Вероятностно статистические методы исследования кратко. Вероятностные и статистические методы. Статистический анализ конкретных данных

Явления жизни, как и вообще все явления материального мира, имеют две неразрывно связанные стороны: качественную, воспринимаемую непосредственно органами чувств, и количественную, выражаемую числами при помощи счета и меры.

При исследовании различных явлений природы применяют одновременно и качественные и количественные показатели. Несомненно, что только в единстве качественной и количественной сторон наиболее полно раскрывается сущность изучаемых явлений. Однако в действительности приходится пользоваться либо теми, либо другими показателями.

Несомненно, что количественные методы как более объективные и точные имеют преимущество перед качественной характеристикой предметов.

Сами по себе результаты измерений, хотя и имеют известное значение, еще недостаточны для того, чтобы сделать из них необходимые выводы. Цифровые данные, собранные в процессе массовых испытаний – это всего лишь сырой фактический материал, который нуждается в соответствующей математической обработке. Без обработки – упорядочения и систематизации цифровых данных не удается извлечь заключенную в них информацию, оценить надежность отдельных суммарных показателей, убедиться в достоверности наблюдаемых между ними различий. Эта работа требует от специалистов определенных знаний, умения правильно обобщать и анализировать собранные в опыте данные. Система этих знаний и составляет содержание статистики – науки, занимающейся главным образом вопросами анализа результатов исследований в теоретической и прикладной областях науки.

Следует иметь ввиду, что математическая статистика и теория вероятностей являются науками сугубо теоретическими, абстрактными; они изучают статистические совокупности безотносительно к специфике входящих в их состав элементов. Методы математической статистики и лежащей в ее основе теории вероятностей приложимы к самым различным областям знания, включая и гуманитарные науки.

Изучение явлений проводятся не по отдельным наблюдениям, которые могут оказаться случайными, нетипичными, неполно выражающими сущность данного явления, а на множестве однородных наблюдений, что дает более полную информацию об изучаемом объекте. Некоторое множество относительно однородных предметов, объединяемых по тому или иному признаку для совместного изучения, называют статистической

совокупностью. Совокупность объединяет какое-то число однородных наблюдений или регистраций.

Элементы, входящие в состав совокупности, называются ее членами, или вариантами. Варианты – это отдельные наблюдения или числовые значения признака. Так, если обозначить признак через Х (большое), то его значения или варианты будут обозначаться через х (малое), т.е. х 1 , х 2 , и т.д.

Общее число вариантов, входящих в состав данной совокупности называется ее объемом и обозначается буквой n (малое).

Когда обследованию подвергается вся совокупность однородных объектов в целом, ее называют общей, генеральной, совокупностью Примером такого рода сплошного описания совокупности могут служить общегосударственные переписи населения, поголовный статистический учет животных в стране. Разумеется, полное обследование генеральной совокупности дает наиболее полноценную информацию о ее состоянии и свойствах. Поэтому естественно стремление исследователей к тому, чтобы в в совокупность объединялось как можно большее число наблюдений.

Однако в действительности редко приходится прибегать к обследованию всех членов генеральной совокупности. Во-первых, потому, что эта работа требует большой затраты времени и труда, а во-вторых, она не всегда осуществима по целому ряду причин и различных обстоятельств. Так что вместо сплошного обследования генеральной совокупности изучению подвергается обычно какая-то ее часть, получившая название выборочной совокупности, или выборки. Она представляет собой тот образец, по которому судят о всей генеральной совокупности в целом. Например, чтобы узнать средний рост призывного населения некоторой области или района, вовсе не обязательно измерять всех призывников, проживающих в данной местности, а достаточно измерить какую-то часть их.

1. Выборка должна быть вполне представительной, или типичной, т.е. чтобы в ее состав входили преимущественно те варианты, которые наиболее полно отражают генеральную совокупность. Поэтому, чтобы приступить к обработке выборочных данных, их внимательно просматривают и удаляют явно нетипичные варианты. Например, при анализе стоимости продукции, выпускаемой предприятием, должна быть исключена стоимость в те периоды, когда предприятие не было в полной мере обеспечено комплектующими или сырьем.

2. Выборка должна быть объективной. При образовании выборки нельзя поступать по произволу, включать в ее состав только те варианты, которые кажутся типичными, а все остальные браковать. Доброкачественная выборка производится без предвзятых мнений, по методу жеребьевки или лотерии, когда ни один из вариантов генеральной совокупности не имеет никаких преимуществ перед остальными – попасть или не попасть в состав выборочной совокупности. Иными словами, выборка должна производиться по принципу случайного отбора, без влияний на ее состав.

3. Выборка должна быть качественно однородной. Нельзя включать в состав одной и той же выборки данные, полученные в разных условиях, например, стоимость изделий, полученных при разной численности работников.

6.2. Группировка результатов наблюдений

Обычно результаты опытов и наблюдений заносятся в виде цифр в учетные карточки или журнал, а иногда просто на листы бумаги – получается ведомость или реестр. Такие первоначальные документы, как правило содержат сведения не об одном, а о нескольких признаках, по которым проводились наблюдения. Эти документы служат основным источником образования выборочной совокупности. Делается это обычно так: на отдельный лист бумаги из первичного документа, т.е. картотеки, журнала или ведомости, выписываются числовые значения того признака, по которому образуется совокупность. Варианты в такой совокупности представлены обычно в виде беспорядочной массы цифр. Поэтому первым шагом на пути обработки такого материала является упорядочение, систематизация его – группировка вариант в статистические таблицы или ряды.

Одной из наиболее распространенных форм группировок выборочных данных служат статистические таблицы. Они имеют иллюстративное значение, показывая какие-то общие итоги, положение отдельных элементов в общей серии наблюдений.

К другой форме первичной группировки выборочных данных относится способ ранжирования, т.е. расположение вариант в определенном порядке – по возрастающими или убывающим значениям признака. В результате получается так называемый ранжированный ряд, который показывает в каких пределах и каким образом варьирует данный признак. Например, имеется выборка следующего состава:

5,2,1,5,7,9,3,5,4,10,4,5,7,3,5, 9,4,12,7,7

Видно, что признак изменяется от 1 до 12 каких-то единиц. Располагаем варианты в возрастающем порядке:

1,2,3,3,4,4,4,5,5,5,5,7,7,7,7,9,9,10,12.,

В результате получился ранжированный ряд значений варьирующего признака.

Совершенно очевидно, что способ ранжирования в том виде, как он здесь показан, применим лишь к выборкам малого объема. При большом числе наблюдений ранжирование затрудняется, т.к. ряд получается настолько длинным, что теряет свое значение.

При большом числе наблюдений ранжировать выборочную совокупность принято в виде двойного ряда, т.е. с указанием частоты или повторяемости отдельных вариант ранжированного ряда. Такой двойной ряд ранжированных значений признака называется вариационным рядом или рядом распределения. Простейшим примером вариационного ряда могут служить ранжированные выше данные, если их расположить следующим образом:

Значения признака

(варианты) 1 2 3 4 5 7 9 10 12

повторяемость

(вариант) частоты 1 1 2 3 5 4 2 1 1

Вариационный ряд показывает, с какой частотой отдельные варианты встречаются в данной совокупности, как они распределяются, что имеет большое значение, позволяя судить о закономерности варьирования и диапазоне вариации количественных признаков. Построение вариационных рядов облегчает вычисление суммарных показателей – средней арифметической и дисперсии или рассеивания вариант около их среднего значения – показателей, которыми характеризуется любая статистическая совокупность.

Вариационные ряды бывают двух видов: прерывистые и непрерывные. Прерывистый вариационный ряд получается при распределении дискретных величин, к которым относятся счетные признаки. Если же признак варьирует непрерывно, т.е. может принимать любые значения в пределах от минимальной до максимальной вариант совокупности, то последняя распределяется в непрерывный вариационный ряд.

Для построения вариационного ряда дискретно варьирующего признака достаточно всю совокупность наблюдений расположить в виде ранжированного ряда, указав частоты отдельных вариантов. В качестве примера приводим данные, показывающие распределение по размеру 267 деталей (табл.5.4)

Таблица 6.1. Распределение деталей по размеру.

Чтобы построить вариационный ряд непрерывно варьирующих признаков, нужно всю вариацию от минимального до максимального варианта разбить на отдельные группы или промежутки (от-до), называемые классами, а затем распределить все варианты совокупности по этим классам. В результате получится двойной вариационный ряд, в котором частоты относятся уже не к отдельным конкретным вариантам, а ко всему интервалу, т.е. оказываются частотами не вариант, а классов.

Разбивка общей вариации на классы производится в масштабе классового интервала, который должен быть одинаковым для всех классов вариационного ряда. Величина классового интервала обозначается через i (от слова intervalum – промежуток, расстояние); она определяется по следующей формуле

, (6.1)

где: i – классовый интервал, который берется целым числом;

- максимальная и минимальная варианты выборки;

lg.n – логарифм числа классов, на которые разбивается выборочная совокупность.

Число классов устанавливается произвольно, но с учетом того обстоятельства, что число классов находится в некоторой зависимости от объема выборки: чем больший объем имеет выборочная совокупность, тем больше должно быть классов, и наоборот – при меньших объемах выборки следует брать и меньшее число классов. Опыт показал, что и на малых выборках, когда приходится группировать варианты в виде вариационного ряда, не следует устанавливать меньше 5-6 классов. При наличии же 100-150 вариант число классов можно довести до 12-15. Если же совокупность состоит из 200-300 вариант, то ее разбивают на 15-18 классов и т.д. Разумеется, эти рекомендации весьма условны и их нельзя принимать как установленное правило.

При разбивке на классы в каждом конкретном случаев приходится считаться с целым рядом различных обстоятельств, добиваясь того, чтобы обработка статистического материала давала наиболее точные результаты.

После того, как установлен классовый интервал и выборочная совокупность разбита на классы, производится разноска вариант по классам и определяются число вариаций (частоты) каждого класса. В результате получается вариационный ряд, в котором частоты относятся не к отдельным вариантам, а к определенным классам. Сумма всех частот вариационного ряда должна равняться объему выборки, то есть

(6.2)

где:
-знак суммирования;

р – частота.

n – объем выборки.

