กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 5 นาที

ไม่มีชื่อบทความ

ดัชนี ความไว หรือ ดัชนีความสามารถในการจำแนก หรือ ดัชนีความสามารถในการตรวจจับ เป็น สถิติ ไร้หน่วย ที่ใช้ใน ทฤษฎีการตรวจจับสัญญาณ ดัชนีที่สูงขึ้นแสดงว่าสามารถตรวจจับสัญญาณได้ง่ายขึ้น

ดัชนีความไว

รูปที่ 1: ความน่าจะเป็นของข้อผิดพลาดในการจำแนกประเภทที่เหมาะสมที่สุดตามวิธีของเบย์สอี{\displaystyle e_{b}}และดัชนีการจำแนกของเบย์ส{\displaystyle d'_{b}}ระหว่างฮิสโตแกรมแบบเอกตัวแปรสองอันที่คำนวณจากพื้นที่ทับซ้อน รูปที่ 2: ฮิสโตแกรมแบบเอกตัวแปรที่คำนวณจากปริมาตรทับซ้อนของฮิสโตแกรมแบบทวิตัวแปรสองอัน รูปที่ 3: ดัชนีความสามารถในการจำแนกของสองการแจกแจงปกติแบบเอกตัวแปรที่มีความแปรปรวนไม่เท่ากัน เส้นแบ่งการจำแนกเป็นสีดำ รูปที่ 4: ดัชนีความสามารถในการจำแนกของสองการแจกแจงปกติแบบทวิตัวแปรที่มีเมทริกซ์ความแปรปรวนร่วมไม่เท่ากัน (วงรีคือวงรีแสดงข้อผิดพลาด 1 ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน) แถบสีแสดงถึงการมีส่วนร่วมสัมพัทธ์ต่อความสามารถในการจำแนกในแต่ละมิติ

ดัชนีความไวหรือดัชนีความสามารถในการจำแนกหรือดัชนีความสามารถในการตรวจจับเป็นสถิติ ไร้หน่วย ที่ใช้ในทฤษฎีการตรวจจับสัญญาณดัชนีที่สูงขึ้นแสดงว่าสามารถตรวจจับสัญญาณได้ง่ายขึ้น

คำนิยาม

ดัชนีความสามารถในการจำแนก คือ ค่าที่ใช้แยกค่าเฉลี่ยของสองการกระจายตัว (โดยทั่วไปคือการกระจายตัวของสัญญาณและการกระจายตัวของสัญญาณรบกวน) โดยมีหน่วยเป็นค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน

ความแปรปรวน/ความแปรปรวนร่วมที่เท่ากัน

สำหรับการแจกแจงแบบเอกตัวแปร สองแบบเอ{\displaystyle a}และ{\displaystyle b}โดยมีค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานเท่ากัน จะใช้สัญลักษณ์แทนด้วย{\displaystyle d'}('ดี-ไพรม์'):

=|μเอμ|σ{\displaystyle d'={\frac {\left\vert \mu _{a}-\mu _{b}\right\vert }{\sigma }}}.

ในมิติที่สูงกว่า เช่น ที่มีการแจกแจงหลายตัวแปรสองแบบที่มีเมทริกซ์ความแปรปรวนร่วมเดียวกันΣ{\displaystyle \mathbf {\Sigma } }(ซึ่งเมทริกซ์รากที่สองสมมาตร ซึ่งก็คือเมทริกซ์ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน คือเอส{\displaystyle \mathbf {S} }) ซึ่งสามารถขยายความไปสู่ระยะทางมาฮาลาโนบิสระหว่างการแจกแจงทั้งสองได้:

=(μเอμ)Σ1(μเอμ)=เอส1(μเอμ)=μเอμ/σμ{\displaystyle d'={\sqrt {({\boldsymbol {\mu }}_{a}-{\boldsymbol {\mu }}_{b})'\mathbf {\Sigma } ^{-1}({\boldsymbol {\mu }}_{a}-{\boldsymbol {\mu }}_{b})}}=\lVert \mathbf {S} ^{-1}({\boldsymbol {\mu }}_{a}-{\boldsymbol {\mu }}_{b})\rVert =\lVert {\boldsymbol {\mu }}_{a}-{\boldsymbol {\mu }}_{b}\rVert /\sigma _{\boldsymbol {\mu }}},

