Proč mají větší ostrovy více druhů rostlin?
Tvar rozdělení, transformace a nelinearita — podkladové čtenářské materiály k přednášce
Galapágy leží v Tichém oceánu asi tisíc kilometrů od pobřeží Ekvádoru. Na snímku je vidět, jak odlišné ostrovy souostroví tvoří: několik obrovských sopečných ostrovů a mnoho malých ostrůvků a skalek. Botanici na nich spočítali druhy cévnatých rostlin a zjistili, že větší ostrovy jich hostí více. Takový vztah ekologové znají z ostrovů, horských vrcholů i ostrůvků lesa v zemědělské krajině.
Než si odpovíte, zkuste odhadnout: kdyby ostrov měl desetkrát větší plochu, kolikrát více druhů byste na něm čekali? Na konci lekce svůj odhad porovnáte s tím, co ukážou data.
1 Co prozradil oblouk v residuích stromů?
Abychom na otázku o ostrovech mohli odpovědět, budeme potřebovat popsat zakřivený vztah. S takovým vztahem jsme se setkali už v předchozí lekci, kde jsme porovnávali kandidátní modely pro výšku jehličnanů. Nejlépe obhajitelný byl aditivní model s průměrem kmene a druhem stromu. U jeho residuíRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. však zůstal jeden vzor, ke kterému se nyní vrátíme.
U nejmenších a největších stromů leží residua převážně pod nulou, uprostřed nad nulou. Model tedy u krajních stromů výšku systematicky přeceňuje a u středně velkých podceňuje. Takový oblouk v residuích naznačuje, že skutečný vztah je zakřivený, zatímco model předpokládá přímku. Žádná z porovnávaných přímek tento vzor neodstranila. Zda a jak oblouk zmizí, zjistíme ve chvíli, kdy budeme umět měnit tvar vztahu; k těmto stromům se vrátíme na konci lekce.
Předchozí lekce proto skončila otevřenou otázkou: co dělat, když žádný kandidát složený z přímek nestačí? Tato lekce na ni odpoví. Uvidíme, že lineární modelStatistický model předpokládající, že odezva je lineární funkcí prediktorů plus chybový člen s normálním rozdělením (y = a + b·x + ε). umí popsat i zakřivený vztah, pokud vhodně upravíme proměnné. Předtím se ale musíme naučit popisovat tvar — tvar rozděleníPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení. hodnot i tvar vztahu.
2 Co se v této lekci naučíte
Po prostudování lekce budete umět:
- popsat tvar rozděleníPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení. proměnné nebo residuíRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. pomocí histogramuGraf zobrazující rozdělení hodnot numerické proměnné: hodnoty jsou seřazeny do tříd, výška sloupce udává četnost v dané třídě. a Q–Q grafuGraf, který porovnává seřazené hodnoty (typicky residua) s kvantily očekávanými u zvoleného rozdělení, nejčastěji normálního. a posoudit, zda je tento tvar pro lineární modelStatistický model předpokládající, že odezva je lineární funkcí prediktorů plus chybový člen s normálním rozdělením (y = a + b·x + ε). podstatný;
- rozlišit transformaceMatematická operace použitá na hodnoty proměnné s cílem splnit předpoklady modelu nebo zlepšit linearitu vztahu., které mění jen polohu a měřítko hodnot (změna jednotek, centrování, z-skóre), od transformací, které mění tvar (logaritmus, odmocnina);
- rozpoznat zakřivený vztah v datech a navrhnout jednoduché řešení;
- porovnat několik biologicky smysluplných tvarů vztahu jako kandidátní modely;
- vysvětlit, jak transformace mění interpretaci koeficientů modelu.
3 Tvar rozdělení
3.1 Jeden řádek tabulky představuje jeden ostrov
Budeme pracovat s klasickými daty o rostlinách Galapág, která publikovali M. P. Johnson a P. H. Raven (1973). Každý řádek tabulky představuje jeden ostrov. Pro každý ostrov známe:
| Proměnná | Význam | Jednotka |
|---|---|---|
ostrov |
název ostrova | — |
pocet_druhu |
počet druhů cévnatých rostlin | počet |
pocet_endemitu |
počet druhů, které nerostou nikde jinde na světě | počet |
plocha_km2 |
plocha ostrova | km² |
nejvyssi_bod_m |
nadmořská výška nejvyššího bodu ostrova | m n. m. |
vzdalenost_nejblizsi_km |
vzdálenost k nejbližšímu ostrovu | km |
vzdalenost_santa_cruz_km |
vzdálenost k ostrovu Santa Cruz | km |
plocha_sousedniho_km2 |
plocha nejbližšího sousedního ostrova | km² |
Hlavní odezvouProměnná, jejíž variabilitu se snažíme vysvětlit nebo předpovědět; v notaci modelu y ~ x je odezva y. bude počet druhů rostlin a hlavním prediktoremProměnná, pomocí níž vysvětlujeme variabilitu odezvy; v notaci y ~ x je prediktor x. plocha ostrova. Ostatní proměnné použijeme pro srovnání tvarů rozděleníPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení. a pro práci s různými jednotkami.
# Načteme připravenou výukovou tabulku
data_ostrovy <-
read.csv(
file = here::here("data", "druhy_galapagy.csv"),
stringsAsFactors = FALSE
)3.2 Co v tabulce chybí a co je neobvyklé?
Než začneme cokoli modelovat, tabulku prohlédneme. Zajímá nás struktura proměnnýchVlastnost zaznamenaná u pozorování, která může mezi pozorováními nabývat různých hodnot, například druh, délka nebo počet., chybějící hodnoty a rozsahy, které by mohly prozradit chybu nebo neobvyklé pozorováníJeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných..
# Prohlédneme první řádky tabulky
head(
x = data_ostrovy,
n = 6
) ostrov pocet_druhu pocet_endemitu plocha_km2 nejvyssi_bod_m
1 Baltra 58 23 25.09 NA
2 Bartolome 31 21 1.24 109
3 Caldwell 3 3 0.21 114
4 Champion 25 9 0.10 46
5 Coamano 2 1 0.05 NA
6 Daphne Major 18 11 0.34 NA
vzdalenost_nejblizsi_km vzdalenost_santa_cruz_km plocha_sousedniho_km2
1 0.6 0.6 1.84
2 0.6 26.3 572.33
3 2.8 58.7 0.78
4 1.9 47.4 0.18
5 1.9 1.9 903.82
6 8.0 8.0 1.84
# Ověříme datové typy proměnných
str(object = data_ostrovy)'data.frame': 30 obs. of 8 variables:
$ ostrov : chr "Baltra" "Bartolome" "Caldwell" "Champion" ...
$ pocet_druhu : int 58 31 3 25 2 18 24 10 8 2 ...
$ pocet_endemitu : int 23 21 3 9 1 11 0 7 4 2 ...
$ plocha_km2 : num 25.09 1.24 0.21 0.1 0.05 ...
$ nejvyssi_bod_m : int NA 109 114 46 NA NA 93 168 NA 112 ...
$ vzdalenost_nejblizsi_km : num 0.6 0.6 2.8 1.9 1.9 8 6 34.1 0.4 2.6 ...
$ vzdalenost_santa_cruz_km: num 0.6 26.3 58.7 47.4 1.9 ...
$ plocha_sousedniho_km2 : num 1.84 572.33 0.78 0.18 903.82 ...
# Spočítáme chybějící hodnoty v každém sloupci
colSums(x = is.na(data_ostrovy)) ostrov pocet_druhu pocet_endemitu
0 0 0
plocha_km2 nejvyssi_bod_m vzdalenost_nejblizsi_km
0 6 0
vzdalenost_santa_cruz_km plocha_sousedniho_km2
0 0
# Zkontrolujeme rozsahy hlavních proměnných
range(x = data_ostrovy$pocet_druhu)[1] 2 444
range(x = data_ostrovy$plocha_km2)[1] 0.01 4669.32
Tabulka obsahuje 30 ostrovů. Počty druhů i plochy jsou kompletní; nejvyšší bod chybí u 6 ostrovů. Při prohlídce si všimneme tří věcí:
- Plochy ostrovů se liší extrémně. Nejmenší ostrov má 0.01 km², největší ostrov Isabela 4 669 km². Největší ostrov je tedy zhruba 466 932krát větší než nejmenší.
- Ostrov Santa Cruz má vzdálenost k ostrovu Santa Cruz rovnou nule, protože jde o tentýž ostrov. Hodnota není chybou, ale je to skutečná nula; bude důležitá, až budeme hodnoty logaritmovat.
- Ostrov Daphne Minor nemá žádný endemický druh. Také tato nula je skutečná hodnota.
Záporné hodnoty ani zjevné chyby jednotek v tabulce nevidíme. Počty a plochy jsou biologicky věrohodné.
3.3 Jak vypadají počty druhů a plochy ostrovů?
RozděleníPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení. číselné proměnné nejrychleji uvidíme v histogramuGraf zobrazující rozdělení hodnot numerické proměnné: hodnoty jsou seřazeny do tříd, výška sloupce udává četnost v dané třídě. (anglicky histogram). Vodorovná osa ukazuje hodnoty proměnné rozdělené do košů, svislá osa četnostPočet výskytů určité hodnoty nebo kategorie v datové sadě; pro kategoriální proměnné je četnost základní deskriptivní statistikou. ostrovů v každém koši.