Если такого равенства не оказалось, значит при разноске вариант по классам допущена ошибка, которую необходимо устранить.

Обычно для разноски вариант по классам составляется вспомогательная таблица, в которой имеются четыре графы: 1) классы по данному признаку (от – до); 2) – среднее значение классов, 3) разноски вариант по классам, 4) частоты классов (см. табл. 6.2.)

Разноска вариант по классам требует большого внимания. Нельзя допускать, чтобы одна и та же варианта была отмечена дважды или одинаковые варианты попадали в разные классы. Чтобы избежать ошибок при распределении вариант по классам, рекомендуется не искать одинаковые варианты и в совокупности, а разносить их по классам, что не одно и то же. Игнорирование этого правила, что бывает в работе неопытных исследователей, отнимает много времени при разноске вариант, а главное, приводит к ошибкам.

Таблица 6.2. Разноска вариант по классам

Границы классов	Средние значения классов (х)	Частоты классов (р), %
		абсолютные	относительные

Закончив разноску вариант и подсчитав их число для каждого класса, получаем непрерывный вариационный ряд. Его надо превратить в прерывистый вариационный ряд. Для этого, как уже отмечалось, берем полусуммы крайних значений классов. Так, например, срединное значение первого класса, равное 8,8 получено следующим образом:

(8,6+9,0):2=8,8.

Второе значение (9,3) этой графы вычислено аналогичным способом:

(9,01+9,59):2=9,3 и т.д.

В результате получается прерывистый вариационный ряд, показывающий распределение по изучаемому признаку (табл.6.3.)

Таблица 6.3. Вариационный ряд

Группировка выборочных данных в виде вариационного ряда имеет двоякое назначение: во-первых, как вспомогательная операция она необходима при вычислении суммарных показателей, а во-вторых, ряды распределения показывают закономерность варьирования признаков, что очень важно. Чтобы выразить эту закономерность более наглядно, принято изображать вариационные ряды графически в виде гистрограммы (рис.6.1.)

Рис.6.1.Распределение предприятий по числу работников

Гистограмма изображает распределение вариант при непрерывном варьировании признака. Прямоугольники соответствуют классам, а их высота – количеству вариант, заключенных в каждом классе. Если из срединных точек вершин прямоугольников гистограммы опустить перпендикуляры на ось абцисс, а затем эти точки соединить между собой, получится график непрерывного варьирования, называемый полигоном или плотностью распределения.

Как используются теория вероятностей и математическая статистика? Эти дисциплины – основа вероятностно-статистических методов принятия решений. Чтобы воспользоваться их математическим аппаратом, необходимо задачи принятия решений выразить в терминах вероятностно-статистических моделей. Применение конкретного вероятностно-статистического метода принятия решений состоит из трех этапов:

Переход от экономической, управленческой, технологической реальности к абстрактной математико-статистической схеме, т.е. построение вероятностной модели системы управления, технологического процесса, процедуры принятия решений, в частности по результатам статистического контроля, и т.п.

Проведение расчетов и получение выводов чисто математическими средствами в рамках вероятностной модели;

Интерпретация математико-статистических выводов применительно к реальной ситуации и принятие соответствующего решения (например, о соответствии или несоответствии качества продукции установленным требованиям, необходимости наладки технологического процесса и т.п.), в частности, заключения (о доле дефектных единиц продукции в партии, о конкретном виде законов распределения контролируемых параметров технологического процесса и др.).

Математическая статистика использует понятия, методы и результаты теории вероятностей. Рассмотрим основные вопросы построения вероятностных моделей принятия решений в экономических, управленческих, технологических и иных ситуациях. Для активного и правильного использования нормативно-технических и инструктивно-методических документов по вероятностно-статистическим методам принятия решений нужны предварительные знания. Так, необходимо знать, при каких условиях следует применять тот или иной документ, какую исходную информацию необходимо иметь для его выбора и применения, какие решения должны быть приняты по результатам обработки данных и т.д.

Примеры применения теории вероятностей и математической статистики. Рассмотрим несколько примеров, когда вероятностно-статистические модели являются хорошим инструментом для решения управленческих, производственных, экономических, народнохозяйственных задач. Так, например, в романе А.Н.Толстого «Хождение по мукам» (т.1) говорится: «мастерская дает двадцать три процента брака, этой цифры вы и держитесь, - сказал Струков Ивану Ильичу».

Встает вопрос, как понимать эти слова в разговоре заводских менеджеров, поскольку одна единица продукции не может быть дефектна на 23%. Она может быть либо годной, либо дефектной. Наверно, Струков имел в виду, что в партии большого объема содержится примерно 23% дефектных единиц продукции. Тогда возникает вопрос, а что значит «примерно»? Пусть из 100 проверенных единиц продукции 30 окажутся дефектными, или из 1000 – 300, или из 100000 – 30000 и т.д., надо ли обвинять Струкова во лжи?

Или другой пример. Монетка, которую используют как жребий, должна быть «симметричной», т.е. при ее бросании в среднем в половине случаев должен выпадать герб, а в половине случаев – решетка (решка, цифра). Но что означает «в среднем»? Если провести много серий по 10 бросаний в каждой серии, то часто будут встречаться серии, в которых монетка 4 раза выпадает гербом. Для симметричной монеты это будет происходить в 20,5% серий. А если на 100000 бросаний окажется 40000 гербов, то можно ли считать монету симметричной? Процедура принятия решений строится на основе теории вероятностей и математической статистики.

Рассматриваемый пример может показаться недостаточно серьезным. Однако это не так. Жеребьевка широко используется при организации промышленных технико-экономических экспериментов, например, при обработке результатов измерения показателя качества (момента трения) подшипников в зависимости от различных технологических факторов (влияния консервационной среды, методов подготовки подшипников перед измерением, влияния нагрузки подшипников в процессе измерения и т.п.). Допустим, необходимо сравнить качество подшипников в зависимости от результатов хранения их в разных консервационных маслах, т.е. в маслах состава А и В . При планировании такого эксперимента возникает вопрос, какие подшипники следует поместить в масло состава А , а какие – в масло состава В , но так, чтобы избежать субъективизма и обеспечить объективность принимаемого решения.

Ответ на этот вопрос может быть получен с помощью жребия. Аналогичный пример можно привести и с контролем качества любой продукции. Чтобы решить, соответствует или не соответствует контролируемая партия продукции установленным требованиям, из нее отбирается выборка. По результатам контроля выборки делается заключение о всей партии. В этом случае очень важно избежать субъективизма при формировании выборки, т.е необходимо, чтобы каждая единица продукции в контролируемой партии имела одинаковую вероятность быть отобранной в выборку. В производственных условиях отбор единиц продукции в выборку обычно осуществляют не с помощью жребия, а по специальным таблицам случайных чисел или с помощью компьютерных датчиков случайных чисел.

Аналогичные проблемы обеспечения объективности сравнения возникают при сопоставлении различных схем организации производства, оплаты труда, при проведении тендеров и конкурсов, подбора кандидатов на вакантные должности и т.п. Всюду нужна жеребьевка или подобные ей процедуры. Поясним на примере выявления наиболее сильной и второй по силе команды при организации турнира по олимпийской системе (проигравший выбывает). Пусть всегда более сильная команда побеждает более слабую. Ясно, что самая сильная команда однозначно станет чемпионом. Вторая по силе команда выйдет в финал тогда и только тогда, когда до финала у нее не будет игр с будущим чемпионом. Если такая игра будет запланирована, то вторая по силе команда в финал не попадет. Тот, кто планирует турнир, может либо досрочно «выбить» вторую по силе команду из турнира, сведя ее в первой же встрече с лидером, либо обеспечить ей второе место, обеспечив встречи с более слабыми командами вплоть до финала. Чтобы избежать субъективизма, проводят жеребьевку. Для турнира из 8 команд вероятность того, что в финале встретятся две самые сильные команды, равна 4/7. Соответственно с вероятностью 3/7 вторая по силе команда покинет турнир досрочно.

При любом измерении единиц продукции (с помощью штангенциркуля, микрометра, амперметра и т.п.) имеются погрешности. Чтобы выяснить, есть ли систематические погрешности, необходимо сделать многократные измерения единицы продукции, характеристики которой известны (например, стандартного образца). При этом следует помнить, что кроме систематической погрешности присутствует и случайная погрешность.

Поэтому встает вопрос, как по результатам измерений узнать, есть л систематическая погрешность. Если отмечать только, является ли полученная при очередном измерении погрешность положительной или отрицательной, то эту задачу можно свести к предыдущей. Действительно, сопоставим измерение с бросанием монеты, положительную погрешность – с выпадением герба, отрицательную – решетки (нулевая погрешность при достаточном числе делений шкалы практически никогда не встречается). Тогда проверка отсутствия систематической погрешности эквивалентна проверке симметричности монеты.

Целью этих рассуждений является сведение задачи проверки отсутствия систематической погрешности к задаче проверки симметричности монеты. Проведенные рассуждения приводят к так называемому «критерию знаков» в математической статистике.

При статистическом регулировании технологических процессов на основе методов математической статистики разрабатываются правила и планы статистического контроля процессов, направленные на своевременное обнаружение разладки технологических процессов и принятия мер к их наладке и предотвращению выпуска продукции, не соответствующей установленным требованиям. Эти меры нацелены на сокращение издержек производства и потерь от поставки некачественных единиц продукции. При статистическом приемочном контроле на основе методов математической статистики разрабатываются планы контроля качества путем анализа выборок из партий продукции. Сложность заключается в том, чтобы уметь правильно строить вероятностно-статистические модели принятия решений, на основе которых можно ответить на поставленные выше вопросы. В математической статистике для этого разработаны вероятностные модели и методы проверки гипотез, в частности, гипотез о том, что доля дефектных единиц продукции равна определенному числу р 0 , например, р 0 = 0,23 (вспомните слова Струкова из романа А.Н.Толстого).

