R语言高级数据管理

高级数据管理

一个数据处理难题，由于每一门成绩的量纲不同，无法根据成绩进行排名。

标准差

标准差（Standard Deviation） ，是离均差平方的算术平均数（即：方差）的算术平方根，用σ表示。标准差也被称为标准偏差，或者实验标准差，在概率统计中最常使用作为统计分布程度上的测量依据。

标准差能反映一个数据集的离散程度。平均数相同的两组数据，标准差未必相同。

标准差的意义

例1：A、B两组各有6位学生参加同一次语文测验，A组的分数为95、85、75、65、55、45，B组的分数为73、72、71、69、68、67。这两组的平均数都是70，但A组的标准差约为17.08分，B组的标准差约为2.16分。

结论：说明A组学生之间的差距要比B组学生之间的差距大得多。

例2：选基金：衡量基金波动程度的工具就是标准差（StandardDeviation）。标准差是指基金可能的变动程度。标准差越大，基金未来净值可能变动的程度就越大，稳定度就越小，风险就越高。

绝对中位差

在统计学中，绝对中位数MAD是对单变量数值型数据的样本偏差的一种鲁棒性测量。

对于单变量数据集X1，X2，…,Xn, MAD定义为数据点到中位数的绝对偏差的中位数：

也就是说，先计算出数据与它们的中位数之间的残差（偏差），MAD就是这些偏差的绝对值的中位数。

MAD与标准差的关系

为了能将MAD当作标准差σ估计的一种一致估计量，使用

其中 k 为比例因子常量，值取决于分布类型。对于正态分布数据，k的值为：1.4826

在R语言中，计算MAD的函数是stats包中的mad()，不同的是它默认乘上了一个比例因子1.4826，为了达到渐进正态一致性。

mad(x, center = median(x), constant = 1.4826, na.rm = FALSE, low = FALSE, high = FALSE) 
1

Description:

Compute the median absolute deviation, i.e., the (lo-/hi-) median of the absolute deviations from the median, and (by default) adjust by a factor for asymptotically normal consistency.

low: if TRUE, compute the ‘lo-median’, i.e., for even sample size, do not average the two middle values, but take the smaller one.

high: if TRUE, compute the ‘hi-median’, i.e., take the larger of the two middle values for even sample size.

> x<-c(1,2,3,4,5)
> median.x<-median(x)
> median.x
[1] 3
> diff.x<-abs(x-median.x)
> diff.x
[1] 2 1 0 1 2
> mad(x)
[1] 1.4826

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绝对中位差有什么用？

用途：

MAD常用于异常值检测

离群点：是数据集中的一个数据点，该数据点与所有其他观察值相距较远。 位于数据集总体分布之外的数据点。

绝对中位差较标准差而言对“野”点（outlier）更加的鲁棒。在标准差的计算中，数据点到其均值的距离要求平方，因此对偏离较为严重的点偏离的影响得以加重，也就是说“野”点严重影响着标准差的求解，而少量的“野”点对绝对中位差的影响不大

分位数

定义1：分位数（Quantile），亦称分位点，是指将一个随机变量的概率分布范围分为几个等份的数值点，常用的有中位数（即二分位数）、四分位数、百分位数等。

定义2：对一个有着连续分布函数的样本集X,分位数是将一个概率分布切分为有着相同概率的连续区间的切分点。

分位数（Quantile），简言之，将数据按照数量均分后的边界值。

二分位数：即中位数 quantile(x,0.5)=median(x)

