Statystyczne metody analizy danych przy użyciu środowiska R



Podobne dokumenty
STATYSTYKA OPISOWA. LICZBOWE CHARAKTERYSTYKI(MIARY)

MIARY KLASYCZNE Miary opisujące rozkład badanej cechy w zbiorowości, które obliczamy na podstawie wszystkich zaobserwowanych wartości cechy

-> Średnia arytmetyczna (5) (4) ->Kwartyl dolny, mediana, kwartyl górny, moda - analogicznie jak

STATYSTYKA OPISOWA. LICZBOWE CHARAKTERYSTYKI(MIARY)

1. Opis tabelaryczny. 2. Graficzna prezentacja wyników. Do technik statystyki opisowej można zaliczyć:

Inteligentna analiza danych

MODELE LINIOWE. Dr Wioleta Drobik

Statystyka w pracy badawczej nauczyciela Wykład 3: Analiza struktury zbiorowości statystycznej. dr inż. Walery Susłow walery.suslow@ie.tu.koszalin.

Laboratorium 3 - statystyka opisowa

1 Podstawy rachunku prawdopodobieństwa

Statystyka opisowa PROWADZĄCY: DR LUDMIŁA ZA JĄC -LAMPARSKA

Typy zmiennych. Zmienne i rekordy. Rodzaje zmiennych. Graficzne reprezentacje danych Statystyki opisowe

W kolejnym kroku należy ustalić liczbę przedziałów k. W tym celu należy wykorzystać jeden ze wzorów:

Rok akademicki: 2013/2014 Kod: ZIE n Punkty ECTS: 6. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: -

Charakterystyki liczbowe (estymatory i parametry), które pozwalają opisać właściwości rozkładu badanej cechy (zmiennej)

Outlier to dana (punkt, obiekt, wartośd w zbiorze) znacznie odstająca od reszty. prezentacji punktów odstających jest rysunek poniżej.

Statystyka. Opisowa analiza zjawisk masowych

W1. Wprowadzenie. Statystyka opisowa

Statystyka. Wykład 4. Magdalena Alama-Bućko. 13 marca Magdalena Alama-Bućko Statystyka 13 marca / 41

Wykład 4: Statystyki opisowe (część 1)

Regresja wieloraka Ogólny problem obliczeniowy: dopasowanie linii prostej do zbioru punktów. Najprostszy przypadek - jedna zmienna zależna i jedna

1 n. s x x x x. Podstawowe miary rozproszenia: Wariancja z populacji: Czasem stosuje się też inny wzór na wariancję z próby, tak policzy Excel:

Pozyskiwanie wiedzy z danych

INFORMATYKA W SELEKCJI

Wykład 5: Statystyki opisowe (część 2)

Analiza regresji część III. Agnieszka Nowak - Brzezińska

Podstawowe pojęcia. Własności próby. Cechy statystyczne dzielimy na

Wykład 1. Podstawowe pojęcia Metody opisowe w analizie rozkładu cechy

Szczegółowy program kursu Statystyka z programem Excel (30 godzin lekcyjnych zajęć)

Statystyka w pracy badawczej nauczyciela Wykład 4: Analiza współzależności. dr inż. Walery Susłow walery.suslow@ie.tu.koszalin.pl

Statystyczne metody analizy danych. Agnieszka Nowak - Brzezińska

STATYSTYKA IV SEMESTR ALK (PwZ) STATYSTYKA OPISOWA RODZAJE CECH W POPULACJACH I SKALE POMIAROWE

Statystyka opisowa. Literatura STATYSTYKA OPISOWA. Wprowadzenie. Wprowadzenie. Wprowadzenie. Plan. Tomasz Łukaszewski

WYKŁADY ZE STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ wykład 2 - statystyka opisowa cd

Przedmiot statystyki. Graficzne przedstawienie danych.

