
数值变量正态性检验常用方法的对比及SPSS&R实现
一、方法概述
正态分布又叫高斯分布,“正态”即“正常的状态”,本意是说如果在观察或试验中不出现重大的失误,则结果应遵循这种模式的分布——尽管随着人们实践经验的积累发现事实并非如此。正态分布之所以得到普遍重视,除了它可以用来刻画数值变量的分布特征外,另一个重要原因要归功于Fisher及其同时代的若干杰出学者。他们对正态总体下一系列重要的统计量建立了形式简约且在计算上可行的小样本理论,为统计推断提供了极大的方便,而在非正态的情况下则没有可比拟的结果[1,2]。基于此,人们在实际统计分析时,总是乐于采用正态假定。人们在对一个数值变量进行分析之前,可以参照既往基于大样本所推测的变量分布形式,确定正态性假定的合理性。然而,有时既往文献中没有基于大样本的变量分布形式定论,致使研究者对正态性假定是否合理无充分的把握。这时就需要使用实际的观测数据,实施正态性检验。
二、软件实现
统计分析包括统计描述和统计推断[1],正态性的分析主要包括统计图绘制,及统计指标的计算与检验两种方法。利用统计图可以直观地呈现变量的分布,同时还可以呈现出经验分布和理论分布的差距。峰度、偏度就是两个常用的正态性描述统计指标,通过构建检验统计量还能实现正态性检验,Shapiro-Wilk检验、Kolmogorov-Smirnov、偏度峰度联合检验(Jarque–Bera检验)、GramerVon-Mises检验等均是通过构建检验统计量对样本进行正态性检验。具体见表1。
如表1所示,直方图、茎叶图和箱式图为主观的基于统计图的正态性描述方法,而统计描述指标峰度检验和偏度检验可以被认为是一种客观的数值计算的正态性检验方法。基于统计推断的概率图、P-P图、Q-Q图为客观的图表判断的正态性检验方法,而基于数值计算的常用的统计软件,如SAS,SPSS,R,STATA均有相关命令或者过程步基于样本数据对总体的正态性进行检验,表2给出了常见的四种统计软件实现上述正态性检验方法的命令语句,以及各种方法使用过程中对样本量的要求。
三、方法选择流程图
下图是正态性检验的方法选择的流程图,大家可根据样本数据情况选择不同的方法。
四、SPSS中正态性检验操作演示
下面我们来看一组数据,并检验“期初平均分” 数据是否呈正态分布(此数据已在SPSS里输入好):
在SPSS里执行“分析—>描述统计—>频数统计表”(菜单见下图,英文版的可以找到相应位置),然后弹出左边的对话框,变量选择左边的“期初平均分”,再点下面的“图表”按钮,弹出图中右边的对话框,选择“直方图”,并选中“包括正态曲线”。
设置完后点“确定”,就后会出来一系列结果,包括2个表格和一个图,我们先来看看最下面的图,见下图,
上图中横坐标为期初平均分,纵坐标为分数出现的频数。从图中可以看出根据直方图绘出的曲线是很像正态分布曲线。如何证明这些数据符合正态分布呢,光看曲线还不够,还需要检验:
检验方法一:看偏度系数和峰度系数
我们把SPSS结果最上面的一个表格拿出来看看(见下图):
偏度系数Skewness=-0.333;峰度系数Kurtosis=0.886;两个系数都小于1,可认为近似于正态分布。
检验方法二:单个样本K-S检验
在SPSS里执行“分析—>非参数检验—>单个样本K-S检验,弹出对话框,检验变量选择“期初平均分”,检验分布选择“正态分布”,然后点“确定”。
检验结果为:
从结果可以看出,K-S检验中,Z值为0.493,P值(sig 2-tailed)=0.968>0.05,因此数据呈近似正态分布
检验方法三:Q-Q图检验
在SPSS里执行“图表—>Q-Q图”,弹出对话框,见下图:
变量选择“期初平均分”,检验分布选择“正态”,其他选择默认,然后点“确定”,最后可以得到Q-Q图检验结果,结果很多,我们只需要看最后一个图,见下图。
QQ Plot中,各点近似围绕着直线,说明数据呈近似正态分布。
五、R:正态性检验
(1)QQ概率图
功能和原理:检验样本的概率分布是否服从某种理论分布。PP概率图的原理是检验实际累积概率分布与理论累积概率分布是否吻合,若吻合,则散点应围绕 在一条直线周围,或者实际概率与理论概率之差分布在对称于以0为水平轴的带内。QQ概率图的原理是检验实际分位数与理论分位数之差分布是否吻合,若吻合,则散点应围绕在一条直线周围,或者实际分位数与理论分位数之差分布在对称于以0为水平轴的带内。QQ概率图以样本的分位数为横轴,以指定理论分布的分位数为纵轴绘制散点图。
> library(DAAG)
> data(possum)
