Что такое квантиль нормального распределения

Параметры дискретного закона распределения

В статье описано как найти среднее значение и стандартное отклонение. Вы узнаете, что такое квантиль и каких он бывает видов, а также, как построить доверительный интервал.

Математическое описание

Смотря на закон распределения, мы можем понять, какова вероятность того или иного события, можем сказать, какова вероятность, что произойдёт группа событий, а в этой статье мы рассмотрим, как наши выводы «на глаз» перевести в математически обоснованное утверждение.

Центральный момент степени k:

Среднее значение

Чтобы найти среднее значение всех результатов необходимо сложить всё вместе и разделить на количество результатов:

μ = (181 • 0 + 91 • 1 + 4 • 2 + 42 • 3 + 4 • 4 + 7 • 5 + 71 • 6) / 400 = 702/400 = 1.76

То же самое мы можем проделать используя формулу 2:

μ = M(X) = Σ(X_i•p_i) = 0 • 0.45 + 1 • 0.23 + 2 • 0.01 + 3 • 0.11 + 4 • 0.01 + 5 • 0.02 + 6 • 0.18 = 1.76 Момент первой степени, формула (5)

Собственно, формула 2 представляет собой среднее арифметическое всех значений
Итог: в среднем, 1.76 посетителя в час

Отклонение от среднего

Посмотрите на это распределение, можно предположить, что в среднем случайная величина равна 100±5, поскольку кажется, что таких значений несравнимо больше чем тех, что меньше 95 или больше 105:

Среднее значение по формуле (2): μ = 99.95, но как посчитать, насколько далеко все значения находятся от среднего? Вам должна быть знакома запись 100±5. Что бы получить это значение ±, нам необходимо определить диапазон значений вокруг среднего. И мы могли бы использовать в качестве меры удалённости «разность» между средним и случайными величинами:

но сумма таких расстояний, а следовательно и любое производное от этого числа, будет равно нулю, поэтому в качестве меры выбрали квадрат разниц между величинами и средним значением:

σ возведена в квадрат, поскольку вместо расстояний мы взяли квадрат расстояний. σ 2 называется дисперсией. Корень из дисперсии называется средним квадратическим отклонением, или среднеквадратическим отклоненим, и его используют в качестве меры разброса:

Возвращаясь к примеру, посчитаем среднеквадратическое отклонение для графика 2:

Итак, для графика 2 мы получили:

Квантиль

График 3. Функция распределения. Медиана

График 4. Функция распределения. 4-квантиль или квартиль

То есть, если мы говорим о дециле (10-квантиле), то это означает, что мы разбили график на 10 частей, что соответствует девяти линяям, и для каждого дециля нашли значение случайной величины.

Для дискретного распределения квантиль необходимо выбирать следующим образом: квантиль гарантирует вероятность, поэтому, если рассчитанный квантиль не совпадает с одним и значений, необходимо выбирать меньшее значение.

Построение интервалов

Двусторонний доверительный интервал

Двусторонний доверительный интервал строится следующим образом: мы задаёмся уровнем значимости, например, 10%, и выделяем область на графике так, что 90% всех событий попадут в эту область. Поскольку интервал двусторонний, то мы отсекаем по 5% с каждой стороны, т.е. мы ищем 5й перцентиль, 95й перцентиль и значения случайной величины между ними будут являться доверительной областью, значения за пределами доверительной области называются «критическая область«

График 6. Плотность вероятности

Доверительный интервал

График 9. Левосторонний доверительный интервал с уровнем значимости 4%. Заливкой выделен доверительный интервал

График 10. Правосторонний доверительный интервал с уровнем значимости 4%. Заливкой выделен доверительный интервал

Итого

Построить ряд распределения

Предположим, мы имеем 100 значений и все разные, например: масса тела Сомалийских пиратов. Такой набор данных обрабатывать неудобно, мы даже не можем представить их на обычном графике. Поэтому нам необходимо категоризировать имеющиеся данные и для этого мы делаем следующее:

Запишем наши данные в таблицу:

Данные разобьём на группы, для начала предлагаю разбить на одиннадцать интервалов:

Теперь посчитаем количество пиратов (весов, я имею ввиду) в каждом интервале:

Вуа-ля, наше распределение на графике:

Бонус

Интервалы лучше брать целыми числами, поэтому, если с выбранным количеством интервалов размер выходит нецелым, то можно раздвинуть диапазон значений, пример:

Диапазон можно двигать как вверх, так и вниз, но лучше в обе стороны.

