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A common trap when it comes to sampling from a population that intrinsically includes outliers

I will discuss a common fallacy concerning the conclusions drawn from calculating a sample mean and a sample standard deviation and more importantly how to avoid it.

Suppose you draw a random sample x_1, x_2, … x_N of size N and compute the ordinary (arithmetic) sample mean  x_m and a sample standard deviation sd from it.  Now if (and only if) the (true) population mean µ (first moment) and population variance (second moment) obtained from the actual underlying PDF  are finite, the numbers x_m and sd make the usual sense otherwise they are misleading as will be shown by an example.

By the way: The common correlation coefficient will also be undefined (or in practice always point to zero) in the presence of infinite population variances. Hopefully I will create an article discussing this related fallacy in the near future where a suitable generalization to Lévy-stable variables will be proposed.

 Drawing a random sample from a heavy tailed distribution and discussing certain measures

As an example suppose you have a one dimensional random walker whose step length is distributed by a symmetric standard Cauchy distribution (Lorentz-profile) with heavy tails, i.e. an alpha-stable distribution with alpha being equal to one. The PDF of an individual independent step is given by p(x) = \frac{\pi^{-1}}{(1 + x^2)} , thus neither the first nor the second moment exist whereby the first exists and vanishes at least in the sense of a principal value due to symmetry.

Still let us generate N = 3000 (pseudo) standard Cauchy random numbers in R* to analyze the behavior of their sample mean and standard deviation sd as a function of the reduced sample size n \leq N.

*The R-code is shown at the end of the article.

Here are the piecewise sample mean (in blue) and standard deviation (in red) for the mentioned Cauchy sampling. We see that both the sample mean and sd include jumps and do not converge.

Especially the mean deviates relatively largely from zero even after 3000 observations. The sample sd has no target due to the population variance being infinite.

If the data is new and no prior distribution is known, computing the sample mean and sd will be misleading. Astonishingly enough the sample mean itself will have the (formally exact) same distribution as the single step length p(x). This means that the sample mean is also standard Cauchy distributed implying that with a different Cauchy sample one could have easily observed different sample means far of the presented values in blue.

What sense does it make to present the usual interval x_m \pm sd / \sqrt{N} in such a case? What to do?

The sample median, median absolute difference (mad) and Inter-Quantile-Range (IQR) are more appropriate to describe such a data set including outliers intrinsically. To make this plausible I present the following plot, whereby the median is shown in black, the mad in green and the IQR in orange.

This example shows that the median, mad and IQR converge quickly against their assumed values and contain no major jumps. These quantities do an obviously better job in describing the sample. Even in the presence of outliers they remain robust, whereby the mad converges more quickly than the IQR. Note that a standard Cauchy sample will contain half of its sample in the interval median \pm mad meaning that the IQR is twice the mad.

Drawing a random sample from a PDF that has finite moments

Just for comparison I also show the above quantities for a standard normal (pseudo) sample labeled with the same color as before as a counter example. In this case not only do both the sample mean and median but also the sd and mad converge towards their expected values (see plot below). Here all the quantities describe the data set properly and there is no trap since there are no intrinsic outliers. The sample mean itself follows a standard normal, so that the sd in deed makes sense and one could calculate a standard error \frac{sd}{\sqrt{N}} from it to present the usual stochastic confidence intervals for the sample mean.

A careful observation shows that in contrast to the Cauchy case here the sampled mean and sd converge more quickly than the sample median and the IQR. However still the sampled mad performs about as well as the sd. Again the mad is twice the IQR.

And here are the graphs of the prementioned quantities for a pseudo normal sample:

The take-home-message:

Just be careful when you observe outliers and calculate sample quantities right away, you might miss something. At best one carefully observes how the relevant quantities change with sample size as demonstrated in this article.

Such curves should become of broader interest in order to improve transparency in the Data Science process and reduce fallacies as well.

Thank you for reading.

P.S.: Feel free to play with the set random seed in the R-code below and observe how other quantities behave with rising sample size. Of course you can also try different PDFs at the beginning of the code. You can employ a Cauchy, Gaussian, uniform, exponential or Holtsmark (pseudo) random sample.

