置信带图
置信带图用一条曲线和其周围的阴影区域表示估计的不确定性。横轴连续变化时,画带比在每个位置竖一条误差线更容易看出范围怎样改变;阴影本身却不告诉读者它是均值置信区间、单次预测区间、分位范围还是人为设定的容差。图注应把对象、算法、置信水平和前提写清楚。
五个点拟合一条直线
设五对合成观测为 。用含截距的一元最小二乘直线 描述其平均关系。这里 、,并可直接求得 所以 、,拟合线为 。当 时,线上的值是 4;原始观测在 处却是 5。这说明拟合值代表模型估计的条件均值,不能替代每一个原始值。
逐点相减得到残差 ,平方和为 。两个回归参数从五点估计,残差自由度为 ,故残差标准差 这些算式解释了图上中心线和阴影宽度从哪里来;阴影不是绘图软件自动添加的“可信区域”。
均值置信带与单次预测带
暂且假设各个 为固定设计值,在这些位置的误差独立、均值为零、方差相同且服从正态分布。在某个给定 处,总体条件均值的点态 95% 置信区间以 为中心,半宽为 若要预测下一条独立观测,必须再加上它自身的随机误差,半宽变为 根号里多出的 正是下一条观察值本身的变动;因此同一位置的预测带比均值置信带宽。
在中心 处,两种区间的计算尤其容易核对。均值区间的半宽为 ,即约 ;新观测的预测区间半宽为 ,即约 。
阴影不能替代模型检查
这里的“95%”逐点针对预先给定的一个 。把所有这些区间并排涂成一条带,不表示整条未知回归函数有 95% 的概率同时处处落在带内;那需要专门的同时置信带方法。小样本只有五点,独立、线性、等方差和正态误差也难从图上确认,应结合残差分析和数据来源判断。
两种带在 最窄,是因为那里靠近观测横坐标的中心;远离中心时 增大。图只画在已有 至 的范围。若把直线和阴影向很远处延伸,公式仍能给数值,但线性模型未必继续适用,统计区间不能保护错误的外推模型。
参考资料
- Penn State STAT 462:新观测预测区间,简单线性回归中的 。
- NIST/SEMATECH:回归预测与区间,均值置信区间和单次测量预测区间的对象差异。
- ggplot2:带状图层,以
ymin与ymax绘制区间;图层不会自动决定区间含义。 - 相关:最小二乘法、误差线图、残差分析、统计推断。