Формула средней квадратичной ошибки среднего арифметического

In statistics, the mean squared error (MSE)^[1] or mean squared deviation (MSD) of an estimator (of a procedure for estimating an unobserved quantity) measures the average of the squares of the errors—that is, the average squared difference between the estimated values and the actual value. MSE is a risk function, corresponding to the expected value of the squared error loss.^[2] The fact that MSE is almost always strictly positive (and not zero) is because of randomness or because the estimator does not account for information that could produce a more accurate estimate.^[3] In machine learning, specifically empirical risk minimization, MSE may refer to the empirical risk (the average loss on an observed data set), as an estimate of the true MSE (the true risk: the average loss on the actual population distribution).

The MSE is a measure of the quality of an estimator. As it is derived from the square of Euclidean distance, it is always a positive value that decreases as the error approaches zero.

The MSE is the second moment (about the origin) of the error, and thus incorporates both the variance of the estimator (how widely spread the estimates are from one data sample to another) and its bias (how far off the average estimated value is from the true value).^{[citation needed]} For an unbiased estimator, the MSE is the variance of the estimator. Like the variance, MSE has the same units of measurement as the square of the quantity being estimated. In an analogy to standard deviation, taking the square root of MSE yields the root-mean-square error or root-mean-square deviation (RMSE or RMSD), which has the same units as the quantity being estimated; for an unbiased estimator, the RMSE is the square root of the variance, known as the standard error.

Definition and basic properties[edit]

The MSE either assesses the quality of a predictor (i.e., a function mapping arbitrary inputs to a sample of values of some random variable), or of an estimator (i.e., a mathematical function mapping a sample of data to an estimate of a parameter of the population from which the data is sampled). The definition of an MSE differs according to whether one is describing a predictor or an estimator.

Predictor[edit]

If a vector of predictions is generated from a sample of data points on all variables, and is the vector of observed values of the variable being predicted, with being the predicted values (e.g. as from a least-squares fit), then the within-sample MSE of the predictor is computed as

In other words, the MSE is the mean of the squares of the errors . This is an easily computable quantity for a particular sample (and hence is sample-dependent).

In matrix notation,

where is and is the column vector.

The MSE can also be computed on q data points that were not used in estimating the model, either because they were held back for this purpose, or because these data have been newly obtained. Within this process, known as statistical learning, the MSE is often called the test MSE,^[4] and is computed as

Estimator[edit]

The MSE of an estimator with respect to an unknown parameter is defined as^[1]

This definition depends on the unknown parameter, but the MSE is a priori a property of an estimator. The MSE could be a function of unknown parameters, in which case any estimator of the MSE based on estimates of these parameters would be a function of the data (and thus a random variable). If the estimator is derived as a sample statistic and is used to estimate some population parameter, then the expectation is with respect to the sampling distribution of the sample statistic.

The MSE can be written as the sum of the variance of the estimator and the squared bias of the estimator, providing a useful way to calculate the MSE and implying that in the case of unbiased estimators, the MSE and variance are equivalent.^[5]

Proof of variance and bias relationship[edit]

An even shorter proof can be achieved using the well-known formula that for a random variable , . By substituting with, , we have

But in real modeling case, MSE could be described as the addition of model variance, model bias, and irreducible uncertainty (see Bias–variance tradeoff). According to the relationship, the MSE of the estimators could be simply used for the efficiency comparison, which includes the information of estimator variance and bias. This is called MSE criterion.

In regression[edit]

In regression analysis, plotting is a more natural way to view the overall trend of the whole data. The mean of the distance from each point to the predicted regression model can be calculated, and shown as the mean squared error. The squaring is critical to reduce the complexity with negative signs. To minimize MSE, the model could be more accurate, which would mean the model is closer to actual data. One example of a linear regression using this method is the least squares method—which evaluates appropriateness of linear regression model to model bivariate dataset,^[6] but whose limitation is related to known distribution of the data.

The term mean squared error is sometimes used to refer to the unbiased estimate of error variance: the residual sum of squares divided by the number of degrees of freedom. This definition for a known, computed quantity differs from the above definition for the computed MSE of a predictor, in that a different denominator is used. The denominator is the sample size reduced by the number of model parameters estimated from the same data, (n−p) for p regressors or (n−p−1) if an intercept is used (see errors and residuals in statistics for more details).^[7] Although the MSE (as defined in this article) is not an unbiased estimator of the error variance, it is consistent, given the consistency of the predictor.

In regression analysis, «mean squared error», often referred to as mean squared prediction error or «out-of-sample mean squared error», can also refer to the mean value of the squared deviations of the predictions from the true values, over an out-of-sample test space, generated by a model estimated over a particular sample space. This also is a known, computed quantity, and it varies by sample and by out-of-sample test space.

Examples[edit]

Mean[edit]

Suppose we have a random sample of size from a population, . Suppose the sample units were chosen with replacement. That is, the units are selected one at a time, and previously selected units are still eligible for selection for all draws. The usual estimator for the is the sample average

which has an expected value equal to the true mean (so it is unbiased) and a mean squared error of

where is the population variance.

For a Gaussian distribution, this is the best unbiased estimator (i.e., one with the lowest MSE among all unbiased estimators), but not, say, for a uniform distribution.

Variance[edit]

The usual estimator for the variance is the corrected sample variance:

This is unbiased (its expected value is ), hence also called the unbiased sample variance, and its MSE is^[8]

where is the fourth central moment of the distribution or population, and is the excess kurtosis.

