Введение
Интервал, ограниченный верхним и нижним пределами. В статистике интервальная оценка – это использование выборочных данных для оценки интервала возможных значений интересующего параметра. Это отличается от точечной оценки, которая дает одно значение. Наиболее распространенными формами интервальной оценки являются доверительные интервалы (фреквентистский метод) и правдоподобные интервалы (байесовский метод). Менее распространенные формы включают интервалы правдоподобия, фидуциальные интервалы, интервалы допуска и интервалы предсказания. Для нестатистического подхода интервальные оценки могут быть получены из нечеткой логики.
In statistics, interval estimation is the use of sample data to estimate an interval of possible values of a parameter of interest. This is in contrast to point estimation, which gives a single value. The most prevalent forms of interval estimation are confidence intervals (a frequentist method) and credible intervals (a Bayesian method). Less common forms include likelihood intervals, fiducial intervals, tolerance intervals, and prediction intervals. For a non statistical method, interval estimates can be deduced from fuzzy logic.
Доверительные интервалы
Доверительные интервалы используются для оценки интересующего параметра на основе выборочных данных, чаще всего среднего значения или стандартного отклонения. Доверительный интервал означает, что существует γ%-ная уверенность в том, что интересующий параметр находится между нижней и верхней границами. Распространенное заблуждение относительно доверительных интервалов заключается в том, что γ% данных попадает внутрь или за пределы этих границ; это называется интервалом допуска, который обсуждается ниже. Существует несколько методов построения доверительного интервала, и правильный выбор зависит от анализируемых данных. Для нормального распределения с известной дисперсией используется z-таблица для создания интервала, в котором можно получить уровень доверия γ%, центрированный вокруг среднего значения выборки, полученной из n измерений. Для биномиального распределения доверительные интервалы можно приближенно вычислить с помощью приближения Вальда, интервала Джеффриса и интервала Клоппера-Пирсона. Метод Джеффриса также может быть использован для приближенного вычисления интервалов для распределения Пуассона. Если основное распределение неизвестно, можно использовать бутстрэп для определения границ вокруг медианы выборочных данных.
Достоверные интервалы
В отличие от доверительного интервала, достоверный интервал требует априорного предположения, которое модифицируется с использованием фактора Байеса и используется для определения апостериорного распределения. Используя апостериорное распределение, можно определить, что с вероятностью 100γ% параметр, представляющий интерес, находится в пределах интервала, в то время как для доверительного интервала можно быть уверенным с вероятностью 100γ%, что оценка попадает в заданный интервал. Хотя априорное предположение может быть полезным для получения дополнительных данных при построении интервала, оно лишает интервал объективности, присущей доверительному интервалу. Априорное распределение используется для формирования апостериорного, и если это априорное распределение не подвергается сомнению, оно может привести к неверным прогнозам. Границы достоверного интервала переменны, в отличие от границ доверительного интервала. Существует несколько методов определения правильного положения верхней и нижней границ интервала. Распространенные методы корректировки границ интервала включают интервал наивысшей апостериорной плотности (HPDI), симметричный интервал или выбор центра интервала вблизи среднего значения.
Основанные на вероятности
Использует принципы функции правдоподобия для оценки интересующего параметра. Используя метод, основанный на функции правдоподобия, можно получить доверительные интервалы для средних значений экспоненциального, распределения Вейбулла и логнормального распределений. Кроме того, подходы, основанные на функции правдоподобия, позволяют вычислить доверительные интервалы для стандартного отклонения. Также возможно построить интервал прогнозирования, комбинируя функцию правдоподобия и будущую случайную величину.
Прогноз
Прогнозный интервал оценивает диапазон, в котором с заданной доверительной вероятностью γ будут находиться будущие значения. Интервалы прогнозирования применимы как в байесовском, так и в частотном подходах. Обычно они используются для регрессионных данных, однако интервалы прогнозирования не предназначены для экстраполяции за пределы экспериментально контролируемых параметров исходных данных.
Нечеткая логика
Нечеткая логика используется для принятия решений небинарным способом в искусственном интеллекте, медицине и других областях. В общем случае, она принимает входные данные, преобразует их с помощью систем нечеткого вывода и выдает выходное решение. Этот процесс включает в себя фаззификацию, оценку правил нечеткой логики и дефаззификацию. При оценке правил нечеткой логики функции принадлежности преобразуют наши небинарные входные данные в конкретные переменные. Эти функции принадлежности необходимы для прогнозирования неопределенности системы.