ที่ไหนσμ=1/เอส1μ{\displaystyle \sigma _{\boldsymbol {\mu }}=1/\lVert \mathbf {S} ^{-1}{\boldsymbol {\mu }}\rVert }คือส่วนตัด 1 มิติของ sd ตามแนวเวกเตอร์หน่วยμ{\displaystyle {\boldสัญลักษณ์ {\mu }}}โดยผ่านวิธีการดังกล่าว กล่าวคือ{\displaystyle d'}เท่ากับ{\displaystyle d'}ตามแนวตัด 1 มิติที่ผ่านค่าเฉลี่ย

สำหรับสองการแจกแจงทวิภาคที่มีค่าความแปรปรวนร่วมเท่ากัน จะได้ดังนี้:

2=11ρ2(x2+y22ρxy){\displaystyle {d'}^{2}={\frac {1}{1-\rho ^{2}}}\left({d'}_{x}^{2}+{d'}_{y}^{2}-2\rho {d'}_{x}{d'}_{y}\right)},

ที่ไหนρ{\displaystyle \rho }คือค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ และตรงนี้x=μxμเอxσx{\displaystyle d'_{x}={\frac {{\mu _{b}}_{x}-{\mu _{a}}_{x}}{\sigma _{x}}}}และy=μyμเอyσy{\displaystyle d'_{y}={\frac {{\mu _{b}__{y}-{\mu _{a}__{y}}{\sigma _{y}}}}กล่าวคือ รวมถึงเครื่องหมายของความแตกต่างเฉลี่ย แทนที่จะเป็นค่าสัมบูรณ์

{\displaystyle d'}นอกจากนี้ยังประเมินว่า(อัตราความสำเร็จ)(อัตราการแจ้งเตือนผิดพลาด){\displaystyle Z({\text{อัตราการตรวจจับถูกต้อง}})-Z({\text{อัตราการแจ้งเตือนผิดพลาด}})}[ 1 ] : 8

ความแปรปรวน/ความแปรปรวนร่วมที่ไม่เท่ากัน

เมื่อการแจกแจงทั้งสองมีค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานต่างกัน (หรือโดยทั่วไปแล้วมีมิติต่างกัน คือเมทริกซ์ความแปรปรวนร่วมต่างกัน) จะมีดัชนีที่แข่งขันกันอยู่หลายตัว ซึ่งทั้งหมดสามารถลดทอนลงเหลือเพียง...{\displaystyle d'}เพื่อให้ค่าความแปรปรวน/ความแปรปรวนร่วมเท่ากัน

ดัชนีความสามารถในการจำแนกของเบย์ส

นี่คือดัชนีความสามารถในการจำแนกสูงสุด (แบบเบย์ส) สำหรับการกระจายสองแบบ โดยพิจารณาจากปริมาณการทับซ้อนกัน กล่าวคือ ข้อผิดพลาดในการจำแนกประเภทที่เหมาะสมที่สุด (แบบเบย์ส)อี{\displaystyle e_{b}}โดยผู้สังเกตการณ์ในอุดมคติ หรือส่วนเติมเต็มของมัน คือ ความแม่นยำสูงสุดเอ{\displaystyle a_{b}}:

=2(อัตราความผิดพลาดของเบย์ส อี)=2(อัตราความแม่นยำที่ดีที่สุด เอ){\displaystyle d'_{b}=-2Z\left({\text{อัตราความผิดพลาดของเบย์ส }}e_{b}\right)=2Z\left({\text{อัตราความแม่นยำที่ดีที่สุด }}a_{b}\right)},

ที่ไหน{\displaystyle Z}คือฟังก์ชันการกระจายสะสม ผกผัน ของค่าปกติมาตรฐาน ความสามารถในการจำแนกแบบเบย์สระหว่างการกระจายแบบปกติตัวแปรเดียวหรือหลายตัวแปรสามารถคำนวณได้ด้วยวิธีเชิงตัวเลข ( โค้ด Matlab ) และยังสามารถใช้เป็นการประมาณค่าได้เมื่อการกระจายใกล้เคียงกับการกระจายแบบปกติ