However, one can use other estimators for which are proportional to , and an appropriate choice can always give a lower mean squared error. If we define

then we calculate:

This is minimized when

For a Gaussian distribution, where , this means that the MSE is minimized when dividing the sum by . The minimum excess kurtosis is ,^[a] which is achieved by a Bernoulli distribution with p = 1/2 (a coin flip), and the MSE is minimized for Hence regardless of the kurtosis, we get a «better» estimate (in the sense of having a lower MSE) by scaling down the unbiased estimator a little bit; this is a simple example of a shrinkage estimator: one «shrinks» the estimator towards zero (scales down the unbiased estimator).

Further, while the corrected sample variance is the best unbiased estimator (minimum mean squared error among unbiased estimators) of variance for Gaussian distributions, if the distribution is not Gaussian, then even among unbiased estimators, the best unbiased estimator of the variance may not be

Gaussian distribution[edit]

The following table gives several estimators of the true parameters of the population, μ and σ², for the Gaussian case.^[9]

True value	Estimator	Mean squared error
	= the unbiased estimator of the population mean,
	= the unbiased estimator of the population variance,
	= the biased estimator of the population variance,
	= the biased estimator of the population variance,

Interpretation[edit]

An MSE of zero, meaning that the estimator predicts observations of the parameter with perfect accuracy, is ideal (but typically not possible).

Values of MSE may be used for comparative purposes. Two or more statistical models may be compared using their MSEs—as a measure of how well they explain a given set of observations: An unbiased estimator (estimated from a statistical model) with the smallest variance among all unbiased estimators is the best unbiased estimator or MVUE (Minimum-Variance Unbiased Estimator).

Both analysis of variance and linear regression techniques estimate the MSE as part of the analysis and use the estimated MSE to determine the statistical significance of the factors or predictors under study. The goal of experimental design is to construct experiments in such a way that when the observations are analyzed, the MSE is close to zero relative to the magnitude of at least one of the estimated treatment effects.

In one-way analysis of variance, MSE can be calculated by the division of the sum of squared errors and the degree of freedom. Also, the f-value is the ratio of the mean squared treatment and the MSE.

MSE is also used in several stepwise regression techniques as part of the determination as to how many predictors from a candidate set to include in a model for a given set of observations.

Applications[edit]

• Minimizing MSE is a key criterion in selecting estimators: see minimum mean-square error. Among unbiased estimators, minimizing the MSE is equivalent to minimizing the variance, and the estimator that does this is the minimum variance unbiased estimator. However, a biased estimator may have lower MSE; see estimator bias.
• In statistical modelling the MSE can represent the difference between the actual observations and the observation values predicted by the model. In this context, it is used to determine the extent to which the model fits the data as well as whether removing some explanatory variables is possible without significantly harming the model’s predictive ability.
• In forecasting and prediction, the Brier score is a measure of forecast skill based on MSE.

Loss function[edit]

Squared error loss is one of the most widely used loss functions in statistics^{[citation needed]}, though its widespread use stems more from mathematical convenience than considerations of actual loss in applications. Carl Friedrich Gauss, who introduced the use of mean squared error, was aware of its arbitrariness and was in agreement with objections to it on these grounds.^[3] The mathematical benefits of mean squared error are particularly evident in its use at analyzing the performance of linear regression, as it allows one to partition the variation in a dataset into variation explained by the model and variation explained by randomness.

Criticism[edit]

The use of mean squared error without question has been criticized by the decision theorist James Berger. Mean squared error is the negative of the expected value of one specific utility function, the quadratic utility function, which may not be the appropriate utility function to use under a given set of circumstances. There are, however, some scenarios where mean squared error can serve as a good approximation to a loss function occurring naturally in an application.^[10]

Like variance, mean squared error has the disadvantage of heavily weighting outliers.^[11] This is a result of the squaring of each term, which effectively weights large errors more heavily than small ones. This property, undesirable in many applications, has led researchers to use alternatives such as the mean absolute error, or those based on the median.

See also[edit]

• Bias–variance tradeoff
• Hodges’ estimator
• James–Stein estimator
• Mean percentage error
• Mean square quantization error
• Mean square weighted deviation
• Mean squared displacement
• Mean squared prediction error
• Minimum mean square error
• Minimum mean squared error estimator
• Overfitting
• Peak signal-to-noise ratio

Notes[edit]

References[edit]

In statistics, the mean squared error (MSE)^[1] or mean squared deviation (MSD) of an estimator (of a procedure for estimating an unobserved quantity) measures the average of the squares of the errors—that is, the average squared difference between the estimated values and the actual value. MSE is a risk function, corresponding to the expected value of the squared error loss.^[2] The fact that MSE is almost always strictly positive (and not zero) is because of randomness or because the estimator does not account for information that could produce a more accurate estimate.^[3] In machine learning, specifically empirical risk minimization, MSE may refer to the empirical risk (the average loss on an observed data set), as an estimate of the true MSE (the true risk: the average loss on the actual population distribution).

The MSE is a measure of the quality of an estimator. As it is derived from the square of Euclidean distance, it is always a positive value that decreases as the error approaches zero.

The MSE is the second moment (about the origin) of the error, and thus incorporates both the variance of the estimator (how widely spread the estimates are from one data sample to another) and its bias (how far off the average estimated value is from the true value).^{[citation needed]} For an unbiased estimator, the MSE is the variance of the estimator. Like the variance, MSE has the same units of measurement as the square of the quantity being estimated. In an analogy to standard deviation, taking the square root of MSE yields the root-mean-square error or root-mean-square deviation (RMSE or RMSD), which has the same units as the quantity being estimated; for an unbiased estimator, the RMSE is the square root of the variance, known as the standard error.