Односторонние и двусторонние
Двусторонние интервалы оценивают параметр, представляющий интерес, Θ, с уровнем доверия γ, используя нижнюю и верхнюю границы. Примеры могут включать оценку среднего роста мужчин в определенном географическом регионе или длины конкретных партий столов, изготовленных производителем. В таких случаях обычно оценивается центральное значение параметра. Как правило, это представляется в форме, аналогичной приведенному ниже уравнению. В отличие от двустороннего интервала, односторонний интервал использует уровень доверия γ для построения минимальной или максимальной границы, которая предсказывает параметр, представляющий интерес, с вероятностью γ*100%. Односторонний интервал обычно требуется, когда минимальная или максимальная граница оценки не имеет значения. Если нас интересует только минимальное прогнозируемое значение Θ, то необходимость в определении верхней границы оценки отпадает, что приводит к упрощенной форме двустороннего интервала. В результате исключения верхней границы и сохранения уровня доверия, нижняя граница увеличится. Аналогично, если нас интересует только верхняя граница оценки параметра, то верхняя граница уменьшится. Односторонние интервалы часто используются в контроле качества при производстве материалов, где ожидаемое значение прочности материала, Θ, должно превышать определенное минимальное значение с заданной уверенностью (100γ%). В этом случае производитель не заинтересован в производстве продукта, который слишком прочен, и верхняя граница не требуется.
Осторожность при использовании и строительстве оценок
При определении значимости параметра лучше всего понимать данные и методы их сбора. Перед сбором данных эксперимент должен быть спланирован таким образом, чтобы неопределенность данных была обусловлена изменчивостью выборки, а не статистической погрешностью. После проведения эксперимента типичным первым шагом при создании интервальных оценок является визуализация данных с использованием различных графических методов. Это позволяет определить распределение выборок из набора данных. Построение границ интервала на основе неверных предположений о распределении приводит к ошибочным прогнозам. При представлении интервальных оценок они должны иметь общепринятую интерпретацию как в научном сообществе, так и за его пределами. Интервальные оценки, полученные с использованием нечеткой логики, имеют гораздо более узкую, прикладную интерпретацию. В часто встречающихся ситуациях должны существовать наборы стандартных процедур, которые можно использовать при условии проверки и обоснованности необходимых предположений. Это относится как к доверительным, так и к правдоподобным интервалам. Однако в новых ситуациях должна быть предоставлена инструкция о том, как формулировать интервальные оценки. В этом отношении доверительные и правдоподобные интервалы имеют схожий статус, но между ними есть два различия. Во-первых, правдоподобные интервалы могут легко учитывать априорную информацию, в то время как доверительные интервалы – нет. Во-вторых, доверительные интервалы более гибкие и могут быть практически применены в большем количестве ситуаций, чем правдоподобные интервалы: одна из областей, где правдоподобные интервалы уступают, – это работа с непараметрическими моделями. Должны существовать способы проверки эффективности процедур интервального оценивания. Это необходимо, поскольку многие из этих процедур включают в себя различные приближения, и требуется убедиться, что фактическая производительность процедуры соответствует заявленной. Использование стохастического моделирования упрощает это в случае доверительных интервалов, но представляет некоторую сложность для правдоподобных интервалов, где априорная информация должна быть учтена должным образом. Проверка правдоподобных интервалов может быть выполнена в ситуациях, не предполагающих наличия априорной информации, но проверка включает в себя анализ частотных свойств процедур в долгосрочной перспективе. Северини обсуждает условия, при которых доверительные и правдоподобные интервалы будут давать схожие результаты, а также вероятности охвата правдоподобных интервалов и апостериорные вероятности, связанные с доверительными интервалами. В теории принятия решений, которая является распространенным подходом и обоснованием для байесовской статистики, интервальное оценивание не представляет непосредственного интереса. Результатом является решение, а не интервальная оценка, поэтому байесовские теоретики принятия решений используют байесовское действие: они минимизируют ожидаемые потери функции потерь относительно всего апостериорного распределения, а не конкретного интервала.
Приложения
Применение доверительных интервалов используется для решения широкого круга задач, связанных с неопределенностью. Кац (1975) рассматривает различные проблемы и преимущества использования интервальных оценок в юридической практике. Алтмен (1990) обсуждает использование доверительных интервалов и дает рекомендации по их применению в медицинских исследованиях. В производстве также часто используются интервальные оценки для определения срока службы продукции или оценки ее допустимых отклонений. Микер и Эскобар (1998) представляют методы анализа данных о надежности при параметрическом и непараметрическом оценивании, включая прогнозирование будущих случайных величин (интервалы прогнозирования).