Giáo trình Phương pháp thống kê trong khí hậu: Phần 2 - Phan Văn Tân

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Phương pháp thống kê trong khí hậu: Phần 2 cung cấp cho người học những kiến thức như: phân tích tương quan và hồi qui; chỉnh lý số liệu khí hậu; phân tích chuỗi thời gian. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Phương pháp thống kê trong khí hậu: Phần 2 - Phan Văn Tân CHƯƠNG 5. PHÂN TÍCH TƯƠNG QUAN VÀ HỒI QUI 5.1 NHỮNG KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU Trong thực tế nghiên cứu khí tượng, khí hậu có không ít những vấn đề được đặt ra trong đó cần phải xác định được qui luật biến đổi của các hiện tượng khí quyển. Tuy nhiên, hiện tượng khí quyển lại được phản ánh thông qua các đặc trưng yếu tố khí quyển mà chúng, đến lượt mình, lại phụ thuộc vào sự biến đổi của các nhân tố bên ngoài. Muốn nắm được qui luật biến đổi của các hiện tượng khí quyển cần thiết phải xác định sự liên hệ giữa các đặc trưng yếu tố khí quyển (được xem là biến phụ thuộc) với tập hợp các nhân tố ảnh hưởng mà người ta gọi là các biến độc lập. Điều đó cũng có nghĩa là, về phương diện thống kê, thông thường ta cần phải giải quyết một số vấn đề sau đây: 1) Xác định sự phân bố không gian của các đặc trưng yếu tố khí tượng, khí hậu, tức là nghiên cứu qui luật phụ thuộc vào toạ độ không gian của các biến khí quyển. 2) Xác định qui luật, tính chất diễn biến theo thời gian của các đặc trưng yếu tố khí quyển. 3) Xác định mối quan hệ ràng buộc để từ đó tìm qui luật liên hệ giữa các đặc trưng yếu tố khí quyển với nhau theo không gian và thời gian. Một trong những phương pháp giải quyết các vấn đề đó là phương pháp phân tích tương quan và hồi qui mà nội dung của nó có thể được chia thành: 1) Tương quan và hồi qui theo không gian: Là xét mối quan hệ giữa hai hay nhiều biến khí quyển với nhau của cùng một yếu tố, cùng thời gian (đồng thời) nhưng khác nhau về vị trí không gian. 2) Tương quan và hồi qui theo thời gian: Là xét mối quan hệ giữa hai hay nhiều biến khí quyển với nhau của cùng một yếu tố, cùng một địa điểm nhưng khác nhau về thời gian. 129 3) Tương quan và hồi qui phổ biến: Là xét mối quan hệ giữa hay nhiều biến khí quyển của một hoặc nhiều yếu tố, có thể khác nhau về không gian, thời gian hoặc cả không−thời gian. Về phương diện toán học, căn cứ vào dạng thức của biểu thức biểu diễn, người ta chia sự quan hệ tương quan làm bốn dạng: 1) Tương quan và hồi qui tuyến tính một biến: Xét mối quan hệ tương quan và hồi qui tuyến tính giữa một bên là biến phụ thuộc với một bên là một biến độc lập. 2) Tương quan và hồi qui phi tuyến một biến: Xét mối quan hệ tương quan và hồi qui phi tuyến giữa một bên là biến phụ thuộc với một bên là một biến độc lập. 