隨機變數的函數與變換
變異數穩定變換(variance-stabilizing transformations)
許多真實測量在數值較大時更吵:計數資料在計數高時散得更開,而接近 1/2 的比例比接近 0 或 1 的更晃動。這種變動的散布(異質變異)會破壞那些假設雜訊恆定的工具。變異數穩定變換用一個巧妙的函數重塑資料,使散布在整個範圍上變得大致相同。
這個想法建立在 delta 方法上。若一個變數的變異數取決於它的均值,例如 Var 大致等於 v(mu),那麼用函數 h 變換會攤開或壓縮雜訊:變換後的變數變異數約為 (h'(mu))^2 乘以 v(mu)。要讓它恆定,就選一個導數能抵消 v 增長的 h —— 形式上 h'(mu) 正比於 1/sqrt(v(mu)),故 h 是 1/sqrt(v(mu)) 的積分。對常見情形算出這個積分,著名的變換便掉出來:對類卜瓦松的計數(其變異數等於均值)用平方根、對比例用平方根的反正弦、當標準差正比於均值時用對數。
這些變換是實用的常備工具:它們讓殘差的散布更接近相等、把偏斜的資料拉近對稱、並讓假設變異數恆定的一般方法運作得更好。誠實的提醒:穩定化只是近似的,它倚賴 delta 方法的線性化,而且變換改變了你工作的尺度 —— 變換尺度上的均值並不是原均值的變換,所以解讀結果時要記住這點。
對卜瓦松計數,變異數等於均值:v(mu) = mu。則 1/sqrt(v(mu)) = mu^(-1/2),其積分正比於 sqrt(mu)。所以平方根變換 Y = sqrt(X) 給出大致恆定的變異數(接近 1/4),不論底層的率為何 —— 這就是為何計數資料常在平方根尺度上分析。
平方根把卜瓦松計數中隨均值變化的變異數壓平。
穩定化只是近似的(它倚賴 delta 方法的線性化),且在遠離邊界時效果最好。記住答案活在變換後的尺度上,所以把均值反變換並不能還原原來的均值。
又稱
另見