> attach(possum)
The following object(s) are masked from 'possum (position 12)':
age, belly, case, chest, earconch, eye, footlgth, hdlngth, Pop,
sex, site, skullw, taill, totlngth
> fpossum <- possum[possum$sex=="f",]
> mean = mean(totlngth)
> sd = sd(totlngth)
> x <- sort(totlngth)
> n <- length(x)
> y <- (1:n)/n
>
> plot(x,y,
+ type = 's',
+ main = "Empirical CDF of ")
> curve(pnorm(x, mean, sd),
+ col = 'red',
+ lwd = 2,
+ add = T)
图形表示,数据与正态性略有差异,特别是中部区域。
(2)与正态密度函数直接比较
> library(DAAG)
> data(possum)
> attach(possum)
The following object(s) are masked from 'possum (position 13)':age, belly, case, chest, earconch, eye, footlgth, hdlngth, Pop,
sex, site, skullw, taill, totlngth
> fpossum <- possum[possum$sex=="f",]
> dens <- density(totlngth)
> xlim <- range(dens$x)
> ylim <- range(dens$y)
> mean = mean(totlngth)
> sd = sd(totlngth)
> par(mfrow=c(1,2))
>
> hist(totlngth,
+ breaks=72.5+(0:5)*5,
+ xlim = xlim ,
+ ylim = ylim ,
+ probability = T ,
+ xlab = "total length",
+ main = "A:Breaks at 72.5...")
> lines(dens,
+ col = par('fg'),
+ lty = 2)
> curve( dnorm(x, mean, sd),
+ col = 'red',
+ add = T)
>
> hist(totlngth,
+ breaks = 75 + (0:5) * 5 ,
+ xlim = xlim,
+ ylim = ylim,
+ probability = T,
+ xlab="total length",
+ main = "B:Breaks at 75")
> lines(dens,
+ col = par('fg'),
+ lty = 2)
> curve(dnorm(x,mean,sd),
+ col = 'red',
+ add = T)
看图直接看和正态密度函数的差异度。
(3)使用经验分布函数,直接比较数据的经验分布函数和正态分布的分布函数对比。
> library(DAAG)
> data(possum)
> attach(possum)
The following object(s) are masked from 'possum (position 14)':age, belly, case, chest, earconch, eye, footlgth, hdlngth, Pop,
sex, site, skullw, taill, totlngth
> fpossum <- possum[possum$sex=="f",]
> mean = mean(totlngth)
> sd = sd(totlngth)
> x <- sort(totlngth)
> n <- length(x)
> y <- (1:n)/n
>
> plot(x,y,
+ type = 's',
+ main = "Empirical CDF of ")
> curve(pnorm(x, mean, sd),
+ col = 'red',
+ lwd = 2,
+ add = T)
总体来说,数据并不完全服从正态分布,需要做进一步检验,看和正态分布的差距多大,是否在接受范围之内?
