สถิติแบบไม่ใช้พารามิเตอร์
สถิติแบบไม่ใช้พารามิเตอร์เป็นประเภทของการวิเคราะห์ทางสถิติที่ตั้งสมมติฐานน้อยที่สุดเกี่ยวกับการกระจาย พื้นฐาน ของข้อมูลที่กำลังศึกษา โดยทั่วไปแบบจำลองเหล่านี้จะมีมิติอนันต์ แทนที่จะเป็นมิติจำกัด เช่นเดียวกับสถิติแบบใช้พารามิเตอร์ [ 1 ] สถิติแบบไม่ใช้พารามิเตอร์สามารถใช้สำหรับสถิติเชิงพรรณนาหรือการอนุมานทางสถิติการทดสอบแบบไม่ใช้พารามิเตอร์มักใช้เมื่อสมมติฐานของการทดสอบแบบใช้พารามิเตอร์ถูกละเมิดอย่างชัดเจน[ 2 ]
คำจำกัดความ
คำว่า "สถิติแบบไม่ใช้พารามิเตอร์" ได้รับการนิยามอย่างไม่แม่นยำในสองลักษณะดังต่อไปนี้:
ความหมายแรกของคำว่า"ไม่พาราเมตริก"เกี่ยวข้องกับเทคนิคที่ไม่ต้องอาศัยข้อมูลที่อยู่ในตระกูลการแจกแจงความน่าจะเป็นแบบพาราเมตริกใดๆ ซึ่งรวมถึงเทคนิคต่างๆ ดังต่อไปนี้:
- วิธีการที่ไม่ขึ้นกับการกระจายตัวของข้อมูล ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับสมมติฐานว่าข้อมูลนั้นได้มาจากตระกูลการกระจายความน่าจะเป็น แบบพาราเมตริก ที่ กำหนดไว้
- สถิติถูกนิยามว่าเป็นฟังก์ชันของตัวอย่าง โดยไม่ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ ใด ๆ
ตัวอย่างหนึ่งคือสถิติเรียงลำดับซึ่งอิงตามการจัดอันดับตามลำดับของข้อมูลสังเกตการณ์
การอภิปรายต่อไปนี้นำมาจากทฤษฎีสถิติขั้นสูงของ Kendall [ 3 ]
สมมติฐานทางสถิติเกี่ยวข้องกับพฤติกรรมของตัวแปรสุ่มที่สังเกตได้... ตัวอย่างเช่น สมมติฐาน (ก) ที่ว่าการแจกแจงแบบปกติมีค่าเฉลี่ยและความแปรปรวนที่ระบุไว้ เป็นสมมติฐานทางสถิติ เช่นเดียวกับสมมติฐาน (ข) ที่ว่าการแจกแจงนั้นมีค่าเฉลี่ยที่กำหนดแต่ความแปรปรวนไม่ระบุ เช่นเดียวกับสมมติฐาน (ค) ที่ว่าการแจกแจงนั้นมีรูปแบบปกติโดยที่ทั้งค่าเฉลี่ยและความแปรปรวนไม่ระบุ และสุดท้าย สมมติฐาน (ง) ที่ว่าการแจกแจงต่อเนื่องสองแบบที่ไม่ระบุนั้นเหมือนกัน ก็เป็นสมมติฐานทางสถิติเช่นกัน
จะสังเกตได้ว่าในตัวอย่าง (a) และ (b) การกระจายตัวของข้อมูลที่สังเกตได้นั้นถือว่าเป็นรูปแบบหนึ่ง (แบบปกติ) และสมมติฐานนั้นเกี่ยวข้องกับค่าของพารามิเตอร์หนึ่งตัวหรือทั้งสองตัวเท่านั้น สมมติฐานเช่นนี้ ด้วยเหตุผลที่ชัดเจน จึงเรียกว่าสมมติฐานแบบพาราเมตริก
สมมติฐาน (c) มีลักษณะที่แตกต่างออกไป เนื่องจากไม่มีการระบุค่าพารามิเตอร์ใดๆ ในข้อความของสมมติฐาน เราอาจเรียกสมมติฐานดังกล่าวว่า สมมติฐานแบบไม่ใช้พารามิเตอร์ (nonparametric ) ได้อย่างเหมาะสม สมมติฐาน (d) ก็เป็นสมมติฐานแบบไม่ใช้พารามิเตอร์เช่นกัน แต่ยิ่งไปกว่านั้น ยังไม่ได้ระบุรูปแบบพื้นฐานของการแจกแจง และอาจเรียกได้ว่า สมมติฐานแบบไม่ขึ้นกับการแจกแจง ( distribution-free ) ได้อย่างเหมาะสม แม้จะมีความแตกต่างเหล่านี้ แต่ในเอกสารทางสถิติโดยทั่วไปมักใช้คำว่า "ไม่ใช้พารามิเตอร์" กับวิธีการทดสอบที่เราเพิ่งเรียกว่า "ไม่ขึ้นกับการแจกแจง" ซึ่งทำให้สูญเสียการจำแนกประเภทที่มีประโยชน์ไป
ความหมายที่สองของคำว่า"ไม่ใช้พารามิเตอร์"เกี่ยวข้องกับเทคนิคที่ไม่ถือว่าโครงสร้างของแบบจำลองนั้นคงที่ โดยทั่วไปแล้ว แบบจำลองจะมีขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อรองรับความซับซ้อนของข้อมูล ในเทคนิคเหล่านี้ ตัวแปรแต่ละตัว มัก จะถือว่าอยู่ในกลุ่มการแจกแจงแบบพารามิเตอร์ และมีการตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับประเภทของความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรด้วย เทคนิคเหล่านี้ได้แก่:
