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이상치의 처리 (5)


 바로 앞에서 본 예제를 수정하지 않은 상태에서 선형 회귀 분석을 시행해 보겠습니다. 우선 가격과 캐럿의 선형 관계를 알아보고 잔차도를 그려 그 모양을 확인해 보겠습니다. 그리고 영향력 관측치를 찾기 위해 influence.measures 및 olsrr 패키지를 사용해서 관측치를 알아 보겠습니다. 



set.seed(3311)
diamonds1<-sample 50="" diamonds="" nrow="" span="">
D1<-diamonds diamonds1="" span="">
D1

model=lm(price~carat, data=D1)
summary(model)

par(mfrow=c(2,2))
plot(model)

influence.measures(model)

require("olsrr")
ols_cooksd_barplot(model)
ols_dfbetas_panel(model)
ols_dffits_plot(model)


 이 코드를 그대로 옮겨서 시행해보면 

> model=lm(price~carat, data=D1)
> summary(model)

Call:
lm(formula = price ~ carat, data = D1)

Residuals:
    Min      1Q  Median      3Q     Max 
-5110.3 -1185.0   -17.3   856.3  4602.7 

Coefficients:
            Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)    
(Intercept)  -2349.1      462.1  -5.083 6.06e-06 ***
carat         7733.0      470.2  16.446  < 2e-16 ***
---
Signif. codes:  0 ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1

Residual standard error: 1717 on 48 degrees of freedom
Multiple R-squared:  0.8493, Adjusted R-squared:  0.8461 
F-statistic: 270.5 on 1 and 48 DF,  p-value: < 2.2e-16

> par(mfrow=c(2,2))
> plot(model)
> influence.measures(model)
Influence measures of
 lm(formula = price ~ carat, data = D1) :

     dfb.1_ dfb.cart   dffit cov.r   cook.d    hat inf
1  -0.01136  0.00568 -0.0137 1.069 9.52e-05 0.0242    
2  -0.04067  0.02261 -0.0466 1.067 1.11e-03 0.0261    
3  -0.00509 -0.00716 -0.0224 1.066 2.57e-04 0.0223    
4   0.08590 -0.06194  0.0885 1.077 3.98e-03 0.0392    
5  -0.05859 -0.02074 -0.1466 1.020 1.07e-02 0.0204    
6  -0.00487 -0.00172 -0.0122 1.064 7.57e-05 0.0204    
7  -0.24540  0.55505  0.7032 0.781 2.13e-01 0.0531   *
8   0.02762 -0.00752  0.0411 1.061 8.60e-04 0.0207    
9   0.07435 -0.16590 -0.2090 1.068 2.20e-02 0.0541    
10  0.01078 -0.00694  0.0116 1.076 6.86e-05 0.0312    
11  0.00770 -0.07330 -0.1273 1.052 8.18e-03 0.0299    
12  0.02672  0.12250  0.2777 0.944 3.70e-02 0.0248    
13  0.11158 -0.08165  0.1144 1.073 6.64e-03 0.0408    
14 -0.06709  0.28012  0.4298 0.878 8.50e-02 0.0348    
15  0.00228 -0.01825 -0.0311 1.074 4.94e-04 0.0305    
16 -0.03069  0.01079 -0.0423 1.062 9.13e-04 0.0214    
17 -0.05320 -0.06605 -0.2184 0.976 2.33e-02 0.0220    
18 -0.28925  0.46826  0.5123 1.097 1.29e-01 0.1216   *
19  0.09478 -0.20873 -0.2616 1.051 3.41e-02 0.0551    
20  0.07190 -0.05299  0.0736 1.082 2.76e-03 0.0416    
21 -0.43346  0.63206  0.6625 1.258 2.17e-01 0.2227   *
22 -0.05447 -0.01928 -0.1362 1.025 9.30e-03 0.0204    
23  0.08582 -0.06281  0.0880 1.079 3.94e-03 0.0408    
24 -0.25038  0.39912  0.4337 1.138 9.36e-02 0.1305   *
25 -0.12572  0.03692 -0.1832 0.997 1.66e-02 0.0208    
26  0.27862 -0.63019 -0.7984 0.714 2.62e-01 0.0531   *
27  0.10608 -0.07763  0.1088 1.075 6.01e-03 0.0408    
28  0.01806  0.12898  0.2753 0.950 3.65e-02 0.0256    
29 -0.04622  0.01540 -0.0649 1.057 2.14e-03 0.0212    
30 -0.00941 -0.04313 -0.0978 1.053 4.84e-03 0.0248    
31  0.13347 -0.10220  0.1352 1.077 9.26e-03 0.0467    
32  0.10482 -0.07615  0.1077 1.074 5.89e-03 0.0400    
33  0.01157  0.01629  0.0511 1.062 1.33e-03 0.0223    
34 -0.02908  0.01586 -0.0336 1.069 5.77e-04 0.0257    
35  0.11303 -0.08330  0.1157 1.074 6.79e-03 0.0416    
36  0.01412 -0.00799  0.0161 1.071 1.32e-04 0.0266    
37  0.08864 -0.06533  0.0907 1.080 4.18e-03 0.0416    
38 -0.02792  0.01818 -0.0299 1.076 4.55e-04 0.0318    
39 -0.01795  0.01207 -0.0190 1.079 1.84e-04 0.0336    
40  0.01318 -0.15685 -0.2775 0.967 3.73e-02 0.0294    
41  0.03740 -0.14783 -0.2239 1.021 2.49e-02 0.0354    
42  0.05347 -0.03856  0.0551 1.082 1.55e-03 0.0392    
43  0.03530 -0.02485  0.0367 1.081 6.86e-04 0.0370    
44 -0.04697  0.02231 -0.0578 1.062 1.70e-03 0.0235    
45 -0.04600 -0.01352 -0.1103 1.039 6.13e-03 0.0203    
46  0.05891 -0.04248  0.0607 1.081 1.88e-03 0.0392    
47  0.08562 -0.06310  0.0876 1.080 3.90e-03 0.0416    
48 -0.08710  0.00777 -0.1534 1.014 1.17e-02 0.0201    
49  0.13562 -0.10445  0.1372 1.078 9.54e-03 0.0476    
50 -0.02788 -0.03925 -0.1230 1.037 7.62e-03 0.0223    








