Многомерный статистический анализ

Многомерный статистический анализ применяют при решении следующих задач:

• * исследование зависимости между признаками;
• * классификация объектов или признаков, заданных векторами;
• * снижение размерности пространства признаков.

При этом результат наблюдений — вектор значений фиксированного числа количественных и иногда качественных признаков, измеренных у объекта. Количественный признак — признак наблюдаемой единицы, который можно непосредственно выразить числом и единицей измерения. Количественный признак противопоставляется качественному — признаку наблюдаемой единицы, определяемому отнесением к одной из двух или более условных категорий (если имеется ровно две категории, то признак называется альтернативным). Статистический анализ качественных признаков — часть статистики объектов нечисловой природы. Количественные признаки делятся на признаки, измеренные в шкалах интервалов, отношений, разностей, абсолютной.

А качественные — на признаки, измеренные в шкале наименований и порядковой шкале. Методы обработки данных должны быть согласованы со шкалами, в которых измерены рассматриваемые признаки.

Целями исследования зависимости между признаками являются доказательство наличия связи между признаками и изучение этой связи. Для доказательства наличия связи между двумя случайными величинами Х и У применяют корреляционный анализ. Если совместное распределение Х и У является нормальным, то статистические выводы основывают на выборочном коэффициенте линейной корреляции, в остальных случаях используют коэффициенты ранговой корреляции Кендалла и Спирмена, а для качественных признаков — критерий хи-квадрат.

Регрессионный анализ применяют для изучения функциональной зависимости количественного признака У от количественных признаков x (1), x (2), …, x (k). Эту зависимость называют регрессионной или, кратко, регрессией. Простейшая вероятностная модель регрессионного анализа (в случае k = 1) использует в качестве исходной информации набор пар результатов наблюдений (xi, yi), i = 1, 2, …, n, и имеет вид.

yi = axi + b + еi, i = 1, 2, …, n,.

где еi — ошибки наблюдений. Иногда предполагают, что еi — независимые случайные величины с одним и тем же нормальным распределением N (0, у2). Поскольку распределение ошибок наблюдения обычно отлично от нормального, то целесообразно рассматривать регрессионную модель в непараметрической постановке, т. е. при произвольном распределении еi.

Основная задача регрессионного анализа состоит в оценке неизвестных параметров, а и b, задающих линейную зависимость y от x. Для решения этой задачи применяют разработанный еще К. Гауссом в 1794 г. метод наименьших квадратов, т. е. находят оценки неизвестных параметров моделиa и b из условия минимизации суммы квадратов.

по переменным, а и b.

Дисперсионный анализ применяют для изучения влияния качественных признаков на количественную переменную. Например, пусть имеются k выборок результатов измерений количественного показателя качества единиц продукции, выпущенных на k станках, т. е. набор чисел (x1(j), x2(j), …, xn (j)), где j — номер станка, j = 1, 2, …, k, а n — объем выборки. В распространенной постановке дисперсионного анализа предполагают, что результаты измерений независимы и в каждой выборке имеют нормальное распределение N (m (j), у2) с одной и той же дисперсией.

Проверка однородности качества продукции, т. е. отсутствия влияния номера станка на качество продукции, сводится к проверке гипотезы.

H0: m (1) = m (2) = … = m (k).

В дисперсионном анализе разработаны методы проверки подобных гипотез.

Гипотезу Н0 проверяют против альтернативной гипотезы Н1, согласно которой хотя бы одно из указанных равенств не выполнено. Проверка этой гипотезы основана на следующем «разложении дисперсий», указанном Р. А. Фишером:

(7).

где s2 — выборочная дисперсия в объединенной выборке, т. е.

Далее, s2(j) — выборочная дисперсия в j-ой группе,.

Таким образом, первое слагаемое в правой части формулы (7) отражает внутригрупповую дисперсию. Наконец, — межгрупповая дисперсия,.

Область прикладной статистики, связанную с разложениями дисперсии типа формулы (7), называют дисперсионным анализом. В качестве примера задачи дисперсионного анализа рассмотрим проверку приведенной выше гипотезы Н0 в предположении, что результаты измерений независимы и в каждой выборке имеют нормальное распределение N (m (j), у2) с одной и той же дисперсией. При справедливости Н0 первое слагаемое в правой части формулы (7), деленное на у2, имеет распределение хи-квадрат с k (n-1) степенями свободы, а второе слагаемое, деленное на у2, также имеет распределение хи-квадрат, но с (k-1) степенями свободы, причем первое и второе слагаемые независимы как случайные величины. Поэтому случайная величина.