- การถดถอยแบบไม่ใช้พารามิเตอร์คือการสร้างแบบจำลองที่พิจารณาโครงสร้างความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรโดยไม่ใช้พารามิเตอร์ แต่กระนั้นก็อาจมีการตั้งสมมติฐานแบบพารามิเตอร์เกี่ยวกับการกระจายของค่าความคลาดเคลื่อนของแบบจำลองได้
- แบบจำลองเบย์เซียนแบบลำดับชั้นที่ไม่ใช้พารามิเตอร์เช่น แบบจำลองที่อิงตามกระบวนการ Dirichletซึ่งอนุญาตให้จำนวนตัวแปรแฝงเพิ่มขึ้นได้ตามความจำเป็นเพื่อให้เหมาะสมกับข้อมูล แต่ตัวแปรแต่ละตัวยังคงเป็นไปตามการแจกแจงแบบพารามิเตอร์ และแม้แต่กระบวนการที่ควบคุมอัตราการเติบโตของตัวแปรแฝงก็ยังเป็นไปตามการแจกแจงแบบพารามิเตอร์
การใช้งานและวัตถุประสงค์
วิธีการทางสถิติแบบไม่พาราเมตริกถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการศึกษาประชากรที่มีลำดับ (เช่น บทวิจารณ์ภาพยนตร์ที่ได้รับคะแนนหนึ่งถึงห้าดาว) การใช้วิธีการทางสถิติแบบไม่พาราเมตริกอาจมีความจำเป็นเมื่อข้อมูลมีลำดับแต่ไม่มี การตีความเชิง ตัวเลข ที่ชัดเจน เช่น เมื่อประเมินความชอบในแง่ของระดับการวัดวิธีการทางสถิติแบบไม่พาราเมตริกจะให้ผลลัพธ์เป็นข้อมูลเชิงลำดับ
เนื่องจากวิธีการแบบไม่ใช้พารามิเตอร์นั้นตั้งสมมติฐานน้อยกว่า จึงสามารถนำไปใช้ได้ทั่วไปมากกว่าวิธีการแบบใช้พารามิเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สามารถนำไปใช้ในสถานการณ์ที่ทราบข้อมูลเกี่ยวกับแอปพลิเคชันนั้นๆ น้อย นอกจากนี้ เนื่องจากอาศัยสมมติฐานน้อยกว่า วิธีการแบบไม่ใช้พารามิเตอร์จึงมีความแข็งแกร่งกว่า
วิธีการแบบไม่พาราเมตริกบางครั้งถูกมองว่าใช้งานง่ายกว่าและมีความเสถียรกว่าวิธีการแบบพาราเมตริก แม้ว่าข้อสมมติฐานของวิธีการแบบพาราเมตริกจะถูกต้องก็ตาม เนื่องจากวิธีการแบบไม่พาราเมตริกมีลักษณะทั่วไปมากกว่า ทำให้มีโอกาสน้อยที่จะถูกนำไปใช้ผิดหรือเข้าใจผิด วิธีการแบบไม่พาราเมตริกจึงถือเป็นทางเลือกที่รอบคอบ เพราะจะยังคงใช้งานได้แม้ว่าข้อสมมติฐานจะไม่เป็นไปตามที่กำหนด ในขณะที่วิธีการแบบพาราเมตริกอาจให้ผลลัพธ์ที่ผิดพลาดได้เมื่อข้อสมมติฐานถูกละเมิด
ข้อดีของการทดสอบแบบไม่ใช้พารามิเตอร์คือสามารถนำไป ใช้ได้ในวงกว้างกว่าและมีความแข็งแกร่ง กว่า แต่ ก็มีข้อเสียเช่นกัน กล่าวคือ ในกรณีที่เงื่อนไขของการทดสอบแบบใช้พารามิเตอร์เป็นไปตามที่กำหนด การทดสอบแบบไม่ใช้พารามิเตอร์จะมีกำลังทางสถิติ น้อยกว่า กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ อาจต้องใช้ขนาดตัวอย่างที่ใหญ่ขึ้นเพื่อให้ได้ข้อสรุปที่มีระดับความมั่นใจเท่ากัน
แบบจำลองที่ไม่ใช้พารามิเตอร์
แบบจำลองที่ไม่ใช้พารามิเตอร์แตกต่างจาก แบบจำลอง ที่ใช้พารามิเตอร์ตรงที่โครงสร้างของแบบจำลองไม่ได้ถูกกำหนดไว้ล่วงหน้าแต่จะถูกกำหนดจากข้อมูล คำว่า"ไม่ใช้พารามิเตอร์"ไม่ได้หมายความว่าแบบจำลองเหล่านั้นไม่มีพารามิเตอร์เลย แต่หมายความว่าจำนวนและลักษณะของพารามิเตอร์นั้นมีความยืดหยุ่นและไม่ตายตัว
- ฮิสโตแกรม : การประมาณค่าแบบไม่ใช้พารามิเตอร์อย่างง่ายของความน่าจะเป็น
- การประมาณความหนาแน่นเคอร์เนล : วิธีการประมาณการแจกแจงความน่าจะเป็น ซึ่งมักอาศัยการหาค่าเฉลี่ยเฉพาะที่
- การปรับเส้นโค้งให้เรียบ : วิธีการถดถอยโดยใช้เส้นโค้งสปลายน์
