Кіріспе
Бағалаушының қателігінің өлшемі Статистикада орташа квадраттық қателік (MSE) немесе орташа квадраттық ауытқу (MSD) — бағалаушының (көрінбейтін шаманы бағалау әдісінің) қателіктердің квадраттарының орташасын өлшейді, яғни бағаланған мәндер мен нақты мәндер арасындағы орташа квадраттық айырмашылықты. MSE — қате шығынының квадратының күтілетін мәніне сәйкес келетін тәуекел функциясы. MSE дерлік әрқашан қатаң оң (және нөл емес) болуының себебі — кездейсоқтық немесе бағалаушы одан да дәл баға беруге болатын ақпаратты ескермегендігі. Машиналық оқытуда, әсіресе эмпирикалық тәуекелді азайтуда, MSE эмпирикалық тәуекелді (көрінетін деректер жиынтығындағы орташа шығынды) нақты MSE-нің бағалауы ретінде қарастыруға болады (нағыз тәуекел: нақты популяцияның үлестіріліміндегі орташа шығын). MSE — бағалаушының сапасын өлшеу шамасы. Ол Эвклидтік қашықтықтың квадратынан туындағандықтан, қате нөлге жақындаған сайын азаятын оң мән болып табылады. MSE — қателіктің екінші моменті (бастапқы нүктеге қатысты), сондықтан бағалаушының дисперсиясын (бір деректер үлгісінен екіншісіне бағалардың қаншалықты таралуын) және оның қиылысын (бағаның орташа мәні нақты мәннен қаншалықты алшақтығын) қамтиды. Бұрыс емес бағалаушы үшін MSE бағалаушының дисперсиясына тең. Дисперсия сияқты, MSE-нің де өлшем бірліктері бағаланатын шаманың квадратына тең. Стандартты ауытқуға ұқсас, MSE-нің квадрат түбірін алу орташа квадраттық қателік немесе орташа квадраттық ауытқу (RMSE немесе RMSD) береді, ол бағаланатын шамамен бірдей бірліктерге ие; бұрыс емес бағалаушы үшін RMSE — стандартты қате деп аталатын дисперсияның квадрат түбірі.
In statistics, the mean squared error (MSE) or mean squared deviation (MSD) of an estimator (of a procedure for estimating an unobserved quantity) measures the average of the squares of the errors—that is, the average squared difference between the estimated values and the actual value. MSE is a risk function, corresponding to the expected value of the squared error loss. The fact that MSE is almost always strictly positive (and not zero) is because of randomness or because the estimator does not account for information that could produce a more accurate estimate. In machine learning, specifically empirical risk minimization, MSE may refer to the empirical risk (the average loss on an observed data set), as an estimate of the true MSE (the true risk: the average loss on the actual population distribution). The MSE is a measure of the quality of an estimator. As it is derived from the square of Euclidean distance, it is always a positive value that decreases as the error approaches zero. The MSE is the second moment (about the origin) of the error, and thus incorporates both the variance of the estimator (how widely spread the estimates are from one data sample to another) and its bias (how far off the average estimated value is from the true value). For an unbiased estimator, the MSE is the variance of the estimator. Like the variance, MSE has the same units of measurement as the square of the quantity being estimated. In an analogy to standard deviation, taking the square root of MSE yields the root mean square error or root mean square deviation (RMSE or RMSD), which has the same units as the quantity being estimated; for an unbiased estimator, the RMSE is the square root of the variance, known as the standard error.
Анықтама және негізгі қасиеттері
МЭС болжаушының (яғни, кез келген кірістік мәнді кездейсоқ айнымалының мәндерінің үлгісіне бейімдейтін функцияның) немесе бағалаушының (яғни, деректер үлгісін деректер алынған популяцияның параметрін бағалауға бейімдейтін математикалық функцияның) сапасын бағалайды. Болжам жасау контекстінде, болжам аралығын түсіну де пайдалы, себебі ол болашақ байқаудың белгілі бір ықтималдықпен ішінде түсетін диапазонды көрсетеді. МСЭ-нің анықтамасы болжаушыны немесе бағалаушыны сипаттауға байланысты өзгеше болады.
Диапазон мен бейімділік қатынасының дәлелі
Кез келген кездейсоқ шама үшін белгілі бір формуланың қолданылуын пайдаланып, одан да қысқа дәлелдемеге қол жеткізуге болады. -ты -мен алмастырсақ, мынаны аламыз. Бірақ нақты модельдеу жағдайында, MSE модельдің дисперсиясы, модельдің қателігі және төтенше белгісіздіктің қосылуы ретінде сипатталуы мүмкін (Қателік-дисперсия арақатынасына қараңыз). Осы қатынасқа сәйкес, бағалаушылардың MSE-сі бағалаушының дисперсиясы мен қателігі туралы ақпаратты қамтитын тиімділікті салыстыру үшін ғана пайдаланылуы мүмкін. Бұл MSE критерийі деп аталады.