 만약 위의 그림이 잘 보이지 않으면 클릭하면 원본을 볼 수 있습니다. 아무튼 이 결과를 보면 의외로 21번 관측치가 아니라 26번 관측치가 더 모델에서 벗어나는 것으로 보입니다. 하지만 26번 관측치 자체는 평범해 보입니다. 


D1[26,c(1:7)]

# A tibble: 1 x 7
  carat cut     color clarity depth table price
         
1  1.50 Premium G     I1       60.4  55.0  4140


 아마도 이런 일이 일어난 이유는 이 관측치가 비슷한 크기에 비해 가격이 낮기 때문일 것입니다. 그런데 이상치 처리에서 26번이 잡히지 않은 이유는 선형 회귀 모델에서는 가격과 캐럿 (크기)의 관계를 보기 때문이고 이상치 검출은 단지 정규 분포에서 얼마나 벗어났는지를 보기 때문입니다. 이 둘이 서로 다를 수 있다는 점을 염두에 둘 필요가 있습니다. 아무튼 26번 관측치를 제거하면 어떻게 될까요. 알기 위해서 D2 라는 새로운 데이터 셋을 만들겠습니다. 


 그런데 데이터 프레임에서 특정 값을 제거하고 싶다면 어떻게 해야 할까요. 단 하나의 값을 제거하기 위해 subset을 사용할 필요는 없습니다. 그냥 아래처럼 하면 됩니다. 


D2<-d1 span="">


 만약 두 개 이상의 값을 제거하고 싶다면 c() 를 사용하면 됩니다. 

D2<-d1 c="" span="">


 여기서는 하나만 제거하고 진행해 보겠습니다. 


model=lm(price~carat, data=D2)
summary(model)

par(mfrow=c(2,2))
plot(model)

influence.measures(model)

require("olsrr")
ols_cooksd_barplot(model)
ols_dfbetas_panel(model)
ols_dffits_plot(model)

 위의 코드를 입력합니다. 