Definition and basic properties[edit]

The MSE either assesses the quality of a predictor (i.e., a function mapping arbitrary inputs to a sample of values of some random variable), or of an estimator (i.e., a mathematical function mapping a sample of data to an estimate of a parameter of the population from which the data is sampled). The definition of an MSE differs according to whether one is describing a predictor or an estimator.

Predictor[edit]

If a vector of predictions is generated from a sample of data points on all variables, and is the vector of observed values of the variable being predicted, with being the predicted values (e.g. as from a least-squares fit), then the within-sample MSE of the predictor is computed as

In other words, the MSE is the mean of the squares of the errors . This is an easily computable quantity for a particular sample (and hence is sample-dependent).

In matrix notation,

where is and is the column vector.

The MSE can also be computed on q data points that were not used in estimating the model, either because they were held back for this purpose, or because these data have been newly obtained. Within this process, known as statistical learning, the MSE is often called the test MSE,^[4] and is computed as

Estimator[edit]

The MSE of an estimator with respect to an unknown parameter is defined as^[1]

This definition depends on the unknown parameter, but the MSE is a priori a property of an estimator. The MSE could be a function of unknown parameters, in which case any estimator of the MSE based on estimates of these parameters would be a function of the data (and thus a random variable). If the estimator is derived as a sample statistic and is used to estimate some population parameter, then the expectation is with respect to the sampling distribution of the sample statistic.

The MSE can be written as the sum of the variance of the estimator and the squared bias of the estimator, providing a useful way to calculate the MSE and implying that in the case of unbiased estimators, the MSE and variance are equivalent.^[5]

Proof of variance and bias relationship[edit]

An even shorter proof can be achieved using the well-known formula that for a random variable , . By substituting with, , we have

But in real modeling case, MSE could be described as the addition of model variance, model bias, and irreducible uncertainty (see Bias–variance tradeoff). According to the relationship, the MSE of the estimators could be simply used for the efficiency comparison, which includes the information of estimator variance and bias. This is called MSE criterion.

In regression[edit]

In regression analysis, plotting is a more natural way to view the overall trend of the whole data. The mean of the distance from each point to the predicted regression model can be calculated, and shown as the mean squared error. The squaring is critical to reduce the complexity with negative signs. To minimize MSE, the model could be more accurate, which would mean the model is closer to actual data. One example of a linear regression using this method is the least squares method—which evaluates appropriateness of linear regression model to model bivariate dataset,^[6] but whose limitation is related to known distribution of the data.

The term mean squared error is sometimes used to refer to the unbiased estimate of error variance: the residual sum of squares divided by the number of degrees of freedom. This definition for a known, computed quantity differs from the above definition for the computed MSE of a predictor, in that a different denominator is used. The denominator is the sample size reduced by the number of model parameters estimated from the same data, (n−p) for p regressors or (n−p−1) if an intercept is used (see errors and residuals in statistics for more details).^[7] Although the MSE (as defined in this article) is not an unbiased estimator of the error variance, it is consistent, given the consistency of the predictor.

In regression analysis, «mean squared error», often referred to as mean squared prediction error or «out-of-sample mean squared error», can also refer to the mean value of the squared deviations of the predictions from the true values, over an out-of-sample test space, generated by a model estimated over a particular sample space. This also is a known, computed quantity, and it varies by sample and by out-of-sample test space.

Examples[edit]

Mean[edit]

Suppose we have a random sample of size from a population, . Suppose the sample units were chosen with replacement. That is, the units are selected one at a time, and previously selected units are still eligible for selection for all draws. The usual estimator for the is the sample average

which has an expected value equal to the true mean (so it is unbiased) and a mean squared error of

where is the population variance.

For a Gaussian distribution, this is the best unbiased estimator (i.e., one with the lowest MSE among all unbiased estimators), but not, say, for a uniform distribution.

Variance[edit]

The usual estimator for the variance is the corrected sample variance:

This is unbiased (its expected value is ), hence also called the unbiased sample variance, and its MSE is^[8]

where is the fourth central moment of the distribution or population, and is the excess kurtosis.

However, one can use other estimators for which are proportional to , and an appropriate choice can always give a lower mean squared error. If we define

then we calculate:

This is minimized when

For a Gaussian distribution, where , this means that the MSE is minimized when dividing the sum by . The minimum excess kurtosis is ,^[a] which is achieved by a Bernoulli distribution with p = 1/2 (a coin flip), and the MSE is minimized for Hence regardless of the kurtosis, we get a «better» estimate (in the sense of having a lower MSE) by scaling down the unbiased estimator a little bit; this is a simple example of a shrinkage estimator: one «shrinks» the estimator towards zero (scales down the unbiased estimator).

Further, while the corrected sample variance is the best unbiased estimator (minimum mean squared error among unbiased estimators) of variance for Gaussian distributions, if the distribution is not Gaussian, then even among unbiased estimators, the best unbiased estimator of the variance may not be

Gaussian distribution[edit]

The following table gives several estimators of the true parameters of the population, μ and σ², for the Gaussian case.^[9]

True value	Estimator	Mean squared error
	= the unbiased estimator of the population mean,
	= the unbiased estimator of the population variance,
	= the biased estimator of the population variance,
	= the biased estimator of the population variance,

Interpretation[edit]

An MSE of zero, meaning that the estimator predicts observations of the parameter with perfect accuracy, is ideal (but typically not possible).

Values of MSE may be used for comparative purposes. Two or more statistical models may be compared using their MSEs—as a measure of how well they explain a given set of observations: An unbiased estimator (estimated from a statistical model) with the smallest variance among all unbiased estimators is the best unbiased estimator or MVUE (Minimum-Variance Unbiased Estimator).