四分位数（Quartile）：是统计学中分位数的一种，即把所有数值由小到大排列并分成四等份，处于三个分割点位置的数值就是四分位数。

分位数的分类

1）第一四分位数(Q1)，又称“较小四分位数”，或“下四分位数”，等于该样本中所有数值由小到大排列后第25%的数字；

2）第二四分位数(Q2)，又称“中位数”，等于该样本中所有数值由小到大排列后第50%的数字；

3）第三四分位数(Q3)，又称“较大四分位数”，或“上四分位数”，等于该样本中所有数值由小到大排列后第75%的数字。

第三四分位数与第一四分位数的差距又称四分位距。

quantile()函数

数据总量: 6, 47, 49, 15, 42, 41, 7, 39, 43, 40, 36

排序结果: 6, 7, 15, 36, 39, 40, 41, 42, 43, 47, 49

Q1 的位置=（11+1） × 0.25=3，

Q2 的位置=（11+1）× 0.5=6，

Q3的位置=（11+1） × 0.75=9

Q1 = 15，Q2 = 40，Q3 = 43

> x<-c(6, 47, 49, 15, 42, 41, 7, 39, 43, 40, 36)
> y<-x[order(x)]
> y
 [1]  6  7 15 36 39 40 41 42 43 47 49
> q1<-quantile(x,0.25)
> q1
 25% 
25.5 
> q2<-quantile(x,0.50)
> q2
50% 
 40 
> q3<-quantile(x,0.75)
> q3
 75% 
42.5 

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> quantile(x)
  0%  25%  50%  75% 100% 
 6.0 25.5 40.0 42.5 49.0 

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百分位数

百分位数百分位数，统计学术语，如果将一组数据从小到大排序，并计算相应的累计百分位，则某一百分位所对应数据的值就称为这一百分位的百分位数。如：30%分位点

观测数据的第n个百分位数指在升序排列的数据中划分前n%的数据的值。

为什么要用分位数？

统计学中分位数的作用想必要追溯到很深入的层次，但就当下理解分位数的阶段，分位数起到的就是一个“临界值”的作用。

随机产生一组学生成绩X=(44 58 69 61 68 74 50 54 62 60),想让10个学生中淘汰35%，请设定分数线？

> X<-c(44,58,69,61,68,74,50,54,62,60)
> quantile(X,0.35)
 35% 
58.3 
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数据预处理

在我们做数据的时候，一个数据会有很多特征；比如在描述影响房价的因素，有房子面积，房间数量等。而不同的特征存在不同的量纲，为了消除量纲、数值差异等，我们就需要对数据进行中心化和标准化

中心化

所谓中心化就是将数据减去均值后得到的，比如有一组数据(1，2，3，4，5，6，7)，它的均值是4，中心化后的数据为(-3，-2，-1，0，1，2，3)

标准化 （Standardization）

scale函数标准化处理原理是计算每组的平均值和标准差,再求组内各个数值与其平均值的差（中心化后），与其标准差的比值，作为该数值在组内的相对数值。(考虑均值和离散程度)

公式：

y<-(x-mean(x))/sd(x)

均值为0,标准差为1,一定是标准正态吗？

任何分布的随机变量进行“标准化”后的均值都为0，方差都为1。所以你可以很轻松的构建出一个均值为0，方差为1的随机变量出来，然后去验证下它是否符合“标准正态分布”。标准正态分布的均值是0，标准差是1，但并不意味着均值为0，标准差为1的分布是标准正态分布。T分布的均值也0，标准差也可以为1。决定一个分布是否是标准正态分布的参数还有峰度和偏度，最重要的还是看概率密度函数吧。

