
離群值的判斷與處理
我們在數(shù)據(jù)分析的時候,經(jīng)常會碰到某些數(shù)據(jù)遠遠大于或小于其他數(shù)據(jù),這些明顯偏離的數(shù)據(jù)就是離群值,也叫奇異值、極端值。
離群值產(chǎn)生的原因大致有兩點:
1.總體固有變異的極端表現(xiàn),這是真實而正常的數(shù)據(jù),只是在這次實驗中表現(xiàn)的有些極端,這類離群值與其余觀測值屬于同一總體。
2.由于試驗條件和實驗方法的偶然性,或觀測、記錄、計算時的失誤所產(chǎn)生的結(jié)果,是一種非正常的、錯誤的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)與其余觀測值不屬于同一總體。
由于數(shù)據(jù)的分布不同,判斷離群值的方法也有所差別,在此只介紹國標(biāo)GB/T4883-2008對于正態(tài)分布情況下的離群值判斷方法,其他分布情況下,我還沒有找到相關(guān)資料。
對于離群值,國標(biāo)也有一些概念定義:
1.檢出水平
為檢驗出離群值而指定的統(tǒng)計檢驗的顯著性水平,和大多數(shù)檢驗一樣,α一般為0.05
2.剔除水平
為檢驗出離群值是否為高度離群值而指定的統(tǒng)計檢驗的顯著性水平,剔除水平α*不應(yīng)超過檢出水平α,通常為0.01,個人認(rèn)為這個剔除水平就是判斷該離群值是否需要實際剔除,也就是說該離群值有可能是第二類原因產(chǎn)生的非正常樣本數(shù)據(jù)。
3.統(tǒng)計離群值
在剔除水平下統(tǒng)計檢驗為顯著的離群值
4.歧離值
在檢出水平下顯著,而在剔除水平下不顯著的離群值。
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正態(tài)分布情況下的離群值判斷方法,大致可分為兩類:可以檢驗剔除水平和不可檢驗剔除水平
一、可檢驗剔除水平
1.總體標(biāo)準(zhǔn)差已知時,奈爾檢驗法
對樣本數(shù)據(jù)按從小到大順序排序,
如懷疑最大值X(n)為最大值,則計算統(tǒng)計量Rn
確定檢出水平α,查奈爾系數(shù)表(見國標(biāo)GB/T4883-2008),得出臨界值
當(dāng)Rn>R1-α(n)時,判定X(n)為離群值,否則不能判定
確定剔除水平α*,查奈爾系數(shù)表(見國標(biāo)GB/T4883-2008),得出臨界值
當(dāng)Rn>R1-α*(n)時,判定X(n)為統(tǒng)計離群值,否則不能判定
如懷疑最小值X(1)為最大值,則計算統(tǒng)計量Rn'
確定檢出水平α,查奈爾系數(shù)表(見國標(biāo)GB/T4883-2008),得出臨界值
當(dāng)Rn'>R1-α(n)時,判定X(1)為離群值,否則不能判定
確定剔除水平α*,查奈爾系數(shù)表(見國標(biāo)GB/T4883-2008),得出臨界值
當(dāng)Rn'>R1-α*(n)時,判定X(1)為統(tǒng)計離群值,否則不能判定
2.總體標(biāo)準(zhǔn)差未知時,格拉布斯檢驗法
對樣本數(shù)據(jù)按從小到大順序排序,然后計算樣本均值和樣本標(biāo)準(zhǔn)差s
如懷疑最大值X(n)為最大值,計算統(tǒng)計量Gn
確定檢出水平α,查出格拉布斯系數(shù)表(見國標(biāo)GB/T4883-2008),得出臨界值
當(dāng)Gn>G1-α(n)時,判定X(n)為離群值,否則不能判定
確定剔除水平α*,查出格拉布斯系數(shù)表(見國標(biāo)GB/T4883-2008),得出臨界值
當(dāng)Gn>G1-α*(n)時,判定X(n)為統(tǒng)計離群值,否則不能判定
如懷疑最小值X(1)為最大值,則計算統(tǒng)計量Gn'
確定檢出水平α,查出格拉布斯系數(shù)表(見國標(biāo)GB/T4883-2008),得出臨界值
當(dāng)Gn'>G1-α(n)時,判定X(1)為離群值,否則不能判定
確定剔除水平α*,查出格拉布斯系數(shù)表(見國標(biāo)GB/T4883-2008),得出臨界值
當(dāng)Gn'>G1-α*(n)時,判定X(1)為統(tǒng)計離群值,否則不能判定
3.總體標(biāo)準(zhǔn)差未知時,狄克遜(Dixon)檢驗法
對樣本數(shù)據(jù)按從小到大順序排序
樣本量n在3-30時
計算統(tǒng)計量
樣本量n在30-100時
計算統(tǒng)計量
確定檢出水平α,查狄克遜系數(shù)表(見國標(biāo)GB/T4883-2008),得出臨界值
當(dāng)Dn>D1-α(n)時,判定高端值X(n)為離群值,否則不能判定
當(dāng)Dn'>D1-α*(n)時,判定低端值X(1)為離群值,否則不能判定
4.總體標(biāo)準(zhǔn)差未知時,偏度-峰度檢驗法