Szczegółowy program kursu Statystyka z programem Excel (30 godzin lekcyjnych zajęć)

Statystyka. Wykład 5. Magdalena Alama-Bućko. 26 marca Magdalena Alama-Bućko Statystyka 26 marca / 40

STATYSTYKA OPISOWA Przykłady problemów statystycznych: - badanie opinii publicznej na temat preferencji wyborczych;

Statystyczne metody analizy danych

Miary położenia wskazują miejsce wartości najlepiej reprezentującej wszystkie wielkości danej zmiennej. Mówią o przeciętnym poziomie analizowanej

Statystyka. Wykład 4. Magdalena Alama-Bućko. 19 marca Magdalena Alama-Bućko Statystyka 19 marca / 33

Zajęcia nr VII poznajemy Rattle i pakiet R.

Statystyka. Wykład 3. Magdalena Alama-Bućko. 6 marca Magdalena Alama-Bućko Statystyka 6 marca / 28

Statystyka opisowa SYLABUS A. Informacje ogólne

Po co nam charakterystyki liczbowe? Katarzyna Lubnauer 34

2.Wstępna analiza danych c.d.- wykład z Populacja i próba

Statystyki opisowe i szeregi rozdzielcze

Rozdział 8. Regresja. Definiowanie modelu

KLASYFIKACJA. Słownik języka polskiego

Wprowadzenie do analizy korelacji i regresji

STATYSTYKA - PRZYKŁADOWE ZADANIA EGZAMINACYJNE

Wykład 3: Statystyki opisowe - miary położenia, miary zmienności, miary asymetrii

Próba własności i parametry

Ćwiczenia 1-2 Analiza rozkładu empirycznego

Statystyka. Wykład 2. Magdalena Alama-Bućko. 5 marca Magdalena Alama-Bućko Statystyka 5 marca / 34

Plan wykładu. Statystyka opisowa. Statystyka matematyczna. Dane statystyczne miary położenia miary rozproszenia miary asymetrii

Statystyka opisowa w wycenie nieruchomości Część I - wyznaczanie miar zbioru danych

Agata Boratyńska. WYKŁAD 1. Wstępna analiza danych, charakterystyki opisowe. Indeksy statystyczne.

KARTA KURSU. (do zastosowania w roku ak. 2015/16) Kod Punktacja ECTS* 4

Parametry statystyczne

Projekt zaliczeniowy z przedmiotu Statystyka i eksploracja danych (nr 3) Kamil Krzysztof Derkowski

author: Andrzej Dudek

WERYFIKACJA MODELI MODELE LINIOWE. Biomatematyka wykład 8 Dr Wioleta Drobik-Czwarno

WYŻSZA SZKOŁA MENEDŻERSKA W WARSZAWIE WYDZIAŁ ZARZĄDZANIA W CIECHANOWIE KARTA PRZEDMIOTU - SYLABUS

Regresja liniowa, klasyfikacja metodą k-nn. Agnieszka Nowak Brzezińska

Analiza regresji część II. Agnieszka Nowak - Brzezińska

Wykład 2. Statystyka opisowa - Miary rozkładu: Miary położenia

Wykład 5. Opis struktury zbiorowości. 1. Miary asymetrii.

Wprowadzenie do analizy dyskryminacyjnej

Przedmiot statystyki. Graficzne przedstawienie danych. Wykład Przedmiot statystyki

LABORATORIUM 3. Jeśli p α, to hipotezę zerową odrzucamy Jeśli p > α, to nie mamy podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej

Miary zmienności STATYSTYKA OPISOWA. Dr Alina Gleska. Instytut Matematyki WE PP. 6 marca 2018

Z-LOGN1-006 Statystyka Statistics

Przedmiot statystyki. Graficzne przedstawienie danych.

Wykład 3. Opis struktury zbiorowości. 1. Parametry opisu rozkładu badanej cechy. 3. Średnia arytmetyczna. 4. Dominanta. 5. Kwantyle.