> model=lm(price~carat, data=D2)
> summary(model)

Call:
lm(formula = price ~ carat, data = D2)

Residuals:
    Min      1Q  Median      3Q     Max 
-2858.1 -1221.9   106.1   925.4  4316.4 

Coefficients:
            Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)    
(Intercept)  -2465.9      420.5  -5.865 4.31e-07 ***
carat         8001.7      433.7  18.448  < 2e-16 ***
---
Signif. codes:  0 ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1

Residual standard error: 1557 on 47 degrees of freedom
Multiple R-squared:  0.8787, Adjusted R-squared:  0.8761 
F-statistic: 340.3 on 1 and 47 DF,  p-value: < 2.2e-16

> par(mfrow=c(2,2))
> plot(model)
> influence.measures(model)
Influence measures of
 lm(formula = price ~ carat, data = D2) :

     dfb.1_ dfb.cart   dffit cov.r   cook.d    hat inf
1  -0.01613  0.00780 -0.0196 1.069 1.96e-04 0.0243    
2  -0.04739  0.02571 -0.0548 1.067 1.53e-03 0.0262    
3  -0.00834 -0.01392 -0.0406 1.065 8.40e-04 0.0231    
4   0.09825 -0.07022  0.1014 1.075 5.22e-03 0.0392    
5  -0.06707 -0.02973 -0.1770 1.002 1.55e-02 0.0210    
6  -0.00972 -0.00431 -0.0257 1.065 3.36e-04 0.0210    
7  -0.27033  0.60309  0.7564 0.756 2.42e-01 0.0560   *
8   0.02487 -0.00602  0.0378 1.063 7.31e-04 0.0209    
9   0.10421 -0.22950 -0.2863 1.045 4.07e-02 0.0571    
10  0.01140 -0.00723  0.0123 1.077 7.72e-05 0.0312    
11  0.01300 -0.10007 -0.1688 1.038 1.43e-02 0.0315    
12  0.02263  0.13650  0.2952 0.934 4.16e-02 0.0260    
13  0.12745 -0.09251  0.1308 1.070 8.67e-03 0.0408    
14 -0.07820  0.30590  0.4596 0.863 9.63e-02 0.0366   *
15  0.00535 -0.03604 -0.0598 1.073 1.82e-03 0.0321    
16 -0.03824  0.01250 -0.0537 1.061 1.47e-03 0.0216    
17 -0.05857 -0.08606 -0.2633 0.943 3.33e-02 0.0228    
18 -0.26655  0.43110  0.4702 1.122 1.09e-01 0.1280   *
19  0.12903 -0.28065 -0.3484 1.019 5.95e-02 0.0582    
20  0.08406 -0.06146  0.0861 1.081 3.77e-03 0.0416    
21 -0.34804  0.50808  0.5318 1.309 1.42e-01 0.2336   *
22 -0.06264 -0.02776 -0.1653 1.010 1.36e-02 0.0210    
23  0.09900 -0.07186  0.1016 1.077 5.25e-03 0.0408    
24 -0.21603  0.34417  0.3730 1.165 6.97e-02 0.1373   *
25 -0.14235  0.03770 -0.2120 0.976 2.20e-02 0.0211    
26  0.12138 -0.08810  0.1246 1.071 7.87e-03 0.0408    
27  0.01358  0.14263  0.2917 0.942 4.07e-02 0.0268    
28 -0.05521  0.01695 -0.0790 1.054 3.17e-03 0.0214    
29 -0.00991 -0.05978 -0.1293 1.043 8.43e-03 0.0260    
30  0.15493 -0.11789  0.1570 1.072 1.25e-02 0.0468    
31  0.11956 -0.08612  0.1230 1.071 7.67e-03 0.0400    
32  0.00866  0.01445  0.0421 1.065 9.04e-04 0.0231    
33 -0.03487  0.01853 -0.0407 1.069 8.43e-04 0.0258    
34  0.12949 -0.09469  0.1326 1.070 8.91e-03 0.0416    
35  0.01283 -0.00710  0.0147 1.072 1.10e-04 0.0266    
36  0.10254 -0.07498  0.1050 1.077 5.60e-03 0.0416    
37 -0.03083  0.01980 -0.0331 1.077 5.59e-04 0.0318    
38 -0.01899  0.01261 -0.0201 1.080 2.07e-04 0.0336    
39  0.02200 -0.19933 -0.3423 0.924 5.54e-02 0.0309    
40  0.05171 -0.19270 -0.2861 0.991 4.00e-02 0.0374    
41  0.06248 -0.04466  0.0645 1.082 2.12e-03 0.0392    
42  0.04131 -0.02879  0.0430 1.082 9.43e-04 0.0370    
43 -0.05534  0.02530 -0.0688 1.060 2.41e-03 0.0236    
44 -0.05375 -0.02022 -0.1356 1.027 9.22e-03 0.0209    
45  0.06848 -0.04894  0.0706 1.081 2.54e-03 0.0392    
46  0.09921 -0.07254  0.1016 1.078 5.25e-03 0.0416    
47 -0.09953  0.00447 -0.1810 0.996 1.62e-02 0.0204    
48  0.15782 -0.12082  0.1598 1.072 1.29e-02 0.0477    
49 -0.03174 -0.05299 -0.1544 1.023 1.19e-02 0.0231    