# Zobrazíme rozdělení počtu druhů
hist(
x = data_ostrovy$pocet_druhu,
breaks = 15,
col = "#86579E",
border = "white",
main = "",
xlab = "Počet druhů rostlin",
ylab = "Počet ostrovů"
)# Zobrazíme rozdělení plochy ostrovů
hist(
x = data_ostrovy$plocha_km2,
breaks = 15,
col = "#86579E",
border = "white",
main = "",
xlab = "Plocha ostrova (km²)",
ylab = "Počet ostrovů"
)Většina ostrovů je malá a má málo druhů: 17 z 30 ostrovů má plochu menší než 10 km² a 23 ostrovů má méně než 100 druhů. Několik velkých ostrovů vytváří na pravé straně histogramu dlouhý řídký „ocas“. U plochy je to extrémní: téměř všechny ostrovy se vejdou do prvního koše a celý zbytek osy zabírá jen hrstka obrů. Histogram plochy tak o malých ostrovech neříká téměř nic.
3.4 Jak popsat tvar rozdělení slovy?
Pro takové obrázky potřebujeme slova. Tvar rozděleníPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení. popisujeme podle několika vlastností:
- Souměrnost. Levá a pravá polovina rozdělení vypadají přibližně jako zrcadlový obraz.
- Šikmost (anglicky skewness). Rozdělení má jeden ocas delší než druhý. Rozdělení s dlouhým ocasem vpravo nazýváme pravostranně šikmé (right-skewed), s dlouhým ocasem vlevo levostranně šikmé (left-skewed). Šikmost pojmenováváme podle strany dlouhého ocasu, nikoli podle strany, kde leží většina hodnot.
- Těžké konce (heavy tails). Rozdělení je souměrné, ale velmi vzdálené hodnoty na obou stranách se objevují častěji, než bychom u souměrného zvonovitého tvaru čekali (tento referenční tvar pojmenujeme o několik kapitol dál). Stejnou vlastnost jsme v lekci o testování hypotéz popsali u t-rozdělení s malým počtem stupňů volnosti jako těžší chvosty.
- Vícevrcholovost (multimodality). Rozdělení má dva nebo více vrcholů, například proto, že data obsahují dvě odlišné skupiny. Tak tomu bylo u délek erupcí gejzíru Old Faithful, které tvořily skupinu krátkých a skupinu dlouhých erupcí.
- Omezení hodnot. Některé veličiny nemohou klesnout pod nulu (plocha, počet, hmotnost) nebo leží mezi nulou a jedničkou (podíly). Hranice často tvar rozdělení ovlivňuje.
Abychom tvary viděli čistě, připravili jsme pět simulovaných souborů po 300 hodnotách. Nejde o skutečná měření; každý soubor jsme vytvořili tak, aby měl jeden typický tvar.
Počet druhů i plocha ostrovů jsou tedy pravostranně šikmé: většina hodnot leží vlevo a dlouhý ocas míří doprava. U plochy je šikmost extrémní.
Šikmost poznáme i bez obrázku, porovnáním průměruSoučet hodnot vydělený jejich počtem; nejběžnější míra polohy (střední hodnoty). a mediánuHodnota rozdělující seřazená data na dvě stejně početné poloviny; 50. percentil.. V první lekci jsme u tělesné hmotnosti savců viděli, že dlouhý ocas táhne průměr k sobě, zatímco medián zůstává uprostřed seřazených hodnot. Tehdy jsme taková data nazývali „výrazně asymetrická“; přesnější název je pravostranně šikmá. Průměrný počet druhů je 85.2, medián jen 42. Průměrná plocha je 261.7 km², medián 2.59 km². Průměr plochy tak popisuje ostrov, jakých je v souostroví jen několik.
3.5 Proč je tolik biologických veličin pravostranně šikmých?
Pravostranná šikmost není u biologických dat výjimkou, ale pravidlem. Plochy, hmotnosti, koncentrace, velikosti populací nebo počty druhů bývají šikmé ze dvou důvodů.
Hranice v nule. Plocha ani počet druhů nemohou být záporné. Když je většina hodnot blízko nule, rozděleníPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení. se nemá kam rozšířit doleva, ale doprava ano.
Růst násobením. Mnoho biologických procesů nepřičítá stále stejný přírůstek, ale násobí. Populace roste o určité procento, buňka se dělí, strom přirůstá úměrně své velikosti. Simulace v následujícím obrázku ukazuje rozdíl. Celkem 1000 simulovaných populací začíná na stejné velikosti a 20krát se změní. Vlevo se v každém kroku k velikosti přičte náhodný přírůstek, vpravo se velikost vynásobí náhodným faktorem.
Když se sčítá mnoho malých náhodných vlivů, kladné a záporné přírůstky se navzájem vyrovnávají a vzniká souměrný zvon. Když se náhodné vlivy násobí, populace, které už jsou velké, rostou ve stejných procentech o mnohem více jedinců než malé. Několik populací proto uteče daleko doprava a vznikne pravostranně šikmé rozdělení.
Na Galapágách se na šikmosti plochy podílí hlavně hranice v nule: malých ostrůvků a skalek je mnoho, velkých sopečných ostrovů jen několik a plocha nemůže klesnout pod nulu. Šikmý počet druhů pak zčásti kopíruje šikmou plochu, protože větší ostrovy nabízejí více prostředí pro více druhů. Šikmost tedy sama o sobě není chybou dat. Je to vlastnost biologie, kterou musíme znát a zohlednit při volbě modelu.
3.6 K čemu slouží normální rozdělení?
Souměrný zvon z levého panelu simulace už známe. V předchozích lekcích jsme jej používali jako referenční tvar v Q–Q grafechGraf, který porovnává seřazené hodnoty (typicky residua) s kvantily očekávanými u zvoleného rozdělení, nejčastěji normálního. residuíRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. a podobný tvar má také t-rozděleníPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení., ze kterého jsme počítali p-hodnotyPravděpodobnost, že bychom při platnosti nulové hypotézy pozorovali data alespoň tak extrémní jako naše skutečná data. a intervaly spolehlivostiRozsah hodnot, v němž se s danou spolehlivostí (typicky 95 %) nachází odhadovaný parametr.. Tento zvonovitý tvar se nazývá normální rozdělení (anglicky normal distribution, také Gaussovo rozdělení).
Normální rozdělení je souměrné a má jeden vrchol. Jeho tvar určují jen dvě čísla, která známe už z první lekce: průměrSoučet hodnot vydělený jejich počtem; nejběžnější míra polohy (střední hodnoty). a směrodatná odchylkaOdmocnina rozptylu; vyjadřuje průměrnou vzdálenost hodnot od průměru ve stejných jednotkách jako původní data. (SD). Průměr říká, kde leží střed zvonu. SD říká, jak je zvon široký.
Změna průměru posune celý zvon doleva nebo doprava, aniž by změnila jeho tvar. Větší SD zvon roztáhne do šířky, a protože plocha pod křivkou zůstává stejná, zvon zároveň sníží. Hodnoty daleko od středu jsou u normálního rozdělení vzácné. Jak vzácné, můžeme vyjádřit právě v jednotkách SD.
V simulovaném souměrném souboru 3 leží do jedné SD od průměru 64% hodnot a do dvou SD 97% hodnot, tedy blízko pravidlu; v souboru o 300 hodnotách se podíly od teoretických trochu liší náhodou. Podobnou myšlenku jsme použili u intervalů spolehlivosti. Odhady sklonu z opakovaných výběrů kolísaly kolem skutečné hodnoty přibližně zvonovitě a jejich „směrodatnou odchylkou“ byla standardní chyba. Proto 95% interval sahal od odhadu přibližně dvě standardní chyby na každou stranu (přesněji o kritickou hodnotu t, u malých souborů o něco větší než 2). Interval tedy nepokrývá 95 % pozorování; s 95% spolehlivostí zachycuje skutečnou hodnotu sklonu.
U šikmých dat toto pravidlo neplatí. Průměrná plocha ostrovů je 261.7 km² a SD 864.1 km². Průměr minus jedna SD dává -602.4 km², tedy zápornou plochu, která nemůže existovat. Do jedné SD od průměru přitom padá 97% ostrovů místo přibližně 68%. Dvojice průměr a SD tedy dobře popisuje hlavně přibližně souměrná data; proto jsme v první lekci u výrazně asymetrických dat doporučili medián a mezikvartilové rozpětí.
Normální rozdělení je užitečné měřítko, nikoli výchozí vlastnost biologických dat. Jak jsme viděli, mnoho biologických veličin normální není a ani být nemá. Normální rozdělení potřebujeme proto, že s ním lineární modelStatistický model předpokládající, že odezva je lineární funkcí prediktorů plus chybový člen s normálním rozdělením (y = a + b·x + ε). počítá u jedné konkrétní části modelu. Kterou částí to je, zjistíme v další kapitole.