{\displaystyle d'_{b}}เป็นการวัดระยะทางทางสถิติแบบบวกแน่นอนที่ไม่ขึ้นอยู่กับข้อสมมติเกี่ยวกับการกระจายตัว เช่นความแตกต่างของคัลล์แบ็ก-ไลเบลอร์ดีKL{\displaystyle D_{\text{KL}}}.ดีKL(เอ,){\displaystyle D_{\text{KL}}(a,b)}มีความไม่สมมาตร ในขณะที่(เอ,){\displaystyle d'_{b}(a,b)}มีความสมมาตรสำหรับทั้งสองการแจกแจง อย่างไรก็ตาม{\displaystyle d'_{b}}ไม่เป็นไปตามอสมการสามเหลี่ยมดังนั้นจึงไม่ใช่เมตริกที่สมบูรณ์

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สำหรับงานทดสอบใช่/ไม่ใช่ ระหว่างการแจกแจงปกติแบบเอกตัวแปรสองแบบที่มีค่าเฉลี่ยμเอ,μ{\displaystyle \mu _{a},\mu _{b}}และความแปรปรวนวีเอ>วี{\displaystyle v_{a}>v_{b}}ความแม่นยำในการจำแนกประเภทที่เหมาะสมที่สุดตามวิธีของเบย์สมีดังนี้:

พี(เอ|เอ)=พี(χ1,วีเอλ2>วี),พี(บี|)=พี(χ1,วีλ2<วีเอ){\displaystyle p(A|a)=p({\chi '}_{1,v_{a}\lambda }^{2}>v_{b}c),\;\;p(B|b)=p({\chi '}_{1,v_{b}\lambda }^{2}<v_{a}c)},

ที่ไหนχ2{\displaystyle \chi '^{2}}หมายถึงการแจกแจงไคกำลังสองแบบไม่ศูนย์กลางλ=(μเอμวีเอวี)2{\displaystyle \lambda =\left({\frac {\mu _{a}-\mu _{b}}{v_{a}-v_{b}}}\right)^{2}}, และ=λ+lnวีเอlnวีวีเอวี{\displaystyle c=\lambda +{\frac {\ln v_{a}-\ln v_{b}}{v_{a}-v_{b}}}}ความสามารถในการจำแนกของเบย์ส=2(พี(เอ|เอ)+พี(บี|)2).{\displaystyle d'_{b}=2Z\left({\frac {p\left(A|a\right)+p\left(B|b\right)}{2}}\right).}

{\displaystyle d'_{b}}นอกจากนี้ ยังสามารถคำนวณได้จากเส้นโค้ง ROCของงานใช่/ไม่ใช่ ระหว่างการแจกแจงปกติแบบเอกตัวแปรสองแบบที่มีเกณฑ์การเปลี่ยนแปลงเพียงเกณฑ์เดียว หรือยังสามารถคำนวณได้จากเส้นโค้ง ROC ของการแจกแจงสองแบบใดๆ (ในจำนวนตัวแปรใดๆ) ที่มีอัตราส่วนความน่าจะเป็นแบบเปลี่ยนแปลง โดยการหาจุดบนเส้นโค้ง ROC ที่อยู่ห่างจากเส้นทแยงมุมมากที่สุด

สำหรับงานสองช่วงเวลาระหว่างการแจกแจงเหล่านี้ ความแม่นยำที่เหมาะสมที่สุดคือเอ=พี(χ~,เค,λ,0,02>0){\displaystyle a_{b}=p\left({\tilde {\chi }}_{{\boldsymbol {w}},{\boldsymbol {k}},{\boldsymbol {\lambda }},0,0}^{2}>0\right)}(χ~2{\displaystyle {\tilde {\chi }}^{2}}(หมายถึงการแจกแจงไคกำลังสองแบบทั่วไป ) โดยที่ =[σ2σn2],เค=[11],λ=μμnσ2σn2[σ2σn2]{\displaystyle {\boldsymbol {w}}={\begin{bmatrix}\sigma _{s}^{2}&-\sigma _{n}^{2}\end{bmatrix}},\;{\boldsymbol {k}}={\begin{bmatrix}1&1\end{bmatrix}},\;{\boldsymbol {\lambda }}={\frac {\mu _{s}-\mu _{n}}{\sigma _{s}^{2}-\sigma _{n}^{2}}}{\begin{bmatrix}\sigma _{s}^{2}&\sigma _{n}^{2}\end{bmatrix}}}ความสามารถในการจำแนกของเบย์ส=2(เอ){\displaystyle d'_{b}=2Z\left(a_{b}\right)}.