3) Tương quan và hồi qui tuyến tính nhiều biến: Xét mối quan hệ tương quan và hồi qui tuyến tính giữa một bên là biến phụ thuộc với một bên là tập hợp nhiều biến độc lập. 4) Tương quan và hồi qui phi tuyến nhiều biến: Xét mối quan hệ tương quan và hồi qui phi tuyến giữa một bên là biến phụ thuộc với một bên là tập hợp nhiều biến độc lập. Thông thường để giải quyết các bài toán tương quan và hồi qui trong khí tượng, khí hậu cần phải tiến hành các bước sau: 1) Xác lập được dạng thức của mối liên hệ tương quan, tức là tìm ra dạng hồi qui thích hợp: Tuyến tính hay phi tuyến, nếu là phi tuyến thì cụ thể là dạng nào. 2) Đánh giá được mức độ chặt chẽ của các mối liên hệ theo nghĩa quan hệ tương quan. 3) Bằng phương pháp nào đó, xác lập biểu thức giải tích của phương trình hồi qui xấp xỉ mối liên hệ tương quan, tức là xây dựng hàm hồi qui. Trong khí tượng, khí hậu phương pháp phổ biến để xây dựng hàm hồi qui là phương pháp bình phương tối thiểu. 4) Đánh giá độ chính xác và khả năng sử dụng của phương trình hồi qui. 130 5.2 TƯƠNG QUAN TUYẾN TÍNH 5.2.1 Hệ số tương quan tổng thể Xét hai biến ngẫu nhiên X1 và X2. Khi đó phương sai của tổng (hiệu) hai biến được xác định bởi: D[X1 ± X2] = M[(X1 ± X2) − M(X1 ± X2)]2 = M[(X1 − MX1)± (X2 − MX2)]2 = = M[(X1 − MX1)2] + M[(X2 − MX2)2] ± 2M[(X1 − MX1)(X2 − MX2)]= = D[X1] + D[X2] ± 2 M[(X1 − MX1)(X2 − MX2)]= = μ11 + μ22 + ± 2μ12 trong đó μ12 là mômen tương quan giữa X1 và X2, μ11 và μ22 tương ứng là phương sai của X1 và X2. Nếu X1 và X2 không tương quan với nhau thì: D[X1 ± X2] = D[X1] + D[X2], suy ra μ12 = 0. Do vậy, người ta dùng μ12 làm thước đo mức độ tương quan giữa X1 và X2. Vì μ12 là một đại lượng có thứ nguyên (bằng tích thứ nguyên của X1 và X2) nên để thuận tiện trong việc so sánh, phân tích thay cho μ12 người ta dùng đại lượng vô thứ nguyên: μ 12 ρ12 = (5.2.1) μ 11μ 22 và được gọi là hệ số tương quan giữa hai biến X1 và X2. Người ta gọi ρ12 là hệ số tương quan tổng thể hay hệ số tương quan lý thuyết và là một hằng số. Hệ số tương quan có các tính chất sau đây: 1) Hệ số tương quan nhận giá trị trên đoạn [−1;1]: −1 ≤ ρ12 ≤ 1. Thật vậy, ta có: 2 ⎡ X1 X 2 ⎤ ⎡⎛ X1 ⎡ X1 ⎤⎞ ⎛ X 2 ⎡ X 2 ⎤⎞ ⎤ D⎢ ± ⎥ = ⎢⎜⎜ − M⎢ ⎥⎟⎟ ± ⎜⎜ − M⎢ ⎥⎟⎟ ⎥ = ⎣ DX1 DX 2 ⎦ ⎢⎣⎝ DX1 ⎣ DX1 ⎦⎠ ⎝ DX 2 ⎣ DX 2 ⎦⎠ ⎥⎦ 131 ⎡ X1 ⎤ ⎡ X2 ⎤ ⎡⎛ X ⎡ X1 ⎤⎞ ⎛ X 2 ⎡ X 2 ⎤⎞ ⎤ ⎥ ±2M ⎢⎜⎜ ⎥⎟⎟ ⎜⎜ ⎥⎟⎟ ⎥ 1 = D⎢ ⎥ +D ⎢ − M⎢ − M⎢ ⎢⎣ DX1 ⎥⎦ ⎢⎣ DX 2 ⎥⎦ ⎢⎣⎝ DX1 ⎢⎣ DX1 ⎥⎦⎠ ⎝ DX 2 ⎢⎣ DX 2 ⎥⎦⎠ ⎥⎦ 1 1 1 μ 12 = DX1 + DX 2 ± 2 μ 12 = 2 ± 2 = 2(1 ± ρ12) ≥ 0 DX1 DX 2 DX1 DX 2 μ 11μ 22 Hay 1 ± ρ12 ≥ 0 ⇒ đpcm 2) Điều kiện cần và đủ để ρ12 =1 là X1 và X2 có quan hệ hàm tuyến tính. Điều kiện đủ: Giả sử ta có quan hệ hàm tuyến tính giữa X1 và X2: X2 = a + bX1, với a, b là các hệ số hằng số. Khi đó: ...