properties, including robustness. M estimator are a generalization of maximum likelihood estimators (MLEs) which is determined by maximizing or, equivalently, minimizing In 1964, Huber proposed to generalize this to the minimization of , where is some function. MLE are therefore a special case of M estimators (hence the name: "Maximum likelihood type" estimators). Minimizing can often be done by differentiating and solving , where (if has a derivative). Several choices of and have been proposed. The two figures below show four functions and their corresponding functions. For squared errors, increases at an accelerating rate, whilst for absolute errors, it increases at a constant rate. When Winsorizing is used, a mixture of these two effects is introduced: for small values of x, increases at the squared rate, but once the chosen threshold is reached (1.5 in this example), the rate of increase becomes constant. This Winsorised estimator is also known as the Huber loss function. Tukey's biweight (also known as bisquare) function behaves in a similar way to the squared error function at first, but for larger errors, the function tapers off.
M-бағалаушылардың қасиеттері
M бағалаушылар ықтималдық тығыздық функциясымен байланысты емес. Сондықтан, ықтималдық теориясынан туындайтын тұжырымдамаға арналған қолжетімді тәсілдерді жалпы алғанда қолдануға болмайды. M бағалаушылар асимптотикалық қалыпты түрде таратылатындығын көрсетуге болады, сондықтан олардың стандартты қателерін есептеу мүмкін болғанша, тұжырымға шамамен келетін тәсіл бар. M бағалаушылар тек асимптотикалық түрде ғана қалыпты болғандықтан, шағын үлгілер үшін, ботстрап сияқты қорытынды жасауға баламалы тәсіл қолдану орынды болуы мүмкін. Алайда, M бағалауы міндетті түрде бірегей емес (яғни, теңдеулерді қанағаттандыратын бірден көп шешім болуы мүмкін). Сонымен қатар, кез келген нақты bootstrap үлгісі бағалаушының бөліну нүктесінен көп ерекшеліктерді қамтуы мүмкін. Сондықтан, ботстрап схемаларын жобалау кезінде белгілі бір күтім қажет. Әрине, біз жарық жылдамдығы мысалында көргендей, орташа норма асимптотикалық таралады және аутлиерлер болған кезде, тіпті үлкен үлгілерде де шамалау өте нашар болуы мүмкін. Алайда классикалық статистикалық сынақтар, оның ішінде орташаға негізделген сынақтар, әдетте сынақтың номиналды көлемімен шектеледі. М бағалаушыларда да осылай болмайды, ал I типті қателік деңгейі номиналды деңгейден едәуір жоғары болуы мүмкін. Бұл ескертулер М-ның бағасын ешқандай жағдайда "жасалмады" деп танымайды. Олар тек оларды пайдалану кезінде, кез келген басқа бағалау әдісі сияқты, белгілі бір күтім қажет екенін анықтайды.
ψ және ρ таңдау
Көптеген практикалық жағдайларда функция таңдау жақсы сенімді бағалауды алу үшін маңызды емес және көптеген таңдаулар тиімділік пен бейімділік тұрғысынан классикалық бағалауларға қарағанда аутлиерлер болған кезде үлкен жақсартулар ұсынатын ұқсас нәтижелер береді. Теориялық тұрғыдан алғанда, функцияларды артық көруге болады, ал Тукидің екі салмақты (бісквер деп те аталады) функциясы танымал таңдау болып табылады. екі салмақты функциясын тиімділігі 85%-ға дейін қалыпты күйде орнатуды ұсынады.
Қарым-қатынас ұғымдары
Басты шама - параметрлердің мәндеріне тәуелді емес, негізгі популяциялық үлестірімі параметрлік отбасының мүшесі болып табылатын деректердің функциясы. Қосалқы статистика - бұл сондай-ақ статистика болып табылатын функция, яғни ол тек деректерге байланысты есептеледі. Мұндай функциялар параметрлерге тәуелсіз, бірақ негізгі модельді (параметрлік отбасы) қабылдап алу мағынасында модельге берік емес және шын мәнінде мұндай функциялар модельдік болжамдардың бұзылуына жиі өте сезімтал. Осылайша, параметрлер туралы болжамдарға сезімтал болмау үшін жиі құрастырылған тест статистикасы модельдік болжамдарға әлі де өте сезімтал.