Задачи оценивания. В ряде управленческих, производственных, экономических, народнохозяйственных ситуаций возникают задачи другого типа – задачи оценки характеристик и параметров распределений вероятностей.

Рассмотрим пример. Пусть на контроль поступила партия из N электроламп. Из этой партии случайным образом отобрана выборка объемом n электроламп. Возникает ряд естественных вопросов. Как по результатам испытаний элементов выборки определить средний срок службы электроламп и с какой точностью можно оценить эту характеристику? Как изменится точность, если взять выборку большего объема? При каком числе часов Т можно гарантировать, что не менее 90% электроламп прослужат Т и более часов?

Предположим, что при испытании выборки объемом n электроламп дефектными оказались Х электроламп. Тогда возникают следующие вопросы. Какие границы можно указать для числа D дефектных электроламп в партии, для уровня дефектности D / N и т.п.?

Или при статистическом анализе точности и стабильности технологических процессов надлежит оценить такие показатели качества, как среднее значение контролируемого параметра и степень его разброса в рассматриваемом процессе. Согласно теории вероятностей в качестве среднего значения случайной величины целесообразно использовать ее математическое ожидание, а в качестве статистической характеристики разброса – дисперсию, среднее квадратическое отклонение или коэффициент вариации. Отсюда возникает вопрос: как оценить эти статистические характеристики по выборочным данным и с какой точностью это удается сделать? Аналогичных примеров можно привести очень много. Здесь важно было показать, как теория вероятностей и математическая статистика могут быть использованы в производственном менеджменте при принятии решений в области статистического управления качеством продукции.

Что такое «математическая статистика»? Под математической статистикой понимают «раздел математики, посвященный математическим методам сбора, систематизации, обработки и интерпретации статистических данных, а также использование их для научных или практических выводов. Правила и процедуры математической статистики опираются на теорию вероятностей, позволяющую оценить точность и надежность выводов, получаемых в каждой задаче на основании имеющегося статистического материала» . При этом статистическими данными называются сведения о числе объектов в какой-либо более или менее обширной совокупности, обладающих теми или иными признаками.

По типу решаемых задач математическая статистика обычно делится на три раздела: описание данных, оценивание и проверка гипотез.

По виду обрабатываемых статистических данных математическая статистика делится на четыре направления:

Одномерная статистика (статистика случайных величин), в которой результат наблюдения описывается действительным числом;

Многомерный статистический анализ, где результат наблюдения над объектом описывается несколькими числами (вектором);

Статистика случайных процессов и временных рядов, где результат наблюдения – функция;

Статистика объектов нечисловой природы, в которой результат наблюдения имеет нечисловую природу, например, является множеством (геометрической фигурой), упорядочением или получен в результате измерения по качественному признаку.

Исторически первой появились некоторые области статистики объектов нечисловой природы (в частности, задачи оценивания доли брака и проверки гипотез о ней) и одномерная статистика. Математический аппарат для них проще, поэтому на их примере обычно демонстрируют основные идеи математической статистики.

Лишь те методы обработки данных, т.е. математической статистики, являются доказательными, которые опираются на вероятностные модели соответствующих реальных явлений и процессов. Речь идет о моделях поведения потребителей, возникновения рисков, функционирования технологического оборудования, получения результатов эксперимента, течения заболевания и т.п. Вероятностную модель реального явления следует считать построенной, если рассматриваемые величины и связи между ними выражены в терминах теории вероятностей. Соответствие вероятностной модели реальности, т.е. ее адекватность, обосновывают, в частности, с помощью статистических методов проверки гипотез.

Невероятностные методы обработки данных являются поисковыми, их можно использовать лишь при предварительном анализе данных, так как они не дают возможности оценить точность и надежность выводов, полученных на основании ограниченного статистического материала.

Вероятностные и статистические методы применимы всюду, где удается построить и обосновать вероятностную модель явления или процесса. Их применение обязательно, когда сделанные на основе выборочных данных выводы переносятся на всю совокупность (например, с выборки на всю партию продукции).

В конкретных областях применений используются как вероятностно-статистические методы широкого применения, так и специфические. Например, в разделе производственного менеджмента, посвященного статистическим методам управления качеством продукции, используют прикладную математическую статистику (включая планирование экспериментов). С помощью ее методов проводится статистический анализ точности и стабильности технологических процессов и статистическая оценка качества. К специфическим методам относятся методы статистического приемочного контроля качества продукции, статистического регулирования технологических процессов, оценки и контроля надежности и др.

Широко применяются такие прикладные вероятностно-статистические дисциплины, как теория надежности и теория массового обслуживания. Содержание первой из них ясно из названия, вторая занимается изучением систем типа телефонной станции, на которую в случайные моменты времени поступают вызовы - требования абонентов, набирающих номера на своих телефонных аппаратах. Длительность обслуживания этих требований, т.е. длительность разговоров, также моделируется случайными величинами. Большой вклад в развитие этих дисциплин внесли член-корреспондент АН СССР А.Я. Хинчин (1894-1959), академик АН УССР Б.В.Гнеденко (1912-1995) и другие отечественные ученые.

Коротко об истории математической статистики. Математическая статистика как наука начинается с работ знаменитого немецкого математика Карла Фридриха Гаусса (1777-1855), который на основе теории вероятностей исследовал и обосновал метод наименьших квадратов, созданный им в 1795 г. и примененный для обработки астрономических данных (с целью уточнения орбиты малой планеты Церера). Его именем часто называют одно из наиболее популярных распределений вероятностей – нормальное, а в теории случайных процессов основной объект изучения – гауссовские процессы.

В конце XIX в. – начале ХХ в. крупный вклад в математическую статистику внесли английские исследователи, прежде всего К.Пирсон (1857-1936) и Р.А.Фишер (1890-1962). В частности, Пирсон разработал критерий «хи-квадрат» проверки статистических гипотез, а Фишер – дисперсионный анализ, теорию планирования эксперимента, метод максимального правдоподобия оценки параметров.

В 30-е годы ХХ в. поляк Ежи Нейман (1894-1977) и англичанин Э.Пирсон развили общую теорию проверки статистических гипотез, а советские математики академик А.Н. Колмогоров (1903-1987) и член-корреспондент АН СССР Н.В.Смирнов (1900-1966) заложили основы непараметрической статистики. В сороковые годы ХХ в. румын А. Вальд (1902-1950) построил теорию последовательного статистического анализа.

Математическая статистика бурно развивается и в настоящее время. Так, за последние 40 лет можно выделить четыре принципиально новых направления исследований :

Разработка и внедрение математических методов планирования экспериментов;

Развитие статистики объектов нечисловой природы как самостоятельного направления в прикладной математической статистике;

Развитие статистических методов, устойчивых по отношению к малым отклонениям от используемой вероятностной модели;

Широкое развертывание работ по созданию компьютерных пакетов программ, предназначенных для проведения статистического анализа данных.

Вероятностно-статистические методы и оптимизация. Идея оптимизации пронизывает современную прикладную математическую статистику и иные статистические методы. А именно, методы планирования экспериментов, статистического приемочного контроля, статистического регулирования технологических процессов и др. С другой стороны, оптимизационные постановки в теории принятия решений, например, прикладная теория оптимизации качества продукции и требований стандартов, предусматривают широкое использование вероятностно-статистических методов, прежде всего прикладной математической статистики.

В производственном менеджменте, в частности, при оптимизации качества продукции и требований стандартов особенно важно применять статистические методы на начальном этапе жизненного цикла продукции, т.е. на этапе научно-исследовательской подготовки опытно-конструкторских разработок (разработка перспективных требований к продукции, аванпроекта, технического задания на опытно-конструкторскую разработку). Это объясняется ограниченностью информации, доступной на начальном этапе жизненного цикла продукции, и необходимостью прогнозирования технических возможностей и экономической ситуации на будущее. Статистические методы должны применяться на всех этапах решения задачи оптимизации – при шкалировании переменных, разработке математических моделей функционирования изделий и систем, проведении технических и экономических экспериментов и т.д.

В задачах оптимизации, в том числе оптимизации качества продукции и требований стандартов, используют все области статистики. А именно, статистику случайных величин, многомерный статистический анализ, статистику случайных процессов и временных рядов, статистику объектов нечисловой природы. Выбор статистического метода для анализа конкретных данных целесообразно проводить согласно рекомендациям .

В научном познании функционирует сложная, динамическая, целостная, субординированная система многообразных методов, при- меняемых на разных этапах и уровнях познания. Так, в процессе научного исследования применяются различные общенаучные методы и средства познания как на эмпирическом, так и на теоретическом уровнях. В свою очередь общенаучные методы, как уже отмечалось, включают в себя систему эмпирических, общелогических и теоретических методов и средств познания реальной действительности.

1. Общелогические методы научного исследования

Общелогические методы применяются преимущественно на теоретическом уровне научного исследования, хотя некоторые из них могут применяться и на эмпирическом уровне. Какие же это методы и в чем их сущность?

Одним из них, широко применяемым в научном исследовании, является метод анализа (от греч. analysis - разложение, расчленение) - метод научного познания, представляющий собой мысленное расчленение исследуемого объекта на составные элементы с целью изучения его структуры, отдельных признаков, свойств, внутренних связей, отношений.

Анализ дает возможность исследователю проникать в сущность изучаемого явления путем расчленения его на составляющие элементы и выявлять главное, существенное. Анализ как логическая операция входит составной частью во всякое научное исследование и обычно образует его первую стадию, когда исследователь переходит от нерасчлененного описания изучаемого объекта к выявлению его строения, состава, а также его свойств, связей. Анализ присутствует уже на чувственной ступени познания, включается в процесс ощущения и восприятия. На теоретическом уровне познания начинает функционировать высшая форма анализа - мысленный, или абстрактно- логический анализ, который возникает вместе с навыками материально-практического расчленения предметов в процессе труда. Постепенно человек овладел способностью предварять материально-практический анализ в мысленный анализ.