 

QUIZ: Which one of the recently mentioned random samples contains a trap** and why?

**in the context of this article

 

R-code used to generate the data and for producing plots:

 

 

OLAP-Würfel

Der OLAP-Würfel

Alles ist relativ! So auch die Anforderungen an Datenbanksysteme. Je nachdem welche Arbeitskollegen/innen dazu gefragt werden, können unterschiedliche Wünschen und Anforderungen an Datenbanksysteme dabei zu Tage kommen.

Die optimale Ausrichtung des Datenbanksystems auf seine spezielle Anwendung hin, setzt den Grundstein für eine performante und effizientes Informationssystem und sollte daher wohl überlegt sein. Eine klassische Unterscheidung für die Anwendung von Datenbanksystemen lässt sich hierbei zwischen OLTP (Online Transaction Processing) und OLAP (Online Analytical Processing) machen.

OLTP-Datenbanksysteme zeichnen sich insbesondere durch die direkte Verarbeitung bei hohem Durchsatz von Transaktionen, sowie den parallelen Zugriff auf Informationen aus und werden daher vor allem für die Erfassung von operativen Geschäftsfällen eingesetzt. Im Gegensatz zu OLTP-Systemen steht bei OLAP-Systemen die analytische Verarbeitung von großen Datenbeständen im Vordergrund. Die folgende Grafik veranschaulicht das Zusammenwirken von OLTP und OLAP.

Da OLAP-Systeme eine mehrdimensionale und subjektbezogen Datenstruktur aufweisen, können statistisch-analytische Verarbeitungen auf diese Datenmengen effizient angewandt werden. Basierend auf dem Sternen-Schema, werden in diesem Zusammenhang häufig sogenannte OLAP-Würfel (engl. „Cube“) verwendet, welcher die Grundlage für multidimensionale Analysen bildet. Im Folgenden werden wir den OLAP-Würfel etwas näher beleuchten.

Aufbau des OLAP-Würfels

Der OLAP-Würfel ist eine Zusammensetzung aus multidimensionale Datenarrays. Die logische Anordnung der Daten über mehrere Dimensionen erlaubt dem Benutzer verschiedene Ansichten auf die Daten in gleicher Weise zu erlangen. Der Begriff „Würfel“ („Cube“) referenziert hierbei auf die Darstellung eines OLAP-Würfels mit drei Dimensionen. OLAP-Würfel mit mehr als drei Dimensionen werden daher auch „Hypercubes“ genannt.

Die Achsen des Würfels entsprechen den Dimensionen, also den Attributen/ Eigenschaften des Würfels, welche den Würfel aufspannen. Typische Dimensionen sind: Produkt, Ort und Zeit.

Die Zellen im Schnittpunkt der Koordinaten entsprechen den Kennzahlen auch Maßzahlen (engl. „measures“) genannt. Die Kennzahlen stehen im Mittelpunkt der Datenanalyse und können sowohl Basisgrößen (atomare Werte) als auch abgeleitete Zahlen (berechnete Werte) sein. Oftmals handelt es sich bei den Kennzahlen um numerische Werte wie z.B.: Umsatz, Kosten und Gewinn.

Hierarchien beschreiben eine logische Struktur einzelner Elemente in den Dimensionen und nehmen dabei meist ein hierarchisches Schema an z.B.:  Tag -> Monat -> Jahr ->TOP. Die Werte der jeweils übergeordneten Elemente ergeben sich meistens aus einer Konsolidierung aller untergeordneten Elemente. Das größte Element „TOP“ steht dabei für „alles“ und fasst somit die gesamten Elemente der Dimension zusammen.

Je nachdem in welcher Detailstufe, auch Granularität genannt, die Kennzahlen der einzelnen Dimensionen vorliegen, können verschiedene Würfel-Operationen für Daten bis auf der kleinsten Ebenen ausgeführt werden wie z.B.: einzelne Transaktionen in einer Geschäftsstellen für einen bestimmten Tag betrachten. Bei der Wahl der Granularität ist jedoch unbedingt der Zweck sowie die Leistungsfähigkeit der Datenbank mit zu Berücksichtigen.

