R语言与非参数统计(核密度估计)
核密度估计是在概率论中用来估计未知的密度函数,属于非参数检验方法之一,由Rosenblatt (1955)和Emanuel Parzen(1962)提出,又名Parzen窗(Parzen window)。
假设我们有n个数X1-Xn,我们要计算某一个数X的概率密度有多大。核密度估计的方法是这样的:
其中K为核密度函数,h为设定的窗宽。
核密度估计的原理其实是很简单的。在我们对某一事物的概率分布的情况下。如果某一个数在观察中出现了,我们可以认为这个数的概率密度很大,和这个数比较近的数的概率密度也会比较大,而那些离这个数远的数的概率密度会比较小。基于这种想法,针对观察中的第一个数,我们都可以f(x-xi)去拟合我们想象中的那个远小近大概率密度。当然其实也可以用其他对称的函数。针对每一个观察中出现的数拟合出多个概率密度分布函数之后,取平均。如果某些数是比较重要,某些数反之,则可以取加权平均。
但是核密度的估计并不是,也不能够找到真正的分布函数。我们可以举一个极端的例子:在R中输入:
plot(density(rep(0, 1000)))
可以看到它得到了正态分布的曲线,但实际上呢?从数据上判断,它更有可能是一个退化的单点分布。
但是这并不意味着核密度估计是不可取的,至少他可以解决许多模拟中存在的异方差问题。比如说我们要估计一下下面的一组数据:
可以看出它是由300个服从gamma(2,2)与100个gamma(10,2)的随机数构成的,他用参数统计的办法是没有办法得到一个好的估计的。那么我们尝试使用核密度估计:
plot(density(dat),ylim=c(0,0.2))
将利用正态核密度与标准密度函数作对比
得到下图:
(红色的曲线为真实密度曲线)
可以看出核密度与真实密度相比,得到大致的估计是不成问题的。至少趋势是得到了的。如果换用gamma分布的核效果无疑会更好,但是遗憾的是r中并没有提供那么多的核供我们挑选(其实我们知道核的选择远没有窗宽的选择来得重要),所以也无需介怀。
R中提供的核:kernel = c("gaussian", "epanechnikov", "rectangular", "triangular", "biweight","cosine", "optcosine")。
我们先来看看窗宽的选择对核密度估计的影响:
得到下图,我们可以清楚的看到带宽为0.8恰好合适,其余的不是拟合不足便是过拟合。
窗宽究竟该如何选择呢?
我们这里不加证明的给出最佳窗宽选择公式:
(这个基于积分均方误差最小的角度得到的)
这里介绍两个可操作的窗宽估计办法:(这两种方法都比较容易导致过分光滑)
1、 Silverman大拇指法则
这里使用R(phi’’)/sigma^5估计R(f’’),phi代表标准正态密度函数,得到h的表达式:
h=(4/(3n))^(*1/5)*sigma
2、 极大光滑原则
h=3*(R(K)/(35n))^(1/5)*sigma
当然也有比较麻烦的窗宽估计办法,比如缺一交叉验证,插入法等,可以参阅《computational statistics》一书
我们用上面的两种办法得到的窗宽是多少,他的核密度估计效果好吗?
我们还是以上面的混合正态数据为例来看看效果。
使用大拇指法则,将数据n=400,sigma=3.030658,带入公式,h=0.9685291
使用极大光滑原则,假设K为正态核,R(K)=1/(sqrt(2*pi)),h=1.121023
可以看出他们都比我们认为的h=0.8要大一些,作图如下:
plot(density(data,bw=0.9685))
plot(density(data,bw=1.1210))
由我们给出的
以Gauss核为例做核密度估计
用Gauss核做核密度估计的R程序如下(还是使用我们的混合正态密度的例子):
作图如下:
最后说一个R的内置函数density()。其实我觉得如果不是为了简要介绍核密度估计的一些常识我们完全可以只学会这个函数
先看看函数的基本用法:
density(x, ...)
## Default S3 method:
density(x, bw = "nrd0", adjust = 1,
kernel = c("gaussian", "epanechnikov", "rectangular",
"triangular", "biweight",
"cosine", "optcosine"),
weights = NULL, window = kernel, width,
give.Rkern = FALSE,
n = 512, from, to, cut = 3, na.rm = FALSE, ...)