ดัชนีความสามารถในการจำแนก RMS sd

ดัชนีการจำแนกความแตกต่างโดยประมาณ (เช่น ดัชนีที่ไม่เหมาะสม) ที่ใช้กันทั่วไปและมีสูตรตายตัว คือ การหาค่าเฉลี่ยของความแปรปรวน กล่าวคือ ค่า rms ของค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานทั้งสอง:เอ=|μเอμ|/σอาร์เอ็มเอส{\displaystyle d'_{a}=\left\vert \mu _{a}-\mu _{b}\right\vert /\sigma _{\text{rms}}}[ 2 ] (เรียกอีกอย่างว่าเอ{\displaystyle d_{a}}มันคือ2{\displaystyle {\sqrt {2}}}ครั้งz{\displaystyle z}- คะแนนของพื้นที่ใต้ เส้นโค้ง ลักษณะการทำงานของผู้รับ (AUC) ของผู้สังเกตการณ์เกณฑ์เดียว ดัชนีนี้ขยายไปสู่มิติทั่วไปในชื่อระยะทางมาฮาลาโนบิสโดยใช้ความแปรปรวนร่วมแบบรวม กล่าวคือ ด้วยเอสอาร์เอ็มเอส=[(Σเอ+Σ)/2]12{\displaystyle \mathbf {S} _{\text{rms}}=\left[\left(\mathbf {\Sigma } _{a}+\mathbf {\Sigma } _{b}\right)/2\right]^{\frac {1}{2}}}ในฐานะเมทริกซ์ sd ทั่วไป

ดัชนีความสามารถในการจำแนกเฉลี่ยส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน

ดัชนีอีกตัวหนึ่งคืออี=|μเอμ|/σเฉลี่ย{\displaystyle d'_{e}=\left\vert \mu _{a}-\mu _{b}\right\vert /\sigma _{\text{avg}}}ขยายไปสู่มิติทั่วไปโดยใช้เอสเฉลี่ย=(เอสเอ+เอส)/2{\displaystyle \mathbf {S} _{\text{avg}}=\left(\mathbf {S} _{a}+\mathbf {S} _{b}\right)/2}ในฐานะเมทริกซ์ sd ทั่วไป

การมีส่วนช่วยในการจำแนกความแตกต่างในแต่ละมิติ

โดยทั่วไปแล้ว การมีส่วนร่วมของแต่ละมิติหรือคุณลักษณะต่อความสามารถในการจำแนกโดยรวมนั้น สามารถวัดได้โดยใช้ปริมาณที่ความสามารถในการจำแนกลดลงเมื่อลบมิตินั้นออกไป หากความสามารถในการจำแนกแบบเบย์โดยรวมคือ{\displaystyle d'}และความสามารถในการจำแนกแบบเบย์สที่มีมิติฉัน{\displaystyle i}ถูกลบออกแล้วฉัน{\displaystyle d'_{-i}}เราสามารถกำหนดการมีส่วนร่วมของมิติได้ฉัน{\displaystyle i}เช่น2ฉัน2{\displaystyle {\sqrt {d'^{2}-{d'_{-i}}^{2}}}}นี่เหมือนกับความสามารถในการแยกแยะมิติของแต่ละบุคคลฉัน{\displaystyle i}เมื่อเมทริกซ์ความแปรปรวนร่วมเท่ากันและเป็นเมทริกซ์ทแยงมุม แต่ในกรณีอื่นๆ มาตรวัดนี้สะท้อนถึงการมีส่วนร่วมของมิติได้แม่นยำกว่าความสามารถในการจำแนกแต่ละมิติเสียอีก

การปรับขนาดความสามารถในการจำแนกของสองการแจกแจง

การปรับขนาดความสามารถในการจำแนกความแตกต่างของสองการแจกแจง โดยการประมาณค่าเชิงเส้นของเวกเตอร์ค่าเฉลี่ยและเมทริกซ์ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน (รากที่สองของเมทริกซ์ความแปรปรวนร่วม) ของการแจกแจงหนึ่งไปยังอีกการแจกแจงหนึ่ง วงรีแสดงถึงวงรีความคลาดเคลื่อนของการแจกแจงทั้งสอง เส้นโค้งสีดำคือเส้นแบ่งแบบกำลังสองที่แยกการแจกแจงทั้งสองออกจากกัน

