Метрики качества линейных регрессионных моделей

5 декабря 2022
0 комментариев

Для того чтобы модель линейной регрессии можно было применять на практике необходимо сначала оценить её качество. Для этих целей предложен ряд показателей, каждый из которых предназначен для использования в различных ситуациях и имеет свои особенности применения (линейные и нелинейные, устойчивые к аномалиям, абсолютные и относительные, и т.д.). Корректный выбор меры для оценки качества модели является одним из важных факторов успеха в решении задач анализа данных.

  • Среднеквадратичная ошибка (Mean Squared Error)
  • Корень из среднеквадратичной ошибки (Root Mean Squared Error)
  • Среднеквадратичная ошибка в процентах (Mean Squared Percentage Error)
  • Cредняя абсолютная ошибка (Mean Absolute Error)
  • Средняя абсолютная процентная ошибка (Mean Absolute Percentage Error)
  • Cимметричная средняя абсолютная процентная ошибка (Symmetric Mean Absolute Percentage Error)
  • Средняя абсолютная масштабированная ошибка (Mean absolute scaled error)
  • Средняя относительная ошибка (Mean Relative Error)
  • Среднеквадратичная логарифмическая ошибка (Root Mean Squared Logarithmic Error)
  • R-квадрат
  • Скорректированный R-квадрат
  • Сравнение метрик
  • «Хорошая» аналитическая модель должна удовлетворять двум, зачастую противоречивым, требованиям — как можно лучше соответствовать данным и при этом быть удобной для интерпретации пользователем. Действительно, повышение соответствия модели данным как правило связано с её усложнением (в случае регрессии — увеличением числа входных переменных модели). А чем сложнее модель, тем ниже её интерпретируемость.

    Поэтому при выборе между простой и сложной моделью последняя должна значимо увеличивать соответствие модели данным чтобы оправдать рост сложности и соответствующее снижение интерпретируемости. Если это условие не выполняется, то следует выбрать более простую модель.

    Таким образом, чтобы оценить, насколько повышение сложности модели значимо увеличивает её точность, необходимо использовать аппарат оценки качества регрессионных моделей. Он включает в себя следующие меры:

    Прежде чем перейти к изучению метрик качества, введём некоторые базовые понятия, которые нам в этом помогут. Для этого рассмотрим рисунок.

    Рисунок 1. Линейная регрессия

    Наклонная прямая представляет собой линию регрессии с переменной, на которой расположены точки, соответствующие предсказанным значениям выходной переменной \widehat{y} (кружки синего цвета). Оранжевые кружки представляют фактические (наблюдаемые) значения y . Расстояния между ними и линией регрессии — это ошибка предсказания модели y-\widehat{y} (невязка, остатки). Именно с её использованием вычисляются все приведённые в статье меры качества.

    Горизонтальная линия представляет собой модель простого среднего, где коэффициент при независимой переменной x равен нулю, и остаётся только свободный член b, который становится равным среднему арифметическому фактических значений выходной переменной, т.е. b=\overline{y}. Очевидно, что такая модель для любого значения входной переменной будет выдавать одно и то же значение выходной — \overline{y}.

    В линейной регрессии такая модель рассматривается как «бесполезная», хуже которой работает только «случайный угадыватель». Однако, она используется для оценки, насколько дисперсия фактических значений y относительно линии среднего, больше, чем относительно линии регрессии с переменной, т.е. насколько модель с переменной лучше «бесполезной».

    MSE

    Среднеквадратичная ошибка (Mean Squared Error) применяется в случаях, когда требуется подчеркнуть большие ошибки и выбрать модель, которая дает меньше именно больших ошибок. Большие значения ошибок становятся заметнее за счет квадратичной зависимости.

    Действительно, допустим модель допустила на двух примерах ошибки 5 и 10. В абсолютном выражении они отличаются в два раза, но если их возвести в квадрат, получив 25 и 100 соответственно, то отличие будет уже в четыре раза. Таким образом модель, которая обеспечивает меньшее значение MSE допускает меньше именно больших ошибок.

    MSE рассчитывается по формуле:

    MSE=\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}(y_{i}-\widehat{y}_{i})^{2},

    где n — количество наблюдений по которым строится модель и количество прогнозов, y_{i} — фактические значение зависимой переменной для i-го наблюдения, \widehat{y}_{i} — значение зависимой переменной, предсказанное моделью.

    Таким образом, можно сделать вывод, что MSE настроена на отражение влияния именно больших ошибок на качество модели.

    Недостатком использования MSE является то, что если на одном или нескольких неудачных примерах, возможно, содержащих аномальные значения будет допущена значительная ошибка, то возведение в квадрат приведёт к ложному выводу, что вся модель работает плохо. С другой стороны, если модель даст небольшие ошибки на большом числе примеров, то может возникнуть обратный эффект — недооценка слабости модели.

