기본 콘텐츠로 건너뛰기

이상치의 처리 (1)



 앞서 영향력 관측치나 이상치에 대한 이야기를 했지만, 사실 한 가지 방법만으로 이상치(outlier)를 판단하는 것은 위험할수도 있습니다. 만약 데이터 입력의 오류로 발생하는 이상치라면 우리가 쉽게 판단할 수 있는 것과 아닌 것이 있습니다. 예를 들어 소수점을 잘못찍어 키를 180.0cm가 아니라 1800cm로 입력하는 오류입니다. 이는 있을 수 없는 값이기 때문에 우리는 쉽게 오류임을 알 수 있습니다. 이상치가 발견되면 항상 데이터를 다시 확인해야 하는 이유입니다. 


 하지만 공복 혈당이 144mg/dl인 경우는 어떨까요. 이 값이 실제 공복 혈당이라면 우리는 당뇨라고 진단 내릴 수 있을 것입니다. 그러나 실제로는 실험 대상자가 금식을 제대로 하지 않고 아침에 음료수를 먹은 결과일수도 있습니다. 그래도 우리는 이것이 가능한 값인지 아닌지 쉽게 알 수 있으며 검사 전 제대로 금식을 지켰는지 설문 조사를 통해서 오류를 잡아낼 수 있습니다. 


 문제는 정상 범위값이 잘 알려지지 않은 데이터나 정상 범위값이라도 그 범위가 매우 큰 경우 발생합니다. 이 경우 선형 회귀 모델은 물론이고 다른 통계적 모델에 넣어도 전체 결과를 크게 움직이는 지렛대로 작용해서 결과를 왜곡하게 됩니다. 


 예를 들어 고졸, 대학 중퇴, 대졸, 대학원졸 순으로 소득에 관한 연구를 진행하는 경우를 생각해 보겠습니다. 소득에 영향을 미치는 요인들을 조사하는 데 만약 빌 게이츠나 스티브 잡스가 끼어 있다면 어떻게 될까요. 어떤 통계 분석 방법을 써도 결과가 크게 왜곡될 가능성이 큽니다. 잘못하면 대학을 중간에 그만두는 것이 평생 기대 소득을 가장 크게 올릴 수 있는 방법이 될 수 있습니다. 


 이런 경우 이 관측치를 제거하는 것이 가장 좋은 방법이 될 수 있습니다. 데이터는 정확하지만, 이를 가지고 학력과 소득의 일반적인 상관 관계를 조사하는 것은 상당한 오류를 일으킬 수 있기 때문입니다. 하지만 관측치의 숫자가 많으면 이를 일일이 보고 제거하기는 어려울 수 있습니다. 또 여러 개의 변수가 있는 경우 해당 값 (예를 들어 소득)만 잘못되고 나머지는 정상적인 데이터가 있을 수 있습니다. 이 경우 소득값만 결측치 (NA)로 대체하는 것이 데이터를 살릴 수 있는 가장 이상적인 방법입니다. 


 이상치를 처리하는 패키지와 통계학적 방법은 매우 다양하지만, 여기서는 outliers 패키지를 이용해서 Z값 (Z-score) 이상값을 결측치로 대체하는 방법을 알아보겠습니다. Z값은 통계학에서 매우 기본이 되는 값이므로 굳이 설명이 필요 없겠지만, z=(x-μ)/σ로 구해지는 값입니다. 이를 통해 서로 단위나 크기가 다른 값을 모두 표준화시킬 수 있습니다. 따라서 표준점수, 표준값이라고도 합니다. 




표준점수 0.0(=편차치 50) 이상은 전체의 50%이다.
표준점수 1.0(=편차치 60) 이상은 전체의 15.866%이다.
표준점수 2.0(=편차치 70) 이상은 전체의 2.275%이다.
표준점수 3.0(=편차치 80) 이상은 전체의 0.13499%이다.
표준점수 4.0(=편차치 90) 이상은 전체의 0.00315%이다.
표준점수 5.0(=편차치 100) 이상은 전체의 0.00002%이다. 라는 것은 대부분의 통계 서적에서 소개하고 있지만, 여기서 추가로 설명드립니다. 


 아무튼 Z값 3.0 이상은 전체 관측치의 0.13% 정도로 매우 드물기 때문에 이 정도 범위에서 벗어나는 값은 이상치라는 의심을 지닐 수 있습니다. 물론 더 엄격한 기준을 제시할 수 있는데, 미 국립표준 기술 연구소 (NIST, National Institute of Standards and Technology)의 경우 4.0을 제시하고 있으며 연구자에 따라서는 3.5를 사용할 수 있습니다. 