3.7 Jak se tvar rozdělení projeví v Q–Q grafu?
HistogramGraf zobrazující rozdělení hodnot numerické proměnné: hodnoty jsou seřazeny do tříd, výška sloupce udává četnost v dané třídě. je názorný, ale u malého počtu pozorováníJeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných. silně závisí na volbě šířky koše (anglicky bin width), jak jsme viděli v první lekci. Proto jsme při kontrole residuíRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. používali Q–Q grafGraf, který porovnává seřazené hodnoty (typicky residua) s kvantily očekávanými u zvoleného rozdělení, nejčastěji normálního. (anglicky quantile–quantile plot). Ten porovnává seřazené hodnoty s kvantilyHodnota, pod níž leží určený podíl seřazených dat; medián je 50% kvantil., které bychom čekali u normálního rozdělení. Pokud mají data normální tvar, body leží přibližně na přímce. Každý jiný tvar má svůj typický vzor odchylek.
I u dokonale normálních dat body kolem přímky trochu kolísají, nejvíce na krajích. S malým počtem pozorování je toto kolísání větší. Proto hledáme systematický vzor, ne jednotlivé body mimo přímku.
Nový slovník pomáhá přečíst i grafy z předchozích lekcí. U residuí kosatců v lekci o první přímce se oba konce Q–Q grafu mírně odkláněly opačnými směry: residua měla slabě těžké konce.
4 Co lineární model předpokládá
4.1 Jak počet druhů popíše přímka?
Vraťme se k hlavní otázce. Nejjednodušší model, který známe, je přímka: počet druhů jako lineární funkce plochy ostrova. Vztah zobrazíme v bodovém grafuGraf vztahu dvou numerických proměnných, v němž každý bod představuje jedno pozorování a jeho dvě hodnoty určují polohu na osách. (anglicky scatter plot) a odhadneme lineární modelStatistický model předpokládající, že odezva je lineární funkcí prediktorů plus chybový člen s normálním rozdělením (y = a + b·x + ε)..
# Odhadneme přímku pro počet druhů podle plochy
mod_primka <-
lm(
formula = pocet_druhu ~ plocha_km2,
data = data_ostrovy
)
# Zobrazíme ostrovy a odhadnutou přímku
plot(
x = data_ostrovy$plocha_km2,
y = data_ostrovy$pocet_druhu,
pch = 19,
col = "#5D2890",
xlab = "Plocha ostrova (km²)",
ylab = "Počet druhů rostlin"
)
abline(
reg = mod_primka,
col = "#D55E00",
lwd = 2
)# Vypíšeme odhadnutý intercept a sklon
coef(object = mod_primka)(Intercept) plocha_km2
63.78286147 0.08196317
Přímka říká, že každý další kilometr čtvereční přidá v průměru 0.082 druhu, tedy asi 8.2 druhu na 100 km². Obrázek ale ukazuje problém: 17 ostrovů je namačkaných u levého okraje grafu a o sklonuParametr lineárního modelu udávající, o kolik se změní odezva, pokud prediktor vzroste o jednu jednotku (při zachování ostatních prediktorů). přímky rozhoduje hlavně několik velkých ostrovů vpravo. Jak dobře přímka data popisuje, zjistíme z residuíRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ.. Předtím si ale ujasníme, co přesně u nich kontrolujeme.
4.2 Co přesně má být u lineárního modelu normální?
Viděli jsme, že počet druhů i plocha jsou silně pravostranně šikmé. Znamená to, že lineární modelStatistický model předpokládající, že odezva je lineární funkcí prediktorů plus chybový člen s normálním rozdělením (y = a + b·x + ε). pro tato data nelze použít? Odpověď začíná otázkou, z čeho se počet druhů jednoho ostrova podle modelu skládá.
Ostrov Santa Cruz má 444 druhů. Přímka pro jeho plochu odhaduje 138 druhů a zbytek, 306 druhů, je jeho residuumRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ.:
\[ 444 = 138 + 306. \]
Totéž platí pro každý ostrov: pozorovaná hodnota = odhad přímky + residuum. Přímka nese systematickou část vztahu, residuum to, co přímka nevysvětlila.
Kdyby přímka vystihovala vztah, zbyly by v residuích jen náhodné odchylky: kladné i záporné, malé častěji než velké, rozložené souměrně kolem nuly. Tvar se blíží zvonu normálního rozdělení z předchozí kapitoly. Právě takový tvar residuí lineární model předpokládá. O tvaru samotné odezvyProměnná, jejíž variabilitu se snažíme vysvětlit nebo předpovědět; v notaci modelu y ~ x je odezva y. nebo prediktoruProměnná, pomocí níž vysvětlujeme variabilitu odezvy; v notaci y ~ x je prediktor x. přitom nic netvrdí. Ověřte si, že je to jasné:
Jak se tedy chovají residua přímky pro ostrovy?
4.3 Co ukazují residua přímky?
ResiduaRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. kontrolujeme stejnými grafy jako v předchozích lekcích: residui podle odhadnutých hodnotHodnota odezvy, kterou fitovaný model přiřadí pozorování na základě jeho hodnot prediktorů; značí se často ŷ., histogramem residuí a Q–Q grafemGraf, který porovnává seřazené hodnoty (typicky residua) s kvantily očekávanými u zvoleného rozdělení, nejčastěji normálního. residuí.
# Residua podle odhadnutého počtu druhů
plot(
x = fitted(object = mod_primka),
y = residuals(object = mod_primka),
pch = 19,
col = "#5D2890",
xlab = "Odhadnutý počet druhů",
ylab = "Residuum (počet druhů)"
)
abline(
h = 0,
col = "#2E2E2E",
lty = 2
)# Histogram residuí přímky
hist(
x = residuals(object = mod_primka),
breaks = 15,
col = "#86579E",
border = "white",
main = "",
xlab = "Residuum (počet druhů)",
ylab = "Počet ostrovů"
)# Q–Q graf residuí přímky
qqnorm(
y = residuals(object = mod_primka),
pch = 19,
main = "",
xlab = "Teoretický kvantil normálního rozdělení",
ylab = "Residuum"
)
qqline(
y = residuals(object = mod_primka),
col = "#D55E00",
lwd = 2
)V grafu residuíRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. podle odhadnutých hodnot netvoří body vodorovný pás kolem nuly. Většina ostrovů je nahuštěná vlevo, kde má přímka malé odhady, a rozptyl residuí se směrem doprava zvětšuje (heteroskedasticitaJev, kdy rozptyl reziduí není konstantní podél hodnot prediktoru - typicky se rozptyl zvyšuje s rostoucí predikovanou hodnotou.). Histogram residuí má dlouhý ocas vpravo a Q–Q grafGraf, který porovnává seřazené hodnoty (typicky residua) s kvantily očekávanými u zvoleného rozdělení, nejčastěji normálního. se vpravo prudce zvedá: několik kladných residuí je mnohem větších, než by normální rozdělení čekalo. Residua přímky jsou tedy pravostranně šikmá, nemají přibližně normální tvar a jejich rozptyl není konstantní. Problém se netýká jen tvaru rozděleníPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení., ale i tvaru vztahu: přímka nesleduje, jak se počet druhů s plochou opravdu mění.
4.4 Jak jeden velký ostrov ovlivní celou přímku?
Šikmý prediktorProměnná, pomocí níž vysvětlujeme variabilitu odezvy; v notaci y ~ x je prediktor x. předpoklad modelu neporušuje, ale má praktický důsledek. Několik extrémně velkých ostrovů leží daleko od ostatních na ose x. Taková pozorováníJeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných. mají velký pákový efektMíra toho, jak neobvyklé hodnoty prediktorů má jedno pozorování ve srovnání s ostatními; nezávisí na naměřené odezvě. (anglicky leverage): přímka se k nim natáčí podobně jako dlouhá páka. Jejich vliv na model měří Cookova vzdálenostMíra vlivu jednoho pozorování na model: vyjadřuje, jak moc by se změnily odhadnuté hodnoty, kdybychom toto pozorování vynechali., kterou známe z předchozích lekcí.
# Vypočítáme vliv jednotlivých ostrovů na přímku
vec_cook_primka <-
cooks.distance(model = mod_primka)
plot(
x = vec_cook_primka,
type = "h",
lwd = 3,
col = "#5D2890",
xlab = "Pořadí ostrova v tabulce",
ylab = "Cookova vzdálenost"
)Ostrov Isabela má Cookovu vzdálenostMíra vlivu jednoho pozorování na model: vyjadřuje, jak moc by se změnily odhadnuté hodnoty, kdybychom toto pozorování vynechali. 113.3, zatímco druhá nejvyšší hodnota je jen 0.32. Hodnota větší než 1 je podle všech běžných orientačních pravidel neobvykle vysoká. SklonParametr lineárního modelu udávající, o kolik se změní odezva, pokud prediktor vzroste o jednu jednotku (při zachování ostatních prediktorů). přímky tak z velké části určuje jediný ostrov. Ostrov přitom není chybou měření a nemáme důvod jej odstranit. Problém je v modelu: přímka neumí popsat ostrovy, jejichž plochy se liší o několik řádů.
4.5 Co říká test normality residuí?
Q–Q grafGraf, který porovnává seřazené hodnoty (typicky residua) s kvantily očekávanými u zvoleného rozdělení, nejčastěji normálního. posuzujeme očima. Někdy chceme odchylku od normálního tvaru shrnout také jedním číslem. K tomu slouží test normality, nejčastěji Shapiro–Wilkův test (Shapiro–Wilk test). Jak se jeho statistika počítá, nepotřebujeme; důležité je umět výsledek přečíst.