 

 

 

 

 

Operationen des OLAP-Würfels

Für die Auswertung von OLAP-Würfeln haben sich spezielle Operationsbezeichnungen durchgesetzt, welche im Folgenden mit grafischen Beispielen vorgestellt werden.

Die Slice Operation wird durch die Selektion bzw. Einschränkung einer Dimension auf ein Dimensionselement erwirkt. In dem hier aufgezeigten Beispiel wird durch das Selektieren auf die Produktsparte „Anzüge“,die entsprechende Scheibe aus dem Würfel „herausgeschnitten“.

 

 

 

 

 

 

 


Bei der Dice-Operation wird der Würfel auf mehreren Dimensionen, durch eine Menge von Dimensionselementen eingeschränkt. Als Resultat ergibt sich ein neuer verkleinerter, mehrdimensionaler Datenraum. Das Beispiel zeigt, wie der Würfel auf die Zeit-Dimensionselemente: „Q1 „und „Q2“ sowie die Produkt- Dimensionselemente: „Anzüge“ und „Hosen“ beschränkt wird.

 

 

 

 

 


Mit der Pivotiting/Rotation-Operation wird der Würfel um die eigene Achse rotiert. Diese Operation ermöglicht dem Benutzer unterschiedliche Sichten auf die Daten zu erhalten, da neue Kombinationen von Dimensionen sichtbar werden.

Im abgebildeten Beispiel wird der Datenwürfel nach rechts und um die Zeitachse gedreht. Die dadurch sichtbar gewordene Kombination von Ländern und Zeit ermöglicht dem Benutzer eine neue Sicht auf den Datenwürfel.


Die Operationen: Drill-down oder Drill-up werden benutzt, um durch die Hierarchien der Dimensionen zu navigieren. Je nach Anwendung verdichten sich die Daten bei der Drill-up Operation, während die Drill-down Operation einen höheren Detailgrad ermöglicht.

Beispiel werden die Dimensionen auf die jeweils höchste Klassifikationsstufe verdichtet. Das Ergebnis zeigt das TOP-Element der aggregierten Daten, mit einem Wert von 9267 €.


Technische Umsetzung

In den meisten Fällen werden OLAP-Systeme oberhalb des Data Warehouses platziert und nutzen dieses als Datenquelle.  Für die Datenspeicherung wird vor allem zwischen den klassischen Konzepten „MOLAP“ und „ROLAP“ unterschieden. Die folgende Gegenüberstellung, zeigt die wesentlichen Unterschiede der beiden Konzepte auf.

ROLAP

MOLAP

Bedeutung
Relationales-OLAP Multidimensionales-OLAP
Datenspeicherung
Daten liegen in relationalen Datenbanken vor. Daten werden in multidimensionalen Datenbanken als Datenwürfel gespeichert
Daten Form
Relationale Tabellen Multidimensionale Arrays
Datenvolumen
Hohes Datenvolumen und hohe Nutzerzahl Mittleres Datenvolum, da Detaildaten in komprimiertem Format vorliegen
Technologie
Benötigt Komplexe SQL Abfragen, um Daten zu beziehen Vorberechneter Datenwürfel hält Aggregationen vor
Skalierbarkeit
Beliebig Eingeschränkt
Antwortgeschwindigkeit
Langsam Schnell

Fazit

OLAP Würfel können effizient dafür genutzt werden, Informationen in logische Strukturen zu speichern. Die Dimensionierung sowie der Aufbau von logischen Hierarchien, erlauben dem Benutzer ein intuitives Navigieren und Betrachten des Datenbestandes. Durch die Vorberechnung der Aggregationen bei MOLAP-Systemen, können sehr komplexe Analyseabfragen mit hoher Geschwindigkeit und unabhängig von der Datenquelle durchgeführt werden. Für die betriebliche Datenanalyse ist die Nutzung des Datenwürfels insbesondere für fortgeschrittene Datenanalyse, daher eine enorme Bereicherung.

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