Следует подчеркнуть, что, будучи необходимым приемом познания, анализ является лишь одним из моментов процесса научного исследования. Невозможно познать суть предмета, только расчленяя его на элементы, из которых он состоит. Например, химик, по словам Гегеля, помещает кусок мяса в свою реторту, подвергает его разнообразным операциям, а затем заявляет: я нашел, что мясо состоит из кислорода, углерода, водорода и т. д. Но эти вещества - элементы уже не суть мяса.

В каждой области знания есть как бы свой предел членения объекта, за которым мы переходим к иному характеру свойств и закономерностей. Когда путем анализа частности изучены, наступает следующая стадия познания - синтез.

Синтез (от греч. synthesis - соединение, сочетание, составление) - это метод научного познания, представляющий собой мысленное соединение составных сторон, элементов, свойств, связей исследуемого объекта, расчлененных в результате анализа, и изучение этого объекта как единого целого.

Синтез - это не произвольное, эклектическое соединение частей, элементов целого, а диалектическое целое с выделением сущности. Результатом синтеза является совершенно новое образование, свойства которого не есть только внешнее соединение этих компонентов, но также результат их внутренней взаимосвязи и взаимозависимости.

Анализ фиксирует в основном то специфическое, что отличает части друг от друга. Синтез же вскрывает то существенное общее, что связывает части в единое целое.

Исследователь мысленно расчленяет предмет на составные части для того, чтобы сначала обнаружить сами эти части, узнать, из чего состоит целое, а затем рассмотреть его как состоящий из этих частей, уже обследованных в отдельности. Анализ и синтез находятся в диалектическом единстве: наше мышление столь же аналитично, сколь и синтетично.

Анализ и синтез берут свое начало в практической деятельности. Постоянно расчленяя в своей практической деятельности различные предметы на их составные части, человек постепенно учился разделять предметы и мысленно. Практическая деятельность складывалась не только из расчленения предметов, но и из воссоединения частей в единое целое. На этой основе постепенно возникал мысленный анализ и синтез.

В зависимости от характера исследования объекта и глубины проникновения в его сущность применяются различные виды анализа и синтеза.

1. Прямой или эмпирический анализ и синтез - применяется, как правило, на стадии поверхностного ознакомления с объектом. Этот вид анализа и синтеза дает возможность познать явления изучаемого объекта.

2. Элементарно-теоретический анализ и синтез - широко используется как мощное орудие познания сущности исследуемого явления. Результатом применения такого анализа и синтеза является установление причинно-следственных связей, выявление различных закономерностей.

3. Структурно-генетический анализ и синтез - позволяет наиболее глубоко приникнуть в сущность изучаемого объекта. Этот вид анализа и синтеза требует вычленения в сложном явлении таких элементов, которые представляют самое главное, существенное и оказывают решающее влияние на все остальные стороны изучаемого объекта.

Методы анализа и синтеза в процессе научного исследования функционируют в неразрывной связи с методом абстрагирования.

Абстрагирование (от лат. abstractio - отвлечение) - это общелогический метод научного познания, представляющий собой мысленное отвлечение от несущественных свойств, связей, отношений изучаемых предметов с одновременным мысленным выделением существенных, интересующих исследователя сторон, свойств, связей этих предметов. Суть его состоит в том, что вещь, свойство или отношение мысленно выделяются и одновременно отвлекаются от других вещей, свойств, отношений и рассматривается как бы в "чистом виде".

Абстрагирование в умственной деятельности человека имеет универсальный характер, ибо каждый шаг мысли связан с этим процессом, или с использованием его результатов. Сущность данного метода состоит в том, что он позволяет мысленно отвлекаться от несущественных, второстепенных свойств, связей, отношений предметов и одновременно мысленно выделять, фиксировать интересующие исследования стороны, свойства, связи этих предметов.

Различают процесс абстрагирования и результат этого процесса, который называется абстракцией. Обычно под результатом абстрагирования понимается знание о некоторых сторонах изучаемых объектов. Процесс абстрагирования - это совокупность логических операций, ведущих к получению такого результата (абстракции). Примерами абстракций могут служить бесчисленные понятия, которыми оперирует человек не только в науке, но и в обыденной жизни.

Вопрос о том, что в объективной действительности выделяется абстрагирующей работой мышления и от чего мышление отвлекается, в каждом конкретном случае решается в зависимости от природы изучаемого объекта, а также от задач исследования. В ходе своего исторического развития наука восходит от одного уровня абстрактности к другому, более высокому. Развитие науки в данном аспекте - это, по выражению В. Гейзенберга, "развертывание абстрактных структур". Решающий шаг в сферу абстракции был сделан тогда, когда люди освоили счет (число), тем самым открыв путь, ведущий к математике и математическому естествознанию. В этой связи В. Гейзенберг отмечает: "Понятия, первоначально полученные путем абстрагирования от конкретного опыта, обретают собственную жизнь. Они оказываются более содержательными и продуктивными, чем можно было ожидать поначалу. В последующем развитии они обнаруживают собственные конструктивные возможности: они способствуют построению новых форм и понятий, позволяют установить связи между ними и могут быть в известных пределах применимы в наших попытках понять мир явлений" .

Краткий анализ позволяет утверждать, что абстрагирование- это одна из наиболее фундаментальных познавательных логических операций. Поэтому оно выступает важнейшим методом научного исследования. С методом абстрагирования тесно связан и метод обобщения.

Обобщение - логический процесс и результат мысленного перехода от единичного к общему, от менее общего к более общему.

Научное обобщение - это не просто мысленное выделение и синтезирование сходных признаков, а проникновение в сущность вещи: усмотрение единого в многообразном, общего в единичном, закономерного в случайном, а также объединение предметов по сходным свойствам или связям в однородные группы, классы.

В процессе обобщения совершается переход от единичных понятий к общим, от менее общих понятий - к более общим, от единичных суждений - к общим, от суждений меньшей общности - к суждением большей общности. Примерами такого обобщения могут быть: мысленный переход от понятия "механическая форма движения материи" к понятию "форма движения материи" и вообще "движение"; от понятия "ель" к понятию "хвойное растение" и вообще "растение"; от суждения "этот металл электропроводен" к суждению "все металлы электропроводны".

В научном исследовании наиболее часто применяют следующие виды обобщения: индуктивное, когда исследователь идет от отдельных (единичных) фактов, событий к их общему выражению в мыслях; логическое, когда исследователь идет от одной, менее общей, мысли к другой, более общей. Пределом обобщения являются философские категории, которые нельзя обобщить, поскольку они не имеют родового понятия.

Логический переход от более общей мысли к менее общей есть процесс ограничения. Иначе говоря, это логическая операция, обратная обобщению.

Необходимо подчеркнуть, что способность человека к абстрагированию и обобщению сложилась и развилась на основе общественной практики и взаимного общения людей. Она имеет большое значение как в познавательной деятельности людей, так и в общем прогрессе материальной и духовной культуры общества.

Индукция (от лат. i nductio - наведение) - метод научного познания, в котором общий вывод представляет собой знание о всем классе предметов, полученное в результате исследования отдельных элементов этого класса. В индукции мысль исследователя идет от частного, единичного через особенное к общему и всеобщему. Индукция, как логический прием исследования, связана с обобщением результатов наблюдений и экспериментов, с движением мысли от единичного к общему. Поскольку опыт всегда бесконечен и не полон, то индуктивные выводы всегда имеют проблематичный (вероятностный) характер. Индуктивные обобщения обычно рассматривают как опытные истины или эмпирические законы. Непосредственной основой индукции является повторяемость явлений реальной действительности и их признаков. Обнаруживая сходные черты у многих предметов определенного класса, приходим к выводу о том, что эти черты присущи всем предметам этого класса.

По характеру вывода различают следующие основные группы индуктивных умозаключений:

1. Полная индукция - такое умозаключение, в котором общий вывод о классе предметов делается на основании изучения всех предметов данного класса. Полная индукция дает достоверные выводы, в силу чего она широко используется в качестве доказательства в научном исследовании.

2. Неполная индукция - такое умозаключение, в котором общий вывод получают из посылок, не охватывающих всех предметов данного класса. Различают два вида неполной индукции: популярную, или индукцию через простое перечисление. Она представляет собой умозаключение, в котором общий вывод о классе предметов делается на том основании, что среди наблюдаемых фактов не встретилось ни одного, противоречащего обобщению; научную, т. е. умозаключение, в котором общий вывод о всех предметах класса делается на основании знания о необходимых признаках или причинных связях у части предметов данного класса. Научная индукция может давать не только вероятностные, но и достоверные выводы. Научной индукции присущи свои методы познания. Дело в том, что установить причинную связь явлений очень сложно. Однако в ряде случаев эту связь можно установить с помощью логических приемов, называемых методами установления причинно-следственной связи, или методами научной индукции. Таких методов пять:

1. Метод единственного сходства: если два или более случаев исследуемого явления имеют общим лишь одно обстоятельство, а все, остальные обстоятельства различны, то это единственное сходное обстоятельство и есть причина данного явления:

Следовательно -+ А есть причина а.

Иначе говоря, если предшествующие обстоятельства АВС вызывают явления авс, а обстоятельства ADE - явления aдe, то делается заключение, что А - причина а (или что явление А и а причинно связаны).

2. Метод единственного различия: если случаи, при которых явление наступает или не наступает, различаются только в одном:- предшествующем обстоятельстве, а все другие обстоятельства тождественные, то это одно обстоятельство и есть причина данного явления:

Другими словами, если предшествующие обстоятельства АВС вызывают явление авс, а обстоятельства ВС (явление А устраняется в ходе эксперимента) вызывают явление вс, то делается заключение, что А есть причина а. Основанием такого заключения служит исчезновение а при устранении А.

3. Объединенный метод сходства и различия представляет собой комбинацию первых двух методов.

4. Метод сопутствующих изменений: если возникновение или изменение одного явления всякий раз необходимо вызывает определенное изменение другого явления, то оба эти явления находятся в причинной связи друг с другом:

Изменение А изменение а

Неизменение В, С

Следовательно А есть причина а.