Test používá stejnou logiku jako ostatní testy v kurzu. Nulová hypotézaVýchozí předpoklad, který testujeme - typicky ‘efekt je nulový’ nebo ‘skupiny se neliší’; p-hodnota udává pravděpodobnost dat za předpokladu platnosti H₀. tvrdí, že residuaRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. pocházejí z normálního rozdělení. P-hodnotaPravděpodobnost, že bychom při platnosti nulové hypotézy pozorovali data alespoň tak extrémní jako naše skutečná data. říká, jak neobvyklá by byla tak velká odchylka od normálního tvaru, kdyby nulová hypotéza platila.
# Shapiro–Wilkův test normality residuí přímky
shapiro.test(x = residuals(object = mod_primka))
Shapiro-Wilk normality test
data: residuals(object = mod_primka)
W = 0.73771, p-value = 5.8e-06
Test vrátil p < 0.001. Kdyby residuaRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. pocházela z normálního rozdělení, tak velká odchylka by byla velmi neobvyklá. Test tedy potvrzuje to, co jsme viděli v Q–Q grafuGraf, který porovnává seřazené hodnoty (typicky residua) s kvantily očekávanými u zvoleného rozdělení, nejčastěji normálního..
4.6 Proč výsledek testu závisí na počtu pozorování?
Test normality odpovídá na otázku „lze odchylku od normálního tvaru odlišit od náhody?“, nikoli „je odchylka pro model podstatná?“. Odpověď na první otázku silně závisí na počtu pozorováníJeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných.. Ukážeme to simulací: opakovaně vytvoříme soubory residuíRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. s mírnou a se silnou pravostrannou šikmostí a pro každý soubor provedeme Shapiro–Wilkův test.
Při mírné šikmosti test odchylku odhalil jen v 11% souborů se 30 pozorováními, ale v 100% souborů s 1000 pozorováními. Silnou šikmost při 10 pozorováních odhalil jen v 64% souborů.
V lekci o první přímce jsme upozornili, že u velkého souboru může i nepatrná odchylka vypadat „statisticky zjistitelně“. Simulace tento jev ukazuje přímo. Podíl souborů, ve kterých test skutečně existující odchylku odhalí, jsme v lekci o testování nazvali síla testu: roste s počtem pozorování a s velikostí odchylky.
Z toho plynou dvě praktická pravidla:
- U velkých vzorků test označí i drobné odchylky, které pro lineární modelStatistický model předpokládající, že odezva je lineární funkcí prediktorů plus chybový člen s normálním rozdělením (y = a + b·x + ε). nemají praktický význam. U velkých vzorků navíc mírná odchylka od normálního tvaru residuí odhady sklonůParametr lineárního modelu udávající, o kolik se změní odezva, pokud prediktor vzroste o jednu jednotku (při zachování ostatních prediktorů). a intervaly spolehlivostiRozsah hodnot, v němž se s danou spolehlivostí (typicky 95 %) nachází odhadovaný parametr. obvykle téměř neovlivní; podrobné zdůvodnění přesahuje tento kurz.
- U malých vzorků může test nevýznamným výsledkem „propustit“ i velkou odchylku. Naše data mají jen 30 ostrovů, takže velká p-hodnotaPravděpodobnost, že bychom při platnosti nulové hypotézy pozorovali data alespoň tak extrémní jako naše skutečná data. by sama o sobě mnoho nedokazovala.
Rozhodnutí proto stojí na Q–Q grafuGraf, který porovnává seřazené hodnoty (typicky residua) s kvantily očekávanými u zvoleného rozdělení, nejčastěji normálního., na grafu residuí podle odhadnutých hodnot a na otázce, zda odchylka může změnit biologický závěr. Test je doplňující číslo, nikoli brána, kterou musí model projít.
5 Transformace: měřítko, nebo tvar?
Přímka selhala dvakrát: její residuaRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. mají šikmý tvar a rostoucí rozptyl a o jejím sklonu rozhoduje jediný ostrov. Než začneme měnit model, podíváme se na nástroj, který ke změně potřebujeme: transformaci proměnné. TransformaceMatematická operace použitá na hodnoty proměnné s cílem splnit předpoklady modelu nebo zlepšit linearitu vztahu. znamená, že na každou hodnotu proměnné použijeme stejný výpočet, například vynásobení stem nebo logaritmus. Uvidíme, že transformace se dělí do dvou velmi odlišných skupin.
5.1 Změní se tvar rozdělení, když plochu převedeme na hektary?
Nejjednodušší transformacíMatematická operace použitá na hodnoty proměnné s cílem splnit předpoklady modelu nebo zlepšit linearitu vztahu. je změna jednotek. Jeden kilometr čtvereční má 100 hektarů.
# Převedeme plochu z km² na hektary
data_ostrovy$plocha_ha <-
data_ostrovy$plocha_km2 * 100Oba histogramyGraf zobrazující rozdělení hodnot numerické proměnné: hodnoty jsou seřazeny do tříd, výška sloupce udává četnost v dané třídě. mají stejný tvar. Změnila se jen čísla na ose. Vynásobení konstantou natáhne nebo stlačí osu, ale pořadí ostrovů ani poměry vzdáleností mezi nimi se nezmění, a proto se nezmění ani tvar rozděleníPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení..
5.2 Co se změní, když od plochy odečteme průměr?
Druhou jednoduchou transformacíMatematická operace použitá na hodnoty proměnné s cílem splnit předpoklady modelu nebo zlepšit linearitu vztahu. je centrování (anglicky centring): od každé hodnoty odečteme průměrSoučet hodnot vydělený jejich počtem; nejběžnější míra polohy (střední hodnoty).. Centrovaná plocha říká, o kolik km² je ostrov větší nebo menší než průměrný ostrov.
# Od plochy každého ostrova odečteme průměrnou plochu
data_ostrovy$plocha_centrovana <-
data_ostrovy$plocha_km2 - mean(x = data_ostrovy$plocha_km2)
# Odhadneme stejnou přímku s centrovanou plochou
mod_primka_centrovana <-
lm(
formula = pocet_druhu ~ plocha_centrovana,
data = data_ostrovy
)
# Porovnáme koeficienty obou přímek
coef(object = mod_primka)(Intercept) plocha_km2
63.78286147 0.08196317
coef(object = mod_primka_centrovana) (Intercept) plocha_centrovana
85.23333333 0.08196317
Body i přímka jsou v obou panelech stejné; centrování jen posune osu tak, že nula leží v průměruSoučet hodnot vydělený jejich počtem; nejběžnější míra polohy (střední hodnoty).. Tvar rozděleníPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení. zůstane stejný. V modelu se sklonParametr lineárního modelu udávající, o kolik se změní odezva, pokud prediktor vzroste o jednu jednotku (při zachování ostatních prediktorů). nezmění (v obou modelech je 0.0820), protože jeden km² navíc znamená totéž bez ohledu na to, odkud plochu měříme. Změní se význam interceptu. V původním modelu je interceptParametr modelu: hodnota odezvy predikovaná modelem, když jsou všechny prediktory rovno nule; geometricky jde o úsek na ose y (kde regresní přímka protíná osu y). 63.8 odhadnutým počtem druhů na ostrově s nulovou plochou, tedy na ostrově, který neexistuje. V centrovaném modelu je intercept 85.2 odhadnutým počtem druhů na ostrově s průměrnou plochou 261.7 km². U přímky odhadnuté metodou nejmenších čtverců se tato hodnota rovná průměrnému počtu druhů.
Centrování se proto hodí, když chceme, aby intercept popisoval smysluplnou, typickou hodnotu prediktoruProměnná, pomocí níž vysvětlujeme variabilitu odezvy; v notaci y ~ x je prediktor x..
5.3 Jak daleko od průměru leží ostrov?
Třetí transformaceMatematická operace použitá na hodnoty proměnné s cílem splnit předpoklady modelu nebo zlepšit linearitu vztahu. spojuje centrování se změnou jednotek. Odchylku od průměruSoučet hodnot vydělený jejich počtem; nejběžnější míra polohy (střední hodnoty). nevyjádříme v km² nebo metrech, ale v počtu směrodatných odchylekOdmocnina rozptylu; vyjadřuje průměrnou vzdálenost hodnot od průměru ve stejných jednotkách jako původní data.. Výsledek se nazývá z-skóre (anglicky z-score) a převod na z-skóre standardizace.
Myšlenku už známe: t-statistika v předchozích lekcích také měřila vzdálenost odhadu od nulové hodnoty v jednotkách jeho standardní chybyMíra přesnosti odhadu parametru (typicky průměru) z dat; udává, jak moc by se odhadnutý parametr lišil při opakovaném vzorkování ze stejné populace.. Z-skóre dělá totéž s jednotlivou hodnotou. Slovy:
\[ \text{z-skóre} = \frac{\text{hodnota} - \text{průměr}}{\text{směrodatná odchylka}}. \]
Spočítejme z-skóre nejvyššího bodu ostrova Fernandina. Průměr a směrodatnou odchylku počítáme z 24 ostrovů, u kterých je nejvyšší bod známý.
| Veličina | Fernandina | Průměr | Odchylka | SD | z |
|---|---|---|---|---|---|
| Nejvyšší bod (m n. m.) | 1494 | 424.46 | 1069.54 | 452.96 | 2.36 |
Do slovního vzorce dosadíme hodnoty z tabulky:
\[ \begin{align} \text{z-skóre výšky Fernandiny} &= \frac{1494 - 424.46}{452.96} \\ &= \frac{1069.54}{452.96} \\ &= 2.36. \end{align} \]
Nejvyšší bod Fernandiny leží 2.36 směrodatné odchylky nad průměrem ostrovů. Obecně pro hodnotu \(x_i\) píšeme:
\[ z_i = \frac{x_i - \bar{x}}{s}. \]
Symbol \(z_i\) je z-skóre \(i\)-tého pozorováníJeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných., \(x_i\) jeho původní hodnota, \(\bar{x}\) průměr všech hodnot a \(s\) jejich směrodatná odchylka. Kladné z-skóre znamená hodnotu nad průměrem, záporné pod průměrem a z-skóre 0 přesně průměr. U přibližně normální proměnné proto podle pravidla z kapitoly o normálním rozdělení leží asi 95% z-skóre mezi −2 a 2.