- การวิเคราะห์การห่อหุ้มข้อมูล (Data Envelopment Analysis: DEA) : ให้ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพที่คล้ายคลึงกับที่ได้จากการวิเคราะห์หลายตัวแปรโดยไม่ต้องตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับลักษณะการกระจายตัวของ ข้อมูล
- k-nearest neighbors (kNN) : จำแนกตัวอย่างที่ไม่เคยเห็นมาก่อนโดยอาศัยจุด k จุดในชุดข้อมูลฝึกฝนที่อยู่ใกล้ที่สุดกับตัวอย่างนั้น
- เครื่องเรียนรู้แบบเวกเตอร์สนับสนุน (โดยใช้เคอร์เนลแบบเกาส์เซียน): ตัวจำแนกแบบไม่ใช้พารามิเตอร์ที่มีขอบเขตขนาดใหญ่
- วิธีโมเมนต์ : ตัวประมาณค่าสำหรับค่าเดียว เช่นค่าเฉลี่ยหรือความแปรปรวนของการแจกแจง
การทดสอบแบบไม่ใช้พารามิเตอร์
วิธีการทางสถิติเชิงอนุมานแบบไม่ใช้พารามิเตอร์ (หรือแบบไม่ขึ้นกับการกระจายตัว ) คือกระบวนการทางคณิตศาสตร์สำหรับการทดสอบสมมติฐานทางสถิติ ซึ่งแตกต่างจากสถิติแบบใช้พารามิเตอร์ตรงที่ไม่ตั้งสมมติฐานใดๆ เกี่ยวกับการกระจายความน่าจะเป็นของตัวแปรที่กำลังประเมิน การทดสอบที่ใช้บ่อยที่สุด ได้แก่
- การวิเคราะห์ความคล้ายคลึงกัน
- การทดสอบแอนเดอร์สัน-ดาร์ลิง : ใช้ทดสอบว่าตัวอย่างที่สุ่มมานั้นมาจากกลุ่มตัวอย่างที่กำหนดหรือไม่
- วิธีการบูตสแตรปทางสถิติ : ประมาณค่าความแม่นยำ/การกระจายตัวอย่างของสถิติ
- การทดสอบไคสแควร์
- Cochran's Q : ใช้ทดสอบว่า การรักษา kวิธีในการออกแบบบล็อกแบบสุ่มที่มีผลลัพธ์ 0/1 นั้นให้ผลลัพธ์ที่เหมือนกัน หรือไม่
- ค่าสัมประสิทธิ์แคปปาของโคเฮน : ใช้วัดความสอดคล้องระหว่างผู้ประเมินสำหรับรายการประเภทจัดกลุ่ม
- การวิเคราะห์ความแปรปรวนแบบสองทางของฟรีดแมน (การวัดซ้ำ)โดยใช้ลำดับ: ทดสอบว่า การรักษา k แบบในการออกแบบบล็อกแบบสุ่มมีผลลัพธ์ที่เหมือนกัน หรือไม่
- ความน่าจะเป็นเชิงประจักษ์
- วิธีการ Kaplan–Meier : ประมาณฟังก์ชันการอยู่รอดจากข้อมูลอายุขัย โดยจำลองการตัดตอนข้อมูล
- ค่าเทาของเคนดัลล์ (Kendall's tau) : ใช้วัดความสัมพันธ์ทางสถิติระหว่างตัวแปรสองตัว
- ค่า Kendall's W : ค่าที่ใช้วัดความสอดคล้องระหว่างผู้ประเมินหลายคน ซึ่งมีค่าอยู่ระหว่าง 0 ถึง 1
- การทดสอบ Kolmogorov–Smirnov : ใช้ทดสอบว่าตัวอย่างที่ได้มานั้นมาจากการแจกแจงที่กำหนดหรือไม่ หรือว่าตัวอย่างสองตัวอย่างมาจากการแจกแจงเดียวกันหรือไม่
- การวิเคราะห์ความแปรปรวนแบบทางเดียวของ Kruskal–Wallisโดยใช้ลำดับ: ทดสอบว่าตัวอย่างอิสระมากกว่า 2 ตัวอย่างถูกสุ่มมาจาก1การแจกแจงเดียวกัน หรือไม่
- การทดสอบของ Kuiper : ใช้ทดสอบว่าตัวอย่างที่สุ่มมานั้นมาจากชุดข้อมูลที่กำหนดหรือไม่ โดยมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงตามวัฏจักร เช่น วันในสัปดาห์
- การทดสอบ Logrank : เปรียบเทียบการกระจายการอยู่รอดของตัวอย่างสองกลุ่มที่มีการกระจายแบบเบ้ขวาและถูกตัดตอน
- การทดสอบ Mann–Whitney Uหรือ Wilcoxon rank sum test: ใช้ทดสอบว่าตัวอย่างสองตัวอย่างมาจาก1การแจกแจงเดียวกันหรือไม่ เมื่อเปรียบเทียบกับสมมติฐานทางเลือกที่กำหนดให้
- การทดสอบของ McNemar : ใช้ทดสอบว่า ในตารางความสัมพันธ์ 2 × 2 ที่มีลักษณะแบบสองค่าและคู่ตัวอย่างที่จับคู่กัน ความถี่ขอบของแถวและคอลัมน์เท่ากันหรือไม่
- การทดสอบค่ามัธยฐาน : ใช้ทดสอบว่าตัวอย่างสองตัวอย่างมาจากแหล่งกระจายที่มีค่ามัธยฐานเท่ากันหรือไม่