Both analysis of variance and linear regression techniques estimate the MSE as part of the analysis and use the estimated MSE to determine the statistical significance of the factors or predictors under study. The goal of experimental design is to construct experiments in such a way that when the observations are analyzed, the MSE is close to zero relative to the magnitude of at least one of the estimated treatment effects.

In one-way analysis of variance, MSE can be calculated by the division of the sum of squared errors and the degree of freedom. Also, the f-value is the ratio of the mean squared treatment and the MSE.

MSE is also used in several stepwise regression techniques as part of the determination as to how many predictors from a candidate set to include in a model for a given set of observations.

Applications[edit]

• Minimizing MSE is a key criterion in selecting estimators: see minimum mean-square error. Among unbiased estimators, minimizing the MSE is equivalent to minimizing the variance, and the estimator that does this is the minimum variance unbiased estimator. However, a biased estimator may have lower MSE; see estimator bias.
• In statistical modelling the MSE can represent the difference between the actual observations and the observation values predicted by the model. In this context, it is used to determine the extent to which the model fits the data as well as whether removing some explanatory variables is possible without significantly harming the model’s predictive ability.
• In forecasting and prediction, the Brier score is a measure of forecast skill based on MSE.

Loss function[edit]

Squared error loss is one of the most widely used loss functions in statistics^{[citation needed]}, though its widespread use stems more from mathematical convenience than considerations of actual loss in applications. Carl Friedrich Gauss, who introduced the use of mean squared error, was aware of its arbitrariness and was in agreement with objections to it on these grounds.^[3] The mathematical benefits of mean squared error are particularly evident in its use at analyzing the performance of linear regression, as it allows one to partition the variation in a dataset into variation explained by the model and variation explained by randomness.

Criticism[edit]

The use of mean squared error without question has been criticized by the decision theorist James Berger. Mean squared error is the negative of the expected value of one specific utility function, the quadratic utility function, which may not be the appropriate utility function to use under a given set of circumstances. There are, however, some scenarios where mean squared error can serve as a good approximation to a loss function occurring naturally in an application.^[10]

Like variance, mean squared error has the disadvantage of heavily weighting outliers.^[11] This is a result of the squaring of each term, which effectively weights large errors more heavily than small ones. This property, undesirable in many applications, has led researchers to use alternatives such as the mean absolute error, or those based on the median.

See also[edit]

• Bias–variance tradeoff
• Hodges’ estimator
• James–Stein estimator
• Mean percentage error
• Mean square quantization error
• Mean square weighted deviation
• Mean squared displacement
• Mean squared prediction error
• Minimum mean square error
• Minimum mean squared error estimator
• Overfitting
• Peak signal-to-noise ratio

Notes[edit]

References[edit]

Из данной статьи вы узнаете:

• Для чего нужна среднеквадратическая ошибка прогноза;
• Как она рассчитывается.

+ сможете скачать пример расчета в Excel.

MSE (mean squared error) – среднеквадратическая ошибка прогноза.

MSE – среднеквадратическая ошибка прогноза применяется в ситуациях, когда нам надо подчеркнуть большие ошибки и выбрать модель, которая дает меньше больших ошибок прогноза.

Грубые ошибки становятся заметнее за счет того, что ошибку прогноза мы возводим в квадрат. И модель, которая дает нам меньшее значение среднеквадратической ошибки, можно сказать, что что у этой модели меньше грубых ошибок.

Как рассчитать среднеквадратическую ошибку?

1. Рассчитываем ошибку для каждого значения модели;
2. Возводим ошибку в квадрат;
3. Рассчитываем среднее по квадрату ошибки, т.е. среднеквадратическую ошибку MSE:

Скачайте файл с примером расчета ошибки MSE

1. Ошибка = фактические продаж минус значения прогнозной модели для каждого момента времени:

2. Возводим ошибку в квадрат для каждого момента времени:

3. Рассчитываем среднеквадратическую ошибку MSE, для этого определяем среднее значение квадратов ошибок:

Скачайте файл с примером расчета ошибки MSE

Из данной статьи вы узнали, для чего использовать среднеквадратическую ошибку прогноза и как ее рассчитать. Если у вас остались вопросы, пожалуйста, задавайте в комментариях, буду рад помочь!

Статья полезная? Поделитесь с друзьями

Была ли эта статья полезной?

В статистике , то средний квадрат ошибка ( СКО ) ^{[1] [2]} , или среднее отклонение в квадрате ( МСД ) из оценки (методик для оценки в ненаблюдаемом количестве) измеряет среднее из квадратов ошибок , то есть, то среднеквадратичная разница между расчетными значениями и фактическими значениями. MSE — это функция риска , соответствующая ожидаемому значению квадрата потери ошибок. ^{[ согласно кому? ] [ требуется разъяснение ]}Тот факт, что MSE почти всегда строго положительна (а не равна нулю), объясняется случайностью или тем, что оценщик не учитывает информацию, которая могла бы дать более точную оценку. ^[3]

MSE — это показатель качества оценщика. Поскольку оно вычисляется из квадрата евклидова расстояния , оно всегда является положительным значением, а ошибка уменьшается по мере приближения к нулю. ^{[ требуется разъяснение ]}

MSE — это второй момент (о происхождении) ошибки, ^{[ требуется пояснение ]} и, таким образом, включает в себя как дисперсию оценки (насколько широко разброс оценок от одной выборки данных к другой), так и ее смещение (насколько далеко от среднее оценочное значение от истинного значения). ^{[ необходимая цитата ]} Для несмещенного оценщика MSE — это дисперсия оценщика. Как и дисперсия, MSE имеет те же единицы измерения, что и квадрат оцениваемой величины. По аналогии со стандартным отклонением извлечение квадратного корня из MSE дает среднеквадратичную ошибку илисреднеквадратичное отклонение (RMSE или RMSD), которое имеет те же единицы, что и оцениваемая величина; для несмещенной оценки RMSE — это квадратный корень из дисперсии , известный как стандартная ошибка .