V R lze z-skóre spočítat přímo podle vzorce, nebo funkcí scale():
# z-skóre nejvyššího bodu podle vzorce
data_ostrovy$vyska_z <-
(data_ostrovy$nejvyssi_bod_m -
mean(x = data_ostrovy$nejvyssi_bod_m, na.rm = TRUE)) /
sd(x = data_ostrovy$nejvyssi_bod_m, na.rm = TRUE)
# Stejný výsledek funkcí scale(); as.numeric() odstraní pomocné atributy
data_ostrovy$vyska_z_scale <-
as.numeric(x = scale(x = data_ostrovy$nejvyssi_bod_m))
# Porovnáme oba výpočty u prvních ostrovů
head(
x = data_ostrovy[, c("ostrov", "vyska_z", "vyska_z_scale")],
n = 4
) ostrov vyska_z vyska_z_scale
1 Baltra NA NA
2 Bartolome -0.6964372 -0.6964372
3 Caldwell -0.6853987 -0.6853987
4 Champion -0.8355222 -0.8355222
# Průměr a směrodatná odchylka všech z-skóre
round(
x = mean(x = data_ostrovy$vyska_z, na.rm = TRUE),
digits = 10
)[1] 0
sd(x = data_ostrovy$vyska_z, na.rm = TRUE)[1] 1
Když převedeme na z-skóre všechny hodnoty proměnné, má výsledná proměnná vždy průměr 0 a směrodatnou odchylku 1. Průměr je nulový, protože jsme od každé hodnoty odečetli původní průměr, a směrodatná odchylka je 1, protože jsme každou odchylku vydělili původní směrodatnou odchylkou. Z-skóre tedy všechny proměnné převádí na stejnou „měrnou jednotku“: počet směrodatných odchylek od průměru.
5.4 Je Fernandina výjimečnější plochou, nebo výškou?
Z-skóre nemá jednotky. Díky tomu můžeme porovnat, jak neobvyklá je hodnota u veličin měřených v úplně jiných jednotkách. Plochu v km² a výšku v metrech přímo porovnat nelze; jejich z-skóre ano.
Nejvyšší bod Fernandiny leží 2.36 směrodatné odchylkyOdmocnina rozptylu; vyjadřuje průměrnou vzdálenost hodnot od průměru ve stejných jednotkách jako původní data. nad průměrnou výškou, její plocha jen 0.43 směrodatné odchylky nad průměrnou plochou. Podle z-skóre by tedy byla výjimečná výškou, ale plochou spíš průměrná.
Pořadí ostrovů ale ukazuje něco jiného: plochou je Fernandina 3. největší a výškou 2. nejvyšší ostrov souostroví. Výjimečná je tedy v obou ohledech.
5.5 Odstraní z-skóre šikmost?
Nebude. Histogram z-skóre má přesně stejný tvar jako histogram plochy. (Kdo četl doplňující rámeček o koeficientu šikmosti: ten je před standardizací 4.42 a po ní 4.42.)
5.6 Jak logaritmus převádí násobky na stejné kroky?
Na začátku kurzu jsme logaritmickou osu použili, když se hodnoty v grafu lišily o několik řádů. Na takové ose leží 1, 10, 100 a 1 000 ve stejných vzdálenostech: každý krok o stejnou délku znamená vynásobení desíti. Logaritmus dělá totéž s čísly. V první lekci jsme zdůraznili, že logaritmická osa mění jen rozestupy na grafu a průměr i medián zůstávají vypočtené z kilogramů. Krok, který jsme tehdy záměrně neudělali, je použít logaritmus na samotné hodnoty proměnné.
| Plocha (km²) | Desítkový logaritmus | Přirozený logaritmus |
|---|---|---|
| 1 | 0.000 | 0.000 |
| 2 | 0.301 | 0.693 |
| 4 | 0.602 | 1.386 |
| 8 | 0.903 | 2.079 |
| 10 | 1.000 | 2.303 |
| 100 | 2.000 | 4.605 |
| 1000 | 3.000 | 6.908 |
Každé zdvojnásobení plochy (1 → 2 → 4 → 8) zvýší přirozený logaritmus o stejný krok 0.693. Každé vynásobení desíti zvýší desítkový logaritmus přesně o 1 a přirozený logaritmus o 2.303. Logaritmus tedy převádí stejné poměry na stejné rozdíly.
V modelech používáme přirozený logaritmus (funkce log() v R), protože s ním se koeficienty nejsnáze interpretují. Desítkový logaritmus (log10()) se hodí hlavně pro popis os grafu.
Proč to funguje, ukazuje základní vlastnost logaritmu. Slovy:
\[ \text{logaritmus dvojnásobné plochy} = \text{logaritmus původní plochy} + \text{logaritmus čísla 2}. \]
Pro ostrov s plochou 10 km², jehož plochu zdvojnásobíme:
\[ \begin{align} \ln(20) &= \ln(10) + \ln(2) \\ &= 2.303 + 0.693 \\ &= 2.996. \end{align} \]
Obecně pro dvě kladná čísla \(a\) a \(b\) platí:
\[ \ln(a \cdot b) = \ln(a) + \ln(b). \]
Symbol \(\ln\) označuje přirozený logaritmus, \(a\) je výchozí hodnota (zde plocha) a \(b\) násobek (zde 2). Násobení se v logaritmech mění na sčítání.
# Přirozený logaritmus řady zdvojnásobených ploch
log(x = c(1, 2, 4, 8))[1] 0.0000000 0.6931472 1.3862944 2.0794415
# Logaritmus nuly není konečné číslo
log(x = 0)[1] -Inf
# Opakem logaritmu je funkce exp(); vrátí původní hodnotu
exp(x = log(x = 8))[1] 8
5.7 Co logaritmus udělá s tvarem rozdělení?
Logaritmus není lineární transformaceMatematická operace použitá na hodnoty proměnné s cílem splnit předpoklady modelu nebo zlepšit linearitu vztahu.. Co to znamená pro tvar rozdělení?
Z-skóre zachovalo původní tvar. Logaritmus naopak malé hodnoty od sebe roztáhl a velké k sobě stlačil: rozdíl mezi 1 a 10 km² je na logaritmické škále stejně velký jako rozdíl mezi 1 000 a 10 000 km². Odmocnina šikmost zmírnila, ale neodstranila. Logaritmus z extrémně šikmé plochy udělal přibližně souměrné rozděleníPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení.. Malé ostrovy, které byly v původním histogramuGraf zobrazující rozdělení hodnot numerické proměnné: hodnoty jsou seřazeny do tříd, výška sloupce udává četnost v dané třídě. namačkané v prvním koši, se rozprostřely přes celou osu.
# Rozdělení logaritmu počtu druhů
hist(
x = log(x = data_ostrovy$pocet_druhu),
breaks = 10,
col = "#86579E",
border = "white",
main = "",
xlab = "Logaritmus počtu druhů",
ylab = "Počet ostrovů"
)Podobně se chová i počet druhů: po logaritmování již nemá dlouhý ocas vpravo. Veličinám, které jsou pravostranně šikmé, ale po logaritmování mají přibližně normální tvar, se říká log-normální. Typicky vznikají právě násobením mnoha náhodných vlivů, jako v simulaci populací.
5.8 Které transformace mění jen měřítko a které i tvar?
| Transformace | Výpočet v R | Mění tvar? | Kdy se hodí |
|---|---|---|---|
| změna jednotek | x * 100 |
ne | převod mezi jednotkami |
| centrování | x - mean(x) |
ne | intercept pro typickou hodnotu prediktoru |
| z-skóre | (x - mean(x)) / sd(x) nebo scale(x) |
ne | porovnání veličin v různých jednotkách |
| odmocnina | sqrt(x) |
ano, mírně zmenší pravostrannou šikmost | mírně šikmé nezáporné veličiny |
| přirozený logaritmus | log(x) |
ano, výrazně zmenší pravostrannou šikmost | kladné veličiny, které se mění násobně |
Logaritmus má ještě jednu vlastnost, která je pro nás důležitější než souměrnost histogramuGraf zobrazující rozdělení hodnot numerické proměnné: hodnoty jsou seřazeny do tříd, výška sloupce udává četnost v dané třídě.. Mění totiž nejen tvar rozděleníPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení., ale i tvar vztahu mezi proměnnými. K tomu se dostaneme v další části.