- การทดสอบการเรียงสับเปลี่ยนของพิตแมน : การทดสอบความสำคัญทางสถิติที่ให้ ค่า p ที่แน่นอน โดยการตรวจสอบการเรียงลำดับป้ายกำกับที่เป็นไปได้ทั้งหมด
- ผลิตภัณฑ์จัดอันดับ : ตรวจจับยีนที่มีการแสดงออกแตกต่างกันในการทดลองไมโครอาร์เรย์ที่ทำซ้ำ
- การทดสอบ Siegel–Tukey : การทดสอบเพื่อหาความแตกต่างของขนาดระหว่างสองกลุ่ม
- การทดสอบเครื่องหมาย : ทดสอบว่าตัวอย่างคู่ที่จับคู่กันนั้นมาจากกลุ่มตัวอย่างที่มีค่ามัธยฐานเท่ากันหรือไม่
- สัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ลำดับของสเปียร์แมน : วัดความสัมพันธ์ทางสถิติระหว่างตัวแปรสองตัวโดยใช้ฟังก์ชันโมโนโทนิก
- การทดสอบอันดับกำลังสอง : ใช้ทดสอบความเท่าเทียมกันของความแปรปรวนในสองตัวอย่างขึ้นไป
- การทดสอบ Tukey–Duckworth : ใช้ทดสอบความเท่าเทียมกันของสองการแจกแจงโดยใช้ลำดับ
- การทดสอบ Wald–Wolfowitz runs test : ทดสอบว่าองค์ประกอบในลำดับนั้นเป็นอิสระต่อกัน/สุ่มหรือไม่
- การทดสอบ Wilcoxon signed-rank : ใช้ทดสอบว่าตัวอย่างคู่ที่จับคู่กันนั้นมาจากประชากรที่มีค่าเฉลี่ยลำดับที่แตกต่างกันหรือไม่
- การระบุความพอดีเชิงเส้นสากล: วิธีการที่ไม่ขึ้นกับข้อมูล ค่าผิดปกติ และแบบจำลองการกระจายสัญญาณรบกวน และปราศจากการเติมข้อมูลที่หายไปหรือถูกลบ[ 4 ]
สถิติทางคณิตศาสตร์
ในสถิติเชิงคณิตศาสตร์แบบจำลองที่ไม่ใช้พารามิเตอร์ หมายถึงแบบจำลองที่ไม่ต้องอาศัยสมมติฐานเชิงพารามิเตอร์เกี่ยวกับลักษณะการกระจายของข้อมูลที่ไม่ทราบค่า (ใน ปัญหา การประมาณความหนาแน่น ) หรือฟังก์ชันการถดถอย (ใน ปัญหา การถดถอย ) ในขณะที่เป้าหมายของแบบจำลองเชิงพารามิเตอร์ใดๆ คือการประมาณค่าพารามิเตอร์จำนวนจำกัดแบบจำลองที่ไม่ใช่พาราเมตริกมีเป้าหมายเพื่อประมาณการกระจายข้อมูล/ฟังก์ชันการถดถอยโดยตรง[ 5 ] [ 6 ]
อย่างไรก็ตาม สำหรับการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ วิธีการแบบพาราเมตริกและแบบไม่พาราเมตริกนั้นสามารถนำมาประยุกต์ใช้ได้ในบริบทเดียวกัน กล่าวคือ สมมติว่าฟังก์ชันที่จะประมาณค่า (การกระจายข้อมูลหรือฟังก์ชันการถดถอย) เป็นส่วนหนึ่งของเซตของฟังก์ชันที่กำหนดโดยชุดพารามิเตอร์เราจึงค้นหาฟังก์ชัน (ที่วัดได้)ซึ่งประมาณค่าพารามิเตอร์ "ที่แท้จริง" โดยอิงจากจุดข้อมูลความแตกต่างที่สำคัญระหว่างวิธีการแบบพาราเมตริกและแบบไม่พาราเมตริกคือ ในกรณีแรกนั้น...สำหรับบางคนในขณะที่ในกรณีหลังโดยทั่วไปแล้ว คือเซตของฟังก์ชันเป้าหมายที่เป็นไปได้ เช่น เซตของฟังก์ชันต่อเนื่องหรือ เซตของ ฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้
คำถามที่เกี่ยวข้องในสาขานี้เกี่ยวกับการสร้างตัวประมาณค่าที่สมเหตุสมผลความสอดคล้องอัตราการบรรจบกันและความเหมาะสมที่สุด และการประมาณค่าแบบปรับตัวได้[ 6 ]
ความสม่ำเสมอ
เช่นเดียวกับในสถิติเชิงพาราเมตริกคุณสมบัติที่พึงประสงค์สำหรับตัวประมาณค่าคือนั่นคือการลู่เข้าสู่ฟังก์ชันเป้าหมายเนื่องจากขนาดตัวอย่างเมื่อค่าเข้าใกล้อนันต์ นั่นคือ ข้อผิดพลาดในการประมาณค่าจะลู่เข้าสู่ศูนย์ โดยปกติแล้ว การประมาณค่าจะวัดในแง่ของ-ระยะห่างปกติระหว่างและเนื่องจากตัวประมาณค่าเป็นฟังก์ชันของข้อมูลที่สุ่มเลือกมาเนื่องจากค่าประมาณเป็นตัวแปรสุ่มเช่นกัน ดังนั้นเราจึงแยกแยะโหมดการลู่เข้าที่แตกต่างกันสองแบบ:
ความสอดคล้องที่อ่อนแอ:.