Иначе говоря, если при изменении предшествующего явления А изменяется и наблюдаемое явление а, а остальные предшествующие явления остаются неизменными, то можно заключить, что А является причиной а.

5. Метод остатков: если известно, что причиной исследуемого явления не служат необходимые для него обстоятельства, кроме одного, то это одно обстоятельство и есть, вероятно, причина данного явления. Используя метод остатков, французский астроном Неверье предсказал существование планеты Нептун, которую вскоре и открыл немецкий астроном Галле.

Рассмотренные методы научной индукции по установлению причинных связей чаще всего применяются не изолировано, а во взаимосвязи, дополняя друг друга. Их ценность зависит главным образом от той степени вероятности заключения, которую дает тот или иной метод. Считается, что наиболее сильным методом является метод различия, а наиболее слабым - метод сходства. Остальные три метода занимают промежуточное положение. Это различие в ценности методов основывается главным образом на том, что метод сходства связан в основном с наблюдением, а метод различия - с экспериментом.

Даже краткая характеристика метода индукции позволяет удостовериться в его достоинстве и важности. Значимость этого метода состоит прежде всего в тесной связи с фактами, экспериментом, с практикой. В этой связи Ф. Бэкон писал: "Если мы имеем в виду проникнуть в природу вещей, то мы всюду обращаемся к индукции. Ибо мы полагаем, что индукция есть настоящая форма доказательства, оберегающая чувства от всякого рода заблуждений, близко следящая за природой, граничащая и почти сливающаяся с практикой" .

В современной логике индукция рассматривается как теория вероятностного вывода. Делаются попытки формализации индуктивного метода на основе идей теории вероятностей, что поможет более четко уяснить логические проблемы данного метода, а также определить его эвристическую ценность.

Дедукция (от лат. deductio - выведение) - мыслительный процесс, в котором знание об элементе класса выводятся из знания общих свойств всего класса. Иными словами, мысль исследователя в дедукции идет от общего к частному (единичному). Например: "Все планеты Солнечной системы движутся вокруг Солнца"; "Земля- планета"; следовательно: "Земля движется вокруг Солнца". В этом примере мысль движется от общего (первая посылка) к частному (вывод). Таким образом, дедуктивное умозаключение позволяет лучше познать единичное, так как с его помощью мы получаем новое знание (выводное) о том, что данный предмет обладает признаком, присущим всему классу.

Объективной основой дедукции является то, что каждый предмет сочетает в себе единство общего и единичного. Эта связь - неразрывная, диалектическая, что и позволяет познавать единичное на базе знания общего. Причем если посылки дедуктивного умозаключения истинные и правильно связаны между собой, то вывод - заключение непременно будет истинным. Данной особенностью дедукция выгодно отличается от других методов познания. Дело в том, что общие принципы и законы не дают исследователю в процессе дедуктивного познания сбиться с пути, они помогают правильно понять отдельные явления реальной действительности. Однако было бы неверно на этом основании переоценивать научную значимость дедуктивного метода. Ведь для того, чтобы вступила в свои права формальная сила умозаключения, нужны исходные знания, общие посылки, которыми пользуются в процессе дедукции, а приобретение их в науке представляет собой задачу большой сложности.

Важное познавательное значение дедукции проявляется тогда, когда в качестве общей посылки выступает не просто индуктивное обобщение, а какое-то гипотетическое предположение, например новая научная идея. В этом случае дедукция является отправной точкой зарождения новой теоретической системы. Созданное таким путем теоретическое знание предопределяет построение новых индуктивных обобщений.

Все это создает реальные предпосылки для неуклонного возрастания роли дедукции в научном исследовании. Наука все чаще сталкивается с такими объектами, которые недоступны чувственному восприятию (например микромир, Вселенная, прошлое человечества и т. д.). При познании такого рода объектов значительно чаще приходится обращаться к силе мысли, нежели к силе наблюдения и эксперимента. Дедукция незаменима во всех областях знания, где теоретические положения формулируются для описания формальных, а не реальных систем, например, в математике. Поскольку формализация в современной науке применяется все больше и шире, то и роль дедукции в научном познании соответственно возрастает.

Однако роль дедукции в научном исследовании нельзя абсолютизировать, а тем более - противопоставлять индукции и другим методам научного познания. Недопустимы крайности как метафизического, так и рационалистического характера. Напротив, дедукция и индукция теснейшим образом взаимосвязаны и дополняют друг друга. Индуктивное исследование предполагает использование общих теорий, законов, принципов, т. е. включает в себя момент дедукции, а дедукция невозможна без общих положений, получаемых индуктивным путем. Иными словами, индукция и дедукция связаны между собой столь же необходимым образом, как и анализ и синтез. Надо стараться применять каждую из них на своем месте, а этого можно добиться лишь в том случае, если не упускать из виду их связь между собой, их взаимное дополнение друг друга. "Великие открытия, - отмечает Л. де Бройль, - скачки научной мысли вперед создаются индукцией, рисковым, но истинно творческим методом... Конечно, не нужно делать вывод о том, что строгость дедуктивного рассуждения не имеет никакой ценности. На самом деле лишь она мешает воображению впадать в заблуждение, лишь она позволяет после установления индукцией новых исходных пунктов вывести следствия и сопоставить выводы с фактами. Лишь одна дедукция может обеспечить проверку гипотез и служить ценным противоядием против не в меру разыгравшейся фантазии" . При таком диалектическом подходе каждый из упомянутых и других методов научного познания сможет в полной мере проявить все свои достоинства.

Аналогия. Изучая свойства, признаки, связи предметов и явлений реальной действительности, мы не можем познать их сразу, целиком, во всем объеме, а изучаем их постепенно, раскрывая шаг за шагом все новые и новые свойства. Изучив некоторые из свойств предмета, мы можем обнаружить, что они совпадают со свойствами другого, уже хорошо изученного предмета. Установив такое сходство и обнаружив множество совпадающих признаков, можно предположить, что и другие свойства этих предметов также совпадают. Ход такого рассуждения составляет основы аналогии.

Аналогия - это такой метод научного исследования, с помощью которого от сходства объектов данного класса в одних признаках делают вывод об их сходстве в других признаках. Суть аналогии можно выразить с помощью формулы:

А имеет признаки aecd

В имеет признаки авс

Следовательно, В, по-видимому, имеет признак d.

Иначе говоря, в аналогии мысль исследователя идет от знания известной общности к знанию такой же общности, или, другими словами, - от частного к частному.

Относительно конкретных объектов выводы, получаемые по аналогии, носят, как правило, лишь правдоподобный характер: они являются одним из источников научных гипотез, индуктивных рассуждений и играют важную роль в научных открытиях. Например, химический состав Солнца сходен с химическим составом Земли по многим признакам. Поэтому когда на Солнце обнаружили не известный еще на Земле элемент гелий, то по аналогии сделали вывод, что подобный элемент должен быть и на Земле. Правильность этого вывода была установлена и подтверждена позже. Подобным же образом Л. де Бройль, предположив определенное сходство между частицами вещества и полем, пришел к выводу о волновой природе частиц вещества.

Для повышения вероятности выводов по аналогии необходимо стремиться к тому, чтобы:

были выявлены не только внешние свойства сопоставляемых объектов, а главным образом внутренние;

эти объекты были подобны в важнейших и существенных признаках, а не в случайных и второстепенных;

круг совпадающих признаков был как можно шире;

учитывались не только сходство, но и различия - чтобы последние не перенести на другой объект.

Метод аналогии дает наиболее ценные результаты тогда, когда устанавливается органическая взаимосвязь не только между сходными признаками, но и с тем признаком, который переносится на исследуемый объект.

Истинность выводов по аналогии можно сравнить с истинностью выводов по методу неполной индукции. В обоих случаях можно получить достоверные выводы, но только тогда, когда каждый из этих методов применяется не изолированно от других методов научного познания, а в неразрывной диалектической связи с ними.

Метод аналогии, понимаемый предельно широко, как перенос информации об одних объектах на другие, составляет гносеологическую основу моделирования.

Моделирование - метод научного познания, с помощью которого изучение объекта (оригинала) осуществляется путем создания его копии (модели), замещающей оригинал, которая затем познается с определенных сторон, интересующих исследователя.

Сущность метода моделирования заключается в воспроизведении свойств объекта познания на специально созданном аналоге, модели. Что такое модель?

Модель (от лат. modulus - мера, образ, норма) - это условный образ какого-либо объекта (оригинала), определенный способ выражения свойств, связей предметов и явлений реальной действительности на основе аналогии, установления между ними сходства и на этой основе воспроизведение их на материальном или идеальном объекте- подобии. Другими словами, модель есть аналог, "заместитель" объекта-оригинала, который в познании и практике служит для приобретения и расширения знания (информации) об оригинале в целях конструирования оригинала, преобразования или управления им.

Между моделью и оригиналом должно существовать известное сходство (отношение подобия): физических характеристик, функций, поведения изучаемого объекта, его структуры и т. д. Именно это сходство и позволяет переносить информацию, полученную в результате исследования модели, на оригинал.

Поскольку моделирование имеет большое сходство с методом аналогии, то логическая структура умозаключения по аналогии является как бы организующим фактором, объединяющим все моменты моделирования в единый, целенаправленный процесс. Можно даже сказать, что в известном смысле моделирование есть разновидность аналогии. Метод аналогии как бы служит логическим основанием для выводов, которые делаются при моделировании. Например, на основании принадлежности модели А признаков abcd и принадлежности оригиналу А свойств авс делается вывод о том, что обнаруженное в модели А свойство d также принадлежит оригиналу А.

Использование моделирования диктуется необходимостью раскрыть такие стороны объектов, которые либо невозможно постигнуть путем непосредственного изучения, либо невыгодно изучать из чисто экономических соображений. Человек, например, не может непосредственно наблюдать процесс естественного образования алмазов, зарождения и развития жизни на Земле, целый ряд явлений микро- и мегамира. Поэтому приходится прибегать к искусственному воспроизведению подобных явлений в форме, удобной для наблюдения и изучения. В ряде же случаев бывает гораздо выгоднее и экономичнее вместо непосредственного экспериментирования с объектом построить и изучить его модель.