6 Tvar vztahu
6.1 Jak vypadá vztah plochy a počtu druhů na logaritmických osách?
Vraťme se k ostrovům. Přímka selhala hlavně proto, že malé ostrovy byly namačkané u počátku a o sklonu rozhodoval jediný obr. Co s tímto vztahem udělá logaritmus? Zobrazme stejné ostrovy dvakrát: na původních osách a na osách, kde jsou obě proměnné logaritmované.
Stejný obrázek pravého panelu získáme i v základním R:
# Bodový graf logaritmu počtu druhů podle logaritmu plochy
plot(
x = log(x = data_ostrovy$plocha_km2),
y = log(x = data_ostrovy$pocet_druhu),
pch = 19,
col = "#5D2890",
xlab = "Logaritmus plochy",
ylab = "Logaritmus počtu druhů"
)Vlevo je vztah zakřivený: u malých ostrovů počet druhů roste rychle, u velkých už pomaleji. Vpravo je přibližně přímkový. Na logaritmických osách znamená stejný krok doprava stejný násobek plochy a stejný krok nahoru stejný násobek počtu druhů. Přímka na logaritmických osách tedy říká: když plochu vynásobíme určitým číslem, počet druhů se vynásobí jiným, stále stejným číslem. Takovému vztahu se říká mocninný vztah (anglicky power law). V ekologii se pro ostrovy nazývá vztah druhů a plochy (species–area relationship).
6.2 Jaké tvary vztahu dávají biologický smysl?
Stejně jako v předchozí lekci sestavíme malou sadu kandidátních modelů a každý z nich zdůvodníme biologicky dříve, než uvidíme jakékoli srovnávací skóre.
Důležitá vlastnost lineárního modeluStatistický model předpokládající, že odezva je lineární funkcí prediktorů plus chybový člen s normálním rozdělením (y = a + b·x + ε).: „lineární“ znamená lineární v koeficientech, nikoli nutně přímka v grafu. Model zůstává lineární, pokud je odezvaProměnná, jejíž variabilitu se snažíme vysvětlit nebo předpovědět; v notaci modelu y ~ x je odezva y. součtem koeficientů násobených nějakými hodnotami. Těmi hodnotami mohou být i log(plocha_km2) nebo druhá mocnina plochy. Funkce lm() proto umí popsat i zakřivený vztah.
| Kandidát | Biologické tvrzení | Formule v R |
|---|---|---|
| A — přímka | Každý další km² přidá stejný počet druhů. | pocet_druhu ~ plocha_km2 |
| B — logaritmus plochy | Každé zdvojnásobení plochy přidá stejný počet druhů. | pocet_druhu ~ log(plocha_km2) |
| C — mocninný vztah | Každé zdvojnásobení plochy vynásobí počet druhů stejným číslem. | log(pocet_druhu) ~ log(plocha_km2) |
| D — kvadratický člen | Počet druhů roste s plochou stále pomaleji, případně se pak obrátí. | pocet_druhu ~ plocha_km2 + I(plocha_km2^2) |
| E — logaritmus odezvy | Každý další km² zvýší počet druhů o stejné procento. | log(pocet_druhu) ~ plocha_km2 |
Funkce I() v kandidátovi D říká R, aby výraz plocha_km2^2 spočítal jako obyčejnou druhou mocninu. Bez ní by symbol ^ uvnitř formule měl jiný význam.
Kandidát A předpokládá, že první km² malého ostrova přidá stejně druhů jako tisící km² velkého. Kandidát D umí vztah ohnout, ale kvadratická křivka je parabola: po vrcholu musí klesat, i když biologický důvod, proč by větší ostrov měl mít méně druhů, nemáme. Kandidáti B a C popisují zpomalující růst pomocí násobků plochy. Kandidát E předpokládá zrychlující exponenciální růst, který by u největších ostrovů předpovídal obrovské počty druhů.
# A: stejná přímka jako v části o předpokladech modelu
mod_a_primka <-
lm(
formula = pocet_druhu ~ plocha_km2,
data = data_ostrovy
)
# B: logaritmus plochy
mod_b_log_plochy <-
lm(
formula = pocet_druhu ~ log(plocha_km2),
data = data_ostrovy
)
# C: mocninný vztah, logaritmus obou proměnných
mod_c_mocninny <-
lm(
formula = log(pocet_druhu) ~ log(plocha_km2),
data = data_ostrovy
)
# D: přímka s kvadratickým členem
mod_d_kvadraticky <-
lm(
formula = pocet_druhu ~ plocha_km2 + I(plocha_km2^2),
data = data_ostrovy
)
# E: logaritmus odezvy
mod_e_log_odezvy <-
lm(
formula = log(pocet_druhu) ~ plocha_km2,
data = data_ostrovy
)Počet druhů je počet, tedy celé nezáporné číslo. Pro taková data existují modely, které s počty pracují přímo; poznáme je v jedné z následujících lekcí. Pro otázku tvaru vztahu nám zde lineární modelyStatistický model předpokládající, že odezva je lineární funkcí prediktorů plus chybový člen s normálním rozdělením (y = a + b·x + ε). s transformacemi stačí.
6.3 Jak se kandidátní křivky shodují s ostrovy?
Modely C a E předpovídají logaritmus počtu druhů. Abychom všech pět kandidátů viděli na stejných osách, převedeme jejich odhady zpět na počet druhů funkcí exp(), která je opakem logaritmu.
Přímka A stejně jako dříve vede nad většinou malých ostrovů. Křivky B a C rostou rychle u malých ostrovů a u velkých zpomalují. Parabola D prochází blízko velkých ostrovů, ale má vrchol kolem 2 766 km² a dál klesá. Pro větší plochy tedy předpovídá méně druhů. Za vrcholem leží 1 ostrov (Isabela) a parabola se k němu ohýbá hlavně proto, že tento ostrov na ni má obrovský vliv (Cookova vzdálenostMíra vlivu jednoho pozorování na model: vyjadřuje, jak moc by se změnily odhadnuté hodnoty, kdybychom toto pozorování vynechali. 141.8). Exponenciála E zůstává téměř plochá a pak prudce stoupá, opačně než data.
Nejvyrovnanější pás residuíRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. kolem nuly má zatím kandidát C; podrobně jeho residua zkontrolujeme po srovnání AIC. U ostatních zůstávají vějíře nebo oblouky.
Grafy residuí však samy neříkají, o kolik je jeden model lepší než druhý. K tomu jsme v předchozí lekci používali AICMíra kvality modelu, která penalizuje složitost - čím nižší AIC, tím lepší poměr mezi přesností modelu a počtem jeho parametrů..
6.4 Můžeme porovnat AIC modelu pro počet druhů a pro jeho logaritmus?
Ne. Rozdíl 285.7 vypadá obrovsky, ale nic neříká. Pravidlo z předchozí lekce zní: AIC lze porovnávat jen mezi modely se stejnou odezvouProměnná, jejíž variabilitu se snažíme vysvětlit nebo předpovědět; v notaci modelu y ~ x je odezva y. na stejných pozorováníchJeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných.. Model A popisuje počet druhů, model C jeho logaritmus. Logaritmus stlačí velké hodnoty, takže residuaRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. modelu C jsou čísla v úplně jiném měřítku než residua modelu A. AIC by se změnilo i tehdy, kdybychom použili logaritmus o jiném základu, aniž by se model jakkoli zlepšil. Stejné omezení platí pro R²: u modelu A popisuje podíl variability počtu druhů, u modelu C podíl variability jeho logaritmu. Modely pro různé škály odezvy proto porovnáváme jinak: podle průběhu křivek převedených na původní osy a podle vzorů v residuích (nikoli podle velikosti residuí, která jsou v různých jednotkách).
Kandidáty proto porovnáme ve dvou oddělených skupinách:
| Kandidát | Odezva | AIC |
|---|---|---|
| C — mocninný vztah | logaritmus počtu druhů | 74.5 |
| E — logaritmus odezvy | logaritmus počtu druhů | 110.8 |
| D — kvadratický člen | počet druhů | 334.5 |
| B — logaritmus plochy | počet druhů | 345.9 |
| A — přímka | počet druhů | 360.2 |
Mezi modely pro počet druhů (A, B, D) má nejnižší AIC kvadratický model D (334.5). Z předchozí kapitoly ale víme, že jeho tvar biologicky nedává smysl, jeho residua netvoří vyrovnaný pás a jeho průběh určuje jediný ostrov. Nejnižší AIC neznamená, že model je biologicky obhajitelný. AIC porovnává jen shodu a složitost v rámci zvolených kandidátů.
Mezi modely pro logaritmus počtu druhů (C, E) má mocninný vztah C mnohem nižší AIC (74.5) než model E (110.8).
Jako kontrolu, nikoli jako dalšího kandidáta, se můžeme ještě zeptat, zda mocninný vztah sám nepotřebuje zakřivení, tedy zda body na logaritmických osách neleží spíš podél oblouku než přímky. Přidáme-li k modelu C kvadratický člen I(log(plocha_km2)^2), R² se změní jen z 0.757 na 0.758 a AIC vzroste na 76.3. Dodatečný koeficient si své místo nezaslouží.
6.5 Pomohl logaritmus také residuím?
Mocninný vztah C dává biologický smysl a mezi modely pro logaritmus počtu druhů vychází nejlépe. Mřížka residuí všech kandidátů naznačila, že jeho residuaRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. jsou vyrovnaná. Podrobně je zkontrolujeme stejnými nástroji jako u přímky.