ความสม่ำเสมอที่แข็งแกร่ง:แทบจะแน่นอน
ถ้าตัวประมาณค่ามีความสอดคล้องกันสำหรับค่ากำลังสองที่สามารถอินทิเกรตได้ ทั้งหมดจากนั้นจึงเรียกว่า มีความสอดคล้อง กันโดยทั่วไป[ 5 ]
ตัวประมาณค่าแบบไม่ใช้พารามิเตอร์ทั่วไปจำนวนมากมีความสอดคล้องกันในระดับอ่อนภายใต้การเลือกพารามิเตอร์ของแบบจำลองที่เหมาะสม เช่นตัวประมาณค่า Nadarya-Watson , kNNsและตัวประมาณค่าพหุนามเฉพาะที่ บางตัว [ 7 ]
อัตราการบรรจบกันที่เหมาะสมที่สุดของมินิแม็กซ์
หัวข้อสำคัญในการวิเคราะห์ทางสถิติของตัวประมาณค่าแบบไม่ใช้พารามิเตอร์ คือ ความเร็วในการลู่เข้าสู่ฟังก์ชันเป้าหมายที่แท้จริงและพิจารณาว่าความเร็วเหมาะสมที่สุดหรือไม่ กล่าวคือ การลู่เข้าเร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ วิธีที่ใช้กันทั่วไปในการวัดความเร็วการลู่เข้าของตัวประมาณค่าคือ อัตราการลู่เข้า แบบมินิแม็กซ์ ซึ่งพิจารณาถึงการสูญเสียที่คาดหวังของตัวประมาณค่าในสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด ภายใต้สมมติฐานบางประการเกี่ยวกับความเรียบของสามารถแสดงให้เห็นได้ว่ามีอัตราการลู่เข้าขั้นต่ำที่ไม่มีตัวประมาณค่าใดสามารถต่ำกว่าได้ ดังนั้นตัวประมาณค่าใด ๆ ที่บรรลุอัตราขั้นต่ำนี้จึงเรียกว่าตัวประมาณค่าที่เหมาะสมที่สุด
ในทางคณิตศาสตร์ ฟังก์ชันเป้าหมายสันนิษฐานว่าอยู่ในกลุ่มฟังก์ชันบางประเภทเรียกว่ากลุ่มสมมติฐานซึ่งเหนี่ยวนำให้เกิดการกระจายตัวบนและคุณภาพการประมาณค่าของตัวประมาณค่าวัดโดยฟังก์ชันบางอย่างอัตราการลู่เข้าแบบมินิแม็กซ์ของเป็นลำดับของจำนวนจริงซึ่งเป็นไปตามนั้นที่ไหนบ่งชี้ว่าตัวแปรสุ่มซึ่งวาดจุดข้อมูล มีการกระจายตัว.
ขอบล่างสากลสำหรับการประมาณค่าสำหรับกลุ่มสมมติฐานเป็นลำดับซึ่งถือครองไว้โดยที่ค่าต่ำสุดนั้นได้มาจากตัวประมาณค่าที่เป็นไปได้ทั้งหมด(นั่นคือฟังก์ชันที่วัดได้ ) โดยอิงจากข้อสังเกต
การวิเคราะห์โดยละเอียดของตัวประมาณค่าแบบไม่ใช้พารามิเตอร์จะแยกออกเป็น การประมาณความหนาแน่นของความน่าจะเป็น และฟังก์ชันการถดถอย
การประมาณความหนาแน่น
โดยทั่วไป การกำหนดค่าประมาณความหนาแน่นจะเกี่ยวข้องกับปริภูมิฟังก์ชันที่มีบรรทัดฐานซึ่งเป็นเซตย่อยของฟังก์ชันความหนาแน่นและตัวแปรสุ่มอิสระกระจายตามการวัดด้วยความหนาแน่นซึ่งเป็นตัวสร้างข้อมูล
ค่าขอบเขตล่างของมินิแม็กซ์เป็นที่ทราบกันดีสำหรับคู่ของคลาสฟังก์ชันที่แตกต่างกันและตัวชี้วัดการเปรียบเทียบตัวเลือกทั่วไปสำหรับเป็น:
- พื้นที่ของ : พื้นที่ของฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้ - ครั้ง โดยที่อนุพันธ์สูงสุดคือ- Hölder -เรียบลื่น
- : พื้นที่ของฟังก์ชันเรียบแบบโซโบเลฟ ที่มี อนุพันธ์อ่อน ที่สามารถหาปริพันธ์กำลังสอง ได้
- : พื้นที่ของฟังก์ชันเรียบแบบเบซอ ฟ
อันที่จริงแล้ว ปริภูมิโฮลเดอร์และปริภูมิโซโบเลฟเป็นกรณีพิเศษของปริภูมิเบซอฟบางประเภท กล่าวคือสำหรับและ[ 8 ]ดังนั้นการหาขอบเขตล่างภายใต้สมมติฐานความเรียบของ Besov มักจะเพียงพอ
ตัวเลือกทั่วไปสำหรับได้แก่: [ 6 ]
- : ค่าความคลาดเคลื่อนกำลังสองแบบจุดต่อจุด (MSE)
- : ค่าความคลาดเคลื่อนกำลังสองเฉลี่ยแบบบูรณาการ (MISE)
- ระยะทางบรรทัดฐานสูงสุด
- : ความแตกต่างของ Kullback-Leiblerของการกระจายที่เกิดจากและ.