Совет

Принято делить распределение на 7-8 интервалов, но в каждой конкретной ситуации Вы можете выбрать отличное количество интервалов, впрочем, как и сделать их различной длины.

Список параметров

Итак, вот список основных параметров дискретного закона распределения:

Источник

Квантили распределений EXCEL

history 19 ноября 2016 г.

Рассмотрим вычисление квантилей для некоторых функций распределений, представленных в MS EXCEL .

Сначала дадим формальное определение квантиля, затем приведем примеры их вычисления в MS EXCEL.

Определение

Точное значение квантиля в нашем случае можно найти с помощью формулы =НОРМ.СТ.ОБР(0,21)

СОВЕТ : Процедура вычисления квантилей имеет много общего с вычислением процентилей выборки (см. статью Процентили в MS EXCEL ).

Квантили специальных видов

Часто используются Квантили специальных видов:

В качестве примера вычислим медиану (0,5-квантиль) логнормального распределения LnN(0;1) (см. файл примера лист Медиана ).

Это можно сделать с помощью формулы =ЛОГНОРМ.ОБР(0,5; 0; 1)

Квантили стандартного нормального распределения

Необходимость в вычислении квантилей стандартного нормального распределения возникает при проверке статистических гипотез и при построении доверительных интервалов.

В данных задачах часто используется специальная терминология:

Однако, при проверке гипотез и построении доверительных интервалов чаще используется «верхний» α-квантиль. Покажем почему.

Действительно, для α=0,05, верхний 0,05-квантиль стандартного нормального распределения равен 1,645. Т.к. функция плотности вероятности стандартного нормального распределения является четной функцией, то вычисления в MS EXCEL верхнего квантиля можно сделать по двум формулам:

Другими словами, двусторонние α-квантили задают интервал, в который рассматриваемая случайная величина попадает с заданной вероятностью α.

Квантили распределения Стьюдента

Квантили распределения ХИ-квадрат

Вычислять квантили распределения ХИ-квадрат с n -1 степенью свободы требуется, если проводится проверка гипотезы о дисперсии нормального распределения (см. статью Проверка статистических гипотез в MS EXCEL о дисперсии нормального распределения ).

Результат равен 3,25.

Квантили F-распределения

Вычислять квантили распределения Фишера с n ₁ -1 и n ₂ -1 степенями свободы требуется, если проводится проверка гипотезы о равенстве дисперсий двух нормальных распределений (см. статью Двухвыборочный тест для дисперсии: F-тест в MS EXCEL ).

Чтобы вычислить верхний 0,05/2-квантиль для F -распределения с числом степеней свободы 10 и 12, необходимо записать формулу =F.ОБР.ПХ(0,05/2;10;12) =FРАСПОБР(0,05/2;10;12) =F.ОБР(1-0,05/2;10;12)

Квантили распределения Вейбулла

После логарифмирования обеих частей выражения, выразим x через соответствующее ему значение F(x) равное P:

Квантили экспоненциального распределения

Задача : Случайная величина имеет экспоненциальное распределение :

Требуется выразить p -квантиль x _p через параметр распределения λ и заданную вероятность p .

Решение : Вспоминаем, что p -квантиль – это такое значение x _p случайной величины X, для которого P(X

Источник

Q-Q Plots. От чайника до профессионала за один гайд

Как понять, что выборка данных принадлежит определенному распределению? Есть 2 метода: аналитический тест Колмогорова-Смирнова (тест Шапиро-Уилка для нормального) и графический метод при помощи графика квантиль-квантиль плот.