Analiza regresji - weryfikacja założeń

7. Estymacja parametrów w modelu normalnym( ) Pojęcie losowej próby prostej

WYDZIAŁ MATEMATYKI KARTA PRZEDMIOTU

Analiza Statystyczna

Matematyka stosowana w geomatyce Nazwa modułu w języku angielskim Applied Mathematics in Geomatics Obowiązuje od roku akademickiego 2012/2013

Analiza składowych głównych. Wprowadzenie

Tablica Wzorów Rachunek Prawdopodobieństwa i Statystyki

Matematyka stosowana w geomatyce Nazwa modułu w języku angielskim Applied Mathematics in Geomatics Obowiązuje od roku akademickiego 2012/2013

Z-ZIPN1-004 Statystyka. Zarządzanie i Inżynieria Produkcji I stopień Ogólnoakademicki Niestacjonarne Wszystkie Katedra Matematyki dr Zdzisław Piasta

Statystyka opisowa- cd.

Statystyka. Wykład 5. Magdalena Alama-Bućko. 20 marca Magdalena Alama-Bućko Statystyka 20 marca / 26

Wykład Ćwiczenia Laboratorium Projekt Seminarium 30

Analiza zależności cech ilościowych regresja liniowa (Wykład 13)

3. Modele tendencji czasowej w prognozowaniu

Statystyka. Wykład 8. Magdalena Alama-Bućko. 10 kwietnia Magdalena Alama-Bućko Statystyka 10 kwietnia / 31

Zaawansowana eksploracja danych - sprawozdanie nr 1 Rafał Kwiatkowski 89777, Poznań

Statystyka opisowa Opracował: dr hab. Eugeniusz Gatnar, prof. WSBiF

Wykrywanie nietypowości w danych rzeczywistych

WYKŁADY ZE STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ (II rok WNE)

2. Wprowadzenie do oprogramowania gretl. Podstawowe operacje na danych.

Statystyka Matematyczna Anna Janicka

Xi B ni B

Statystyka od podstaw Janina Jóźwiak, Jarosław Podgórski

Transkrypt:

Statystyczne metody analizy danych przy użyciu środowiska R Agnieszka Nowak - Brzezińska Instytut Informatyki, Uniwersytet Śląski Wybrane zagadnienia

Plan wystąpienia 1. Wprowadzenie. 2. Środowisko R. 3. Wybrane metody analizy danych: ˆ Prezentacja danych. ˆ Regresja liniowa, predykcja danych. ˆ Obserwacje odstające a obserwacje wpływowe. 4. Podsumowanie.

Środowisko R ˆ Jest to bardzo elastyczne (darmowe) środowisko analityczne o bogatej funkcjonalności, które jest stosowane w wielu badawczych i praktycznych pracach dotyczących analizy danych i odkrywania wiedzy. ˆ R jako język programowania dostarcza wbudowanych operacji ułatwiających przetwarzanie tabelarycznych zbiorów danych, mechanizmów graficznego opisu danych, bogatych bibliotek funkcji analitycznych, obejmujących szeroki zakres metod statystycznych i metod odkrywania wiedzy oraz - co niezwykle ważne - interaktywny interpreter poleceń i (dla niektórych platform) graficzny interfejs użytkownika. ˆ Wszystkie niezbędne informacje o języku R znajdziemy na stronach CRAN (The Comprehensive R Archive Network), gdzie dostępne są pakiety źródłowe, dokumentacja, oraz obszerne zasoby bibliotek.

Rysunek: Okno główne środowiska R

Pomoc w nauce R ˆ Godnym polecenia materiałem umożliwiającym przyswojenie podstawowych zagadnień jest darmowy kurs pt. Wprowadzenie do języka R dostępny na stronie http://cran.r-project.org/doc/contrib/komsta-wprowadzenie.pdf a także źródło anglojęzyczne pt. An Introduction to R do ściągnięcia ze strony http://cran.r-project.org/doc/manuals/r-intro.html. ˆ The R Language Definition - źródło: http://cran.r-project.org/doc/manuals/r-lang.html ˆ The R Language A Short Companion - źródło: http://cran.r-project.org/doc/contrib/r_language.pdf ˆ R Reference Card - źródło: http://cran.r-project.org/doc/contrib/refcard.pdf