# Residua podle odhadnutých hodnot
plot(
x = fitted(object = mod_c_mocninny),
y = residuals(object = mod_c_mocninny),
pch = 19,
col = "#5D2890",
xlab = "Odhadnutý logaritmus počtu druhů",
ylab = "Residuum"
)
abline(
h = 0,
col = "#2E2E2E",
lty = 2
)# Histogram residuí mocninného vztahu
hist(
x = residuals(object = mod_c_mocninny),
breaks = 10,
col = "#86579E",
border = "white",
main = "",
xlab = "Residuum (logaritmus počtu druhů)",
ylab = "Počet ostrovů"
)# Q–Q graf residuí
qqnorm(
y = residuals(object = mod_c_mocninny),
pch = 19,
main = "",
xlab = "Teoretický kvantil normálního rozdělení",
ylab = "Residuum"
)
qqline(
y = residuals(object = mod_c_mocninny),
col = "#D55E00",
lwd = 2
)# Doplňující test normality residuí
shapiro.test(x = residuals(object = mod_c_mocninny))
Shapiro-Wilk normality test
data: residuals(object = mod_c_mocninny)
W = 0.97193, p-value = 0.5932
# Největší vliv jednoho ostrova
max(cooks.distance(model = mod_c_mocninny))[1] 0.1401268
ResiduaRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. tvoří přibližně stejně široký pás kolem nuly, Q–Q grafGraf, který porovnává seřazené hodnoty (typicky residua) s kvantily očekávanými u zvoleného rozdělení, nejčastěji normálního. je blízko přímky a Shapiro–Wilkův test odchylku neprokázal (p = 0.59). Žádný ostrov už model neovládá: největší Cookova vzdálenostMíra vlivu jednoho pozorování na model: vyjadřuje, jak moc by se změnily odhadnuté hodnoty, kdybychom toto pozorování vynechali. je 0.14, oproti 113.3 u přímky. Protože máme jen 30 ostrovů, čteme velkou p-hodnotuPravděpodobnost, že bychom při platnosti nulové hypotézy pozorovali data alespoň tak extrémní jako naše skutečná data. opatrně; přesvědčivé je hlavně to, že všechny tři kontroly ukazují stejným směrem.
Zmizel i vějíř, ve kterém se residua přímky směrem doprava rozšiřovala. Logaritmus převádí stejné relativní rozptýlení (například o několik desítek procent nahoru i dolů) na přibližně stejné absolutní rozptýlení na logaritmické škále. V lekci o porovnání více skupin jsme u rozdílné variability ve skupinách upozornili, že diagnostický graf nemá být automatickým příkazem k transformaci. Zde transformaci nepoužíváme kvůli grafu, ale proto, že biologie předpovídá násobné změny; vyrovnaná residua jsou toho důsledkem.
7 Interpretace po transformaci
7.1 Kolikrát víc druhů má dvakrát větší ostrov?
Mocninný vztah dává odpověď na hlavní otázku. Odpověď se skrývá v jeho koeficientech.
# Koeficienty a jejich 95% intervaly spolehlivosti
coef(object = mod_c_mocninny) (Intercept) log(plocha_km2)
2.9037031 0.3885968
confint(
object = mod_c_mocninny,
level = 0.95
) 2.5 % 97.5 %
(Intercept) 2.5819216 3.2254846
log(plocha_km2) 0.3033903 0.4738033
Model říká:
\[ \text{logaritmus počtu druhů} = \text{intercept} + \text{sklon} \times \text{logaritmus plochy}. \]
SklonParametr lineárního modelu udávající, o kolik se změní odezva, pokud prediktor vzroste o jednu jednotku (při zachování ostatních prediktorů). 0.389 neudává počet druhů na km². Na logaritmických osách znamená, že když se logaritmus plochy zvětší o jednotku, logaritmus počtu druhů se zvětší o 0.389. To je pro biologa málo názorné. Přeložíme to proto zpět do násobků. Zdvojnásobení plochy zvětší logaritmus plochy o \(\ln(2)\), a tedy logaritmus počtu druhů o sklon × \(\ln(2)\). Funkce exp(), opak logaritmu, převede tento přírůstek zpět na násobek: \(\exp(0.389 \times 0.693) = \exp(0.269) = 1.31\). Stejné číslo dostaneme jednodušeji jako \(2^{0.389}\). Slovy:
\[ \text{násobek počtu druhů} = \text{násobek plochy}^{\,\text{sklon}}. \]
Pro dvojnásobnou plochu:
\[ \begin{align} \text{násobek počtu druhů} &= 2^{\,0.389} \\ &= 1.31. \end{align} \]
Ostrov s dvojnásobnou plochou má podle modelu typicky asi 1.31krát více druhů, tedy zhruba o 31 % více, nikoli dvakrát více. 95% interval spolehlivostiRozsah hodnot, v němž se s danou spolehlivostí (typicky 95 %) nachází odhadovaný parametr. sklonu (0.30 až 0.47) odpovídá násobku 1.23 až 1.39.
Obecně mocninný vztah zapisujeme:
\[ S = c \cdot A^{b} \qquad\Longleftrightarrow\qquad \ln(S) = \ln(c) + b \cdot \ln(A). \]
Symbol \(S\) je typický počet druhů, \(A\) plocha ostrova, \(b\) exponent (sklon na logaritmických osách) a \(c\) počet druhů očekávaný na ostrově o ploše 1 km² (jeho logaritmus je interceptParametr modelu: hodnota odezvy predikovaná modelem, když jsou všechny prediktory rovno nule; geometricky jde o úsek na ose y (kde regresní přímka protíná osu y).). Při vynásobení plochy číslem \(k\) se počet druhů vynásobí číslem \(k^b\). V ekologické literatuře se tento exponent obvykle značí \(z\) (nezaměňovat se z-skóre); pro souostroví se jeho odhady nejčastěji pohybují zhruba mezi 0,2 a 0,4 (Rosenzweig 1995, Species Diversity in Space and Time, Cambridge University Press).
# Typické počty druhů pro vybrané plochy ostrovů
data_nove_plochy <-
data.frame(plocha_km2 = c(1, 10, 100, 1000))
# Model předpovídá logaritmus; exp() jej převede zpět na počet druhů
exp(
x = predict(
object = mod_c_mocninny,
newdata = data_nove_plochy
)
) 1 2 3 4
18.24157 44.63330 109.20835 267.20995
7.2 Jak číst koeficient, když logaritmujeme jen jednu stranu?
Mocninný vztah logaritmuje obě strany. Při logaritmování jen jedné strany se mění i význam koeficientu. Ukážeme to na kandidátech B, E a D, i když nevyšli jako nejlepší.
Logaritmus jen prediktoruProměnná, pomocí níž vysvětlujeme variabilitu odezvy; v notaci y ~ x je prediktor x. (B: pocet_druhu ~ log(plocha_km2)). SklonParametr lineárního modelu udávající, o kolik se změní odezva, pokud prediktor vzroste o jednu jednotku (při zachování ostatních prediktorů). 25.70 udává počet druhů přidaný při zvětšení logaritmu plochy o 1. Názornější je přepočet na zdvojnásobení plochy:
\[ \text{přírůstek druhů na zdvojnásobení plochy} = \text{sklon} \times \ln(2). \]
\[ 25.70 \times 0.693 = 17.8. \]
Podle modelu B přidá každé zdvojnásobení plochy asi 17.8 druhu, ať jde o ostrov malý nebo velký. Pro ostrov s několika druhy je to velká relativní změna, pro ostrov se stovkami druhů malá. Mocninný vztah C naopak předpovídá při každém zdvojnásobení stejnou relativní změnu. Obecně: přírůstek odezvyProměnná, jejíž variabilitu se snažíme vysvětlit nebo předpovědět; v notaci modelu y ~ x je odezva y. na \(k\)-násobek prediktoru je \(b \cdot \ln(k)\), kde \(b\) je sklon.
Logaritmus jen odezvy (E: log(pocet_druhu) ~ plocha_km2). Sklon 0.00078 udává změnu logaritmu počtu druhů na 1 km². Po zpětném převodu se z něj stává násobek:
\[ \text{násobek počtu druhů na 100 km²} = \exp(100 \times \text{sklon}). \]
\[ \exp(100 \times 0.00078) = 1.081. \]
Podle modelu E zvýší každých 100 km² počet druhů asi o 8.1 %. Obecně: při změně prediktoru o \(\Delta x\) se odezva vynásobí číslem \(\exp(b \cdot \Delta x)\). Pro malé sklony je \(100 \cdot b\) přibližně procentní změna na jednotku prediktoru, protože pro malá \(b\) platí \(\exp(b) \approx 1 + b\).
Kvadratický člen (D). Model D nemá jeden sklon. Jak rychle počet druhů s plochou roste, se mění podél křivky: u malých ploch rychle, pak stále pomaleji, až kolem 2 766 km² přestane růst a začne klesat. Koeficienty kvadratického modelu proto nečteme jednotlivě. Čteme predikce pro konkrétní plochy a místo vrcholu z grafu. Předpovědi mimo rozsah pozorovaných ploch jsou u paraboly obzvlášť riskantní, protože křivka pokračuje dolů, i když k tomu data nedávají žádný důvod.