 여기서는 간략하게 잔차도만 보겠습니다. 이렇게 보니 어느 정도 모델이 맞는 것 같고 7, 14번 같은 일부 값을 추가로 제거하면 얼추 적당한 선형 회귀식이 완성될 것 같습니다. 7,14번은 이상치로 의심되었던 값이기도 합니다. 하지만 이상치에 해당하는 값을 미리 제거하고 영향력 관측치로 생각되는 값을 제거해 나가다보면 오히려 더 큰 오류를 야기할 수 있습니다. 


 본래 앞서 봤듯이 다이아몬드의 캐럿과 가격은 선형관계가 성립되지 않습니다. 다이아몬드의 크기가 커질 수록 가격은 급격히 상승할 뿐 아니라 컷팅이나 채도, 색 같은 다른 중요한 요소가 가격에 큰 영향을 미치기 때문입니다. 그런데 이와 같은 사실을 무시하고 단지 이상치나 영향력 관측치로 보고 모델에 맞지 않는 값을 제거하다 보면 본래 있을 수 없던 선형 비례 관계가 성립될 수 있습니다. 다시 말해 데이터를 잘못 해석할 수 있는 것이죠. 


 모델에 맞지 않는 관측값이 있다면 가능성은 두 가지입니다. 첫 번째는 모델이 잘못된 것이고 두 번째는 관측값이 맞지 않는 것입니다. 우리는 후자의 가능성을 생각하기 쉽지만 사실은 모델이 맞지 않을 가능성도 높습니다. 이 경우 무리한 관측값 제거를 시도하기 보다는 방법을 바꿔서 데이터를 분석하는 것이 맞습니다. 


 물론 관측값이 분명히 잘못된 경우라면 당연히 제거해야 할 것이고 (예를 들어 몸무게 800kg은 80.0kg의 오류일 가능성이 클 것입니다. 1710cm도 마찬가지겠죠) 이를 알아보는 데 요긴한 방법이 이상치 검출이라는 점은 분명합니다. 



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 미국의 로스 알라모스 국립 연구소 (Los Alamos National Laboratory) 에서 과학자들이 지금까지 인간이 개발한 가장 강력한 자기장을 발생시키는 장치 개발에 도전하고 있습니다. 자기장의 세기를 나타내는 방법으로 자기력선의 밀도를 나타내기 위해 단위 면적당 자기력선의 수를 표시하는 단위인 테슬라 (T) 가 있습니다. (1T = 1Wb/㎡  웨버 (Wb) 는 자속의 단위)   의료용으로 사용되는 초전도체를 이용한 MRI 의 경우 1.5 - 3 테슬라급의 강력한 자기장으로 인체 내부를 볼 수 있게 만들지만 과학 연구용으로 이보다 더 강력한 자기장이 필요할 수 있습니다. 최근에 등장한 90 테슬라급 자기장에 이어 이번에 로스 알라모스 국립 연구소에서는 100 테슬라급인 100.75 T 를 실현 했다고 합니다.   이를 구현한 것은 18000 파운드 (8.16 톤 정도) 의 코일과 여기에 에너지를 공급할 1200 메가줄 (Megajoule) 급 모터 제네레이터등의 설비입니다.  (   The 1,200-megajoule motor generator that powers the magnetic pulse.  )  이와 같은 연구를 통해 알아내고자 하는 것은  Quantum Phase transitions and new ultra high field magnetic states Electronic Structure determination Topologically protected states of matter  로 요약할 수 있다고 합니다.   아무튼 수 T 급 MRI 만 해도 자기장의 힘이 엄청난데 100 T 라니 엄청난 자기장이네요. 이는 지구 자기장 세기보다 200만배 강력한 (물론 좁은 범위에서 작용하는 자기장이라 지구 전체...