Чем так замечателен второй вариант? Q-Q plot позволяет кроме принадлежности:

оценить степень отклонения данных от теоретического распределения

графически проиллюстрировать такие параметры как расположение данных, масштаб и скошенность. Читаем: медиану, дисперсию и наклон функции плотности распределения.

сравнить две выборки между собой

делать выводы, не основываясь на таких спорных показателях как p.value.

Фактически, p.value в случае Q-Q Plot будет оценивать человеческий мозг на основе визуального изучения.

Графический метод является мощнейшим инструментом анализа, но как сказано в англоязычной статье википедии про Q-Q Plots, требует серьезных навыков для интерпретации. В данной статье я представляю дорожную карту пути к пониманию квантильных графиков.

С чего начинать? Сперва стоит посмотреть видео на YouTube от StatQuest. Это тот самый автор, который на обложке видеороликов пишет «. Clearly Explained». Если у вас Яндекс-браузер, то вы можете смотреть его видео почти на русском. Есть упомянутая статья в википедии, а также отличный текст на Медиуме. Мне показалось, что это лучшее, что можно найти в поиске по теории, если просто вбивать в строку браузера «Understanding QQ-Plots». Напишите в комментариях вашу любимую статью по квантильным графикам.

Несмотря на замечательные материалы, которые я упомянул, у меня не сложилось полноценного понимания QQ-Plots. Я до сих пор не могу с ходу представить в голове распределение, если мне показать квантильный график. Но в процессе их изучения я смог осознать несколько важных тезисов, с которыми и хочу вас познакомить при помощи визуализаций на Wolfram Mathematica.

В статье я представляю идеальные квантильные графики. Выводы, сделанные на их основе легко переносятся на соответствующие распределения выборочных данных в случае большого их объема (см. Рис. 1). На графиках в статье по горизонтальной оси я буду откладывать только теоретические квантили стандартного нормального распределения.

1. Квантили

Начнем с трех важнейших определений: дискретный квантиль выборки, дискретный квантиль функции плотности распределения и квантиль-функция.

Квантиль дискретной выборки — это одна из точек, делящих упорядоченную последовательность чисел на равные части.

Рис. 1: (а) и (б) Иллюстрация возможных квантилей выборки. (в) Иллюстрация квантилей, используемых для построения Q-Q Plot — самих значений выборки.

Обращаю ваше внимание, что понятия 0.25 квантиль, 1 квартиль и 25 персентиль обозначают одно и то же, как и 2 квартиль, 0.5 квантиль и 50 персентиль.

Квантиль непрерывного распределения — это одна из точек, делящих функцию плотности распределения на участки, вероятность попадания в которые одинакова, то есть на участки одинаковой площади.

Рис. 2: Иллюстрация квантилей непрерывного распределения.

Квантиль-функция — это функция, которая по значению вероятности возвращает такое число (квантиль) , что вероятность того, что случайная величина примет значение меньше равняется.

Рис. 3: Иллюстрация квантиль-функции.

Можно представлять себе квантиль-функцию непрерывного распределения, как зависимость арифметического уровня воды в вазе, стенками которой является функция плотности вероятности от объема налитой воды. Эта интерпретация хорошо показана в видео одного бразильского инструктора по статистике.

2. Главный квантильный график

Для начала построим базовый Q-Q Plot — теоретических квантилей стандартного нормального распределения от теоретических квантилей стандартного нормального распределения. На следующей картинке (рисунок слева) в виде непрерывной прямой показана зависимость этих теоретических квантилей. Горизонтальные прямые делят распределение оси y на 8 равных по площади промежутков, а вертикальные прямые делят распределение на оси x на 8 равных промежутков и визуализируют появление непрерывной прямой, которую вы наблюдаете.