    RMSE

    Корень из среднеквадратичной ошибки (Root Mean Squared Error) вычисляется просто как квадратный корень из MSE:

    RMSE=\sqrt{\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}(y_{i}-\widehat{y_{i}})^{2}}

    MSE и RMSE могут минимизироваться с помощью одного и того же функционала, поскольку квадратный корень является неубывающей функцией. Например, если у нас есть два набора результатов работы модели, A и B, и MSE для A больше, чем MSE для B, то мы можем быть уверены, что RMSE для A больше RMSE для B. Справедливо и обратное: если MSE(A)<MSE(B), то и RMSE(A)<RMSE(B).

    Следовательно, сравнение моделей с помощью RMSE даст такой же результат, что и для MSE. Однако с MSE работать несколько проще, поэтому она более популярна у аналитиков. Кроме этого, имеется небольшая разница между этими двумя ошибками при оптимизации с использованием градиента:

    \frac{\partial RMSE}{\partial \widehat{y}_{i}}=\frac{1}{2\sqrt{MSE}}\frac{\partial MSE}{\partial \widehat{y}_{i}}

    Это означает, что перемещение по градиенту MSE эквивалентно перемещению по градиенту RMSE, но с другой скоростью, и скорость зависит от самой оценки MSE. Таким образом, хотя RMSE и MSE близки с точки зрения оценки моделей, они не являются взаимозаменяемыми при использовании градиента для оптимизации.

    Влияние каждой ошибки на RMSE пропорционально величине квадрата ошибки. Поэтому большие ошибки оказывают непропорционально большое влияние на RMSE. Следовательно, RMSE можно считать чувствительной к аномальным значениям.

    MSPE

    Среднеквадратичная ошибка в процентах (Mean Squared Percentage Error) представляет собой относительную ошибку, где разность между наблюдаемым и фактическим значениями делится на наблюдаемое значение и выражается в процентах:

    MSPE=\frac{100}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}\left ( \frac{y_{i}-\widehat{y}_{i}}{y_{i}} \right )^{2}

    Проблемой при использовании MSPE является то, что, если наблюдаемое значение выходной переменной равно 0, значение ошибки становится неопределённым.

    MSPE можно рассматривать как взвешенную версию MSE, где вес обратно пропорционален квадрату наблюдаемого значения. Таким образом, при возрастании наблюдаемых значений ошибка имеет тенденцию уменьшаться.

    MAE

    Cредняя абсолютная ошибка (Mean Absolute Error) вычисляется следующим образом:

    MAE=\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}\left | y_{i}-\widehat{y}_{i} \right |

    Т.е. MAE рассчитывается как среднее абсолютных разностей между наблюдаемым и предсказанным значениями. В отличие от MSE и RMSE она является линейной оценкой, а это значит, что все ошибки в среднем взвешены одинаково. Например, разница между 0 и 10 будет вдвое больше разницы между 0 и 5. Для MSE и RMSE, как отмечено выше, это не так.

    Поэтому MAE широко используется, например, в финансовой сфере, где ошибка в 10 долларов должна интерпретироваться как в два раза худшая, чем ошибка в 5 долларов.

    MAPE

    Средняя абсолютная процентная ошибка (Mean Absolute Percentage Error) вычисляется следующим образом:

    MAPE=\frac{100}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}\frac{\left | y_{i}-\widehat{y_{i}} \right |}{\left | y_{i} \right |}

    Эта ошибка не имеет размерности и очень проста в интерпретации. Её можно выражать как в долях, так и в процентах. Если получилось, например, что MAPE=11.4, то это говорит о том, что ошибка составила 11.4% от фактического значения.

    SMAPE

    Cимметричная средняя абсолютная процентная ошибка (Symmetric Mean Absolute Percentage Error) — это мера точности, основанная на процентных (или относительных) ошибках. Обычно определяется следующим образом:

    SMAPE=\frac{100}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}\frac{\left | y_{i}-\widehat{y_{i}} \right |}{(\left | y_{i} \right |+\left | \widehat{y}_{i} \right |)/2}

    Т.е. абсолютная разность между наблюдаемым и предсказанным значениями делится на полусумму их модулей. В отличие от обычной MAPE, симметричная имеет ограничение на диапазон значений. В приведённой формуле он составляет от 0 до 200%. Однако, поскольку диапазон от 0 до 100% гораздо удобнее интерпретировать, часто используют формулу, где отсутствует деление знаменателя на 2.

    Одной из возможных проблем SMAPE является неполная симметрия, поскольку в разных диапазонах ошибка вычисляется неодинаково. Это иллюстрируется следующим примером: если y_{i}=100 и \widehat{y}_{i}=110, то SMAPE=4.76, а если y_{i}=100 и \widehat{y}_{i}=90, то SMAPE=5.26.