我們知道峰度和偏度是判斷數(shù)據(jù)是否為正態(tài)分布的指標(biāo),而離群值則明顯偏離樣本主體,因此我們也可以使用偏度-峰度檢驗法來判斷離群值
單側(cè)情形——偏度檢驗法
當(dāng)離群值處于高端或低端一側(cè)時,可使用偏度檢驗法判斷,首先構(gòu)造偏度統(tǒng)計量bs
確定檢出水平α,查偏度檢驗系數(shù)表(見國標(biāo)GB/T4883-2008),得出臨界值
當(dāng)bs>b1-α(n)時,判定高端值X(n)為離群值,否則不能判定
當(dāng)bs'>b1-α(n)時,判定低端值X(1)為離群值,否則不能判定
確定剔除水平α*,查偏度系數(shù)表(見國標(biāo)GB/T4883-2008),得出臨界值
當(dāng)bs>b1-α*(n)時,判定高端值X(n)為統(tǒng)計離群值,否則不能判定
當(dāng)bs'>b1-α*(n)時,判定低端值X(1)為統(tǒng)計離群值,否則不能判定
雙側(cè)情形——峰度檢驗法
當(dāng)高端、低端兩側(cè)都可能出現(xiàn)離群值時,可使用峰度檢驗法判斷,首先構(gòu)造峰度統(tǒng)計量bk
確定檢出水平α,查峰度檢驗系數(shù)表(見國標(biāo)GB/T4883-2008),得出臨界值
當(dāng)bk>b'1-α(n)時,判定離均值最遠的觀測值為離群值,否則判定未發(fā)現(xiàn)離群值
確定剔除水平α*,查峰度系數(shù)表(見國標(biāo)GB/T4883-2008),得出臨界值
當(dāng)bk>b'1-α*(n)時,判定離均值最遠的觀測值為統(tǒng)計離群值,否則未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計離群值。
二、不可檢驗剔除水平
1.觀察法
根據(jù)直方圖或四分位圖進行判斷,現(xiàn)在很多統(tǒng)計軟件在繪制這兩種圖時,都會將離群值特殊標(biāo)記,一般認(rèn)為在均值±3倍標(biāo)準(zhǔn)差以外都屬于離群值,高出四分位距兩倍以上也屬于離群值。
2.萊伊達法
又稱為3σ準(zhǔn)則,在已知總體標(biāo)準(zhǔn)差的情況下使用σ進行判斷,但是實際上總體標(biāo)準(zhǔn)差往往未知,因此常使用樣本標(biāo)準(zhǔn)差s替代σ,以樣本均值替代真值,具體為
Xd是疑似離群值,X為均值
如果疑似離群值與均值的差值大于三倍標(biāo)準(zhǔn)差,則可認(rèn)為該值為離群值。
3.肖維特法
統(tǒng)計量
如果計算出的ω值大于肖維特系數(shù)表中相應(yīng)測定次數(shù)n時的值,則可認(rèn)為該值為異常值
3.羅曼諾夫斯基檢驗法
又稱t檢驗,首先將疑似離群值剔除,然后計算剔除后的均值和標(biāo)準(zhǔn)差
根據(jù)測量次數(shù)n和顯著性水平α,進行t檢驗,得出系數(shù)k,如果
則認(rèn)為xj為離群值
4.4d檢驗法
5.中位數(shù)與算數(shù)平均值比較判斷法
我們知道中位數(shù)居于一組數(shù)據(jù)中間的數(shù),而均值則可認(rèn)為是一組數(shù)字的“重心”或“平衡點”,當(dāng)二者相等的時候,可認(rèn)為這組數(shù)字是絕對平衡、沒有離群值的,我們可以據(jù)此進行判斷,當(dāng)二者相差較大時,表面該組數(shù)據(jù)可能存在離群值,將疑似離群值剔除之后,再計算均值和中位數(shù),如果二者相差變小,則可認(rèn)為被剔除值是離群值。
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數(shù)據(jù)分析師們:判斷離群值方法的選擇與應(yīng)注意的問題
1.合理選擇離群值的判斷方法
離群值的判斷方法很多,實際中到底選用哪一個,需根據(jù)對測量要求的精準(zhǔn)度和測量次數(shù)多少來綜合確定,一般情況下,測量次數(shù)多于30,或大于10次且只做粗略判斷時,使用萊伊達法即可;判斷精度要求不高,但要求快捷方便時,可以選用4d和中位數(shù)與算數(shù)平均數(shù)比較法。實際上,對于不用查表的方法大都比較便捷,但是代價是精度不夠,且無法檢驗剔除水平,相反一些需要借助查表的方法精度較高但是計算復(fù)雜,各有利弊。
2.準(zhǔn)確找出離群值
一般情況下,測量列中殘差較大者就是疑似離群值,它也就是樣本數(shù)據(jù)中的最大值或最小值
3.查找產(chǎn)生離群值的原因
已經(jīng)判斷為離群值的,即使是統(tǒng)計離群值,也不要簡單剔除了之,應(yīng)進一步分析產(chǎn)生離群值的原因。
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