Pomoc środowiska R

Statystyka opisowa za pomocą R-a Wyznaczanie miar rozkładu Bardzo prostą metodą w zakresie statystyki opisowej jest tworzenie opisu zbioru danych za pomocą tzw. emphmiar rozkładu cechy. Miary rozkładu można podzielić na kilka podstawowych kategorii: ˆ miary położenia, np. kwantyl, miary tendencji centralnej (np. średnia arytmetyczna, średnia geometryczna, średnia harmoniczna, średnia kwadratowa, mediana, moda), ˆ miary zróżnicowania, np. odchylenie standardowe, wariancja, rozstęp, rozstęp ćwiartkowy, średnie odchylenie bezwzględne, odchylenie ćwiartkowe, współczynnik zmienności, ˆ miary asymetrii, np. współczynnik skośności, współczynnik asymetrii, trzeci moment centralny, ˆ miary koncentracji, np. współczynnik Giniego, miara kurtozy [2].

Funkcja summary: Pakiet Hmisc i komenda library(hmisc)

Funkcja describe z pakietu psych otrzymujemy: nazwę zmiennej (kolumny, cechy), jej numer w całym zbiorze danych (var), liczba wartości w zbiorze (n) a także statystyki typu: średnia (mean), odchylenie standardowe (sd), mediana (median), elementy minimalny (min) i maksymalny (max), skośność (skew) oraz kurtoza (kurtosis).

Graficzna prezentacja wyników ˆ histogramy i wykresy częstości (ang. density plot)- przedstawiające rozkład empiryczny cechy, ˆ wykresy rozrzutu (ang. scatterplots) - pozwalające wykrywać pewne zależności (i ich typ) między wartościami ciągłymi obserwacji w pewnej mierzonej skali. Każdy punkt wykresu reprezentuje pojedynczą obserwację, ˆ wykresy pudełkowe (ang. boxplot) - prezentowane za pomocą pudełka, którego lewy bok jest wyznaczony przez pierwszy kwartyl, zaś prawy bok przez trzeci kwartyl. Szerokość pudełka odpowiada wartości rozstępu ćwiartkowego. Wewnątrz pudełka znajduje się pionowa linia, określająca wartość mediany. Rysunek uzupełniamy po prawej i lewej stronie odcinkami. Lewy koniec lewego odcinka wyznacza najmniejszą wartość w zbiorze, natomiast prawy koniec prawego odcinka to wartość największa.

Histogramy > dane<-c(3,4,5,6,7,7,7,8,8,8,9) > hist(dane,col="red",xlab="wartości",main="histogram")

Wykresy pudełkowe Wykresy pudełkowe spotykane są najczęściej w pakietach komputerowych wspomagających proces analizy i interpretacji danych statystycznych. Oczywiście: ˆ Lower whisker - wartość najmniejsza dla danej zmiennej. ˆ Lower quartile - punkt dokładnie na 25% zbioru obserwacji. ˆ Median - punkt rozgraniczający dokładnie 50% obserwacji. ˆ Upper quartile - Punkt, przed którym jest 75% obserwacji. ˆ Upper whisker - najwyższa wartość w zbiorze. ˆ Mean - wartość średnia w zbiorze obserwacji.

Wykres pudełkowy boxplot(dane,col="red",xlab="wartości",main="wykrespudełkowy")

Wykresy w R Ogromną zaletą środowiska R jest jego system graficzny i możliwości łatwej wizualizacji danych. Bardzo skrótowo (ale jednocześnie wystarczająco) generowanie wykresów zostało przedstawione w kursie dostępnym pod adresem: http://www.oginet.pl/~rasp/r/wykresy.html. Generalizując powiemy, że należy wyróżnić dwa rodzaje funkcji graficznych w R: ˆ wyskopoziomowe funkcje rysują kompletne wykresy ( i usuwające poprzednie), ˆ niskopoziomowe funkcje dodające do wykresów nowe elementy typu legenda, punkty, linie, tekst.