บางครั้งเราอาจต้องการปรับขนาดความสามารถในการจำแนกความแตกต่างของข้อมูลสองชุดโดยการขยับให้การกระจายตัวของข้อมูลทั้งสองชุดเข้าใกล้กันหรือห่างกันมากขึ้น กรณีหนึ่งคือเมื่อเรากำลังสร้างแบบจำลองงานตรวจจับหรือจำแนกประเภท และประสิทธิภาพของแบบจำลองนั้นสูงกว่าข้อมูลต้นฉบับหรือข้อมูลที่สังเกตได้ ในกรณีนั้น เราสามารถปรับการกระจายตัวของตัวแปรในแบบจำลองให้เข้าใกล้กันมากขึ้นเพื่อให้ตรงกับประสิทธิภาพที่สังเกตได้ ในขณะเดียวกันก็สามารถทำนายได้ว่าจุดข้อมูลใดบ้างที่ควรเริ่มทับซ้อนและถูกจำแนกผิดพลาด

มีหลายวิธีในการทำเช่นนี้ วิธีหนึ่งคือการคำนวณเวกเตอร์ค่าเฉลี่ยและเมทริกซ์ความแปรปรวนร่วมของทั้งสองการแจกแจง จากนั้นทำการแปลงเชิงเส้นเพื่อประมาณค่าเฉลี่ยและเมทริกซ์ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน (รากที่สองของเมทริกซ์ความแปรปรวนร่วม) ของการแจกแจงหนึ่งไปยังอีกการแจกแจงหนึ่ง

อีกวิธีหนึ่งคือการคำนวณตัวแปรตัดสินใจของจุดข้อมูล (อัตราส่วนความน่าจะเป็นล็อกที่จุดหนึ่งเป็นของหนึ่งการแจกแจงเทียบกับอีกการแจกแจงหนึ่ง) ภายใต้แบบจำลองมัลตินอร์มอล จากนั้นจึงขยับตัวแปรตัดสินใจเหล่านี้ให้เข้าใกล้กันหรือห่างออกจากกัน

ดูเพิ่มเติม

  • บทเรียนเชิงโต้ตอบเกี่ยวกับทฤษฎีการตรวจจับสัญญาณรวมถึงการคำนวณค่าd

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ไม่มีชื่อบทความ

ดัชนี ความไว หรือ ดัชนีความสามารถในการจำแนก หรือ ดัชนีความสามารถในการตรวจจับ เป็น สถิติ ไร้หน่วย ที่ใช้ใน ทฤษฎีการตรวจจับสัญญาณ ดัชนีที่สูงขึ้นแสดงว่าสามารถตรวจจับสัญญาณได้ง่ายขึ้น

คำนิยาม

ดัชนีความสามารถในการจำแนก คือ ค่าที่ใช้แยกค่าเฉลี่ยของสองการกระจายตัว (โดยทั่วไปคือการกระจายตัวของสัญญาณและการกระจายตัวของสัญญาณรบกวน) โดยมีหน่วยเป็นค่า เบี่ยงเบนมาตรฐาน

ความแปรปรวน/ความแปรปรวนร่วมที่เท่ากัน

สำหรับการแจกแจงแบบ เอกตัวแปร สองแบบ เอ {\displaystyle a} และ ข {\displaystyle b} โดยมีค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานเท่ากัน จะใช้สัญลักษณ์แทนด้วย ง ′ {\displaystyle d'} ('ดี-ไพรม์'):

ความแปรปรวน/ความแปรปรวนร่วมที่ไม่เท่ากัน

เมื่อการแจกแจงทั้งสองมีค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานต่างกัน (หรือโดยทั่วไปแล้วมีมิติต่างกัน คือเมทริกซ์ความแปรปรวนร่วมต่างกัน) จะมีดัชนีที่แข่งขันกันอยู่หลายตัว ซึ่งทั้งหมดสามารถลดทอนลงเหลือเพียง... ง ′ {\displaystyle d'} เพื่อให้ค่าความแปรปรวน/ความแปรปรวนร่วมเท่ากัน