WnioskowanieStatystyczne/Elementy statystyki wielowymiarowej

Wnioskowanie_Statystyczne_-_wykład

Elementy statystyki wielowymiarowej

Przypomnijmy najpierw pojęcia

Kowariancja i współczynnik korelacji

Przykładowe wartości współczynnika korelacji dla 300 par [math](x, y)[/math] o różnych stopniach współzależności.

Miarą związku między zmiennymi [math]x[/math] i [math]y[/math] jest kowariancja

[math] \sigma_{x, y} = E\left( (x-\mu_{x})(y-\mu_{y})\right) [/math]

lub unormowany do jedności współczynnik korelacji zmiennych [math]x[/math] i [math]y[/math]:

[math] \rho_{x, y}= \frac{\sigma_{x, y}}{\sigma_x \sigma_y}= \frac{E\left( \left(x-\mu_{x})(y-\mu_{y}\right)\right)} {\sqrt{E\left( (x-\mu_{x})^2\right) E\left( (y-\mu_{y})^2\right)}}, [/math]

gdzie [math]\mu_x[/math] i [math]\mu_y[/math] to odpowiednio wartości oczekiwane zmiennych [math]x[/math] i [math]y[/math]. Jeśli zmienne [math]x[/math] i [math]y[/math] związane są deterministyczną zależnością liniową (typu [math]y=c_1 x+c_2[/math]), to ich korelacja wynosi [math]1[/math] (lub [math]-1[/math], jeśli [math]c_1\lt 0[/math]). Jeśli wzrostowi zmiennej [math]x[/math] towarzyszy statystycznie wzrost zmiennej [math]y[/math], to ich korelacja jest dodatnia (pomiędzy [math]0[/math] a [math]1[/math]). Dla zmiennych niezależnych korelacja wynosi [math]0[/math].

Macierz kowariancji

[math] C=E[(x-\mu )(x-\mu )^{T}], \qquad \\ c_{ij}=E[(x_{i}-\mu_{i})(x_{j}-\mu _{j})] [/math]

dla dwóch wymiarów: [math]x=(x_{1,}x_{2})[/math] i [math]\mu =(\mu _{1}, \mu _{2})[/math]

[math] C=E\left[ \left(\begin{matrix}{x_{1}-\mu _{1}}\\ {x_{2}-\mu _{2}} \end{matrix} \right) \left( x_{1}-\mu_{1},x_{2}-\mu _{2}\right) \right] = [/math]

[math] \left[ \begin{matrix} E\left[ \left( x_{1}-\mu _{1}\right) ^{2}\right] & E\left[ \left( x_{1}-\mu _{1}\right) \left( x_{2}-\mu _{2}\right) \right] \\ E\left[ \left( x_{2}-\mu _{2}\right) \left( x_{1}-\mu _{1}\right) \right] & E \left[ \left( x_{2}-\mu _{2}\right) ^{2}\right] \end{matrix} \right] = [/math]

[math] \left[ \begin{matrix} \sigma _{1}^{2} & \sigma _{12} \\ \sigma _{21} & \sigma _{2}^{2} \end{matrix} \right] [/math]

ogólnie

[math] S=\left[ \begin{matrix} \upsilon ar(x_{1}) & co\upsilon (x_{1},x_{2}) & ... & co\upsilon (x_{1},x_{k}) \\ co\upsilon (x_{2},x_{1}) & \upsilon ar(x_{2}) & ... & co\upsilon (x_{2},x_{k}) \\ ... & ... & ... & ... \\ co\upsilon \left( x_{k},x_{1}\right) & co\upsilon (x_{k},x_{2}) & ... & \upsilon ar(x_{k}) \end{matrix} \right] [/math]

Dwuwymiarowy rozkład normalny

[math] f(t)=ke^{-\frac{1}{2}(t-\mu )A(t-\mu )^{T}} [/math]

Dwumianowy rozkład normalny, wartość prawdopodobieństwa jako wysokość nad płaszczyzną

[math]t=(x,y)-[/math] wektor zmiennej losowej

[math]\mu =(\mu _{1},\mu _{2})-[/math] wektor wartości oczekiwanych

[math]k-[/math] stała normalizjąca

[math]A-[/math] odwrotność macierzy kowariancji [math]C[/math]