Определение и основные свойства

СКО либо оценивает качество предсказателя (т.е. функция отображения произвольных входов к выборке значений некоторой случайной величины ), либо из оценки (т.е. математическая функция отображения выборки данных для оценки в параметре из население , из которого отбирают данные). Определение MSE различается в зависимости от того, описывается ли предсказатель или оценщик.

Предиктор

Если вектор прогнозы генерируются из выборки точки данных по всем переменным, и — вектор наблюдаемых значений прогнозируемой переменной, при этом являясь предсказанными значениями (например, по методу наименьших квадратов ), то MSE в пределах выборки предсказателя вычисляется как

Другими словами, MSE — это среднее из квадратов ошибок . Это легко вычисляемая величина для конкретного образца (и, следовательно, зависит от образца).

В матричных обозначениях

куда является а также это матрица.

СКО также можно вычислить по q точкам данных, которые не использовались при оценке модели, либо потому, что они не использовались для этой цели, либо потому, что эти данные были получены заново. В этом процессе (известном как перекрестная проверка ) MSE часто называют среднеквадратической ошибкой прогноза ^{[ необходима ссылка ]} и вычисляется как

Оценщик

MSE оценщика по неизвестному параметру определяется как ^[2]

Это определение зависит от неизвестного параметра, но MSE априори является свойством оценщика. MSE может быть функцией неизвестных параметров, и в этом случае любая оценка MSE, основанная на оценках этих параметров, будет функцией данных (и, следовательно, случайной величиной). Если оценщик выводится как статистика выборки и используется для оценки некоторого параметра совокупности, тогда ожидание относится к распределению выборки статистики выборки.

MSE может быть записано как сумма дисперсии оценки и квадрата смещения оценки, обеспечивая полезный способ вычисления MSE и подразумевая, что в случае несмещенных оценок MSE и дисперсия эквивалентны. ^[4]

Доказательство отношения отклонения и предвзятости

В качестве альтернативы у нас есть

Еще более короткое доказательство, использующее известную формулу, что для случайной величины (и в частности для ),
, является:

Но в реальном случае моделирования MSE можно описать как добавление дисперсии модели, систематической ошибки модели и неснижаемой неопределенности ^{[ необходима ссылка ] [ требуется пояснение ]} . В соответствии с этим соотношением, MSE оценщиков можно просто использовать для сравнения эффективности , которое включает в себя информацию о дисперсии и смещении оценщика. Это называется критерием MSE.

В регрессе

В регрессионном анализе построение графиков является более естественным способом просмотра общей тенденции всех данных. Среднее значение расстояния от каждой точки до прогнозируемой регрессионной модели может быть вычислено и показано как среднеквадратичная ошибка. Возведение в квадрат критически важно для уменьшения сложности с отрицательными знаками. Чтобы свести к минимуму MSE, модель могла бы быть более точной, что означало бы, что модель ближе к фактическим данным. Одним из примеров линейной регрессии с использованием этого метода является метод наименьших квадратов -Какой оценивает уместность модели линейной регрессии к модели двухмерного набора данных , ^[5] , но чьи ограничение связано с известным распределением данных.

Термин среднеквадратичная ошибка иногда используется для обозначения несмещенной оценки дисперсии ошибки: остаточная сумма квадратов, деленная на количество степеней свободы . Это определение известной вычисленной величины отличается от приведенного выше определения вычисленной MSE предиктора тем, что используется другой знаменатель. Знаменатель — это размер выборки, уменьшенный на количество параметров модели, оцененных на основе тех же данных, ( n — p ) для p регрессоров или ( n — p -1), если используется перехват (см. Ошибки и остатки в статистике для более подробной информации. ). ^[6]Хотя MSE (как определено в этой статье) не является объективной оценкой дисперсии ошибок, она согласована , учитывая согласованность предсказателя.

В регрессионном анализе «среднеквадратичная ошибка», часто называемая среднеквадратической ошибкой прогноза или « среднеквадратической ошибкой вне выборки», также может относиться к среднему значению квадратов отклонений прогнозов от истинных значений в зависимости от тестовое пространство вне выборки , сгенерированное моделью, оцененной по определенному пространству выборки . Это также известная вычисляемая величина, и она варьируется в зависимости от образца и тестового пространства вне выборки.

Примеры

Среднее

Предположим, у нас есть случайная выборка размера от населения, . Предположим, что образцы были выбраны с заменой . Это единицы выбираются по одному, и ранее выбранные единицы по-прежнему могут быть выбраны для всех рисует. Обычная оценка дляэто среднее значение по выборке ^[1]

ожидаемое значение которого равно истинному среднему значению (так что это беспристрастно) и среднеквадратичная ошибка

куда — дисперсия населения .

Для гауссовского распределения это лучшая несмещенная оценка (т. Е. С самой низкой MSE среди всех несмещенных оценок), но не, скажем, для равномерного распределения .

Дисперсия

Обычной оценкой дисперсии является скорректированная выборочная дисперсия :

Это беспристрастно (его ожидаемое значение ), поэтому также называется несмещенной дисперсией выборки, а ее MSE равна ^[7]

куда — четвертый центральный момент распределения или популяции, иэто избыточный эксцесс .

