PCA / 대응 분석에서 "말발굽 효과"및 / 또는 "아치 효과"란 무엇입니까?


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다차원 데이터의 탐색 적 데이터 분석을위한 생태 통계에는 많은 기술이 있습니다. 이것을 '조정'기술이라고합니다. 대부분 통계의 다른 곳에서 공통 기술과 동일하거나 밀접하게 관련되어 있습니다. 아마도 프로토 타입 예제는 주성분 분석 (PCA) 일 것입니다. 생태 학자들은 PCA와 관련 기술을 사용하여 '그라데이션'을 탐색 할 수 있습니다 (그라데이션이 무엇인지 완전히 명확하지는 않지만 조금 그것에 대해 읽었습니다).

에 이 페이지 아래의 마지막 항목 주성분 분석 (PCA)를 읽습니다

  • PCA는 식생 데이터에 심각한 문제가있다 : 말굽 효과. 이것은 구배에 따른 종 분포의 곡선으로 인해 발생합니다. 종 반응 곡선은 일반적으로 단봉 형 (즉, 매우 강렬한 곡선)이기 때문에 말굽 효과가 일반적입니다.

페이지 아래의 대응 분석 또는 상호 평균화 (RA) 에서 "아치 효과"를 나타냅니다.

  • RA에는 아치 효과라는 문제가 있습니다. 또한 그라디언트를 따라 분포의 비선형 성으로 인해 발생합니다.
  • 구배의 끝이 뒤얽 히지 않기 때문에 아치는 PCA의 말굽 효과만큼 심각하지 않습니다.

누군가 이것을 설명 할 수 있습니까? 최근에 저 차원 공간 (즉, 대응 분석 및 요인 분석)에서 데이터를 나타내는 플롯에서이 현상을 보았습니다.

  1. "그라데이션"이 더 일반적으로 (즉, 비 생태적 맥락에서) 무엇에 해당합니까?
  2. 데이터에서 이런 일이 발생하면 "문제"( "심각한 문제")입니까? 무엇을 위해?
  3. 말굽 / 아치가 나타나는 곳에서 출력물을 어떻게 해석해야합니까?
  4. 구제책을 적용해야합니까? 뭐? 원본 데이터의 변환이 도움이됩니까? 데이터가 서수 등급이면 어떻게 되나요?

답변은 해당 사이트의 다른 페이지 (예 : PCA , CA 및 DCA ) 에 존재할 수 있습니다 . 나는 그것들을 통해 일하려고 노력했다. 그러나 토론은 충분히 익숙하지 않은 생태 용어와 문제를 이해하기가 더 어렵다는 예에 기초하고 있습니다.


1
(+1) ordination.okstate.edu/PCA.htm 에서 합리적인 답변을 찾았습니다 . 당신의 인용문에있는 "curvilinearity"설명은 완전히 틀리기 때문에 혼란 스럽습니다.
— whuber

2
Diaconis, et al. (2008), 다차원 스케일링 및 로컬 커널 방법의 말굽 , Ann. Appl. 통계 , vol. 2 번 3, 777-807.
— 추기경

나는 당신의 질문에 대답하려고 노력했지만 생태 학자와 그라디언트를 보는 것이 내가 이런 것들을 어떻게 생각하는지 내가 얼마나 잘 달성했는지 잘 모르겠습니다.
— 복원 Monica Monica-G. Simpson

@ whuber : 인용 된 "curvilinearity"설명은 혼란스럽고 명확하지 않을 수도 있지만, "완전히 틀렸다"고 생각하지 않습니다. 실제 "그라데이션"을 따라 위치의 함수로서 종의 풍부함 (링크에서 예를 사용하여)이 모두 선형 (아마도 약간의 소음에 의해 손상됨) 인 경우 점의 구름은 (대략) 1 차원이고 PCA가됩니다 그것을 찾을 것입니다. 함수가 선형이 아니기 때문에 점 구름이 구부러 지거나 구부러집니다. 이동 된 가우시안의 특별한 경우는 말굽으로 이어집니다.
— amoeba는

그럼에도 불구하고 말굽 효과는 종 구배의 곡선에서 비롯된 것이 아니라 분포 비율의 비선형 성에서 비롯됩니다 . 그라디언트 자체의 모양에 영향을 미치는 인용은 현상의 원인을 정확하게 식별하지 못합니다.
— whuber

답변:


19

Q1

생태 학자들은 항상 그라디언트에 대해 이야기합니다. 많은 종류의 그라디언트가 있지만 원하는 변수 또는 응답에 중요한 변수의 조합으로 생각하는 것이 가장 좋습니다. 따라서 구배는 시간, 공간, 토양 산도, 영양분 또는 어떤 식 으로든 반응에 필요한 다양한 변수의 선형 조합과 같은 더 복잡한 것일 수 있습니다.

우리는 공간이나 시간에있는 종을 관찰하기 때문에 그라디언트에 대해 이야기하고 전체 사물은 그 공간이나 시간에 따라 다릅니다.

2 분기

대부분의 경우 PCA의 말굽이 심각한 문제가 아니라고 나는 결론에 도달 한 경우에 당신이 발생하는 방법을 이해하고 "그라데이션이"실제로 PC1과 PC2 (잘으로 표시됩니다 걸릴 PC1 바보 같은 일을하지 않습니다 더 높은 PC로도 분할되지만 2 차원 표현은 괜찮습니다.)

CA에서 나는 똑같이 생각한다고 생각합니다 (지금 그것에 대해 조금 생각해야합니다). 이 솔루션은 데이터에 강한 2 차원이없는 경우 아치 축을 형성 할 수 있으므로 CA 축의 직교성 요구 사항을 만족하는 첫 번째 축의 접힌 버전이 데이터의 다른 방향보다 더 많은 "관성"을 설명합니다. 이것은 PCA를 사용하여 아치가 단일 지배적 구배를 따라 현장에서 종의 풍부함을 나타내는 방법 일뿐 인 구조로 만들어지기 때문에 더 심각 할 수 있습니다.