- : ระยะความแปรผันรวมของการกระจายที่เกิดจากและ.
- : เดอะวาสเซอร์สไตน์-ระยะห่างของการกระจายที่เกิดจากและ.
ตามทฤษฎีบทของ Scheffé ระยะทางความแปรผันรวมเทียบเท่ากับ-ระยะทางของและ.
| ระดับความเรียบเนียน | ||||
|---|---|---|---|---|
| [ 9 ] | [ 10 ] | [ 9 ] | ||
| [ 11 ] | - | - | - |
ขอบล่างของ MISE บางครั้งถูกนำไปเปรียบเทียบกับขอบเขต Cramér–Raoจากสถิติเชิงพารามิเตอร์ ซึ่งเป็นขอบล่างสำหรับค่าความคลาดเคลื่อนกำลังสองเฉลี่ยของ ตัว ประมาณค่าพารามิเตอร์แบบปกติ ที่ไม่เอนเอียง:ที่ไหนคือข้อมูลฟิชเชอร์ของแบบจำลองพาราเมตริกและเป็นค่าคงที่บางค่า ดังนั้นอัตราแบบไม่ใช้พารามิเตอร์จึงช้ากว่าอัตราแบบใช้พารามิเตอร์โดยเฉพาะในมิติขนาดใหญ่ และเข้าใกล้อัตราพาราเมตริกเมื่อความเรียบของความหนาแน่นมีแนวโน้มเข้าสู่ค่าอนันต์
ตัวอย่างเช่น ตัวประมาณความหนาแน่นเคอร์เนลบรรลุขอบเขตล่างเมื่อเทียบกับ MISE ภายใต้คลาสสมมติฐาน Sobolev ภายใต้การเลือกแบนด์วิดท์ที่เหมาะสม และจึงถือว่าเหมาะสมที่สุดแบบมินิแม็กซ์[ 6 ]เมื่อไม่นานมานี้โมเดลสร้างข้อมูลตามคะแนน ยัง แสดงให้เห็นว่าสามารถบรรลุอัตราการบรรจบกันแบบมินิแม็กซ์ในความแปรผันทั้งหมดและในระยะทาง Wasserstein-1 ได้อีก ด้วย-การกระจายแบบราบเรียบซึ่งถูกจำกัดไม่ให้เป็นศูนย์จากด้านล่าง[ 12 ]
การถดถอย
ใน การวิเคราะห์ การถดถอยข้อมูลจะปรากฏเป็นคู่ๆโดยสมมติว่าข้อมูลเป็นอิสระต่อกันและมีการกระจายแบบเดียวกัน และเราสามารถเขียนได้เสมอกับโดยที่ เป็นฟังก์ชันการถดถอยที่จะประมาณค่า และ เป็นตัวแปรสัญญาณรบกวนเติมเต็มและโดยทั่วไป ตัวแปรอิสระสันนิษฐานว่ามีค่าอยู่ในหน่วยลูกบาศก์และอาจเป็นจุดที่กำหนดไว้บนตาราง (การออกแบบเชิงกำหนด) หรือกระจายอย่างสม่ำเสมอ (การออกแบบเชิงสุ่ม) ดังนั้น.
การตั้งค่าข้างต้นใช้ได้กับการจำแนกแบบไบนารีเช่นกัน ในกรณีนั้น ค่าที่สังเกตได้จะมีเพียงสองค่า เช่น 0 และ 1 ดังนี้และกำหนดตัวประมาณค่าของโดยถือว่าตัวจำแนกประเภทมีรูปแบบดังนี้กล่าวคือ พวกเขาจัดประเภทจุดหนึ่งเป็น 1 ถ้าความน่าจะเป็นโดยประมาณของมากกว่า(และ 0 ในกรณีอื่น ๆ) อัน ที่จริง วิธีการจำแนกประเภทหลายวิธีมีรูปแบบดังกล่าว ตัวอย่างเช่นการถดถอยโลจิสติกการวิเคราะห์การจำแนกเชิงเส้นการวิเคราะห์การจำแนกเชิงกำลังสองและ วิธีการ เพื่อนบ้านใกล้ที่สุด k ตัวและเครื่องสนับสนุนเวกเตอร์
จากนั้น สำหรับการวิเคราะห์ทางสถิติ กลุ่มสมมติฐานจะมีรูปแบบดังนี้สำหรับปริภูมิฟังก์ชันที่มีบรรทัดฐานบางอย่างและความคาดหวังดำเนินการโดยคำนึงถึงการแจกแจงร่วมของและ(หรือเพียงแค่ถ้าหาก(เป็นแบบกำหนดได้)
ในการถดถอยแบบไม่ใช้พารามิเตอร์คลาสสมมติฐานจำเป็นต้องมีข้อสมมติที่เข้มงวดเกี่ยวกับฟังก์ชันการถดถอย มิฉะนั้น ขอบล่างของมินิแม็กซ์อาจช้าเกินไปอย่างไม่มีเหตุผล ตัวอย่างเช่น ถ้านั่นคือ เซตของฟังก์ชันที่มีขอบเขตดังนั้นสำหรับตัวประมาณค่าใดๆและลำดับศูนย์ใดๆมีอยู่จริงโดยที่[ 13 ]
ดังนั้น ตัวเลือกทั่วไปสำหรับเป็น:
- พื้นที่ของ : พื้นที่ของฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้ - ครั้ง โดยที่อนุพันธ์สูงสุดคือ- Hölder -เรียบลื่น
- : พื้นที่ของฟังก์ชันเรียบแบบโซโบเลฟ ที่มีอนุพันธ์อ่อนที่สามารถหาปริพันธ์ได้
