京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
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
在使用Excel透视表进行数据汇总分析时,我们常遇到“需通过两个字段相乘得到关键指标”的场景——比如“单价×数量=金额”“销量 ...
2025-11-14在测试环境搭建、数据验证等场景中,经常需要将UAT(用户验收测试)环境的表数据同步到SIT(系统集成测试)环境,且两者表结构完 ...
2025-11-14在数据驱动的企业中,常有这样的困境:分析师提交的“万字数据报告”被束之高阁,而一张简洁的“复购率趋势图+核心策略标注”却 ...
2025-11-14在实证研究中,层次回归分析是探究“不同变量组对因变量的增量解释力”的核心方法——通过分步骤引入自变量(如先引入人口统计学 ...
2025-11-13在实时数据分析、实时业务监控等场景中,“数据新鲜度”直接决定业务价值——当电商平台需要实时统计秒杀订单量、金融系统需要实 ...
2025-11-13在数据量爆炸式增长的今天,企业对数据分析的需求已从“有没有”升级为“好不好”——不少团队陷入“数据堆砌却无洞察”“分析结 ...
2025-11-13在主成分分析(PCA)、因子分析等降维方法中,“成分得分系数矩阵” 与 “载荷矩阵” 是两个高频出现但极易混淆的核心矩阵 —— ...
2025-11-12大数据早已不是单纯的技术概念,而是渗透各行业的核心生产力。但同样是拥抱大数据,零售企业的推荐系统、制造企业的设备维护、金 ...
2025-11-12在数据驱动的时代,“数据分析” 已成为企业决策的核心支撑,但很多人对其认知仍停留在 “用 Excel 做报表”“写 SQL 查数据” ...
2025-11-12金融统计不是单纯的 “数据计算”,而是贯穿金融业务全流程的 “风险量化工具”—— 从信贷审批中的客户风险评估,到投资组合的 ...
2025-11-11这个问题很有实战价值,mtcars 数据集是多元线性回归的经典案例,通过它能清晰展现 “多变量影响分析” 的核心逻辑。核心结论是 ...
2025-11-11在数据驱动成为企业核心竞争力的今天,“不知道要什么数据”“分析结果用不上” 是企业的普遍困境 —— 业务部门说 “要提升销量 ...
2025-11-11在大模型(如 Transformer、CNN、多层感知机)的结构设计中,“每层神经元个数” 是决定模型性能与效率的关键参数 —— 个数过少 ...
2025-11-10形成购买决策的四个核心推动力的是:内在需求驱动、产品价值感知、社会环境影响、场景便捷性—— 它们从 “为什么买”“值得买吗 ...
2025-11-10在数字经济时代,“数字化转型” 已从企业的 “可选动作” 变为 “生存必需”。然而,多数企业的转型仍停留在 “上线系统、收集 ...
2025-11-10在数据分析与建模中,“显性特征”(如用户年龄、订单金额、商品类别)是直接可获取的基础数据,但真正驱动业务突破的往往是 “ ...
2025-11-07在大模型(LLM)商业化落地过程中,“结果稳定性” 是比 “单次输出质量” 更关键的指标 —— 对客服对话而言,相同问题需给出一 ...
2025-11-07在数据驱动与合规监管双重压力下,企业数据安全已从 “技术防护” 升级为 “战略刚需”—— 既要应对《个人信息保护法》《数据安 ...
2025-11-07在机器学习领域,“分类模型” 是解决 “类别预测” 问题的核心工具 —— 从 “垃圾邮件识别(是 / 否)” 到 “疾病诊断(良性 ...
2025-11-06在数据分析中,面对 “性别与购物偏好”“年龄段与消费频次”“职业与 APP 使用习惯” 这类成对的分类变量,我们常常需要回答: ...
2025-11-06