7.3 Jak rychle roste počet druhů s plochou ostrova?
Tento závěr podporují tři argumenty, které ale vycházejí ze stejných ostrovů: biologicky zdůvodněný tvar vztahu, residuaRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. bez systematického vzoru a nejnižší AICMíra kvality modelu, která penalizuje složitost - čím nižší AIC, tím lepší poměr mezi přesností modelu a počtem jeho parametrů. mezi modely pro logaritmus počtu druhů. S modely pro samotný počet druhů (A, B, D) model C pomocí AIC porovnat nelze; od nich jej odlišují biologický smysl a residua. Závěr má také jasná omezení:
- Máme jen 30 ostrovů, takže diagnostické grafy i test normality mají omezenou citlivost.
- Odezvou je počet. Model, který s počty pracuje přímo, by mohl lépe popsat malé ostrovy s několika druhy.
- Ostrovy jednoho souostroví nejsou úplně nezávislé: sdílejí dodavatelské ostrovy, klima i historii osídlení.
- Plocha souvisí s dalšími vlastnostmi ostrova, například s nadmořskou výškou a rozmanitostí prostředí. Mocninný vztah popisuje souvislost, nikoli to, že plocha sama o sobě druhy „vytváří“.
Úvodní otázku o stromech z předchozí lekce zbývá uzavřít. Stejný postup můžeme vyzkoušet i na ní.
7.4 Kdy transformaci použít a kdy ne?
Postup z této lekce lze použít i na jiná data:
- Položte biologickou otázku a prohlédněte data, včetně tvaru rozděleníPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení. hlavních proměnných.
- Odhadněte nejjednodušší rozumný model a zkontrolujte jeho residuaRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ.: graf podle odhadnutých hodnot, Q–Q grafGraf, který porovnává seřazené hodnoty (typicky residua) s kvantily očekávanými u zvoleného rozdělení, nejčastěji normálního. a vliv jednotlivých pozorováníJeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných.. Test normality čtěte až po grafech a s ohledem na počet pozorování.
- Pokud residua ukazují systematický vzor, zeptejte se, jaký tvar vztahu předpovídá biologie: stejný přírůstek, stejný násobek, zpomalující růst, nebo optimum?
- Převeďte biologická tvrzení na malou sadu kandidátních formulí s
log()neboI(x^2). - Porovnejte kandidáty na původní škále v grafu, pomocí residuí a pomocí AICMíra kvality modelu, která penalizuje složitost - čím nižší AIC, tím lepší poměr mezi přesností modelu a počtem jeho parametrů., ale AIC jen mezi modely se stejnou odezvouProměnná, jejíž variabilitu se snažíme vysvětlit nebo předpovědět; v notaci modelu y ~ x je odezva y..
- Výsledek interpretujte v původních jednotkách: násobky, přírůstky na zdvojnásobení, procenta.
Shrnutí
- Tvar rozděleníPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení. popisujeme slovy (souměrné, pravostranně a levostranně šikmé, těžké konce, dva vrcholy, omezené hodnoty), histogramemGraf zobrazující rozdělení hodnot numerické proměnné: hodnoty jsou seřazeny do tříd, výška sloupce udává četnost v dané třídě. a Q–Q grafemGraf, který porovnává seřazené hodnoty (typicky residua) s kvantily očekávanými u zvoleného rozdělení, nejčastěji normálního..
- Mnoho biologických veličin je pravostranně šikmých, protože jsou zdola omezené nulou nebo vznikají násobením.
- Lineární modelStatistický model předpokládající, že odezva je lineární funkcí prediktorů plus chybový člen s normálním rozdělením (y = a + b·x + ε). předpokládá přibližně normální rozdělení residuíRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ., nikoli odezvyProměnná, jejíž variabilitu se snažíme vysvětlit nebo předpovědět; v notaci modelu y ~ x je odezva y. nebo prediktorůProměnná, pomocí níž vysvětlujeme variabilitu odezvy; v notaci y ~ x je prediktor x.. Test normality residuí doplňuje Q–Q graf a jeho výsledek závisí na počtu pozorováníJeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných..
- Změna jednotek, centrování a z-skóre mění jen polohu a měřítko; tvar rozdělení zachovají. Logaritmus a odmocnina mění tvar.
- Logaritmus převádí stejné násobky na stejné kroky, a proto umí z mocninného vztahu udělat přímku.
- Kandidátní tvary vztahu odvozujeme z biologie a porovnáváme grafem, residui a AICMíra kvality modelu, která penalizuje složitost - čím nižší AIC, tím lepší poměr mezi přesností modelu a počtem jeho parametrů., ale AIC jen mezi modely se stejnou odezvou.
- Po transformaciMatematická operace použitá na hodnoty proměnné s cílem splnit předpoklady modelu nebo zlepšit linearitu vztahu. se mění význam koeficientů: sklonParametr lineárního modelu udávající, o kolik se změní odezva, pokud prediktor vzroste o jednu jednotku (při zachování ostatních prediktorů). mocninného vztahu udává, kolikrát se změní odezva při zdvojnásobení prediktoru.
Slovníček pojmů
Pojmy použité v těchto materiálech a jejich definice:
| term | definition |
|---|---|
| aic | Míra kvality modelu, která penalizuje složitost - čím nižší AIC, tím lepší poměr mezi přesností modelu a počtem jeho parametrů. |
| bodovy-graf | Graf vztahu dvou numerických proměnných, v němž každý bod představuje jedno pozorování a jeho dvě hodnoty určují polohu na osách. |
| cetnost | Počet výskytů určité hodnoty nebo kategorie v datové sadě; pro kategoriální proměnné je četnost základní deskriptivní statistikou. |
| cookova-vzdalenost | Míra vlivu jednoho pozorování na model: vyjadřuje, jak moc by se změnily odhadnuté hodnoty, kdybychom toto pozorování vynechali. |
| heteroskedasticita | Jev, kdy rozptyl reziduí není konstantní podél hodnot prediktoru - typicky se rozptyl zvyšuje s rostoucí predikovanou hodnotou. |
| histogram | Graf zobrazující rozdělení hodnot numerické proměnné: hodnoty jsou seřazeny do tříd, výška sloupce udává četnost v dané třídě. |
| intercept | Parametr modelu: hodnota odezvy predikovaná modelem, když jsou všechny prediktory rovno nule; geometricky jde o úsek na ose y (kde regresní přímka protíná osu y). |
| interval-spolehlivosti | Rozsah hodnot, v němž se s danou spolehlivostí (typicky 95 %) nachází odhadovaný parametr. |
| korelace | Bezrozměrné číslo popisující směr a těsnost vztahu dvou proměnných; Pearsonova korelace shrnuje lineární vztah a Spearmanova monotónní vztah podle pořadí. |
| kvantil | Hodnota, pod níž leží určený podíl seřazených dat; medián je 50% kvantil. |
| linearni-model | Statistický model předpokládající, že odezva je lineární funkcí prediktorů plus chybový člen s normálním rozdělením (y = a + b·x + ε). |
| median | Hodnota rozdělující seřazená data na dvě stejně početné poloviny; 50. percentil. |
| nulova-hypoteza | Výchozí předpoklad, který testujeme - typicky 'efekt je nulový' nebo 'skupiny se neliší'; p-hodnota udává pravděpodobnost dat za předpokladu platnosti H₀. |
| odezva | Proměnná, jejíž variabilitu se snažíme vysvětlit nebo předpovědět; v notaci modelu `y ~ x` je odezva `y`. |
| odhadnuta-hodnota | Hodnota odezvy, kterou fitovaný model přiřadí pozorování na základě jeho hodnot prediktorů; značí se často ŷ. |
| odlehla-pozorovani | Hodnota, která se výrazně odlišuje od ostatních pozorování; může být způsobena chybou měření nebo jít o skutečně extrémní případ. |
| p-hodnota | Pravděpodobnost, že bychom při platnosti nulové hypotézy pozorovali data alespoň tak extrémní jako naše skutečná data. |
| pakovy-efekt | Míra toho, jak neobvyklé hodnoty prediktorů má jedno pozorování ve srovnání s ostatními; nezávisí na naměřené odezvě. |
| pozorovani | Jeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných. |
| prediktor | Proměnná, pomocí níž vysvětlujeme variabilitu odezvy; v notaci `y ~ x` je prediktor `x`. |
| promenna | Vlastnost zaznamenaná u pozorování, která může mezi pozorováními nabývat různých hodnot, například druh, délka nebo počet. |
| prumer | Součet hodnot vydělený jejich počtem; nejběžnější míra polohy (střední hodnoty). |
| qq-graf | Graf, který porovnává seřazené hodnoty (typicky residua) s kvantily očekávanými u zvoleného rozdělení, nejčastěji normálního. |
| residuum | Rozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. |
| rozdeleni | Popis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení. |
| sklon | Parametr lineárního modelu udávající, o kolik se změní odezva, pokud prediktor vzroste o jednu jednotku (při zachování ostatních prediktorů). |
| smerodatna-odchylka | Odmocnina rozptylu; vyjadřuje průměrnou vzdálenost hodnot od průměru ve stejných jednotkách jako původní data. |
| standardni-chyba | Míra přesnosti odhadu parametru (typicky průměru) z dat; udává, jak moc by se odhadnutý parametr lišil při opakovaném vzorkování ze stejné populace. |
| transformace | Matematická operace použitá na hodnoty proměnné s cílem splnit předpoklady modelu nebo zlepšit linearitu vztahu. |