На рисунке справа я тоже построил квантильный график, но в этом случае по оси y отложил квантили выборки из 200 чисел, случайно выбранных из стандартного нормального распределения. Обращаю ваше внимание, что в случае квантильного графика выборки, за квантиль выбирается каждая точка наших данных, как показано в нижней части на рисунке 1. Далее в статье я буду опускать построение выборочного квантильного графика. Повторюсь, что на больших объемах выборки квантильный график будет полностью повторять теоретическую зависимость.

Как мы видим, в случае одинаковых распределений Q-Q Plot представляет собой прямую линию , причем масштаб нормальных распределений не имеет значения, главное, чтобы у них совпадали средние значения и стандартное отклонение. Этот вывод переносится на случай произвольных распределений.

3. Физический смысл коэффициентов прямой

Что произойдет с прямой, если у распределения на оси y поменять среднее значение (и медиану, соответственно)? Построенная прямая сместится таким образом, чтобы медиане квантилей на оси x соответствовала медиана квантилей на оси y. На рисунке слева визуально ничего не изменилось, только по оси y отложены квантили нормального распределения со средним 5 стандартным отклонением 1.

При построении Q-Q Plot от теоретических квантилей стандартного нормального распределения значение квантильной зависимости в нуле имеет смысл медианы распределения, которое мы строим на оси y.

А что произойдет с прямой, если у распределения на оси y поменять стандартное отклонение?

Рис. 6: Зависимость теоретических квантилей (а) нормального распределения N(0, 0.5) и (б) нормального распределения N(0, 2) — от теоретических квантилей стандартного нормального распределения N(0, 1).

Ответ представлен на Рисунке 6. Поигравшись с параметрами можно сделать следующий вывод:

При построении Q-Q Plot от теоретических квантилей стандартного нормального распределения тангенс наклона прямой имеет смысл стандартного отклонения распределения, которое мы строим на оси y. Если прямая положе, чем y = x (Рис. 4а), то нормальное распределение, построенное на вертикальной оси менее дисперсно, чем распределение, построенное на горизонтальной оси. Если прямая круче, чем y = x (Рис. 4б), то распределение, построенное не вертикальной оси более дисперсно, чем распределение, построенное на горизонтальной оси.

Мы разобрались с основными понятиями и выяснили, что QQ-Plot нормального распределения или выборки из нормального распределения хорошо визуализирует медиану и стандартное отклонение, чем являются коэффициенты прямой.

4. Линия главного тренда на примере скошенных распределений

Все бы хорошо, да кроме нормальных распределений есть еще много других. Если в случае построения околонормального распределения все точки стелятся вдоль прямой линии как на Рис. 4б (коэффициенты которой очень легко интерпретируются), то в случае, например, скошенных распределений точки на прямую ложиться не будут.

При построении Q-Q Plot многие программные пакеты подбирают и изображают некоторую прямую, которая называется линией главного тренда (англ. Reference Line).

Intercept и slope этой контрольной прямой имеют смысл среднего и стандартного отклонения нормального распределения, «наилучшим образом» подходящего к нашим данным. Как написано в замечательном гайде по q-q plots на языке SAS есть 3 способа это сделать:

Провести прямую по двум точкам: через 1 и 3 квартили.

Провести прямую методом наименьших квадратов.

К выборочным данным подобрать среднее и стандартное отклонение генеральной совокупности, используя метод максимального правдоподобия и провести прямую, иллюстрирующую зависимость теоретических квантилей подобранного идеального нормального распределения от теоретических квантилей стандартного нормального (или любого другого, используемого при построении).

Мнение автора по интерпретации 1 и 2 способа.

В первом случае «идеальная прямая» будет соответствовать нормальному распределению со средним, равным среднему значению 1 и 3 квартилей выборки и стандартным отклонением, равным отношению межквартильного размаха распределения на оси y и межквартильного размаха распределения на оси x.

где IQR(x) и IQR(y) — межквартильный размах распределений, построенных на осях y и x соответственно. Для стандартного нормального распределения IQR(x) примерно равен 1.35.