Моделирование широко применяется для расчета траекторий баллистических ракет, при изучении режима работы машин и даже целых предприятий, а также в управлении предприятиями, в распределении материальных ресурсов, в исследовании жизненных процессов в организме, в обществе.

Применяемые в обыденном и научном познании модели, делятся на два больших класса: вещественные, или материальные, и логические (мысленные), или идеальные. Первые являются природными объектами, подчиняющимися в своем функционировании естественным законам. Они в более или менее наглядной форме материально воспроизводят предмет исследования. Логические модели представляют собой идеальные образования, зафиксированные в соответствующей знаковой форме и функционирующие по законам логики и математики. Важное значение знаковых моделей состоит в том, что они с помощью символов дают возможность раскрыть такие связи и отношения действительности, которые другими средствами обнаружить практически невозможно.

На современном этапе научно-технического прогресса большое распространение в науке и в различных областях практики получило компьютерное моделирование. Компьютер, работающий по специальной программе, способен моделировать самые различные процессы, например, колебание рыночных цен, рост народонаселения, взлет и выход на орбиту искусственного спутника Земли, химические реакции и т. д. Исследование каждого такого процесса осуществляется посредством соответствующей компьютерной модели.

Системный метод . Современный этап научного познания характеризуется все возрастающим значением теоретического мышления и теоретических наук. Важное место среди наук занимает теория систем, анализирующая системные методы исследования. В системном методе познания находит наиболее адекватное выражение диалектика развития предметов и явлений реальной действительности.

Системный метод - это совокупность общенаучных методологических принципов и способов исследования, в основе которых лежит ориентация на раскрытие целостности объекта как системы.

Основу системного метода составляет система и структура, которые можно определить следующим образом.

Система (от греч. systema - целое, составленное из частей; соединение) - это общенаучное положение, выражающее совокупность элементов, взаимосвязанных как между собой, так и со средой и образующих определенную целостность, единство изучаемого объекта. Типы систем весьма многообразны: материальные и духовные, неорганические и живые, механические и органические, биологические и социальные, статичные и динамичные и т. д. Причем любая система представляет собой совокупность разнообразных элементов, составляющих ее определенную структуру. Что такое структура?

Структура (от лат. structura - строение, расположение, порядок) - это относительно устойчивый способ (закон) связи элементов объекта, который обеспечивает целостность той или иной сложной системы.

Специфика системного подхода определяется тем, что он ориентирует исследование на раскрытие целостности объекта и обеспечивающих ее механизмов, на выявление многообразных типов связей сложного объекта и сведение их в единую теоретическую картину.

Основным принципом общей теории систем является принцип системной целостности, означающий рассмотрение природы, в том числе и общества, как большой и сложной системы, распадающейся на подсистемы, выступающие при определенных условиях в качестве относительно самостоятельных систем.

Все разнообразие концепций и подходов в общей теории систем можно при известной степени абстрагирования разделить на два больших класса теорий: эмпирико-интуитивные и абстрактно-дедуктивные.

1. В эмпирико-интуитивных концепциях в качестве первичного объекта исследования рассматриваются конкретные, реально существующие объекты. В процессе восхождения от конкретно-единичного к общему формулируются понятия системы и системные принципы исследования разного уровня. Этот метод имеет внешнее сходство с переходом от единичного к общему в эмпирическом познании, но за внешним сходством скрывается определенное различие. Оно состоит в том, что если эмпирический метод исходит из признания первичности элементов, то системный подход исходит из признания первичности систем. В системном подходе в качестве начала исследования принимаются системы как целостное образование, состоящее из множества элементов вместе с их связями и отношениями, подчиняющимися определенным законам; эмпирический метод ограничивается формулированием законов, выражающих взаимоотношения между элементами данного объекта или данного уровня явлений. И хотя в этих законах имеется момент общности, данная общность, однако, относится к узкому классу большей частью одноименных объектов.

2. В абстрактно-дедуктивных концепциях в качестве исходного начала исследования принимаются абстрактные объекты - системы, характеризующиеся предельно общими свойствами и отношениями. Дальнейшее нисхождение от предельно общих систем ко все более конкретным сопровождается одновременно формулированием таких системных принципов, которые применяются к конкретно определенным классам систем.

Эмпирико-интуитивный и абстрактно-дедуктивный подходы одинаково правомерны, они не противопоставляются друг другу, а наоборот - их совместное использование открывает чрезвычайно большие познавательные возможности.

Системный метод позволяет научно интерпретировать принципы организованности систем. Объективно существующий мир выступает как мир определенных систем. Такая система характеризуется не только наличием взаимосвязанных компонентов и элементов, но и определенной их упорядоченностью, организованностью на основе определенной совокупности законов. Поэтому системы являются не хаотическими, а определенным образом упорядоченными и организованными.

В процессе исследования можно, конечно, "восходить" от элементов к целостным системам, как и наоборот - от целостных систем к элементам. Но при всех обстоятельствах исследование не может быть обособлено от системных связей и отношений. Игнорирование таких связей неизбежно ведет к односторонним или ошибочным выводам. Не случайно, что в истории познания прямолинейный и односторонний механицизм в объяснении биологических и социальных явлений сползал на позиции признания первотолчка и духовной субстанции.

Исходя из сказанного можно выделить следующие основные требования системного метода:

Выявление зависимости каждого элемента от его места и функций в системе с учетом того, что свойства целого не сводимы к сумме свойств его элементов;

Анализ того, насколько поведение системы обусловлено как особенностями ее отдельных элементов, так и свойствами ее структуры;

Исследование механизма взаимозависимости, взаимодействия системы и среды;

Изучение характера иерархичности, присущего данной системе;

Обеспечение множественности описаний с целью многоаспектного охвата системы;

Рассмотрение динамизма системы, представление ее как развивающейся целостности.

Важным понятием системного подхода является понятие "самоорганизаиия". Оно характеризует процесс создания, воспроизведения или совершенствования организации сложной, открытой, динамичной, саморазвивающейся системы, связи между элементами которой имеют не жесткий, а вероятностный характер. Свойства самоорганизации присущи объектам самой различной природы: живой клетке, организму, биологической популяции, человеческим коллективам.

Класс систем, способных к самоорганизации, - это открытые и нелинейные системы. Открытость системы означает наличие в ней источников и стоков, обмена веществом и энергией с окружающей средой. Однако не всякая открытая система самоорганизуется, строит структуры, ибо все зависит от соотношения двух начал - от основы, созидающей структуру, и от основы, рассеивающей, размывающей это начало.

В современной науке самоорганизующиеся системы являются специальным предметом исследования синергетики - общенаучной теории самоорганизации, ориентированной на поиск законов эволюции открытых неравновесных систем любой базовой основы - природной, социальной, когнитивной (познавательной).

В настоящее время системный метод приобретает все более возрастающее методологическое значение в решении естественнонаучных, общественно-исторических, психологических и других проблем. Он широко используется практически всеми науками, что обусловлено насущными гносеологическими и практическими потребностями развития науки на современном этапе.

Вероятностные (статистические) методы - это такие методы, с помощью которых изучается действие множества случайных факторов, характеризующихся устойчивой частотой, что позволяет обнаружить необходимость, "пробивающуюся" сквозь совокупное действие множества случайностей.

Вероятностные методы формируются на основе теории вероятностей, которую зачастую называют наукой о случайном, а в представлении многих ученых вероятность и случайность практически нерасторжимы. Категории необходимости и случайности отнюдь не устарели, напротив - их роль в современной науке неизмеримо возросла. Как показала история познания, "мы лишь теперь начинаем по достоинству оценивать значение всего круга проблем, связанных с необходимостью и случайностью" .

Для понимания существа вероятностных методов необходимо рассмотреть их базовые понятия: "динамические закономерности", "статистические закономерности" и "вероятность". Означенные два вида закономерностей различаются по характеру вытекающих из них предсказаний.

В законах динамического типа предсказания имеют однозначный характер. Динамические законы характеризуют поведение относительно изолированных объектов, состоящих из небольшого числа элементов, в которых можно абстрагироваться от целого ряда случайных факторов, что и создает возможность более точно предсказать, например, в классической механике.

В статистических законах предсказания носят не достоверный, а лишь вероятностный характер. Подобный характер предсказаний обусловлен действием множества случайных факторов, имеющих место в статистических явлениях или массовых событиях, например, большое число молекул в газе, число особей в популяциях, число людей в больших коллективах и т. д.

Статистическая закономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементов, составляющих объект - систему, и поэтому характеризует не столько поведение отдельного элемента, сколько объекта в целом. Необходимость, проявляющаяся в статистических законах, возникает вследствие взаимной компенсации и уравновешивания множества случайных факторов. "Хотя статистические закономерности и могут привести к утверждениям, степень вероятности которых столь высока, что она граничит с достоверностью, тем не менее принципиально всегда возможны исключения" .

Статистические законы, хотя и не дают однозначных и достоверных предсказаний, тем не менее являются единственно возможными при исследовании массовых явлений случайного характера. За совокупным действием различных факторов случайного характера, которые практически невозможно охватить, статистические законы обнаруживают нечто устойчивое, необходимое, повторяющееся. Они служат подтверждением диалектики перехода случайного в необходимое. Динамические законы оказываются предельным случаем статистических, когда вероятность становится практически достоверностью.

Вероятность - понятие, характеризующее количественную меру (степень) возможности появления некоторого случайного события при определенных условиях, которые могут многократно повторяться. Одна из основных задач теории вероятностей состоит в выяснении закономерностей, возникающих при взаимодействии большого числа случайных факторов.

Вероятностно-статистические методы широко применяются при изучении массовых явлений, особенно в таких научных дисциплинах, как математическая статистика, статистическая физика, квантовая механика, кибернетика, синергетика.

3. Суть вероятностно-статистических методов

Как подходы, идеи и результаты теории вероятностей и математической статистики используются при обработке данных – результатов наблюдений, измерений, испытаний, анализов, опытов с целью принятия практически важных решений?