Wykres rozrzutu - przykład 1

Wykres rozrzutu - przykład 2

Wykres mieszany - przykład 3

http://www.statmethods.net/advgraphs/layout.html

Regresja - metoda najmniejszych kwadratów

Model regresji liniowej

Obserwacje odstające Obserwacja odstająca (ang. outlier) jest obserwacją, która nie spełnia równości regresji czyli nie należy do modelu prostej regresji. Obserwacje odstające mogą znacząco wpłwać na postać prostej regresji: b 0 + b 1x dla której wartość sumy: n i=1 (yi ŷi)2 a więc i sumy n i=1 (yi (b0 + b1xi))2 ma być możliwie najmniejsza. Jeśli analizujemy tylko pojedyncze zmienne objaśniające, to identyfikacja obserwacji odstających jest dość prosta. Wystarczy generować wykresy rozrzutu bądź histogramy. Jeśli zaś chcemy szukać obserwacji odstających globalnie (nie dla pojedynczej zmiennej objaśniającej ale dla wielu) wówczas możemy analizować rezydua lub rezydua studentyzowane i wśród nich szukać wartości odstających.

Wyznaczenie obserwacji odstających

Wyznaczenie obserwacji odstających 1. Mając wektor wartości resztowych(rezyduów) e = (e 1, e 2,..., e n),gdzie wartość resztowa e i = y i ŷ i (e i = y i (b 0 x i + b 1 ))powiemy, że błąd standardowy rezyduum e i jest równy: = S 1 ( 1 n + (x i x) 2 n i=1 (x i x) ). 2 SE ei Wtedy studentyzowana wartość resztowa będzie odpowiadać wartości: r i = e i SE ei. 2. Sporządzając wykres wartości studentyzowanych rezyduów r i względem ich indeksu będziemy potrafili rozpoznawać te duże wartości, które przypuszczalnie będą odstającymi. Podsumowując powiemy, że nowa obserwacja będzie punktem odstającym jeśli będzie się cechować dużą wartością standaryzowanej reszty. W praktyce, obserwacje odstające to takie, których wartość bezwzględnych standaryzowanych reszt przekracza 2.

Wyznaczenie obserwacji odstających w R W środowisku R wykrycie obserwacji odstających możliwe jest na kilka sposobów. Jednym z nich jest użycie funkcji rstudent. Jak widać na poniższym kodzie, w analizowanym przez nas zbiorze występuje obserwacja odstająca. Jest to obserwacja o numerze 8 i wartości 2.176429.

Wyznaczenie obserwacji odstających w R Alternatywnie, możemy użyć funkcji outlier.test z biblioteki car.

Obserwacje wpływowe Obserwacja jest wpływowa (ang. influential) jeśli jej obecność wpływa na prostą regresji, w taki sposób, że zmienia się współczynnik kierunkowy tej prostej. Inaczej powiemy, że jeśli obserwacja jest wpływowa to inaczej wygląda prosta regresji w zależności od tego czy ta obserwacja została ujęta w zbiorze, czy też nie (gdyż została usunięta). W praktyce, jeśli obserwowana wartość leży w Q 1 (czyli ma wartość mniejszą niż 25 centyl), to mówimy, że ma ona mały wpływ na regresję. Obserwacje leżące między Q 1 a Q 3 kwartylem nazywamy wpływowymi. Wykrycie obserwacji wpływowych umożliwia pomiar odległości Cooka z tzw. modyfikowanymi rezyduami. Usuwamy obserwację potencjalnie wpływową i obliczamy różnicę. Obserwacja jest wpływowa jeśli ta różnica będzie wysoka. Odległość Cooka mierzy poziom wpływu obserwacji i jest obliczana jako: n j=1 (ŷ j y j(i) ˆ ) 2 ps 2 D i = = e2 i h i ps 2 (1 h i ) 2,gdzie ŷ j jest wartością przewidywaną dla j-tej obserwacji obliczoną w modelu z usuniętą obserwacją i-tą zaś y j(i) ˆ jest wartością przewidywaną dla j-tej obserwacji w modelu, w którym nie usunięto i-tej obserwacji (potencjalnie wpływowej).

Wyznaczenie obserwacji wpływowych w R Teraz jeśli chcemy poznać obserwacje wpływowe możemy użyć komendy: której efektem będzie wykres:

Do wykrycia obserwacji wpływowych możemy także użyć funkcji > influence.measures(lm(b a)), której efekt będzie następujący: Ostatnia kolumna wskazuje na obserwacje wpływowe zaznaczając przy nich symbol. Są to obserwacje 1 i 9.

