Непараметрическая регрессия: ядерное сглаживание

Материал из MachineLearning.

Перейти к: навигация, поиск
Статья в настоящий момент дорабатывается.
SL 01:27, 12 января 2009 (MSK)


Ядерное сглаживание - один из простейших видов непараметрической регрессии.

Содержание

Принцип

Используйщий идейно простой подход к представлению последовательности весов \{ W_{ni}(x) \}_{i=1}^n состоит в описании формы весовой функции W_{ni}(x) посредством функции плотности со скалярным параметром, который регулирует размер и форму весов около х. Эту функцию формы принято называть ядром K.

Последовательность весов

Определение ядра

Ядро — это непрерывная ограниченная симметричная вещественная функция K с единичным интегралом

\int K(u)du=1

Последовательность весов для ядерных оценок (для одномерного x) определяется как

W_{ni}(x)=\frac{K_{h_n}(x\;-\;X_i)}{\hat{f}_{h_n}(x)},

где

\hat{f}_{h_n}(x)=\frac{\sum_{i=1}^n K_{h_n}(x\;-\;X_i)}{n},

a

K_{h_n}(u)=\frac{K\(\frac{u}{h_n}\)}{h_n}

представляет собой ядро с параметром масштаба h_n. Подчеркнув зависимость h\ =\ h_n от объема выборки n, условимся сокращен- но обозначать последовательность весов W_{ni}(x).

Функция ядра

Функция \hat{f}_{h_n}(x) является ядерной оценкой плотности Розенблата — Парзена (Rosenblatt, 1956; Parzen, 1962) для (маргинальной) плотности переменной x. Данный вид ядерных весов W_{ni}(x) был предложен в работах (Nadaraya, 1964) и (Watson, 1964), и, как следствие,

\hat{m}_h(x)=\frac{n^{-1}\sum_{i=1}^n K_{h_n}(x\;-\;X_i)Y_i}{n^{-1}\sum_{i=1}^n K_{h_n}(x\;-\;X_i)}

часто называют оценкой Надарая — Ватсона. форма ядерных весов определяется ядром K в то время как размер весов параметризируется посредством переменной h, называемой шириной окна. Нормализация весов \hat{f}_{h_n}(x) позволяет адаптироваться к локальной интенсивности переменной x и, кроме того, гарантирует, что сумма весов равна еденице. Вообще говоря, можно брать различные ядерные функции, нр как практика, так и теория ограничивают выбор. Так, например, ядерные функции, принимающие очень малые значения, могут приводить к машинному нулю компьютера, поэтому разумно рассматривать такие ядерные функции, которые равны нулю вне некоторого фиксированного интервала.

Пример функции ядра

Ядро Бпанечникова. Это ядро  имеет параболическую форму и носитель .
Ядро Бпанечникова. Это ядро K(u)=0.75(1-u^2)I(\| u \| \le 1) имеет параболическую форму и носитель [-1,1].

Обычно используется ядерная функция, обладающая некоторыми свойствами оптимальности [Хардле В п4.5]; это функция параболического типа (Epanechnikov, 1969; Bartlett, 1963):

K(u)=0.75(1-u^2)I(\| u \| \le 1).

Замечание. Ядро не дифференцируемо при u = \pm 1. Ядерная оценка не определена для значения ширины окна с \hat{f}_{h_n}(x)=0. Если такой случай 0/0 возникает, то \hat{m}_h(x) определяется как 0.

Зависимость от ширины окна

Допустим, что ядерная оценка вычисляется только в точках наблюдений \{ X_i\}_{i=1}^n. Тогда при h\rightarrow0,

\hat{m}_h(x)\rightarrow\frac{K(0)Y_i}{K(0)}=Y_i;

следовательно, малая ширина окна воспроизводит данные. Исследуем теперь, что происходит при h\rightarrow\infty. Допустим, что K имеет носитель [-1,1], как на рис. Тогда K(x\;-\;X_i/h)\rightarrow K(0) и, следовательно,

\hat{m}_h(x)=\frac{n^{-1}\sum_{i=1}^n K(0)Y_i}{n^{-1}\sum_{i=1}^n K(0)}\;=\;n^{-1}\sum_{i=1}^n Y_i

Слишком большое значение ширины окна приводит таким образом к чрезмерному сглаживанию кривой — среднему арифметическому значений переменной отклика.


Литература

  1. Хардле В. Прикладная непараметрическая регрессия. — 1989.

См. также

Личные инструменты