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python - 用 Scipy (Python) 将经验分布拟合到理论分布?

coder 2023-05-19 原文

简介:我有一个包含 30,000 多个整数值的列表,范围从 0 到 47(含),例如[0,0,0,0,..,1,1, 1,1,...,2,2,2,2,...,47,47,47,...] 从一些连续分布中采样。列表中的值不一定是按顺序排列的,但是对于这个问题,顺序并不重要。

问题:根据我的分布,我想计算任何给定值的 p 值(看到更大值的概率)。例如,如您所见,0 的 p 值将接近 1,而较大数字的 p 值将趋于 0。

我不知道我是否正确,但为了确定概率,我认为我需要将我的数据拟合到最适合描述我的数据的理论分布。我认为需要某种拟合优度来确定最佳模型。

有没有办法在 Python(ScipyNumpy)中实现这样的分析? 你能举一些例子吗?

最佳答案

具有平方和误差 (SSE) 的分布拟合

这是对 Saullo's answer 的更新和修改,使用当前 scipy.stats distributions 的完整列表并返回具有最少 SSE 的分布分布直方图和数据直方图之间的关系。

示例拟合

使用 El Niño dataset from statsmodels ,分布是拟合的,误差是确定的。返回误差最小的分布。

所有分布

最佳拟合分布

示例代码

%matplotlib inline

import warnings
import numpy as np
import pandas as pd
import scipy.stats as st
import statsmodels.api as sm
from scipy.stats._continuous_distns import _distn_names
import matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt

matplotlib.rcParams['figure.figsize'] = (16.0, 12.0)
matplotlib.style.use('ggplot')

# Create models from data
def best_fit_distribution(data, bins=200, ax=None):
    """Model data by finding best fit distribution to data"""
    # Get histogram of original data
    y, x = np.histogram(data, bins=bins, density=True)
    x = (x + np.roll(x, -1))[:-1] / 2.0

    # Best holders
    best_distributions = []

    # Estimate distribution parameters from data
    for ii, distribution in enumerate([d for d in _distn_names if not d in ['levy_stable', 'studentized_range']]):

        print("{:>3} / {:<3}: {}".format( ii+1, len(_distn_names), distribution ))

        distribution = getattr(st, distribution)

        # Try to fit the distribution
        try:
            # Ignore warnings from data that can't be fit
            with warnings.catch_warnings():
                warnings.filterwarnings('ignore')
                
                # fit dist to data
                params = distribution.fit(data)

                # Separate parts of parameters
                arg = params[:-2]
                loc = params[-2]
                scale = params[-1]
                
                # Calculate fitted PDF and error with fit in distribution
                pdf = distribution.pdf(x, loc=loc, scale=scale, *arg)
                sse = np.sum(np.power(y - pdf, 2.0))
                
                # if axis pass in add to plot
                try:
                    if ax:
                        pd.Series(pdf, x).plot(ax=ax)
                    end
                except Exception:
                    pass

                # identify if this distribution is better
                best_distributions.append((distribution, params, sse))
        
        except Exception:
            pass

    
    return sorted(best_distributions, key=lambda x:x[2])

def make_pdf(dist, params, size=10000):
    """Generate distributions's Probability Distribution Function """

    # Separate parts of parameters
    arg = params[:-2]
    loc = params[-2]
    scale = params[-1]

    # Get sane start and end points of distribution
    start = dist.ppf(0.01, *arg, loc=loc, scale=scale) if arg else dist.ppf(0.01, loc=loc, scale=scale)
    end = dist.ppf(0.99, *arg, loc=loc, scale=scale) if arg else dist.ppf(0.99, loc=loc, scale=scale)

    # Build PDF and turn into pandas Series
    x = np.linspace(start, end, size)
    y = dist.pdf(x, loc=loc, scale=scale, *arg)
    pdf = pd.Series(y, x)

    return pdf

# Load data from statsmodels datasets
data = pd.Series(sm.datasets.elnino.load_pandas().data.set_index('YEAR').values.ravel())

# Plot for comparison
plt.figure(figsize=(12,8))
ax = data.plot(kind='hist', bins=50, density=True, alpha=0.5, color=list(matplotlib.rcParams['axes.prop_cycle'])[1]['color'])

# Save plot limits
dataYLim = ax.get_ylim()

# Find best fit distribution
best_distibutions = best_fit_distribution(data, 200, ax)
best_dist = best_distibutions[0]

# Update plots
ax.set_ylim(dataYLim)
ax.set_title(u'El Niño sea temp.\n All Fitted Distributions')
ax.set_xlabel(u'Temp (°C)')
ax.set_ylabel('Frequency')

# Make PDF with best params 
pdf = make_pdf(best_dist[0], best_dist[1])

# Display
plt.figure(figsize=(12,8))
ax = pdf.plot(lw=2, label='PDF', legend=True)
data.plot(kind='hist', bins=50, density=True, alpha=0.5, label='Data', legend=True, ax=ax)

param_names = (best_dist[0].shapes + ', loc, scale').split(', ') if best_dist[0].shapes else ['loc', 'scale']
param_str = ', '.join(['{}={:0.2f}'.format(k,v) for k,v in zip(param_names, best_dist[1])])
dist_str = '{}({})'.format(best_dist[0].name, param_str)

ax.set_title(u'El Niño sea temp. with best fit distribution \n' + dist_str)
ax.set_xlabel(u'Temp. (°C)')
ax.set_ylabel('Frequency')

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