对重要参数做出较为详细的说明:
X:我们要进行核密度估计的数据
Bw:窗宽,这里可以由我们自己制定,也可以使用默认的办法nrd0: Bandwidth selectors for Gaussian kernels。我们还可以使用bw.SJ(x,nb = 1000, lower = 0.1 * hmax, upper = hmax, method = c("ste","dpi"), tol = 0.1 * lower),这里的method =”dpi”就是前面提到过的插入法,”ste”代表solve-the-equationplug-in,也是插入法的改进
Kernel:核的选择
Weights:对比较重要的数据采取加权处理
对于上述混合正态数据data,有
> density(data)
Call:
density.default(x = data)
Data: data (400 obs.); Bandwidth 'bw' = 0.8229
x y
Min. :-7.5040 Min. :0.0000191
1stQu.:-3.5076 1st Qu.:0.0064919
Median : 0.4889 Median :0.0438924
Mean :0.4889 Mean :0.0624940
3rdQu.: 4.4853 3rd Qu.:0.1172919
Max. :8.4817 Max. :0.1615015
知道带宽:h=0.8229(采取正态密度核)那么带入密度估计式就可以写出密度估计函数。
最后以faithful数据集为例说明density的用法:
R数据集faithful是old faithful火山爆发的数据,其中“eruption”是火山爆发的持续时间,waiting是时间间隔
对数据“eruption”做核密度估计
R程序:
知道h= 0.3348
作图:
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
“纲举目张,执本末从。”若想在数据分析领域有所收获,一套合适的学习教材至关重要。一套优质且契合需求的学习教材无疑是那关 ...
2025-03-04以下的文章内容来源于刘静老师的专栏,如果您想阅读专栏《10大业务分析模型突破业务瓶颈》,点击下方链接 https://edu.cda.cn/go ...
2025-03-04在现代商业环境中,数据分析师的角色愈发重要。数据分析师通过解读数据,帮助企业做出更明智的决策。因此,考取数据分析师证书成为了许多人提升职业竞争力的选择。本文将详细介绍考取数据分析师证书的过程,包括了解证书种类和 ...
2025-03-03在当今信息化社会,大数据已成为各行各业不可或缺的宝贵资源。大数据专业应运而生,旨在培养具备扎实理论基础和实践能力,能够应 ...
2025-03-03数据分析师认证考试全面升级后,除了考试场次和报名时间,小伙伴们最关心的就是报名费了,报 ...
2025-03-032025年刚开启,知乎上就出现了一个热帖: 2024年突然出现的经济下行,使各行各业都感觉到压力山大。有人说,大环境越来越不好了 ...
2025-03-03大数据分析师培训旨在培养学员掌握大数据分析的基础知识、技术及应用能力,以适应企业对数据分析人才的需求。根据不同的培训需求 ...
2025-03-03小伙伴们,最近被《哪吒2》刷屏了吧!这部电影不仅在国内掀起观影热潮,还在全球范围内引发了关注,成为中国电影崛起的又一里程 ...
2025-03-03以下的文章内容来源于张彦存老师的专栏,如果您想阅读专栏《Python 数据可视化 18 讲(PyEcharts、Matplotlib、Seaborn)》,点 ...
2025-02-28最近,国产AI模型DeepSeek爆火,其创始人梁文峰走进大众视野。《黑神话:悟空》制作人冯骥盛赞DeepSeek为“国运级别的科技成果” ...
2025-02-271.统计学简介 听说你已经被统计学劝退,被Python唬住……先别着急划走,看完这篇再说! 先说结论,大多数情况下的学不会都不是知 ...
2025-02-27“我们的利润率上升了,但销售额却没变,这是为什么?” “某个业务的市场份额在下滑,到底是什么原因?” “公司整体业绩稳定, ...
2025-02-26在数据分析工作中,你可能经常遇到这样的问题: 从浏览到消费的转化率一直很低,那到底该优化哪里呢? 如果你要投放广告该怎么 ...
2025-02-25近来deepseek爆火,看看deepseek能否帮我们快速实现数据看板实时更新。 可以看出这对不知道怎么动手的小白来说是相当友好的,尤 ...
2025-02-25挖掘用户价值本质是让企业从‘赚今天的钱’升级为‘赚未来的钱’,同时让用户从‘被推销’变为‘被满足’。询问deepseek关于挖 ...
2025-02-25在当今这个数据驱动的时代,几乎每一个业务决策都离不开对数据的深入分析。而其中,指标波动归因分析更是至关重要的一环。无论是 ...
2025-02-25以下文章来源于数有道 ,作者数据星爷 SQL查询是数据分析工作的基础,也是CDA数据分析师一级的核心考点,人工智能时代,AI能为 ...
2025-02-25“最近复购率一直在下降,我们的营销力度不小啊,为什么用户还是走了?” “是不是广告投放的用户质量不高?还是我们的产品问题 ...
2025-02-25在数据分析中,地图是一种非常直观的可视化工具,能够帮助我们更好地理解数据在地理空间上的分布情况。无论是展示销售数据、人口 ...
2025-02-25春风拂面,金三银四的求职季如期而至。谁都想在这场竞争里拿下心仪offer。 一份亮眼简历是求职敲门砖,面试紧张则可能让机会溜 ...
2025-02-24