Аутсалерлер мен жетіспейтін мәндерді ауыстыру
Жоғалған деректерді ауыстыруды амортизация деп атайды. Егер жетіспейтін нүктелер салыстырмалы түрде аз болса, онда бірқатар сандарды толтыру үшін, мысалы, жетіспейтін сандарды деректердің орташа немесе медианасымен ауыстыру үшін, мәндерді бағалау үшін пайдаланылатын кейбір модельдер бар. Жоғалған мәндерді бағалау үшін қарапайым сызықтық регрессияны да қолдануға болады. Сонымен қатар, кейде аутлиерлерді деректерге қысқартылған орташаларды, стандартты ауытқудан басқа басқа масштабты бағалаушыларды (мысалы, MAD) және Winsorization қолдану арқылы орналастыруға болады. Қалыптасқан орташа есептерді есептеу кезінде, әрбiр реттелген деректердiң әрбiр шетiнен деректердiң белгiлi бiр пайызы алынып тасталады, осылайша аутлиерлер жойылады. Одан кейін орташа көрсеткіш қалған деректерді пайдалана отырып есептеледі. Winsorizing дегеніміз - аутистік мәнді оны келесі ең жоғары немесе келесі ең төменгі мәнмен ауыстыру. Алайда, ұзақ уақыт сериясындағы жоқ мәндерді немесе ерекше мәндерді болжау үшін осы типті модельдерді қолдану қиын және көбінесе сенімді емес, әсіресе толтырылатын мәндердің саны жазбаның жалпы ұзындығына қарағанда салыстырмалы түрде жоғары болса. Есептің дәлдігі модельдің қаншалықты жақсы және өкілділігіне және жоғалған мәндер кезеңінің қаншалықты ұзаққа созылуына байланысты. Динамикалық эволюция серияда болғанда, деректердің жоғалған нүктесі проблемасы көпвариантты талдаудағы жаттығуға айналады (жоқ мәндер мен аутлиерлерді бағалаудың дәстүрлі әдістерінің бірвариантты әдісі емес). Мұндай жағдайларда, жоғалған мәндерді болжау үшін көпвариантты модель бірвариантты модельге қарағанда көбірек өкілдік етеді. Кохоненнің өзін-өзі ұйымдастыру картасы (KSOM) деректерді талдау үшін қарапайым және мықты көпвариантты модель ұсынады, осылайша дерек жазбасындағы басқа тиісті айнымалылармен олардың қатынасын немесе өзара байланысын ескере отырып, жетіспейтін мәндерді бағалауға жақсы мүмкіндіктер береді. Стандартты Калман сүзгілері аутлиерлерге берік емес. Осы мақсатта жақында Масрелиз теоремасының модификациясы аутлиерлермен айналыса алатынын көрсетті. Деректерді талдаудағы ерекшеліктерді басқарудың бір кең таралған тәсілі - алдымен ерекшеліктерді анықтау, содан кейін тиімді бағалау әдісі (мысалы, ең кіші квадраттар). Бұл әдіс пайдалы болса да, екі қиындықты естен шығармау керек. Біріншіден, бастапқы сәйкессіздіктен пайда болатын ерекшеліктерді анықтау әдісі маскалау әсерінен зардап шегуі мүмкін, яғни, ерекшеліктердің тобы бір-бірін маскалап, анықталудан қаша алады. Екінші, егер аутлиерлерді анықтау үшін жоғары бөліністі бастапқы сәйкестік қолданылса, келесі талдау бастапқы бағалаушының кейбір тиімсіздігін мұра етуі мүмкін.