Базой является вероятностная модель реального явления или процесса, т.е. математическая модель, в которой объективные соотношения выражены в терминах теории вероятностей. Вероятности используются прежде всего для описания неопределенностей, которые необходимо учитывать при принятии решений. Имеются в виду как нежелательные возможности (риски), так и привлекательные («счастливый случай»). Иногда случайность вносится в ситуацию сознательно, например, при жеребьевке, случайном отборе единиц для контроля, проведении лотерей или опросов потребителей.

Теория вероятностей позволяет по одним вероятностям рассчитать другие, интересующие исследователя. Например, по вероятности выпадения герба можно рассчитать вероятность того, что при 10 бросаниях монет выпадет не менее 3 гербов. Подобный расчет опирается на вероятностную модель, согласно которой бросания монет описываются схемой независимых испытаний, кроме того, выпадения герба и решетки равновозможны, а потому вероятность каждого из этих событий равна ½. Более сложной является модель, в которой вместо бросания монеты рассматривается проверка качества единицы продукции. Соответствующая вероятностная модель опирается на предположение о том, что контроль качества различных единиц продукции описывается схемой независимых испытаний. В отличие от модели с бросанием монет необходимо ввести новый параметр – вероятность р того, что единица продукции является дефектной. Модель будет полностью описана, если принять, что все единицы продукции имеют одинаковую вероятность оказаться дефектными. Если последнее предположение неверно, то число параметров модели возрастает. Например, можно принять, что каждая единица продукции имеет свою вероятность оказаться дефектной.

Обсудим модель контроля качества с общей для всех единиц продукции вероятностью дефектности р . Чтобы при анализе модели «дойти до числа», необходимо заменить р на некоторое конкретное значение. Для этого необходимо выйти из рамок вероятностной модели и обратиться к данным, полученным при контроле качества. Математическая статистика решает обратную задачу по отношению к теории вероятностей. Ее цель – на основе результатов наблюдений (измерений, анализов, испытаний, опытов) получить выводы о вероятностях, лежащих в основе вероятностной модели. Например, на основе частоты появления дефектных изделий при контроле можно сделать выводы о вероятности дефектности (см. обсуждение выше сиспользованием теоремы Бернулли). На основе неравенства Чебышева делались выводы о соответствии частоты появления дефектных изделий гипотезе о том, что вероятность дефектности принимает определенное значение.

Таким образом, применение математической статистики опирается на вероятностную модель явления или процесса. Используются два параллельных ряда понятий – относящиеся к теории (вероятностной модели) и относящиеся к практике (выборке результатов наблюдений). Например, теоретической вероятности соответствует частота, найденная по выборке. Математическому ожиданию (теоретический ряд) соответствует выборочное среднее арифметическое (практический ряд). Как правило, выборочные характеристики являются оценками теоретических. При этом величины, относящиеся к теоретическому ряду, «находятся в головах исследователей», относятся к миру идей (по древнегреческому философу Платону), недоступны для непосредственного измерения. Исследователи располагают лишь выборочными данными, с помощью которых они стараются установить интересующие их свойства теоретической вероятностной модели.

Зачем же нужна вероятностная модель? Дело в том, что только с ее помощью можно перенести свойства, установленные по результатам анализа конкретной выборки, на другие выборки, а также на всю так называемую генеральную совокупность. Термин «генеральная совокупность» используется, когда речь идет о большой, но конечной совокупности изучаемых единиц. Например, о совокупности всех жителей России или совокупности всех потребителей растворимого кофе в Москве. Цель маркетинговых или социологических опросов состоит в том, чтобы утверждения, полученные по выборке из сотен или тысяч человек, перенести на генеральные совокупности в несколько миллионов человек. При контроле качества в роли генеральной совокупности выступает партия продукции.

Чтобы перенести выводы с выборки на более обширную совокупность, необходимы те или иные предположения о связи выборочных характеристик с характеристиками этой более обширной совокупности. Эти предположения основаны на соответствующей вероятностной модели.

Конечно, можно обрабатывать выборочные данные, не используя ту или иную вероятностную модель. Например, можно рассчитывать выборочное среднее арифметическое, подсчитывать частоту выполнения тех или иных условий и т.п. Однако результаты расчетов будут относиться только к конкретной выборке, перенос полученных с их помощью выводов на какую-либо иную совокупность некорректен. Иногда подобную деятельность называют «анализ данных». По сравнению с вероятностно-статистическими методами анализ данных имеет ограниченную познавательную ценность.

Итак, использование вероятностных моделей на основе оценивания и проверки гипотез с помощью выборочных характеристик – вот суть вероятностно-статистических методов принятия решений.

Подчеркнем, что логика использования выборочных характеристик для принятия решений на основе теоретических моделей предполагает одновременное использование двух параллельных рядов понятий, один из которых соответствует вероятностным моделям, а второй – выборочным данным. К сожалению, в ряде литературных источников, обычно устаревших либо написанных в рецептурном духе, не делается различия между выборочными и теоретическими характеристиками, что приводит читателей к недоумениям и ошибкам при практическом использовании статистических методов.

Предыдущая

Рассматриваемая группа методов является наиболее важной в социологических исследованиях, данные методы применяются практически в каждом социологическом исследовании, которое можно считать действительно научным. Они направлены в основном на выявление в эмпирической информации статистических закономерностей, т.е. закономерностей, выполняющихся "в среднем". Собственно, социология и занимается изучением "среднего человека". Кроме того, еще одна важная цель применения вероятностных и статистических методов в социологии – оценка надежности выборки. Насколько велика уверенность, что выборка дает более-менее точные результаты и какова погрешность статистических выводов?

Главный объект изучения при применении вероятностных и статистических методов – случайные величины . Принятие случайной величиной некоторого значения является случайным событием – событием, которое при осуществлении данных условий может как произойти, так и не произойти. Например, если социолог проводит опросы в сфере политических предпочтений на улице города, то событие "очередной респондент оказался сторонником партии власти" является случайным, если ничего в респонденте заранее не выдавало его политических предпочтений. Если же социолог опросил респондента у здания Областной Думы, то событие уже не случайное. Случайное событие характеризуется вероятностью его наступления. В отличие от классических задач на игральные кости и карточные комбинации, изучаемых в рамках курса теории вероятностей, в социологических исследованиях вычислить вероятность не так просто.

Важнейшей базой для эмпирической оценки вероятности является стремление частоты к вероятности , если под частотой понимать отношение, сколько раз произошло событие к тому, сколько раз оно теоретически могло бы произойти. Например, если среди 500 случайно отобранных на улицах города респондентов 220 оказались сторонниками партии власти, то частота появления таких респондентов составляет 0,44. В случае репрезентативной выборки достаточно большого размера мы получим примерную вероятность события или примерную долю людей, обладающих заданным признаком. В нашем примере при удачно подобранной выборке получим, что примерно 44% горожан – сторонники партии власти. Разумеется, поскольку опрошены не все горожане, а некоторые в процессе опроса могли солгать, то имеется некоторая погрешность.

Рассмотрим некоторые задачи, возникающие при статистическом анализе эмпирических данных.

Оценка распределения величины

Если некоторый признак можно выразить количественно (например, политическую активность гражданина как величину, показывающую, сколько раз за последние пять лет он участвовал в выборах различного уровня), то может быть поставлена задача оценить закон распределения этого признака как случайной величины. Другими словами, закон распределения показывает, какие значения величина принимает чаще, а какие реже, и насколько чаще/реже. Чаще всего как в технике и природе, так и в обществе встречается нормальный закон распределения . Его формула и свойства изложены в любом учебнике по статистике, а на рис. 10.1 приведен вид графика – это "колоколообразная" кривая, которая может быть более "вытянута" вверх или более "размазана" по оси значений случайной величины. Суть нормального закона в том, что чаще всего случайная величина принимает значения близ некоторого "центрального" значения, называемого математическим ожиданием , а чем дальше от него, тем реже туда "попадает" величина.

Примеров распределений, которые с небольшой погрешностью можно принять за нормальные, много. Еще в XIX в. бельгийский ученый А. Кетле и англичанин Ф. Гальтон доказали, что распределение частот встречаемости любого демографического или антропометрического показателя (продолжительности жизни, роста, возраста вступления в брак и т.д.) характеризуется "колоколообразным" распределением. Тот же Ф. Гальтон и его последователи доказали, что и психологические осооенности, например, способности, подчиняются нормальному закону .

Рис. 10.1.

Пример

Самый яркий пример нормального распределения в социологии касается социальной активности людей. Согласно закону нормального распределения получается, что социально-активных людей в обществе обычно около 5–7%. Все эти социально- активные люди ходят на митинги, конференции, семинары и т.д. Примерно такое же количество вообще отстраняются от участия в социальной жизни. Основная масса людей (80–90%) вроде бы равнодушна к политике и общественной жизни, однако отслеживает те процессы, которые ей интересны, хотя в целом относится к политике и обществу отстраненно, значительной активности не проявляет. Такие люди пропускают большинство политических событий, но время от времени смотрят новости по телевидению или в Интернете. Также они ходят голосовать на наиболее важные выборы, особенно если им "грозят кнутом" или "поощряют пряником". Члены этих 80–90% с общественно-политической точки зрения почти бесполезны поодиночке, но центрам социологических исследований эти люди вполне интересны, так как их очень много, и их предпочтения нельзя игнорировать. То же касается и околонаучных организаций, выполняющих исследования по заказам политических деятелей или торговых корпораций. И мнение "серой массы" по ключевым вопросам, связанным с прогнозированием поведения многих тысяч и миллионов людей на выборах, а также при острых политических событиях, при расколе обществе и конфликтах разных политических сил, этим центрам не безразлично.

Разумеется, нс все величины распределены по нормальному распределению. Кроме него, наиболее важными в математической статистике являются биномиальное и показательное распределения, распределения Фишера-Снедекора, "Хи-квадрат", Стьюдента .