    Ограничение SMAPE заключается в том, что, если наблюдаемое или предсказанное значение равно 0, ошибка резко возрастет до верхнего предела (200% или 100%).

    MASE

    Средняя абсолютная масштабированная ошибка (Mean absolute scaled error) — это показатель, который позволяет сравнивать две модели. Если поместить MAE для новой модели в числитель, а MAE для исходной модели в знаменатель, то полученное отношение и будет равно MASE. Если значение MASE меньше 1, то новая модель работает лучше, если MASE равно 1, то модели работают одинаково, а если значение MASE больше 1, то исходная модель работает лучше, чем новая модель. Формула для расчета MASE имеет вид:

    MASE=\frac{MAE_{i}}{MAE_{j}}

    MASE симметрична и устойчива к выбросам.

    MRE

    Средняя относительная ошибка (Mean Relative Error) вычисляется по формуле:

    MRE=\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}\frac{\left | y_{i}-\widehat{y}_{i}\right |}{\left | y_{i} \right |}

    Несложно увидеть, что данная мера показывает величину абсолютной ошибки относительно фактического значения выходной переменной (поэтому иногда эту ошибку называют также средней относительной абсолютной ошибкой, MRAE). Действительно, если значение абсолютной ошибки, скажем, равно 10, то сложно сказать много это или мало. Например, относительно значения выходной переменной, равного 20, это составляет 50%, что достаточно много. Однако относительно значения выходной переменной, равного 100, это будет уже 10%, что является вполне нормальным результатом.

    Очевидно, что при вычислении MRE нельзя применять наблюдения, в которых y_{i}=0.

    Таким образом, MRE позволяет более адекватно оценить величину ошибки, чем абсолютные ошибки. Кроме этого она является безразмерной величиной, что упрощает интерпретацию.

    RMSLE

    Среднеквадратичная логарифмическая ошибка (Root Mean Squared Logarithmic Error) представляет собой RMSE, вычисленную в логарифмическом масштабе:

    RMSLE=\sqrt{\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}(log(\widehat{y}_{i}+1)-log{(y_{i}+1}))^{2}}

    Константы, равные 1, добавляемые в скобках, необходимы чтобы не допустить обращения в 0 выражения под логарифмом, поскольку логарифм нуля не существует.

    Известно, что логарифмирование приводит к сжатию исходного диапазона изменения значений переменной. Поэтому применение RMSLE целесообразно, если предсказанное и фактическое значения выходной переменной различаются на порядок и больше.

    R-квадрат

    Перечисленные выше ошибки не так просто интерпретировать. Действительно, просто зная значение средней абсолютной ошибки, скажем, равное 10, мы сразу не можем сказать хорошая это ошибка или плохая, и что нужно сделать чтобы улучшить модель.

    В этой связи представляет интерес использование для оценки качества регрессионной модели не значения ошибок, а величину показывающую, насколько данная модель работает лучше, чем модель, в которой присутствует только константа, а входные переменные отсутствуют или коэффициенты регрессии при них равны нулю.

    Именно такой мерой и является коэффициент детерминации (Coefficient of determination), который показывает долю дисперсии зависимой переменной, объяснённой с помощью регрессионной модели. Наиболее общей формулой для вычисления коэффициента детерминации является следующая:

    R^{2}=1-\frac{\sum\limits_{i=1}^{n}(\widehat{y}_{i}-y_{i})^{2}}{\sum\limits_{i=1}^{n}({\overline{y}}_{i}-y_{i})^{2}}

    Практически, в числителе данного выражения стоит среднеквадратическая ошибка оцениваемой модели, а в знаменателе — модели, в которой присутствует только константа.

    Главным преимуществом коэффициента детерминации перед мерами, основанными на ошибках, является его инвариантность к масштабу данных. Кроме того, он всегда изменяется в диапазоне от −∞ до 1. При этом значения близкие к 1 указывают на высокую степень соответствия модели данным. Очевидно, что это имеет место, когда отношение в формуле стремится к 0, т.е. ошибка модели с переменными намного меньше ошибки модели с константой. R^{2}=0 показывает, что между независимой и зависимой переменными модели имеет место функциональная зависимость.

    Когда значение коэффициента близко к 0 (т.е. ошибка модели с переменными примерно равна ошибке модели только с константой), это указывает на низкое соответствие модели данным, когда модель с переменными работает не лучше модели с константой.

    Кроме этого, бывают ситуации, когда коэффициент R^{2} принимает отрицательные значения (обычно небольшие). Это произойдёт, если ошибка модели среднего становится меньше ошибки модели с переменной. В этом случае оказывается, что добавление в модель с константой некоторой переменной только ухудшает её (т.е. регрессионная модель с переменной работает хуже, чем предсказание с помощью простой средней).