实例

> x<-trunc(runif(20,400,600))
> x
 [1] 580 494 531 597 410 434 457 441 454 574 432 497 551 599 585 469 487 557 488 518
> y<-(x-mean(x))/sd(x)
> y
 [1]  1.1895629 -0.2263874  0.3828005  1.4694600 -1.6094086 -1.2142597 -0.8355753
 [8] -1.0990079 -0.8849689  1.0907756 -1.2471887 -0.1769938  0.7120913  1.5023891
[15]  1.2718855 -0.6380008 -0.3416392  0.8108785 -0.3251746  0.1687615
> y<-round(y,2)
> mean(y)
[1] -0.001
> sd(y)
[1] 0.9997258
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> y<-as.vector(scale(x))
> y
 [1]  1.1895629 -0.2263874  0.3828005  1.4694600 -1.6094086 -1.2142597 -0.8355753
 [8] -1.0990079 -0.8849689  1.0907756 -1.2471887 -0.1769938  0.7120913  1.5023891
[15]  1.2718855 -0.6380008 -0.3416392  0.8108785 -0.3251746  0.1687615
> y<-(x-mean(x))/sd(x)
> y
 [1]  1.1895629 -0.2263874  0.3828005  1.4694600 -1.6094086 -1.2142597 -0.8355753
 [8] -1.0990079 -0.8849689  1.0907756 -1.2471887 -0.1769938  0.7120913  1.5023891
[15]  1.2718855 -0.6380008 -0.3416392  0.8108785 -0.3251746  0.1687615

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数据中心化和标准化的区别

中心化和标准化意义一样，都是消除量纲的影响

中心化：数据-均值

标准化：(数据-均值）/标准差数据

中心化： scale(data,center=T,scale=F)

数据标准化： scale(data,center=T,scale=T)或默认参数scale(data)

归一化（Normalization）

归一化：

１）把数据变成(０，１)或者（-1,1）之间的小数。主要是为了数据处理方便提出来的，把数据映射到0～1范围之内处理，更加便捷快速。

２）把有量纲表达式变成无量纲表达式，便于不同单位或量级的指标能够进行比较和加权。

（1）Min-Max Normalization   x’ = (x - X_min) / (X_max - X_min)

（2）平均归一化   x’ = (x - μ) / (MaxValue - MinValue)

说明：（1）和（2）有一个缺陷就是当有新数据加入时，可能导致max和min的变化，需要重新定义。

（3）非线性归一化

1）对数函数转换：y = log10(x)

2）反正切函数转换：y = atan(x) * 2 / π

说明：（3）经常用在数据分化比较大的场景，有些数值很大，有些很小。通过一些数学函数，将原始值进行映射。该方法包括 log、指数，正切等。需要根据数据分布的情况，决定非线性函数的曲线，比如log(V, 2)还是log(V, 10)等。

标准化和归一化

（1）如果对输出结果范围有要求，用归一化。

（2）如果数据较为稳定，不存在极端的最大最小值，用归一化。

（3）如果数据存在异常值和较多噪音，用标准化，可以间接通过中心化避免异常值和极端值的影响。

总结：对于数据进行预处理的操作包括：

• 归一化（Min-Max Normalization、平均归一化，非线性归一）
• 标准化 （Z-score规范化（标准差标准化 / 零均值标准化））
• 中心化（x’ = x - μ）

概率函数

协方差

为什么需要协方差？

标准差和方差一般是用来描述一维数据的，但现实生活我们常常遇到含有多维数据的数据集。如，要统计多个学科的考试成绩。

协方差表示的是两个变量的总体的误差。

如果两个变量的变化趋势一致，也就是说如果其中一个大于自身的期望值，另外一个也大于自身的期望值，那么两个变量之间的协方差就是正值。

如果两个变量的变化趋势相反，即其中一个大于自身的期望值，另外一个却小于自身的期望值，那么两个变量之间的协方差就是负值。

二维问题的协方差

三维问题的协方差矩阵

协方差矩阵是个对称矩阵

实例：

> x<-c(2, 4, 6, 4)
> y<-c(8, 10, 6, 12)
> cov(x,y)
[1] -1.333333

> x.mean<-mean(x)
> y.mean<-mean(y)
> sum1<-sum((x-x.mean)*(y-y.mean))
> sum1/(length(x)-1)
[1] -1.333333
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控制流