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在 “神经网络与卡尔曼滤波融合” 的理论基础上,Python 凭借其丰富的科学计算库(NumPy、FilterPy)、深度学习框架(PyTorch、T ...
2025-10-23在工业控制、自动驾驶、机器人导航、气象预测等领域,“状态估计” 是核心任务 —— 即从含噪声的观测数据中,精准推断系统的真 ...
2025-10-23在数据分析全流程中,“数据清洗” 恰似烹饪前的食材处理:若食材(数据)腐烂变质、混杂异物(脏数据),即便拥有精湛的烹饪技 ...
2025-10-23在人工智能领域,“大模型” 已成为近年来的热点标签:从参数超 1750 亿的 GPT-3,到万亿级参数的 PaLM,再到多模态大模型 GPT-4 ...
2025-10-22在 MySQL 数据库的日常运维与开发中,“更新数据是否会影响读数据” 是一个高频疑问。这个问题的答案并非简单的 “是” 或 “否 ...
2025-10-22在企业数据分析中,“数据孤岛” 是制约分析深度的核心瓶颈 —— 用户数据散落在注册系统、APP 日志、客服记录中,订单数据分散 ...
2025-10-22在神经网络设计中,“隐藏层个数” 是决定模型能力的关键参数 —— 太少会导致 “欠拟合”(模型无法捕捉复杂数据规律,如用单隐 ...
2025-10-21在特征工程流程中,“单变量筛选” 是承上启下的关键步骤 —— 它通过分析单个特征与目标变量的关联强度,剔除无意义、冗余的特 ...
2025-10-21在数据分析全流程中,“数据读取” 常被误解为 “简单的文件打开”—— 双击 Excel、执行基础 SQL 查询即可完成。但对 CDA(Cert ...
2025-10-21在实际业务数据分析中,我们遇到的大多数数据并非理想的正态分布 —— 电商平台的用户消费金额(少数用户单次消费上万元,多数集 ...
2025-10-20在数字化交互中,用户的每一次操作 —— 从电商平台的 “浏览商品→加入购物车→查看评价→放弃下单”,到内容 APP 的 “点击短 ...
2025-10-20在数据分析的全流程中,“数据采集” 是最基础也最关键的环节 —— 如同烹饪前需备好新鲜食材,若采集的数据不完整、不准确或不 ...
2025-10-20在数据成为新时代“石油”的今天,几乎每个职场人都在焦虑: “为什么别人能用数据驱动决策、升职加薪,而我面对Excel表格却无从 ...
2025-10-18数据清洗是 “数据价值挖掘的前置关卡”—— 其核心目标是 “去除噪声、修正错误、规范格式”,但前提是不破坏数据的真实业务含 ...
2025-10-17在数据汇总分析中,透视表凭借灵活的字段重组能力成为核心工具,但原始透视表仅能呈现数值结果,缺乏对数据背景、异常原因或业务 ...
2025-10-17在企业管理中,“凭经验定策略” 的传统模式正逐渐失效 —— 金融机构靠 “研究员主观判断” 选股可能错失收益,电商靠 “运营拍 ...
2025-10-17在数据库日常操作中,INSERT INTO SELECT是实现 “批量数据迁移” 的核心 SQL 语句 —— 它能直接将一个表(或查询结果集)的数 ...
2025-10-16在机器学习建模中,“参数” 是决定模型效果的关键变量 —— 无论是线性回归的系数、随机森林的树深度,还是神经网络的权重,这 ...
2025-10-16在数字化浪潮中,“数据” 已从 “辅助决策的工具” 升级为 “驱动业务的核心资产”—— 电商平台靠用户行为数据优化推荐算法, ...
2025-10-16在大模型从实验室走向生产环境的过程中,“稳定性” 是决定其能否实用的关键 —— 一个在单轮测试中表现优异的模型,若在高并发 ...
2025-10-15