ตัวเลือกทั่วไปสำหรับเป็น:
- : ค่าความคลาดเคลื่อนกำลังสองแบบจุดต่อจุด (MSE)
- : เดอะ-บรรทัดฐานที่ -th
- ระยะทางบรรทัดฐานสูงสุด
ภายใต้สมมติฐานทางเทคนิคบางประการ ขอบเขตล่างต่อไปนี้เป็นที่ทราบกันดี
| ระดับความเรียบเนียน | |||
|---|---|---|---|
| [ 6 ] (การออกแบบที่กำหนด) | [ 6 ] [ 14 ] | [ 6 ] [ 14 ] | |
| - | [ 14 ] | [ 14 ] |
ตัวประมาณพหุนามเฉพาะที่บางตัวมีค่าเหมาะสมที่สุดแบบมินิแม็กซ์เมื่อเทียบกับภายใต้สำหรับค่าตามอำเภอใจเมื่อแบนด์วิดท์อยู่ในระดับที่เหมาะสม[ 6 ] kNNsยังเหมาะสมที่สุดในแง่ของค่า MSE ภายใต้และเกี่ยวกับภายใต้เมื่อจำนวนเพื่อนบ้านที่พิจารณามีขนาดตามลำดับและตามลำดับ[ 15 ]
ความสามารถในการปรับตัว
โดยทั่วไปแล้ว การเลือกค่าพารามิเตอร์ของแบบจำลอง (เช่น แบนด์วิดท์สำหรับวิธีการเคอร์เนล หรือจำนวนเพื่อนบ้านสำหรับ kNN) ที่จำเป็นเพื่อให้ได้อัตราการล convergence ที่เหมาะสมที่สุดนั้น มักขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ความเรียบของฟังก์ชันเป้าหมายที่ไม่ทราบค่า ซึ่งหมายความว่า ในทางปฏิบัติ หากไม่มีการประมาณค่าพารามิเตอร์ที่เหมาะสม วิธีการที่กล่าวมาข้างต้นก็จะไม่ใช่วิธีที่ดีที่สุด
แต่สิ่งที่น่าสนใจคือวิธีการที่บรรลุอัตราการล convergence ที่เหมาะสมที่สุดแบบ minimax ไม่เพียงแต่สำหรับพารามิเตอร์ความเรียบเฉพาะตัวหนึ่งเท่านั้น แต่ยังรวมถึงค่าต่างๆ ด้วย ให้คลาสสมมติฐานมีรูปแบบดังนี้(ตัวอย่างเช่นหรือ) และปล่อยให้อัตราการบรรจบกันที่เหมาะสมในจากนั้นจึงเป็นตระกูลของตัวประมาณค่าเรียกว่าปรับตัวได้ในความหมายของมินิแม็กซ์หากมีค่าคงที่อยู่ขึ้นอยู่กับเพียงอย่างเดียวโดยที่[ 6 ]กล่าวอีกนัยหนึ่ง จำเป็นต้องใช้ตัวประมาณค่าแบบปรับตัวได้เพื่อให้ได้อัตราการล convergence แบบ minimax ในทุกกลุ่มสมมติฐานแต่โดยไม่พิจารณาพารามิเตอร์ที่ไม่ทราบค่าเป็นข้อโต้แย้ง ตัวประมาณค่าแบบปรับตัวมักจะเกิดขึ้นจากการใช้ตัวประมาณค่าที่เหมาะสมที่สุดแบบมินิแม็กซ์สำหรับกลุ่มของคลาสสมมติฐาน และโดยการประมาณค่าไฮเปอร์พารามิเตอร์ผ่านกระบวนการระดับสูงกว่า เช่น การประมาณความเสี่ยงที่ไม่เอนเอียงหรือ การตรวจ สอบแบบไขว้[ 5 ] [ 6 ]
ประวัติศาสตร์
สถิติแบบไม่ใช้พารามิเตอร์ในยุคแรกๆ ได้แก่ค่ามัธยฐาน (ศตวรรษที่ 13 หรือก่อนหน้านั้น ใช้ในการประมาณค่าโดยเอ็ดเวิร์ด ไรท์ในปี 1599 ดูค่ามัธยฐาน § ประวัติ ) และการทดสอบเครื่องหมายโดยจอห์น อาร์บัทนอต (1710) ในการวิเคราะห์อัตราส่วนเพศของมนุษย์เมื่อแรกเกิด (ดูการทดสอบเครื่องหมาย § ประวัติ ) [ 16 ] [ 17 ]
ดูเพิ่มเติม
หมายเหตุ
- ↑ "สถิติแบบไม่ใช้พารามิเตอร์ทั้งหมด" Springer Texts in Statistics . 2006. doi : 10.1007/0-387-30623-4 . ISBN 978-0-387-25145-5.
- ↑ Pearce, J; Derrick, B (2019). "การทดสอบเบื้องต้น: ปีศาจแห่งสถิติ?" . Reinvention: An International Journal of Undergraduate Research . 12 (2). doi : 10.31273/reinvention.v12i2.339 .
- ↑ Stuart A., Ord JK, Arnold S. (1999), Kendall's Advanced Theory of Statistics: Volume 2A—Classical Inference and the Linear Model , ฉบับที่หก, §20.2–20.3 ( Arnold ).