 이는 자료의 특성에 따라서 달라지는데, 아무래도 관측값의 숫자가 많아지면 하나 튀는 녀석이 미치는 영향 자체가 작아져 그렇게 적극적으로 제거할 필요가 줄어들게 됩니다. 따라서 표본이 커질수록 Z값도 따라서 키우는 것이 합리적입니다. 물론 관측치가 1만명이라도 빌 게이츠는 제거해야 하겠죠. 하지만 100만 달러 소득을 지닌 사람까지 굳이 제거할 이유는 줄어드는 것입니다. 


 아무튼 거두 절미하고 outliers 패키지를 설치한 후 다음의 코드를 실행합니다. 


require(outliers)

set.seed(1234)
x<-rnorm span="">
plot(x)
x

 정규분포를 따르더라도 확률적으로 Z값이 3을 넘을 수 있습니다. 다만 이 코드에서는 쉽게 확인할 수 없으므로 outliers 패키지를 이용해서 찾아보겠습니다. Z값을 나타내는 Z라는 새로운 데이터를 만듭니다. Z를 실행해보면 Z값들을 다 볼 수 있지만, 우리가 궁금한 것은 3을 넘는 값의 존재 유무입니다. 


Z<-scores span="" type="z" x="">
plot(Z)
Z


 플롯이 도움을 주긴 하지만, 더 쉽게 아는 방법은 which 함수를 사용하는 것입니다. 

which(Z %in% Z[Z>3])
[1] 178

 which의 문법을 눈여겨 보시기 바랍니다. 아무튼 178번 관측치가 이상치인 것 같습니다. replace를 사용해서 이를 NA로 변경합니다. 

replace(x,Z>3,NA)->x
x[178]
x


 확인하면 NA 값으로 변경된 것을 볼 수 있습니다. 이렇게 표준에서 크게 벗어난 값을 보다 논리적으로 해결할 수 있게 되었습니다. 물론 이렇게 제거한 후 회귀계수 및 P값에 얼마나 영향을 미치는지는 경우에 따라 다를 것입니다. 문제는 너무 많은 값을 제거하게 되는 경우입니다. 사실상 데이터가 본래 데이터와 완전 달라질 수 있기 때문입니다. 따라서 이상치 제거는 항상 신중해야 합니다. 계속해서 이상치에 대한 이야기를 해보겠습니다. 



(추가: 다음 시간에 설명하겠지만, Z>3 으로 하게 되면 -3 인 이상치가 빠지게 됩니다. 이 경우 Z>3|Z< -3으로 넣어야 합니다. 이 부분은 실수네요) 


댓글

이 블로그의 인기 게시물

세상에서 가장 큰 벌

( Wallace's giant bee, the largest known bee species in the world, is four times larger than a European honeybee(Credit: Clay Bolt) ) (Photographer Clay Bolt snaps some of the first-ever shots of Wallace's giant bee in the wild(Credit: Simon Robson)  월리스의 거대 벌 (Wallace’s giant bee)로 알려진 Megachile pluto는 매우 거대한 인도네시아 벌로 세상에서 가장 거대한 말벌과도 경쟁할 수 있는 크기를 지니고 있습니다. 암컷의 경우 몸길이 3.8cm, 날개너비 6.35cm으로 알려진 벌 가운데 가장 거대하지만 수컷의 경우 이보다 작아서 몸길이가 2.3cm 정도입니다. 아무튼 일반 꿀벌의 4배가 넘는 몸길이를 지닌 거대 벌이라고 할 수 있습니다.   메가칠레는 1981년 몇 개의 표본이 발견된 이후 지금까지 추가 발견이 되지 않아 멸종되었다고 보는 과학자들도 있었습니다. 2018년에 eBay에 표본이 나왔지만, 언제 잡힌 것인지는 알 수 없었습니다. 사실 이 벌은 1858년 처음 발견된 이후 1981년에야 다시 발견되었을 만큼 찾기 어려운 희귀종입니다. 그런데 시드니 대학과 국제 야생 동물 보호 협회 (Global Wildlife Conservation)의 연구팀이 오랜 수색 끝에 2019년 인도네시아의 오지에서 메가칠레 암컷을 야생 상태에서 발견하는데 성공했습니다.   메가칠레 암컷은 특이하게도 살아있는 흰개미 둥지가 있는 나무에 둥지를 만들고 살아갑니다. 이들의 거대한 턱은 나무의 수지를 모아 둥지를 짓는데 유리합니다. 하지만 워낙 희귀종이라 이들의 생태에 대해서는 거의 알려진 바가 없습니다.  (동영상)...

몸에 철이 많으면 조기 사망 위험도가 높다?