고대 양서류 이야기 (2) - 악어를 닮은 거대 양서류들

  페름기에는 다양한 양막류가 진화해서 앞서 소개한 육상형 템노스폰딜리는 점차 설 자리를 잃게 됩니다. 하지만 양서류는 본래 자신의 서식지인 물과 습지에서 여전히 번성을 누렸습니다. 당시에는 악어류 같은 대형 양서형 파충류도 없던 시절이었기 때문에 이와 비슷한 생태학적 지위는 여전히 양서류의 몫이었습니다. 이들에 대한 이야기는 제 책인 포식자에서 비교적 간단히 다뤘는데, 오늘은 여기에 대한 보충 설명입니다.  책 정보:  http://book.naver.com/bookdb/book_detail.nhn?bid=13347200 Yes 24:  http://www.yes24.com/24/goods/58772859 11번가:  http://books.11st.co.kr/product/SellerProductDetail.tmall?method=getSellerProductDetail&prdNo=1977867160 알라딘:  http://www.aladin.co.kr/shop/wproduct.aspx?ItemId=134877825 교보문고:  http://www.kyobobook.co.kr/product/detailViewKor.laf?ejkGb=KOR&mallGb=KOR&barcode=9788970447988&orderClick=LAG&Kc= 인터파크 :  http://book.interpark.com/product/BookDisplay.do?_method=detail&sc.prdNo=279593764&sc.saNo=003002003&bid1=search_auto&bid2=detail&bid3=prd_img&bid4=001 영풍문고:  http://www.ypbooks.co.kr/book.yp?bookcd=100843205&gubun=NV ...

이빨이 다시 진화한 개구리

  ( CT scans of Gastrotheca guentheri skulls revealed what appeared to be identical rows of teeth on both the upper and lower jaws, which researchers later confirmed through dissection. Credit: Florida Museum/Daniel Paluh )  개구리는 2억년 전 진화 과정에서 이빨을 잃어버리고 큰 턱과 혀를 이용해 곤충 같은 작은 먹이를 잡아 먹는 방향으로 진화했습니다. 파충류나 포유류 같은 다른 사지류와의 경쟁에서 밀려 양서류가 쇠퇴하고 멸종하던 시기에도 개구리는 여전히 생존할 수 있었던 비결입니다.   이빨이 없는 덕분에 큰 혀를 발사하기 편해졌을지는 모르지만, 이빨이 없으면 종종 불편할 때가 있습니다. 씹는 대신 삼키기 때문에 음식을 씹을 수 없다는 점은 문제되지 않지만, 필사적으로 달아나려는 먹이를 잡기 힘들기 때문입니다. 이런 이유 때문에 일부 개구리는 이빨 같이 보이는 엄니 (fang)을 지니고 있으나 이는 사라진 이빨이 다시 난 것이 아니라 다른 부분이 진화한 것입니다.   이는 돌로의 법칙 ( Dollo's Law )으로 알려져 있습니다. 진화 과정에서 퇴화한 부분이 다시 생겨나지 않으며 대신 필요하면 다른 부분이 진화해 그 역할을 대신한다는 것입니다. 예를 들어 아가미가 사라진 사지 동물은 다시 물에 들어온다고 해도 아가미가 다시 생기진 않습니다. 대신 고래처럼 폐가 커져서 그 기능을 대신하게 됩니다.   하지만 모든 법칙엔 예외가 있기 마련입니다. 남미에서 발견된 멸종 위기 개구리 중 하나인 구엔터 유대류 개구리 ( Gastrotheca guentheri, Guenther's marsupial frog, dentate marsupial frog)는 완전한 형태의 이빨을 지니고 있습니다. 참고로 유대류 개구리라는 명칭은...