- ↑ Adikaram, KKLB; Hussein, MA; Effenberger, M.; Becker, T. (16 พฤศจิกายน 2015). "การระบุความพอดีเชิงเส้นสากล: วิธีการที่ไม่ขึ้นอยู่กับข้อมูล ค่าผิดปกติ และแบบจำลองการกระจายสัญญาณรบกวน และปราศจากการเติมข้อมูลที่ขาดหายหรือถูกลบ" PLOS ONE . 10 (11) e0141486. Bibcode : 2015PLoSO..1041486A . doi : 10.1371/journal.pone.0141486 . ISSN 1932-6203 . PMC 4646355 . PMID 26571035 .
- 1 2 3 Györfi et al. 2002 .
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tsybakov, Alexandre (2009). บทนำสู่การประมาณค่าแบบไม่ใช้พารามิเตอร์ Springer. ISBN 978-0-387-79051-0.
- ↑เจอร์ฟี และคณะ 2545 , หน้า. 72,81,88.
- ↑ทรีเบล, ฮันส์ (1983) ทฤษฎีปริภูมิฟังก์ชัน . เอกสารทางคณิตศาสตร์ บีร์ฮอเซอร์ แวร์แล็ก. ไอเอสบีเอ็น 9783764313814.
- 1 2 Yang, Yuhong; Barron, Andrew (1999). "การกำหนดอัตราการบรรจบกันแบบมินิแม็กซ์ตามทฤษฎีสารสนเทศ" . Annals of Statistics . 27 (5): 1564– 1599.
- ↑ Niles-Weed, Jonathan; Berthet, Quentin (2022). "การประมาณค่ามินิแม็กซ์ของความหนาแน่นเรียบในระยะทาง Wasserstein" . Annals of Statistics . 50 (3): 1519– 1540.
- ↑ Boyd, David W.; Steele, J. Michael (1978). "ขอบเขตล่างสำหรับอัตราการประมาณความหนาแน่นแบบไม่ใช้พารามิเตอร์" Annals of Statistics . 6 (4): 932– 934.
- ↑ Oko, Kazusato; Akiyama, Shunta; Suzuki, Taiji (2023). "แบบจำลองการแพร่กระจายคือตัวประมาณการการกระจายแบบมินิแม็กซ์ที่เหมาะสมที่สุด" . รายงานการประชุมนานาชาติว่าด้วยการเรียนรู้ของเครื่องจักร ครั้งที่ 40 . 202 : 26517– 26582.
- ↑เจอร์ฟี และคณะ 2545 , หน้า. 32.
- 1 2 3 4 Nemirovski, Arkadi (2000). หัวข้อในสถิติ แบบไม่ใช้พารามิเตอร์หน้า5–31
- ↑เจอร์ฟี และคณะ 2545 , หน้า 93–96.
- ↑ Conover, WJ (1999), "บทที่ 3.4: การทดสอบเครื่องหมาย", สถิติเชิงปฏิบัติแบบไม่ใช้พารามิเตอร์ ( ฉบับที่สาม), Wiley, หน้า157–176 , ISBN 0-471-16068-7
- ↑ Sprent, P. (1989), วิธีการทางสถิติแบบไม่พาราเมตริกประยุกต์ ( ฉบับที่สอง), Chapman & Hall, ISBN 0-412-44980-3
เอกสารอ้างอิงทั่วไป
- Bagdonavicius, V., Kruopis, J., Nikulin, MS (2011). "การทดสอบแบบไม่ใช้พารามิเตอร์สำหรับข้อมูลที่สมบูรณ์", ISTE & WILEY: ลอนดอนและโฮโบเคน. ISBN 978-1-84821-269-5.
- Corder, GW; Foreman, DI (2014). สถิติแบบไม่ใช้พารามิเตอร์: วิธีการทีละขั้นตอน . Wiley. ISBN 978-1-118-84031-3.
- Gibbons, Jean Dickinson ; Chakraborti, Subhabrata (2003). การอนุมานทางสถิติแบบไม่ใช้พารามิเตอร์ฉบับที่ 4 สำนักพิมพ์ CRC ISBN 0-8247-4052-1.
- Györfi, ลาสซโล; โคห์เลอร์, ไมเคิล; คริซิซัก, อดัม; เดิน, แฮร์โร (2002) ทฤษฎีการถดถอยแบบไม่อิงพารามิเตอร์แบบไม่มีการกระจาย สปริงเกอร์. ไอเอสบีเอ็น 0-387-95441-4.
- Hettmansperger, TP; McKean, JW (1998). วิธีการทางสถิติแบบไม่ใช้พารามิเตอร์ที่ทนทาน . ห้องสมุดสถิติของ Kendall. เล่มที่ 5. ลอนดอน: Edward Arnold . ISBN 0-340-54937-8MR 1604954 และ ISBNด้วย 0-471-19479-4.
- Hollander M., Wolfe DA, Chicken E. (2014). วิธีการทางสถิติแบบไม่ใช้พารามิเตอร์ , John Wiley & Sons.
- เชสกิน, เดวิด เจ. (2003) คู่มือวิธีการทางสถิติแบบพาราเมตริกและไม่พาราเมตริกสำนักพิมพ์ซีอาร์ซีISBN 1-58488-440-1
- วาสเซอร์แมน, แลร์รี (2007). สถิติแบบไม่ใช้พารามิเตอร์ทั้งหมด , สปริงเกอร์. ISBN 0-387-25145-6.