    На практике используют следующую шкалу оценок. Модель, для которой R^{2}>0.5, является удовлетворительной. Если R^{2}>0.8, то модель рассматривается как очень хорошая. Значения, меньшие 0.5 говорят о том, что модель плохая.

    Скорректированный R-квадрат

    Основной проблемой при использовании коэффициента детерминации является то, что он увеличивается (или, по крайней мере, не уменьшается) при добавлении в модель новых переменных, даже если эти переменные никак не связаны с зависимой переменной.

    В связи с этим возникают две проблемы. Первая заключается в том, что не все переменные, добавляемые в модель, могут значимо увеличивать её точность, но при этом всегда увеличивают её сложность. Вторая проблема — с помощью коэффициента детерминации нельзя сравнивать модели с разным числом переменных. Чтобы преодолеть эти проблемы используют альтернативные показатели, одним из которых является скорректированный коэффициент детерминации (Adjasted coefficient of determinftion).

    Скорректированный коэффициент детерминации даёт возможность сравнивать модели с разным числом переменных так, чтобы их число не влияло на статистику R^{2}, и накладывает штраф за дополнительно включённые в модель переменные. Вычисляется по формуле:

    R_{adj}^{2}=1-\frac{\sum\limits_{i=1}^{n}(\widehat{y}_{i}-y_{i})^{2}/(n-k)}{\sum\limits_{i=1}^{n}({\overline{y}}_{i}-y_{i})^{2}/(n-1)}

    где n — число наблюдений, на основе которых строится модель, k — количество переменных в модели.

    Скорректированный коэффициент детерминации всегда меньше единицы, но теоретически может принимать значения и меньше нуля только при очень малом значении обычного коэффициента детерминации и большом количестве переменных модели.

    Сравнение метрик

    Резюмируем преимущества и недостатки каждой приведённой метрики в следующей таблице:

    МераСильные стороныСлабые стороны
    MSEПозволяет подчеркнуть большие отклонения, простота вычисления.Имеет тенденцию занижать качество модели, чувствительна к выбросам. Сложность интерпретации из-за квадратичной зависимости.
    RMSEПростота интерпретации, поскольку измеряется в тех же единицах, что и целевая переменная.Имеет тенденцию занижать качество модели, чувствительна к выбросам.
    MSPEНечувствительна к выбросам. Хорошо интерпретируема, поскольку имеет линейный характер.Поскольку вклад всех ошибок отдельных наблюдений взвешивается одинаково, не позволяет подчёркивать большие и малые ошибки.
    MAPEЯвляется безразмерной величиной, поэтому её интерпретация не зависит от предметной области.Нельзя использовать для наблюдений, в которых значения выходной переменной равны нулю.
    SMAPEПозволяет корректно работать с предсказанными значениями независимо от того больше они фактического, или меньше.Приближение к нулю фактического или предсказанного значения приводит к резкому росту ошибки, поскольку в знаменателе присутствует как фактическое, так и предсказанное значения.
    MASEНе зависит от масштаба данных, является симметричной: положительные и отрицательные отклонения от фактического значения учитываются одинаково. Устойчива к выбросам. Позволяет сравнивать модели.Сложность интерпретации.
    MREПозволяет оценить величину ошибки относительно значения целевой переменной.Неприменима для наблюдений с нулевым значением выходной переменной.
    RMSLEЛогарифмирование позволяет сделать величину ошибки более устойчивой, когда разность между фактическим и предсказанным значениями различается на порядок и вышеМожет быть затруднена интерпретация из-за нелинейности.
    R-квадратУниверсальность, простота интерпретации.Возрастает даже при включении в модель бесполезных переменных. Плохо работает когда входные переменные зависимы.
    R-квадрат скорр.Корректно отражает вклад каждой переменной в модель.Плохо работает, когда входные переменные зависимы.

    В данной статье рассмотрены наиболее популярные меры качества регрессионных моделей, которые часто используются в различных аналитических приложениях. Эти меры имеют свои особенности применения, знание которых позволит обоснованно выбирать и корректно применять их на практике.

    Однако в литературе можно встретить и другие меры качества моделей регрессии, которые предлагаются различными авторами для решения конкретных задач анализа данных.

    Другие материалы по теме:

    Отбор переменных в моделях линейной регрессии

    Репрезентативность выборочных данных

    Логистическая регрессия и ROC-анализ — математический аппарат

    Орешков Вячеслав
    Рязанский государственный радиотехнический университет, Доцент кафедры САПР ВС
    #аналитический инструмент#анализ данных#loginom

    Смотрите также