Выбор статистической модели

Выбор модели — это задача выбора статистической модели из набора моделей-кандидатов по имеющимся данным. В простейшем случае рассматривается существующий набор данных. Однако задача может вовлекать планирование экспериментов, так что сбор данных связан с задачей выбора модели. Если заданы кандидаты в модели с одинаковой силой предсказания или объяснения, наиболее простая модель скорее всего будет лучшим выбором (бритва Оккама).

Кониси и Китагава^[1] утверждают: «Большинство задач при статистическом выводе можно считать задачами, связанными со статистическим моделированием». Вместе с тем, Кокс^[2] сказал: «Каким образом осуществлена трансляция от предметной задачи к статистической модели является наиболее критической частью анализа».

Выбор модели может также относиться к задаче выбора нескольких представляющих моделей из большого набора вычислительных моделей с целью принятия решения или оптимизации в условиях неопределённости.

Введение

Цикл научных наблюдений.

В наиболее простых формах выбор модели является одной из фундаментальных задач научного поиска. Определение принципа, который объясняет ряд наблюдений, часто связан напрямую с математической моделью предсказания этих наблюдений. Например, когда Галилей осуществлял свои эксперименты с наклонной плоскостью, он демонстрировал, что движение шара идёт по параболе, предсказанной в его модели.

При бесконечном числе возможных механизмов и процессов, которые могут дать данные, как можно даже подступить к выбору лучшей модели? Математический подход обычно принимает решение среди набора кандидатов в модели. Этот набор должен быть выбран исследователем. Часто используются простые модели, такие как многочлены, по меньшей мере в начале. Бёрнем и Андерсен^[3] подчёркивают в своей книге важность выбора моделей на основе научных принципов, таких как понимание феноменологических процессов или механизмов (например, химических реакций) для данных.

Когда множество кандидатов в модели выбрано, статистический анализ позволяет выбрать лучшую из этих моделей. Что означает слово лучшая, вопрос дискуссионный. Техника выбора хорошей модели будет балансировать между адекватностью модели и простотой. Более сложные модели способны лучше адаптироваться к данным (например, многочлен пятой степени может в точности представлять шесть точек), однако дополнительные параметры могут не представлять ничего полезного (возможно, эти шесть точек на самом деле случайным образом распределены вдоль прямой). Адекватность модели обычно определяется с помощью отношения правдоподобия или приближения к нему, что приводит к критерию хи-квадрат. Сложность в общем случае измеряется подсчётом числа параметров модели.

Техники выбора модели можно считать оценками некоторых физических величин, таких как вероятность того, что модель даст имеющиеся данные. Смещение и дисперсия являются важными показателями качества предсказателя. Часто рассматривается также показатель эффективности.

Стандартным примером выбора модели служит подбор кривой, где, по заданному набору точек и другим сведениям общего характера (например, когда точки являются результатом выборки независимых случайных величин), мы должны выбрать кривую, которая описывает функцию, генерирующую точки.

Методы для выбора множества кандидатов в модели

• Разведочный анализ данных
• Научный метод

Критерии

Если заранее ограничиваться рассмотрением только моделей авторегрессии (AR), то есть полагать, что процесс Xt следует модели AR(k) с неизвестным истинным порядком k, то для определения k в таких ситуациях долгое время использовался^[4]

• Информационный критерий Акаике (AIC), мера адекватности статистической модели. Впоследствии было выяснено, что оценка Акаике несостоятельна и асимптотически переоценивает (завышает) истинное значение k0 с ненулевой вероятностью^[4].

Более предпочтительным является часто используемый в настоящее время^[4]

• Байесовский информационный критерий (BIC), известный также как информационный критерий Шварца, статистический критерий выбора модели.

Несколько позднее был предложен^[4]

• Информационный критерий Хеннана – Куинна^[англ.], обладающий более быстрой сходимостью к истинному значению k0 при ${\displaystyle T\to \infty }$. Однако при небольших значениях T этот критерий недооценивает порядок авторегрессии.

Часто используется

• Коэффициент Байеса

Используются также следующие критерии

• Перекрёстная проверка
• Информационный критерий отклонения^[англ.] (DIC), ещё один байесовский критерий выбора модели
• Критерий эффективности опознавания (англ. Efficient determination criterion, EDC)
• Уровень ложноположительных результатов^[англ.]
• Сфокусированный информационный критерий^[англ.] (FIC), критерий выбора статистических моделей по их эффективности для заданного параметра
• Тест отношения правдоподобия, статистический тест, используемый для проверки ограничений на параметры статистических моделей, оцененных на основе выборочных данных.
• Статистика C_p Мэллоуса^[англ.]. Считается, что для хорошей модели эта статистика должна принимать значения, близкие к числу параметров модели (включая свободный член)^[5].
• Принцип минимальной длины описания (Алгоритмическая теория информации) — это формализация бритвы Оккама, в которой лучшая гипотеза (модель и её параметры) для данного набора данных это та, которая ведёт к лучшему сжиманию данных.
• Сообщение минимальной длины (Алгоритмическая теория информации)
• Структурная минимизация риска^[англ.]
• Ступенчатая регрессия^[англ.]. Цель пошаговой регрессии состоит в отборе из большого количества предикатов небольшой подгруппы переменных, которые вносят наибольший вклад в вариацию зависимой переменной.
• Информационный критерий Ватанабе — Акаике^[англ.] (WAIC), информационный критерий широкого применения

См. также

• Все модели неправильны^[англ.]
• Анализ конкурирующих гипотез^[англ.]
• Автоматическое машинное обучение
• Дилемма смещения–дисперсии
• Парадокс Фридмана^[англ.]
• Поиск по сетке параметров
• Анализ идентифицируемости^[англ.]
• Логарифмический линейный анализ^[англ.]
• Идентификация систем
• Бритва Оккама
• Оптимальный план эксперимента^[англ.]
• Задача выбора параметра^[англ.]
• Обоснование регрессионной модели^[англ.]
• Моделирование
• Парадокс Штайна^[англ.]