Оценка связи признаков

Простейший случай – когда требуется просто установить наличие/отсутствие связи. Наиболее популярным в этом вопросе является метод "Хи-квадрат". Данный метод ориентирован на работу с категориальными данными. Например, такими явно выступают пол, семейное положение. Некоторые данные на первый взгляд кажутся числовыми, но могут "превратиться" в категориальные путем разбиения интервала значений на несколько малых интервалов. Например, стаж работы на заводе можно разбить на категории "менее одного года", "от одного до трех лет", "от трех до шести лет" и "более шести лет".

Пусть у параметра X имеется п возможных значений: {х1,..., х г1}, а у параметра Y– т возможных значений: (у1,..., у т}, q ij – наблюдаемая частота появления пары (x i, у j), т.е. количество обнаруженных появлений такой пары. Вычисляем теоретические частоты, т.е. сколько раз должна была появиться каждая пара значений для абсолютно нс связанных между собой величин:

На основе наблюдаемых и теоретических частот вычисляем значение

Также требуется вычислить количество степеней свободы по формуле

где m , n – количество сведенных в таблицу категорий. Кроме того, выбираем уровень значимости . Чем более высокую надежность мы хотим получить, тем ниже уровень значимости следует брать. Как правило, выбирается значение 0,05, которое означает, что мы можем доверять результатам с вероятностью 0,95. Далее в справочных таблицах находим по количеству степеней свободы и уровню значимости критическое значение . Если , то параметры X и Y считаются независимыми. Если , то параметры X и Y – зависимые. Если, то опасно делать вывод о зависимости либо независимости параметров. В последнем случае целесообразно провести дополнительные исследования.

Заметим также, что критерий "Хи-квадрат" с очень высокой уверенностью можно использовать, лишь когда все теоретические частоты не ниже заданного порога, которым обычно считается равным 5. Пусть v – минимальная теоретическая частота. При v > 5 можно уверенно использовать критерий "Хи-квадрат". При v < 5 использование критерия становится нежелательным. При v ≥ 5 вопрос остается открытым, требуется дополнительное исследование о применимости критерия "Хи-квадрат".

Приведем пример применения метода "Хи-квадрат". Пусть, например, в некотором городе проведен опрос среди молодых болельщиков местных футбольных команд и получены следующие результаты (табл. 10.1).

Выдвинем гипотезу о независимости футбольных предпочтений молодежи города N от пола респондента на стандартном уровне значимости 0,05. Вычисляем теоретические частоты (табл. 10.2).

Таблица 10.1

Результаты опроса болельщиков

Таблица 10.2

Теоретические частоты предпочтений

Например, теоретическая частота для юношей-болельщиков Звезды получена как

аналогично – другие теоретические частоты. Далее вычисляем значение "Хи-квадрат":

Определяем количество степеней свободы . Для и уровня значимости 0,05 ищем критическое значение:

Поскольку , причем превосходство существенное, практически наверняка можно говорить, что футбольные предпочтения юношей и девушек города N сильно различаются, за исключением случая нерепрезентативной выборки, например, если исследователь не стал получать выборку из разных районов города, ограничившись опросом респондентов в своем квартале.

Более сложная ситуация – когда нужно количественно оценить силу связи. В этом случае часто применяются методы корреляционного анализа. Данные методы обычно рассматриваются в углубленных курсах математической статистики.

Аппроксимация зависимостей по точечным данным

Пусть имеется набор точек – эмпирических данных (X i, Yi), i = 1, ..., п. Требуется аппроксимировать реальную зависимость параметра у от параметра х, а также выработать правило вычисления значения у, когда х находится между двумя "узлами" Хi.

Существуют два принципиально разных подхода к решению поставленной задачи. Первый заключается в том, что среди функций заданного семейства (например, полиномов) выбирается функция, график которой проходит через имеющиеся точки. Второй подход не "принуждает" график функции проходить через точки. Наиболее популярный в социологии и ряде других наук метод – метод наименьших квадратов – относится ко второй группе методов.

Суть метода наименьших квадратов состоит в следующем. Дано некоторое семейство функций у (х, а 1, ..., а т) с m неопределенными коэффициентами. Требуется подобрать неопределенные коэффициенты за счет решения оптимизационной задачи

Минимальное значение функции d может выступать в качестве меры точности приближения. Если данное значение слишком велико, следует выбрать иной класс функций у либо расширить используемый класс. Например, если класс "полиномы степени не выше 3" не дал приемлемой точности, берем класс "полиномы степени не выше 4" или даже "полиномы степени не выше 5".

Чаще всего метод используют для семейства "полиномы степени не выше N":

Например, при N = 1 это семейство линейных функций, при N = 2 – семейство линейных и квадратичных функций, при N = 3 – семейство линейных, квадратичных и кубических функций. Пусть

Тогда коэффициенты линейной функции (N = 1) ищутся как решение системы линейных уравнений

Коэффициенты функции вида а 0 + а 1х + а 2х 2 (N = 2) ищутся как решение системы

Желающие применить этот метод для произвольного значения N могут сделать это, увидев закономерность, по которой составлены приведенные системы уравнений.

Приведем пример применения метода наименьших квадратов. Пусть численность некоторой политической партии менялась следующим образом:

Можно заметить, что изменения численности партии за разные годы не сильно отличаются, что позволяет нам аппроксимировать зависимость линейной функцией. Чтобы было проще вычислять, вместо переменной х – года – введем переменную t = х – 2010, т.е. первый год учета численности возьмем как "нулевой". Вычисляем М 1; М 2:

Теперь вычисляем М", М*:

Коэффициенты a 0, a 1 функции у = a 0t + а 1 вычисляются как решение системы уравнений

Решая данную систему, например, по правилу Крамера или методом подстановки, получаем: а 0 = 11,12; а 1 = 3,03. Таким образом, получаем приближение

которое позволяет не только оперировать одной функцией вместо набора эмпирических точек, но и вычислять значения функции, выходящие за границы исходных данных, – "предсказывать будущее".

Также заметим, что метод наименьших квадратов можно использовать не только для полиномов, но и для других семейств функций, например, для логарифмов и экспонент:

Степень достоверности модели, построенной на основе метода наименьших квадратов, может быть определена на основе меры "R-квадрат", или коэффициента детерминации. Он вычисляется как

Здесь . Чем ближе R 2 к 1, тем адекватнее модель.

Выявление выбросов

Выбросом ряда данных называется аномальное значение, резко выделяющееся в общей выборке или общем ряде. Например, пусть процент граждан страны, положительно относящихся к некоторому политику, составлял в 2008–2013 гг. соответственно 15, 16, 12, 30, 14 и 12%. Легко заметить, что одно из значений резко отличается от всех остальных. В 2011 г. рейтинг политика почему-то резко превысил обычные значения, державшиеся в пределах 12–16%. Наличие выбросов может быть обусловлено разными причинами:

• 1) ошибки измерения;
• 2) необычная природа входных данных (например, когда анализируется средний процент голосов, полученных политиком; это значение на избирательном участке в военной части может существенно отличаться от среднего значения по городу);
• 3) следствие закона (резко отличающиеся от остальных величины могут быть обусловлены математическим законом – например, в случае нормального распределения в выборку может попасть объект со значением, резко отличным от среднего);
• 4) катаклизмы (например, в период короткого, но острого политического противостояния уровень политической активности населения может резко измениться, как это произошло в ходе "цветных революций" 2000– 2005 гг. и "арабской весны" 2011 г.);
• 5) управляющие воздействия (например, если в год накануне исследования политик принял очень популярное решение, то в этот год его рейтинг может оказаться значительно выше, чем в другие годы).

Многие методы анализа данных неустойчивы к выбросам, поэтому для их эффективного применения нужно очистить данные от выбросов. Яркий пример неустойчивого метода – упомянутый выше метод наименьших квадратов. Простейший метод поиска выбросов основан на так называемом межквартильном расстоянии. Определяем диапазон

где Q m – значение т- го квартиля. Если некоторый член ряда не попадает в диапазон, то он расценивается как выброс.

Поясним на примере. Смысл квартилей состоит в том, что они делят ряд на четыре равные или примерно равные группы: первый квартиль "отделяет" левую четверть ряда, отсортированного по возрастанию, третий квартиль – правую четверть ряда, второй квартиль проходит посередине. Поясним, как искать Q 1, и Q 3. Пусть в отсортированном по возрастанию числовом ряду п значений. Если п + 1 делится на 4 без остатка, то Q k суть k (п + 1)/4-й член ряда. Например, дан ряд: 1, 2, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 13, 15, 20, здесь количество членов п = 11. Тогда (п + 1)/4 = 3, т.е. первый квартиль Q 1 = 5 – третий член ряда; 3(п + 1)/4 = 9, т.е. третий квартиль Q:i= 13 – девятый член ряда.

Немного сложнее случай, когда п + 1 не кратно 4. Например, дан ряд 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 30, 32, 100, где число членов п = 10. Тогда (п + 1)/4 = 2,75 -

позиция между вторым членом ряда (v2 = 3) и третьим членом ряда (v3= 5). Тогда берем величину 0,75v2 + 0,25v3 = 0,75 3 + 0,25 5 = 3,5 – это и будет Q 1. 3(п + 1)/4 = 8,25 – позиция между восьмым членом ряда (v8= 30) и девятым членом ряда (v9=32). Берем величину 0,25v8 + 0,75v9 = 0,25 30 + + 0,75 32 = 31,5 – это и будет Q 3. Существуют и другие варианты вычисления Q 1 и Q 3, но рекомендуется использовать изложенный здесь вариант.

• Строго говоря, на практике обычно встречается "приближенно" нормальный закон – поскольку нормальный закон определяется для непрерывной величины на всей действительной оси, многие реальные величины не могут строго удовлетворять свойствам нормально распределенных величин.
• Наследов А. Д. Математические методы психологического исследования. Анализ и интерпретация данных: учеб, пособие. СПб.: Речь, 2004. С. 49–51.
• О важнейших распределениях случайных величин см., например: Орлов А. И. Математика случая: вероятность и статистика – основные факты: учеб. пособие. М.: МЗ-Пресс, 2004.