[math] A=\left[ \begin{matrix} \sigma _{x}^{2} & \sigma _{xy} \\ \sigma _{xy} & \sigma _{y}^{2} \end{matrix} \right] ^{-1}=\frac{1}{\sigma _{x}^{2}\sigma _{y}^{2}-\left( \sigma _{xy}\right) ^{2}}\left[ \begin{matrix} \sigma _{y}^{2} & -\sigma _{xy} \\ -\sigma _{xy} & \sigma _{x}^{2} \end{matrix} \right] [/math]

Analiza składowych głównych (Principal Components Analysis, PCA)

Macierz kowariancji

[math] S=\left[ \begin{matrix} \upsilon ar(x_{1}) & co\upsilon (x_{1},x_{2}) & ... & co\upsilon (x_{1},x_{k}) \\ co\upsilon (x_{2},x_{1}) & \upsilon ar(x_{2}) & ... & co\upsilon (x_{2},x_{k}) \\ ... & ... & ... & ... \\ co\upsilon \left( x_{k},x_{1}\right) & co\upsilon (x_{k},x_{2}) & ... & \upsilon ar(x_{k}) \end{matrix} \right] [/math]

przedstawiamy w postaci diagonalnej

[math] S=\left[ \begin{matrix} r_{11} & r_{12} & ... & r_{1k} \\ r_{21} & r_{22} & ... & r_{2k} \\ ... & ... & ... & ... \\ r_{k1} & r_{k2} & ... & r_{kk} \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} \lambda _{1} & 0 & ... & 0 \\ 0 & \lambda _{2} & ... & 0 \\ ... & ... & ... & ... \\ 0 & 0 & ... & \lambda _{k} \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} r_{11} & r_{21} & ... & r_{k1} \\ r_{12} & r_{22} & ... & r_{k2} \\ ... & ... & ... & ... \\ r_{1k} & r_{2k} & ... & r_{kk} \end{matrix} \right] [/math]

Wielkości [math]\lambda _{i}[/math] są rozwiązaniami równania [math]\left| S-\lambda I\right| =0,[/math] a wektor [math]r_{i}[/math] osiami nowego układu współrzędnych. Składowe PCA są liniowymi kombinacjami obserwowanych zmiennych.

Kierunki składowych głównych (PCA) w dwóch wymiarach

Analiza wariancji wielu zmiennych (Multivariate ANalysis of VAriance — MANOVA)

Wcześniej rozpatrywaliśmy podział na grupy pomiarów opisanych jedną zmienną (analiza wariancji jednej zmiennej). Jeśli zmienna losowa [math]X[/math] jest opisana wektorem ([math]x_{1},...,x_{k})[/math], wartość wektorem o tym samym wymiarze: ([math] \mu _{1},...,\mu _{k})[/math], to w miejsce wariancji mamy do czynienia z macierzą kowariancji:

[math] S=\left[ \begin{matrix} \upsilon ar(x_{1}) & co\upsilon (x_{1},x_{2}) & ... & co\upsilon (x_{1},x_{k}) \\ co\upsilon (x_{2},x_{1}) & \upsilon ar(x_{2}) & ... & co\upsilon (x_{2},x_{k}) \\ ... & ... & ... & ... \\ co\upsilon \left( x_{k},x_{1}\right) & co\upsilon (x_{k},x_{2}) & ... & \upsilon ar(x_{k}) \end{matrix} \right] [/math]

gdzie:

[math] \upsilon ar(x_{i})=\sigma _{x_{i}}=E((x_{i}-\mu _{i})^{2}) [/math]

[math] co\upsilon (x_{i},x_{k})=\sigma _{x_{i},x_{k}}=E((x_{i}-\mu _{i})(x_{k}-\mu _{k})) [/math]

Zakladamy, że dane pochodzą z wielowymiarowego rozkładu normalnego, opisanego macierzą kowariancji [math]S[/math]

[math] \Phi (X)=\frac{1}{\sqrt{(2\pi )^{k}}\sqrt{\left| S\right| }}e^{-\frac{(X-\mu )^{\prime }S^{-1}(X-\mu )}{2}} [/math]

Jeśli [math]X[/math] pochodzą z próby podzielonej na grupy, to podobnie jak w ANOVA możemy skonstruować macierze wariancji wewnątrzgrupowych i międzygrupowych i dowieść, że [math]S=S_{wew}+S_{pom}[/math].