Однако можно использовать другие оценки для которые пропорциональны , и соответствующий выбор всегда может дать более низкую среднеквадратичную ошибку. Если мы определим

затем рассчитываем:

Это сводится к минимуму, когда

Для гауссова распределения , где, это означает, что MSE минимизируется при делении суммы на . Минимальный избыточный эксцесс составляет, ^[a] что достигается распределением Бернулли с p  = 1/2 (подбрасывание монеты), а MSE минимизируется дляСледовательно, независимо от эксцесса, мы получаем «лучшую» оценку (в смысле наличия более низкой MSE), немного уменьшая несмещенную оценку; это простой пример оценщика усадки : один «сжимает» оценщик до нуля (уменьшает несмещенный оценщик).

Кроме того, хотя скорректированная дисперсия выборки является лучшей несмещенной оценкой (минимальная среднеквадратическая ошибка среди несмещенных оценок) дисперсии для гауссовских распределений, если распределение не является гауссовым, то даже среди несмещенных оценок лучшая несмещенная оценка дисперсии может не быть

Гауссово распределение

В следующей таблице приведены несколько оценок истинных параметров совокупности μ и σ ² для гауссовского случая. ^[8]

Интерпретация

MSE равна нулю, что означает, что оценщик предсказывает наблюдения параметра с идеальной точностью является идеальным (но обычно невозможным).

Значения MSE могут использоваться для сравнительных целей. Две или более статистических моделей можно сравнить с использованием их MSE — в качестве меры того, насколько хорошо они объясняют данный набор наблюдений: несмещенная оценка (оцененная на основе статистической модели) с наименьшей дисперсией среди всех несмещенных оценок является лучшей несмещенной оценкой или MVUE (Несмещенная оценка минимальной дисперсии).

Как анализ дисперсии, так и методы линейной регрессии оценивают MSE как часть анализа и используют оцененную MSE для определения статистической значимости изучаемых факторов или предикторов. Цель экспериментального плана состоит в том, чтобы построить эксперименты таким образом, чтобы при анализе наблюдений MSE была близка к нулю относительно величины по крайней мере одного из оцененных эффектов лечения.

При одностороннем дисперсионном анализе MSE можно вычислить путем деления суммы квадратов ошибок и степени свободы. Кроме того, значение f представляет собой отношение среднего квадрата обработки и MSE.

MSE также используется в нескольких методах пошаговой регрессии как часть определения того, сколько предикторов из набора кандидатов включить в модель для данного набора наблюдений.

Приложения

• Минимизация MSE является ключевым критерием при выборе оценщиков: см. Минимальную среднеквадратичную ошибку . Среди несмещенных оценщиков минимизация MSE эквивалентна минимизации дисперсии, а оценщик, который делает это, является несмещенной оценкой с минимальной дисперсией . Однако смещенная оценка может иметь более низкую MSE; см. смещение оценки .
• В статистическом моделировании MSE может представлять разницу между фактическими наблюдениями и значениями наблюдений, предсказанными моделью. В этом контексте он используется для определения степени, в которой модель соответствует данным, а также возможности удаления некоторых независимых переменных без значительного ущерба для предсказательной способности модели.
• В прогнозировании и прогнозировании , то оценка Шиповник является мерой успешности прогнозов на основе MSE.

Функция потери

Квадратичная потеря ошибок — одна из наиболее широко используемых функций потерь в статистике ^{[ необходима цитата ]} , хотя ее широкое использование проистекает больше из математического удобства, чем из соображений фактических потерь в приложениях. Карл Фридрих Гаусс , который ввел использование среднеквадратичной ошибки, осознавал ее произвол и был согласен с возражениями против нее на этих основаниях. ^[3] Математические преимущества среднеквадратичной ошибки особенно очевидны при ее использовании при анализе эффективности линейной регрессии , поскольку она позволяет разделить вариацию в наборе данных на вариации, объясняемые моделью, и вариации, объясняемые случайностью.

Критика

Использование среднеквадратичной ошибки без вопросов подвергалось критике со стороны теоретика принятия решений Джеймса Бергера . Среднеквадратичная ошибка — это отрицательное значение ожидаемого значения одной конкретной функции полезности , квадратичной функции полезности, которая может не быть подходящей функцией полезности для использования в данном наборе обстоятельств. Однако есть некоторые сценарии, в которых среднеквадратичная ошибка может служить хорошим приближением к функции потерь, естественным образом возникающей в приложении. ^[9]

Подобно дисперсии , среднеквадратичная ошибка имеет тот недостаток, что сильно взвешиваются выбросы . ^[10] Это результат возведения в квадрат каждого члена, который фактически дает больший вес большим ошибкам, чем малым. Это свойство, нежелательное для многих приложений, заставило исследователей использовать альтернативы, такие как средняя абсолютная ошибка или те, которые основаны на медиане .

См. Также

• Компромисс смещения и дисперсии
• Оценщик Ходжеса
• Оценка Джеймса – Стейна
• Средняя процентная ошибка
• Среднеквадратичная ошибка квантования
• Среднеквадратичное взвешенное отклонение
• Среднеквадратичное смещение
• Среднеквадратичная ошибка прогноза
• Минимальная среднеквадратичная ошибка
• Оценщик минимальной среднеквадратичной ошибки
• Переоснащение
• Пиковое отношение сигнал / шум

Примечания

Ссылки

В статистика, то среднеквадратичная ошибка (MSE)^[1][2] или среднеквадратическое отклонение (MSD) из оценщик (процедуры оценки ненаблюдаемой величины) измеряет средний квадратов ошибки — то есть средний квадрат разницы между оценочными и фактическими значениями. MSE — это функция риска, соответствующий ожидаемое значение квадрата ошибки потери. Тот факт, что MSE почти всегда строго положительный (а не нулевой), объясняется тем, что случайность или потому что оценщик не учитывает информацию это может дать более точную оценку.^[3]

MSE — это мера качества оценки — она ​​всегда неотрицательна, а значения, близкие к нулю, лучше.