Zbiór Cereals.data

Zbiór Cereals.data ˆ źródło: http://lib.stat.cmu.edu/dasl/datafiles/cereals.html ˆ Zbiór zawiera dane 77 rodzajów płatków śniadaniowych,które opisane są 14 atrybutami warunkowymi i jednym atrybutem decyzyjnym rating mówiącym o wartości odżywczej płatków w oparciu o informacje typu: calories, sugars, fiber, sodium, vitamins czy weight (ora zinne).

Zbiór Cereals.data

Zbiór Cereals.data

Wyznaczenie obserwacji odstających w modelu z wieloma zmiennymi objaśniającymi Obserwacje odstające będziemy wykrywać przy użyciu znanego już pakietu car i funkcji outlier.test w ramach tego pakietu. Wykryliśmy jedną obserwację odstającą (płatki o nazwie Golden Crisp).

Obserwacje wpływowe w zbiorze Cereals Funkcja: influence.measures Za wpływowe uznamy 6 obserwacji: 100% Bran,All-Bran, All-Bran with Extra Fiber czy Frosted Mini-Wheats, Golden Crisp (które zresztą uznaliśmy za obserwację odstającą, outlier) oraz Post Nat. Raisin Bran.

Bardzo ważne dla wykrycia obserwacji odstających są tzw. studentyzowane reszty. Wykres dla nich możemy wykonac wywołując komendę: > qq.plot(model, main="qq Plot") Efektem będzie wykres z rozkładem obserwacji między I i III kwartylem, stąd nazwa wykresu międzykwartylny

Regresja liniowa dla zbioru Cereals

Predykcja dla zbioru Cereals Równanie regresji: gdy zmienną objaśnianą będzie zmienna rating (wartość odżywcza płatków) zaś objaśniającą sugars (poziom cukrów), będzie następującej postaci: rating = -2.4 * sugars + 59.3 Gdy poziom cukrów wynosi np 1 to wartość odżywcza płatków będzie wynosić 56.9 zaś gdy poziom cukrów będzie wynosił np 10 wówczas wartość odżywcza zmaleje do wartości 35.3.

Inne metody analizy danych ˆ analizy dyskryminacyjna: ˆ library(mass)i funkcja lda() ˆ analiza skupień: ˆ pam(), kmeans(), pvclust(), hclust(). ˆ drzewa klasyfikacyjne: ˆ rpart(), printcp() ˆ analiza składowych głównych: ˆ princomp(), factanal()

Analiza dyskryminacyjna

Analiza skupień - statystyki danych

Analiza skupień - klasyczny algorytm k-średnich

Drzewa klasyfikacyjne

Analiza składowych głównych

Analiza składowych głównych

Podsumowanie ˆ R jest wykorzystywany w badaniach naukowych i dydaktyce na najlepszych uczelniach na świecie, w dziedzinach biologii, socjologii, psychologii, ekonomii. ˆ R to środowisko do obliczeń statystycznych, a jednocześnie język programowania. ˆ R może działać na systemach Windows, Linux i MacOS.

Bibliografia Smith L.I.,A tutorial on Principal Components Analysis, http://kybele.psych.cornell.edu/~edelman/ Psych-465-Spring-2003/PCA-tutorial.pdf, 2002. Redakcja naukowa: Walesiak M. and Gatnar E., Statystyczna analiza danych z wykorzystaniem programu R, PWN, 2009, Warszawa, Polska Larose Daniel T., Metody i modele eksploracji danych. PWN, Warszawa, Polska, 2008. Ćwik J. and Mielniczuk J., Statystyczne systemy uczące się. Ćwiczenia w oparciu o pakiet R. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, Polska, 2009. Koronacki J. and Mielniczuk J., Statystyka dla studentów kierunków technicznych i przyrodniczych. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, Polska, 2006. Koronacki J. and Ćwik J., Statystyczne systemy uczące się. EXIT. Warszawa, Polska, 2008.