Регрессиялық
Регрессиялық талдауда графикті салу – барлық деректердің жалпы үрдісін қарастырудың табиғи жолы. Әрбір нүктеден болжанған регрессиялық модельге дейінгі қашықтықтың орташасы есептеліп, орташа квадраттық қате ретінде көрсетіледі. Квадраттау – теріс белгілердің күрделігін азайту үшін маңызды. MSE-ді азайту модельдің дәлдігін арттыруы мүмкін, яғни модель нақты деректерге жақындау болады. Бұл әдісті пайдаланатын сызықтық регрессияның бір мысалы – екі айнымалы деректер жиынтығын модельдеуге сызықтық регрессия моделінің сәйкестігін бағалайтын ең кіші квадраттар әдісі, бірақ оның шектеулері деректердің белгілі таралуымен байланысты. Орташа квадраттық қате термині кейде қателік дисперсиясының бөгде бағасына сілтеме жасау үшін қолданылады: қалдықтардың квадраттарының сомасы, еркіндік дәрежелерінің санына бөлінген. Белгілі, есептелген шама ретіндегі бұл анықтама, болжаушының есептелген MSE-сі үшін жоғарыда келтірілген анықтамадан өзгеше, өйткені басқа атаушы қолданылады. Атаушы – бұл сол деректерден есептелген модель параметрлерінің санына азайтылған үлгі көлемі, p регрессор үшін (n-p) немесе тұтқындау қолданылса (n-p-1) (толық мәліметтер үшін статистикадағы қателер мен қалдықтарға қараңыз). MSE (осы мақалада анықталғандай) қателік дисперсиясының бөгде бағалаушысы болмаса да, болжаушының тұрақтылығын ескере отырып, тұрақты болып табылады. Регрессиялық талдауда "орташа квадраттық қате", көбінесе орташа квадраттық болжау қатесі немесе "үлгіден тыс орташа квадраттық қате" деп аталады, сонымен қатар нақты мәндерден болжамдардың квадраттық ауытқуларының орташа мәнін, үлгіден тыс сынақ кеңістігінде, белгілі бір үлгі кеңістігінде бағаланған модель арқылы құрылған. Бұл да белгілі, есептелген шама, және ол үлгіге және үлгіден тыс сынақ кеңістігіне байланысты өзгереді. Градиенттік төмендеу алгоритмдерінде туындыны есептегеннен кейін есептеуді жеңілдету үшін MSE-ге коэффициент енгізу жиі кездеседі. Сондықтан, техникалық тұрғыдан алғанда, квадраттық қателердің жартысы MSE деп аталуы мүмкін.
Интерпретация
Нөлдік MSE, яғни бағалаушы параметрдің мәндерін қатесіз болжайды, идеалды жағдай (бірақ көбінесе мүмкін емес). MSE мәндерін салыстыру үшін пайдалануға болады. Екі немесе одан көп статистикалық модельдерді олардың MSE-лері арқылы салыстыруға болады – бұл олардың белгілі бір деректер жиынтығын қаншалықты жақсы түсіндіретінін көрсетеді. Барлық бейтарап бағалаушылардың арасында ең төмен дисперсияға ие бейтарап бағалаушы (статистикалық модельден алынған) ең жақсы бейтарап бағалаушы немесе MVUE (Минималды дисперсиялы бейтарап бағалаушы) болып табылады. Дисперсиялық талдау және сызықтық регрессия әдістері де талдаудың бір бөлігі ретінде MSE-ді бағалайды және зерттеліп жатқан факторлардың немесе болжаушылардың статистикалық маңыздылығын анықтау үшін бағаланған MSE-ді пайдаланады. Эксперименттік жобалаудың мақсаты – эксперименттерді осылай құру, яғни деректерді талдағанда MSE кем дегенде бір бағаланған әсердің мөлшеріне қатысты нөлге жақын болуы керек. Бір факторлық дисперсиялық талдауда MSE қателердің квадраттарының қосындысын еркіндік дәрежесіне бөлген арқылы есептеледі. Сондай-ақ, F мәні – орташа квадраттық әсердің MSE-ге қатынасы болып табылады. MSE сонымен қатар бірнеше қадамдық регрессия әдістерінде, берілген деректер жиынтығы үшін модельге қанша болжаушыны қосу керектігін анықтау үшін қолданылады.
Қолданбалар
МЭС-ті барынша азайту бағалаушыларды таңдаудағы маңызды критерий болып табылады: қараңыз, ең төменгі орташа квадраттық қателік. Бұрыс емес бағалаушылардың арасында МСЕ-ні азайту дисперсияны азайтумен тең, ал осыны жасайтын бағалаушы – ең төменгі дисперсиялы бұрыс емес бағалаушы. Дегенмен, бұрыс бағалаушыда МСЕ төмен болуы мүмкін; бағалаушының бұрыстығын қараңыз. Статистикалық модельдеуде МСЕ нақты байқаулар мен модельдің болжаған байқау мәндері арасындағы айырмашылықты көрсетеді. Осы ретте, ол модельдің деректерге қаншалықты сәйкес келетінін және модельдің болжау қабілетіне едәуір зиян келтірмей, кейбір түсіндірмелі айнымалыларды жоюға болатынын анықтау үшін пайдаланылады. Болжамдау және болжау саласында Бриер көрсеткіші – МСЕ негізіндегі болжам шеберлігінің өлшемі.
Жоғалу функциясы
Квадраттық қателік шығыны – статистикада ең көп қолданылатын шығын функцияларының бірі, бірақ оның кең таралған қолданылуы қолданбалардағы нақты шығынды ескеруден гөрі математикалық қолайлылықтан туындайды. Орташа квадраттық қателікті қолдануды енгізген Карл Фридрих Гаусс оның кездейсоқтығын білген және осыған байланысты қарсылық білдіргендермен келіскен. Дисперсия сияқты, орташа квадраттық қателік те ауытқушы мәндерге (outliers) артық салма берудің кемшілігіне ие. Бұл әрбір мүшенің квадратталуының нәтижесінде болады, бұл үлкен қателерді кішкентай қателерге қарағанда күштірек салмалайды. Көптеген қолданбаларда бұл қасиеттің қажетсіздігі зерттеушілерді орташа абсолютті қателік немесе медианаға негізделген баламаларды пайдалануға жетеледі.