 철분은 인체에 반드시 필요한 미량 원소입니다. 헤모글로빈에 필수적인 물질이기 때문에 철분 부족은 흔히 빈혈을 부르며 반대로 피를 자꾸 잃는 경우에는 철분 부족 현상이 발생합니다. 하지만 철분 수치가 높다는 것은 반드시 좋은 의미는 아닙니다. 모든 일에는 적당한 수준이 있게 마련이고 철 역시 너무 많으면 여러 가지 질병을 일으킬 수 있습니다. 철 대사에 문제가 생겨 철이 과다하게 축적되는 혈색소증 ( haemochromatosis ) 같은 드문 경우가 아니라도 과도한 철분 섭취나 수혈로 인한 철분 과잉은 건강에 문제를 일으킬 수 있습니다. 하지만 높은 철 농도가 수명에 미치는 영향에 대해서는 잘 알려지지 않았습니다.   하버드 대학의 이야스 다글라스( Iyas Daghlas )와 임페리얼 칼리지 런던의 데펜더 길 ( Dipender Gill )은 체내 철 함유량에 영향을 미치는 유전적 변이와 수명의 관계를 조사했습니다. 연구팀은 48972명의 유전 정보와 혈중 철분 농도, 그리고 기대 수명의 60/90%에서 생존 확률을 조사했습니다. 그 결과 유전자로 예측한 혈중 철분 농도가 증가할수록 오래 생존할 가능성이 낮은 것으로 나타났습니다. 이것이 유전자 자체 때문인지 아니면 높은 혈중/체내 철 농도 때문인지는 명확하지 않지만, 높은 혈중 철 농도가 꼭 좋은 뜻이 아니라는 것을 시사하는 결과입니다.   연구팀은 이 데이터를 근거로 건강한 사람이 영양제나 종합 비타민제를 통해 과도한 철분을 섭취할 이유는 없다고 주장했습니다. 어쩌면 높은 철 농도가 조기 사망 위험도를 높일지도 모르기 때문입니다. 그러나 임산부나 빈혈 환자 등 진짜 철분이 필요한 사람들까지 철분 섭취를 꺼릴 필요가 없다는 점도 강조했습니다. 연구 내용은 정상보다 높은 혈중 철농도가 오래 유지되는 경우를 가정한 것으로 본래 철분 부족이 있는 사람을 대상으로 한 것이 아니기 때문입니다. 낮은 철분 농도와 빈혈이 건강에 미치는 악영향은 이미 잘 알려져 있기 때문에 철...

인슐린 주사 일주일에 한 번만 맞아도 된다?

   당뇨병은 관리가 까다로운 만성 질병 중 하나입니다. 특히 인슐린 주사가 필요한 경우에는 더 관리가 어렵습니다. 하루에 주사를 몇 번씩 맞아야 하면 찌르는 것도 고통이고 실수로 건너뛰거나 용량을 실수하는 경우도 드물지 않습니다. 특히 고령 환자의 경우 더 위험할 수 있습니다. 이런 문제를 극복하기 위해 여러 제약 회사들이 새로운 투여 방법과 인슐린 제제를 내놓고 있습니다.   최근 2상 임상 시험을 마친 노보 노디스크 ( Novo Nordisk )의 인슐린 아이코덱 ( icodec )은 일주일에 한 번 투여하는 장시간 인슐린 제제입니다. 아이코덱은 효소에 의해 분해되는 것을 막는 변형 인슐린 분자로 혈액에서 알부민과 결합해 서서히 분리되기 때문에 한 번 주사로도 일주일이나 효과를 유지할 수 있습니다.   하지만 이렇게 장시간 작용하는 인슐린 제제의 경우 환자의 식사나 운동 같은 상황 변화에 인슐린 농도가 적절하게 유지되지 않을 가능성이 있습니다. 이번 2상 임상시험에서는 247명의 당뇨 환자를 두 그룹으로 나눈 후 실험군은 일주일에 한 번씩 아이코덱을 투여받고 매일 위약을 투여받았습니다. 그리고 대조군은 반대로 일주일에 한 번씩 위약을 투여받고 하루에 한 번씩 장시간 인슐린 제제인 란투스 (Lantus, glargine) 100U을 투여받았습니다.   26주에 걸친 임상 실험 결과 하루에 한 번 란투스를 투여받은 그룹이나 일주일에 한 번 아이코덱을 투여받은 그룹에서 특별한 합병증 차이를 발견할 수 없었습니다. 혈당 조절의 지표인 당화 혈색소 (HbA1c) 농도 역시 아이코덱 그룹에서 1.33% 감소한 반면 란투스 그룹에서 1.15% 정도 감소해서 큰 차이는 없었습니다. 그렇다면 하루에 한 번 투여하는 대신 일주일에 한 번 투여하는 것이 더 편리하고 실수로 두 번 투여하거나 건너 뛸 위험성이 적을 것입니다. 이 연구 결과는 뉴잉글랜드 저널 오브 메디슨 ( New England Journal...