나는 사람들이 왜 강력한 말굽으로 PC1의 잘못된 주문에 대해 그렇게 많이 걱정하는지 이해하지 못했습니다. 이런 경우 PC1 만 가져 가지 말아야한다는 점에 반대하고 문제는 사라집니다. PC1과 PC2의 좌표 쌍은이 두 축 중 하나의 반전을 제거합니다.

Q3

PCA biplot에서 말굽을 보면 데이터가 단일 지배적 그라디언트 또는 변형 방향을 갖는 것으로 해석합니다.

아치를 보았을 때 아마도 같은 결론을 내릴 수 있지만 CA 축 2를 전혀 설명하려고 시도하는 것은 매우 조심 스러울 것입니다.

나는 DCA를 적용하지 않을 것입니다-그것은 아치를 비틀어 (최상의 상황에서) 2 차원 플롯에서 이상한 것을 보지 못하지만 많은 경우에 다이아몬드 또는 트럼펫 모양과 같은 다른 가짜 구조를 생성합니다. DCA 공간에서 샘플 배열. 예를 들면 다음과 같습니다.

library("vegan")
data(BCI)
plot(decorana(BCI), display = "sites", type = "p") ## does DCA

여기에 이미지 설명을 입력하십시오

우리는 플롯의 왼쪽으로 샘플 포인트에서 일반적인 패닝을 봅니다.

Q4

m

이것은 데이터의 고차원 공간에서 비선형 방향을 찾는 것을 제안합니다. 그러한 방법 중 하나는 Hastie & Stuezel의 주요 곡선이지만 충분할 수있는 다른 비선형 매니 폴드 방법을 사용할 수 있습니다.

예를 들어, 일부 병리학 적 데이터의 경우

여기에 이미지 설명을 입력하십시오

우리는 강한 말굽을 봅니다. 주 곡선은 데이터의 m 차원에서 부드러운 곡선을 통해 이러한 기본 기울기 또는 샘플의 배열 / 순서를 복구하려고합니다. 아래 그림은 반복 알고리즘이 기본 그래디언트를 근사하는 것으로 수렴하는 방법을 보여줍니다. (나는 더 높은 차원의 데이터에 더 가깝게하기 위해 플롯의 맨 위에있는 데이터에서 멀어지고 부분적으로 곡선이 주 곡선으로 선언되는 자기 일관성 기준으로 인해 생각합니다.)

여기에 이미지 설명을 입력하십시오

이미지를 가져온 블로그 게시물의 코드를 포함한 자세한 내용 이 있습니다. 그러나 여기서 중요한 점은 주요 곡선이 알려진 샘플의 순서를 쉽게 복구하는 반면 PC1 또는 PC2 자체는 그렇지 않습니다.

PCA의 경우 생태학에 변형을 적용하는 것이 일반적입니다. 인기있는 변환은 유클리드 거리가 변환 된 데이터에서 계산 될 때 비 유클리드 거리를 반환한다고 생각할 수있는 변환입니다. 예를 들어, Hellinger 거리는

DHellinger(x1,x2)=∑j=1p[y1jy1+−y2jy2+]2

yijjiyi+i

말굽은 생태학에서 오랫동안 알려져 왔으며 연구되었습니다. 초기 문헌 중 일부 (더 현대적인 모습)는

주요 주 곡선 참조는

전자는 매우 생태 학적 표현이다.


고마워 개빈 다음과 같은 질문이있는 데이터 세트에서 서수 등급 1 : 5를 고려하십시오. 이들은 공간 또는 시간에 의미있게 분산되지 않습니다. 여기서 '그라데이션'은 무엇입니까?
— gung-Monica Monica 복원

5x5 테이블 및 높은 N에서 데이터를 시각화하는 한 가지 방법은 CA입니다. 데이터는 서수이지만 CA는이를 인식하지 못합니다. 인접한 행 / 열이 더 멀리 떨어져 있는지 확인할 수 있습니다. 두 점 세트 모두 적절한 순서로 명확한 선을 따라 떨어지지 만 선은 2D 공간의 중간 점보다 극단이 서로 가깝도록 곡선을 이룹니다. 어떻게 해석해야합니까?
— gung-Monica Monica 복원

CA는 샘플 "점수"의 분산을 최대화하는 행 (샘플) 및 변수 (콜)에 대한 순서를 찾습니다. 분산을 최대화하는 잠재 변수 (변수의 선형 조합)를 찾습니다. 우리는 그 잠재 변수를 그라디언트라고 부릅니다.
— 복원 모니카

압축은 다시 축의 스케일에서 유클리드 거리와 관련하여 CA 축 1에서 서로 더 가깝거나 서로 더 가깝다는 것을 의미합니까? 어느 쪽이든, 이것은 데이터를 저 차원 공간으로 투영 할 때 실제로 문제가됩니다. DCA는 비 추세 DCA 축 1의 끝에서 샘플을 분리하고 원점 근처에서 샘플을 압축하여이 효과를 취소하려고합니다. 따라서 그렇습니다. 문제이지만 기본 그래디언트를 적절하게 캡처하는 방법의 유연성이 없기 때문입니다. 우리는 그것과 함께 살거나 더 유연한 접근법을 사용할 수 있습니다 (적어도 생태학에서는).
— 복원 모니카

1
더 많은 차원에서 이것을 보면 문제가 사라질 것입니다. 나는 이것이 방법의 한계라고 생각한다. 많은 경우에는 문제가 없지만 다른 경우에는 실패합니다.
— 복원 모니카
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