МСЭ — второй момент (о происхождении) ошибки и, таким образом, включает в себя как отклонение оценщика (насколько разбросаны оценки от одного образец данных другому) и его предвзятость (насколько далеко среднее оценочное значение от истинного значения). Для объективный оценщик, MSE — это дисперсия оценки. Как и дисперсия, MSE имеет те же единицы измерения, что и квадрат оцениваемой величины. По аналогии с стандартное отклонение, извлечение квадратного корня из MSE дает среднеквадратичную ошибку или среднеквадратичное отклонение (RMSE или RMSD), который имеет те же единицы, что и оцениваемое количество; для несмещенной оценки RMSE — это квадратный корень из отклонение, известный как стандартная ошибка.

Определение и основные свойства

MSE либо оценивает качество предсказатель (т.е. функция, отображающая произвольные входные данные в выборку значений некоторых случайная переменная ) или оценщик (т.е. математическая функция отображение образец данных для оценки параметр из численность населения из которого берутся данные). Определение MSE различается в зависимости от того, описывается ли предсказатель или оценщик.

Предсказатель

Если вектор прогнозы генерируются из выборки п точки данных по всем переменным, и — вектор наблюдаемых значений прогнозируемой переменной, при этом будучи предсказанными значениями (например, по методу наименьших квадратов), то MSE в пределах выборки предсказателя вычисляется как

Другими словами, MSE — это иметь в виду из квадраты ошибок . Это легко вычисляемая величина для конкретного образца (и, следовательно, зависит от образца).

В матрица обозначение

куда является и это матрица.

MSE также можно вычислить на q точки данных, которые не использовались при оценке модели, либо потому, что они были задержаны для этой цели, либо потому, что эти данные были получены заново. В этом процессе (известном как перекрестная проверка ), MSE часто называют среднеквадратичная ошибка прогноза, и вычисляется как

Оценщик

MSE оценщика по неизвестному параметру определяется как^[2]

Это определение зависит от неизвестного параметра, но MSE априори свойство оценщика. MSE может быть функцией неизвестных параметров, и в этом случае любой оценщик MSE на основе оценок этих параметров будет функцией данных (и, следовательно, случайной величиной). Если оценщик выводится как статистика выборки и используется для оценки некоторого параметра совокупности, тогда ожидание относится к распределению выборки статистики выборки.

MSE можно записать как сумму отклонение оценщика и квадрата предвзятость оценщика, обеспечивая полезный способ вычисления MSE и подразумевая, что в случае несмещенных оценок MSE и дисперсия эквивалентны.^[4]

Доказательство отношения дисперсии и предвзятости

В качестве альтернативы у нас есть

Но в реальном случае моделирования MSE можно описать как добавление дисперсии модели, систематической ошибки модели и неснижаемой неопределенности. Согласно соотношению, MSE оценщиков может быть просто использована для эффективность сравнение, которое включает информацию о дисперсии и смещении оценки. Это называется критерием MSE.

В регрессе

В регрессивный анализ, построение графиков — более естественный способ просмотра общей тенденции всех данных. Среднее значение расстояния от каждой точки до прогнозируемой регрессионной модели может быть вычислено и показано как среднеквадратичная ошибка. Возведение в квадрат критически важно для уменьшения сложности с отрицательными знаками. Чтобы свести к минимуму MSE, модель может быть более точной, что означает, что модель ближе к фактическим данным. Одним из примеров линейной регрессии с использованием этого метода является метод наименьших квадратов —Который оценивает соответствие модели линейной регрессии модели двумерный набор данных^[5], но чье ограничение связано с известным распределением данных.

Период, термин среднеквадратичная ошибка иногда используется для обозначения объективной оценки дисперсии ошибки: остаточная сумма квадратов делится на количество степени свободы. Это определение известной вычисленной величины отличается от приведенного выше определения вычисленной MSE предиктора тем, что используется другой знаменатель. Знаменатель — это размер выборки, уменьшенный на количество параметров модели, оцененных на основе тех же данных, (н-р) за п регрессоры или (п-п-1) если используется перехват (см. ошибки и остатки в статистике Больше подробностей).^[6] Хотя MSE (как определено в этой статье) не является объективной оценкой дисперсии ошибки, она последовательный, учитывая непротиворечивость предсказателя.

В регрессионном анализе «среднеквадратичная ошибка», часто называемая среднеквадратичная ошибка прогноза или «среднеквадратичная ошибка вне выборки», также может относиться к среднему значению квадратичные отклонения прогнозов на основе истинных значений в тестовом пространстве вне выборки, сгенерированных моделью, оцененной в конкретном пространстве выборки. Это также известная вычисляемая величина, которая зависит от образца и тестового пространства вне образца.

Примеры

Иметь в виду

Предположим, у нас есть случайная выборка размера от населения, . Предположим, что образцы были выбраны с заменой. Это единицы выбираются по одному, и ранее выбранные единицы по-прежнему имеют право на выбор для всех рисует. Обычная оценка для это среднее по выборке^[1]

ожидаемое значение которого равно истинному среднему значению (так что это беспристрастно) и среднеквадратичная ошибка

куда это дисперсия населения.

Для Гауссово распределение, это лучший объективный оценщик (то есть с самой низкой MSE среди всех несмещенных оценок), но не, скажем, для равномерное распределение.

Дисперсия

Обычной оценкой дисперсии является исправлено выборочная дисперсия:

Это объективно (его ожидаемое значение ), поэтому также называется объективная дисперсия выборки, и его MSE^[7]

куда это четвертый центральный момент распределения или населения, и это избыточный эксцесс.