语句（statement）:一条单独的R语句或者一组复合语句（包含在花括号{}中的一组语句，分号分隔）

条件（condition）:一条最终被解析为真或假的表达式

表达式（expression）:一条数值或者字符串的求值语句

序列（sequence）:一个数值或字符串序列

分支结构

1） if-else结构

x<-1
if(x>0) print("positive")  else  print("negative")
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2）ifelse结构

score<-c(50,60,90,46,89)
ifelse(score>=60,"passed","failed")   
[1] "failed" "passed" "passed" "failed" "passed"
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3）switch结构：用于多分支情况

switch(expression,list)
1

如果expr的取值在1-length(list)之间，则函数返回列表相应位置的值。如果expr的值超出范围，则无返回值。

y<-3
switch(y,fruit="apple",meat="beaf",vegetable="patato")
[1] "patato"
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重复和循环

1）for结构

for(var in seq) statement

for循环将接受一个迭代器变量和一个向量参数。在每次循环中，迭代器变量会从向量中取得一个值。

> for(i in 1:5) message("i=",i)
i=1
i=2
i=3
i=4
i=5
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2）while结构

while(condition)   statement
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i<-10
while(i>0){
  print("hello");
  i<-i-1
}
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使用for循环和NULL，建立10以内的偶数向量，其中每次迭代均在向量上增加一个元素。

z<-NULL
for (i in seq(0,10,2)){
  z<-c(z,i)
}
z
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自定义函数

R语言中，自定义函数的基本格式为：

myfun<-function(arglist){
   statements
    return(object)
                    }
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其中，myfun为函数名称；arglist为参数列表；大括号中的部分为函数体。

例题：

定义一个函数first1,找出向量中第一个1出现的位置。

first1<-function(x){
  for(i in 1:length(x))
    if(x[i]==1){
      return(i)
    }
}
print(first1(c(2,2,1,1)))  
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first1<-function(x){
  return(which(x==1)[1])
}
print(first1(c(2,2,1,1))) 
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说明：which()产生x中所有值为1的索引，即位置向量。然后取位置向量的第一个元素。

自定义函数，输出向量x中能被3整除的数的个数。

count1<-function(x){
  cnt<-0
  for (i in x) {
    if(i%%3==0){
      cnt<-cnt+1
    }
  }
  return(cnt)
}
x<-1:25
count1(x)#8
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count1<-function(x){
  cnt<-length(which(x%%3==0))
  return(cnt)
}
x<-1:25
count1(x)

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编写R函数，输入一个整数n,如果n<=0,则中止运算，并输出“Please input a positive integer.”否则，如果n是偶数，则将n除以2，并赋值给n;否则，将3n+1赋值给n,不断循环，直到n=1,停止运算。并输出“Success”.

#角谷定理
first2<-function(n){
  if(n<=0){
    return("Please input a positive interger.")
  }
  while(n!=1){
    if(n%%2==0){
       n=n/2 
    }else{
      n=3*n+1
    }
  }
  return("Success")
}
first2(0)
first2(25)
first2(14)
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自定义函数，计算斐波那契数列的第n项，并进行调用，输出数列的第5项和前5项。

fib<-function(n){
  if(n==1||n==2)
    return(1)
  else
    return(fib(n-1)+fib(n-2))
}
print(fib(5))

for (i in 1:5)
  print(fib(i))

sum=0
for (i in 1:5)
  sum=sum+fib(i)
print(sum)
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自定义函数，返回X的n次幂，并进行调用，输出5的3次幂。 递归函数。

first3<-function(x,n){
  if(n==1){
    return(x)
  }else{
    return(x*first3(x,n-1))
  }
}
first3(5,3)
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自定义函数，计算斐波那契数列的第n项，并进行调用，输出数列的第5项和前5项。

fib<-function(n){
  if(n==1||n==2)
    return(1)
  else
    return(fib(n-1)+fib(n-2))
}
print(fib(5))

for (i in 1:5)
  print(fib(i))

sum=0
for (i in 1:5)
  sum=sum+fib(i)
print(sum)
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