Во втором случае тангенс наклона прямой будет равен произведению корреляции квантилей изображенных распределений — на стандартное отклонение распределения на оси y.

где corr — корреляция, а sd — стандартное отклонение. Это следует из формул для коэффициентов регрессионной прямой, а также из того факта, что для стандартного нормального распределения sd(x) = 1.

Я не нашел подтверждения полученных умозаключений в литературе и не представляю, как использовать эту информацию в реальном анализе.

Разные программные пакеты строят эту линию, используя один из указанных подходов. Если есть большая потребность узнать методы построения, можно заглянуть в документацию. Но если это не принципиально, можно ориентироваться на главную идею: линия главного тренда представляет прямую идеального нормального распределения для наших данных.

Выводы:

Если оба конца квантильного графика находятся выше прямой главного тренда, то скорее всего это распределение скошено вправо.

Если оба конца квантильного графика находится ниже прямой главного тренда, то скорее всего это распределение скошено влево.

5. Изогнутые Q-Q Plots: Равномерное, Бимодальное и t-распределения.

Следующие 4 графика предназначены для настройки машинного обучения в голове. С помощью них можно научиться отличать равномерное распределение от двугорбого.

Рис. 8: Зависимость теоретических квантилей (a) равномерного распределения Uniform(-1, 1) (б) равномерного распределение Uniform(-2,2) (в) бимодального распределения из двух нормальных N(-1,0.5) и N(1, 0.5) и (г) бимодального распределения из двух нормальных N(-1, 0.3) и N(1, 0.3) — от теоретических квантилей стандартного нормального распределения N(0, 1)

Квантиль-квантиль плот для равномерного и бимодальных распределений представляют собой — Образную кривую. В случае равномерного распределения кривая стелется вдоль линии главного тренда, а в случае бимодального пересекает ее. Обращаю также ваше внимание на поведение буквы в нуле в случае бимодального распределения. Если разрыв между горбами велик, то квантильная зависимость в этом месте становится почти вертикальной.

Стоит прямо здесь научиться распознавать распределение Стьюдента, которое, как известно имеет более толстые хвосты, по сравнению со стандартным нормальном. Внимание на экран.

Рис. 9: Зависимость теоретических квантилей (а) распределения Стьюдента с 2 степенями свободы и (б) распределения Стьюдента с 6 степенями свободы — от теоретических квантилей стандартного нормального распределения N(0, 1).

Здесь мы тоже видим змееобразную кривую, но она представляет собой букву зеркально-отраженную относительно линии главного тренда.

Бонус: Экспоненциальное распределение

На следующем рисунке изображён первый график из англоязычной статьи Википедии про Q-Q Plots. Обращаю еще раз ваше внимание на то, что значение квантильного графика в нуле — это медиана распределения, которое мы строим вдоль оси y. На данном квантильном графике не изображена линия главного тренда. Пунктирная прямая представляет график функции y = x.

Заключение

Если делать summary, то главным является следующее.

Если точки на графике Q-Q Plot стелятся вдоль какой-то прямой, то наши данные неплохо соответствуют теоретическим квантилям, отложенным по горизонтальной оси.

Если мы строим Q-Q Plot от теоретических квантилей стандартного нормального распределения, то:

Значение получившейся функции в нуле — это медиана нашей выборки. Вообще все квантили нашей выборки соответствуют квантилям распределения на оси x, а не только медиана 🙂

Тангенс линии тренда соответствует стандартному отклонению нормального распределения, наилучшим образом описывающем нашу выборку. Значение линии главного тренда в нуле соответствует его среднему значению

Я буду рад, если моя статья поможет кому-то в понимании QQ-Plots. Поделитесь в комментариях вашим любимым учебным материалом по квантильным графикам или примером реального их использования в анализе данных.

Благодарю Анастасию Котликову за ценное обсуждение способов построения линии главного тренда и за помощь в интерпретации ее коэффициентов.

Источник