Testujemy hipotezę o równości średnich w grupach

[math] H_0: \mu_1 = \mu_2 = \cdots = \mu_k [/math]

Jako statystykę testową możemy wtbrać np. iloraz wyznaczników macierzy [math]S_{wew}[/math] i [math]S[/math], który podlega rozkładowi [math]\Lambda [/math] Wilksa:

[math] \Lambda =\frac{\left| S_{wew}\right| }{\left| S\right| }=\frac{\left| S_{wew}\right| }{\left| S_{wew}+S_{pom}\right| } [/math]

Liniowa Analiza dyskryminacyjna (Linear Discriminant Analysis, LDA )

Wielowymiarowe wektory próby X mamy podzielone na grupy, szukamy funkcji najlepiej je rozdzielającej, która umożliwi zaklasyfikowanie nowej obserwacji. Rozdzielenie grup odpowiada w przypadku jednowymiarowym maksymalizacji stosunku wariancji międzygrupowej do wariancji wewnątrzgrupowej

[math] F=\frac{\left( n-k\right) s_\mathrm{pom}}{\left( k-1\right) s_\mathrm{wew}} [/math]

W przypadku wielowymiarowym mamy do czynienia z macierzami kowariancji; możemy rozpatrywać wielkość

[math] F_{a}=\frac{a^{\prime }S_\mathrm{pom}a}{a^{\prime }S_\mathrm{wew}a} [/math]

Maksymalizacja tej wielkości względem a daje wektor własny macierzy [math]S_{wew}^{-1}S_{pom}[/math] odpowiadający największej wartości własnej. Wektory własne odpowiadające kolejnym wartościom własnym zwiemy współrzędnymi dyskryminacyjnymi, tworzącymi przestrzeń dyskryminacyjną.

Analiza skupień — Cluster Analysis

Wejściem dla tej procedury jest zestaw danych, a wyjściem ich podział na grupy. Można go zrealizować na wiele sposobów: [math]N[/math] punktów [math]x^{1}...x^{N},[/math] z których każdy opisany jest przez [math]k[/math] cech [math]x_{1}...x_{k}[/math].

Metody polegające na kolejnym łączeniu punktów

Startujemy z N klastrów jednopunktowych, w każdym kroku łączymy najbliższe. Wynikiem działania jest drzewo łączenia, na którym sami musimy wybrać ilość klastrów. Wynik zależy silnie od przyjętych definicji odległości między klastrami oraz definicji odległości między punktami.

Odległości między punktami:

• Odległość Euklidesowa [math]d(x,y)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{k}{\sum }}(x_{i}-y_{i})^{2}}[/math] (czuła na różne skale cech).
• Odległość korelacyjna [math]d(x,y)=1-\rho (x,y),[/math] gdzie [math]\rho (x,y)=\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\sum }}(x-\overline{x})(y- \overline{y})}{\sigma _{x}\sigma _{y}} [/math] (znormalizowana do przedziału (0,2), mniejsza im lepiej skorelowane punkty).

Odległości między klastrami:

• Najbliższego sąsiada (single linkage) - odległość między dwoma najbliższymi elementami klastrów A i B: [math]d(A,B)=\min_{x,y}d(x,y),\ \ \ \ \ x\in A,\ y\in B[/math]
• (complete linkage ) - odległość między dwoma najbliższymi elementami klastrów A i B: [math]d(A,B)=\max_{x,y}d(x,y),\ \ \ \ \ x\in A,\ y\in B [/math]
• (centroid) - odległość między środkami klastrów,
• (average) - średnia odległości, itd...

Metoda K–średnich (K – means )

Wybieramy ilość klastrów, podział dokonywany jest w iteracyjnej procedurze dążącej do minimalizacji stosunku wariancji pomiędzy klastrami do wariancji wewnątrz klastrów - niejako [math]ANOVA[/math] bez ustalonego wstępnie przyporządkowania, maksimum [math] F[/math] poszukiwane drogą przemieszczania elementów między klastrami.