имеет распределение Фишера с (k-1) степенями свободы числителя и k (n-1) степенями свободы знаменателя. Гипотеза Н0 принимается, если F < F1-б, и отвергается в противном случае, где F1-б — квантиль порядка 1-б распределения Фишера с указанными числами степеней свободы. Такой выбор критической области определяется тем, что при Н1 величина F безгранично увеличивается при росте объема выборок n. Значения F1-б берут из соответствующих таблиц.

Разработаны непараметрические методы решения классических задач дисперсионного анализа, в частности, проверки гипотезы Н0.

Следующий тип задач многомерного статистического анализа — задачи классификации. Они делятся на три принципиально различных вида — дискриминантный анализ, кластер-анализ, задачи группировки.

Задача дискриминантного анализа состоит в нахождении правила отнесения наблюдаемого объекта к одному из ранее описанных классов. При этом объекты описывают в математической модели с помощью векторов, координаты которых — результаты наблюдения ряда признаков у каждого объекта. Классы описывают либо непосредственно в математических терминах, либо с помощью обучающих выборок. Обучающая выборка — это выборка, для каждого элемента которой указано, к какому классу он относится.

Рассмотрим пример применения дискриминантного анализа для принятия решений в технической диагностике. Пусть по результатам измерения ряда параметров продукции необходимо установить наличие или отсутствие дефектов. В этом случае для элементов обучающей выборки указаны дефекты, обнаруженные в ходе дополнительного исследования, например, проведенного после определенного периода эксплуатации. Дискриминантный анализ позволяет сократить объем контроля, а также предсказать будущее поведение продукции. Дискриминантный анализ сходен с регрессионным — первый позволяет предсказывать значение качественного признака, а второй — количественного. В статистике объектов нечисловой природы разработана математическая схема, частными случаями которой являются регрессионный и дискриминантный анализы.

Кластерный анализ применяют, когда по статистическим данным необходимо разделить элементы выборки на группы. Причем два элемента группы из одной и той же группы должны быть «близкими» по совокупности значений измеренных у них признаков, а два элемента из разных групп должны быть «далекими» в том же смысле. В отличие от дискриминантного анализа в кластер-анализе классы не заданы, а формируются в процессе обработки статистических данных. Например, кластер-анализ может быть применен для разбиения совокупности марок стали (или марок холодильников) на группы сходных между собой.

Другой вид кластер-анализа — разбиение признаков на группы близких между собой. Показателем близости признаков может служить выборочный коэффициент корреляции. Цель кластер-анализа признаков может состоять в уменьшении числа контролируемых параметров, что позволяет существенно сократить затраты на контроль. Для этого из группы тесно связанных между собой признаков (у которых коэффициент корреляции близок к 1 — своему максимальному значению) измеряют значение одного, а значения остальных рассчитывают с помощью регрессионного анализа.

Задачи группировки решают тогда, когда классы заранее не заданы и не обязаны быть «далекими» друг от друга. Примером является группировка студентов по учебным группам. В технике решением задачи группировки часто является параметрический ряд — возможные типоразмеры группируются согласно элементам параметрического ряда. В литературе, нормативно-технических и инструктивно-методических документах по прикладной статистике также иногда используется группировка результатов наблюдений (например, при построении гистограмм).

Задачи классификации решают не только в многомерном статистическом анализе, но и тогда, когда результатами наблюдений являются числа, функции или объекты нечисловой природы. Так, многие алгоритмы кластер-анализа используют только расстояния между объектами. Поэтому их можно применять и для классификации объектов нечисловой природы, лишь бы были заданы расстояния между ними. Простейшая задача классификации такова: даны две независимые выборки, требуется определить, представляют они два класса или один. В одномерной статистике эта задача сводится к проверке гипотезы однородности.

Третий раздел многомерного статистического анализа — задачи снижения размерности (сжатия информации). Цель их решения состоит в определении набора производных показателей, полученных преобразованием исходных признаков, такого, что число производных показателей значительно меньше числа исходных признаков, но они содержат возможно большую часть информации, имеющейся в исходных статистических данных. Задачи снижения размерности решают с помощью методов многомерного шкалирования, главных компонент, факторного анализа и др. Например, в простейшей модели многомерного шкалирования исходные данные — попарные расстояния между k объектами, а цель расчетов состоит в представлении объектов точками на плоскости. Это дает возможность в буквальном смысле слова увидеть, как объекты соотносятся между собой. Для достижения этой цели необходимо каждому объекту поставить в соответствие точку на плоскости так, чтобы попарные расстояния sij между точками, соответствующими объектам с номерами i и j, возможно точнее воспроизводили расстояния сijмежду этими объектами. Согласно основной идее метода наименьших квадратов находят точки на плоскости так, чтобы величина.

достигала своего наименьшего значения. Есть и многие другие постановки задач снижения размерности и визуализации данных.

вероятность математический статистика качество.