Однако можно использовать другие оценки для которые пропорциональны , и соответствующий выбор всегда может дать более низкую среднеквадратичную ошибку. Если мы определим

затем рассчитываем:

Это сводится к минимуму, когда

Для Гауссово распределение, куда , это означает, что MSE минимизируется при делении суммы на . Минимальный избыточный эксцесс составляет ,^[а] что достигается за счет Распределение Бернулли с п = 1/2 (подбрасывание монеты), и MSE минимизируется для Следовательно, независимо от эксцесса, мы получаем «лучшую» оценку (в смысле наличия более низкой MSE), немного уменьшая несмещенную оценку; это простой пример оценщик усадки: один «сжимает» оценку до нуля (уменьшает несмещенную оценку).

Далее, хотя исправленная дисперсия выборки является лучший объективный оценщик (минимальная среднеквадратичная ошибка среди несмещенных оценок) дисперсии для гауссовских распределений, если распределение не является гауссовым, то даже среди несмещенных оценок лучшая несмещенная оценка дисперсии может не быть

Гауссово распределение

В следующей таблице приведены несколько оценок истинных параметров популяции, μ и σ.², для гауссова случая.^[8]

Истинное значение	Оценщик	Среднеквадратичная ошибка
	= несмещенная оценка Средняя численность населения,
	= несмещенная оценка дисперсия населения,
	= смещенная оценка дисперсия населения,
	= смещенная оценка дисперсия населения,

Интерпретация

MSE равна нулю, что означает, что оценщик предсказывает наблюдения параметра с идеальной точностью идеален (но обычно невозможен).

Значения MSE могут использоваться для сравнительных целей. Два и более статистические модели можно сравнить, используя их MSE — как меру того, насколько хорошо они объясняют данный набор наблюдений: несмещенная оценка (рассчитанная на основе статистической модели) с наименьшей дисперсией среди всех несмещенных оценок — это оценка лучший объективный оценщик или MVUE (несмещенная оценка минимальной дисперсии).

Обе линейная регрессия методы, такие как дисперсионный анализ оценить MSE как часть анализа и использовать оценочную MSE для определения Статистическая значимость изучаемых факторов или предикторов. Цель экспериментальная конструкция состоит в том, чтобы построить эксперименты таким образом, чтобы при анализе наблюдений MSE была близка к нулю относительно величины по крайней мере одного из оцененных эффектов лечения.

В односторонний дисперсионный анализ, MSE можно вычислить путем деления суммы квадратов ошибок и степени свободы. Кроме того, значение f — это отношение среднего квадрата обработки и MSE.

MSE также используется в нескольких пошаговая регрессия методы как часть определения того, сколько предикторов из набора кандидатов включить в модель для данного набора наблюдений.

Приложения

• Минимизация MSE является ключевым критерием при выборе оценщиков: см. минимальная среднеквадратичная ошибка. Среди несмещенных оценщиков минимизация MSE эквивалентна минимизации дисперсии, а оценщик, который делает это, является несмещенная оценка минимальной дисперсии. Однако смещенная оценка может иметь более низкую MSE; видеть систематическая ошибка оценки.
• В статистическое моделирование MSE может представлять разницу между фактическими наблюдениями и значениями наблюдений, предсказанными моделью. В этом контексте он используется для определения степени, в которой модель соответствует данным, а также возможности удаления некоторых объясняющих переменных без значительного ущерба для прогнозирующей способности модели.
• В прогнозирование и прогноз, то Оценка Бриера это мера умение прогнозировать на основе MSE.

Функция потерь

Квадратичная потеря ошибок — одна из наиболее широко используемых функции потерь в статистике^{[нужна цитата ]}, хотя его широкое использование проистекает больше из математического удобства, чем из соображений реальных потерь в приложениях. Карл Фридрих Гаусс, который ввел использование среднеквадратичной ошибки, сознавал ее произвол и был согласен с возражениями против нее на этих основаниях.^[3] Математические преимущества среднеквадратичной ошибки особенно очевидны при ее использовании при анализе производительности линейная регрессия, поскольку он позволяет разделить вариацию в наборе данных на вариации, объясняемые моделью, и вариации, объясняемые случайностью.

Критика

Использование среднеквадратичной ошибки без вопросов подвергалось критике со стороны теоретик решений Джеймс Бергер. Среднеквадратичная ошибка — это отрицательное значение ожидаемого значения одного конкретного вспомогательная функция, квадратичная функция полезности, которая может не подходить для использования в данном наборе обстоятельств. Однако есть некоторые сценарии, в которых среднеквадратичная ошибка может служить хорошим приближением к функции потерь, естественным образом возникающей в приложении.^[9]

подобно отклонение, среднеквадратичная ошибка имеет тот недостаток, что выбросы.^[10] Это результат возведения в квадрат каждого члена, который фактически дает больший вес большим ошибкам, чем малым. Это свойство, нежелательное для многих приложений, заставило исследователей использовать альтернативы, такие как средняя абсолютная ошибка, или основанные на медиана.

Смотрите также

• Компромисс смещения и дисперсии
• Оценщик Ходжеса
• Оценка Джеймса – Стейна
• Средняя процентная ошибка
• Среднеквадратичная ошибка квантования
• Среднеквадратичное взвешенное отклонение
• Среднеквадратичное смещение
• Среднеквадратичная ошибка прогноза
• Минимальная среднеквадратичная ошибка
• Оценщик минимальной среднеквадратичной ошибки
• Пиковое отношение сигнал / шум

Примечания

Рекомендации