R Academy · Lekcja

Bootstrapowe próbkowanie w R

Zaimplementuj bootstrapowe przedziały ufności, używając sample() z losowaniem ze zwracaniem.

Lekcja 4 z 413 kroki

Bootstrapowe próbkowanie w R to bezpłatna lekcja R Academy na CoddyKit. To lekcja 4 z 4. Możesz przeczytać całą lekcję poniżej za darmo — a potem ćwiczyć ją interaktywnie w przeglądarce z wbudowanym edytorem kodu i tutorem AI dostępnym 24/7. To część ścieżki edukacyjnej R Academy, a Twój postęp synchronizuje się między webem a aplikacją CoddyKit. Kurs R Academy zawiera 4 lekcji w sumie.

Czym jest bootstrap?

Bootstrap to metoda resamplingu, która szacuje rozkład z próby statystyki poprzez ponowne losowanie ze zwracaniem z zaobserwowanych danych. Nie wymaga żadnych założeń dotyczących rozkładu — dane są rozkładem.

set.seed(42)
# Original sample of 20 observations
original_data <- c(14, 18, 11, 13, 6, 8, 2, 17,
                   20, 10, 15, 12, 9, 16, 7, 3,
                   19, 5, 4, 1)
n <- length(original_data)

# One bootstrap resample: sample WITH replacement
bootstrap_sample1 <- sample(original_data, n, replace = TRUE)
print(bootstrap_sample1)
# Contains repeats! Some original values are missing.

mean(original_data)    # original mean
mean(bootstrap_sample1)  # bootstrap mean (different)

Rozkład bootstrapowy średniej

Należy wygenerować wiele prób bootstrapowych, obliczyć statystykę dla każdej z nich i zebrać wyniki. Tak uzyskany rozkład bootstrapowy przybliża rozkład z próby danej statystyki.

set.seed(42)
x <- c(14, 18, 11, 13, 6, 8, 2, 17, 20, 10,
        15, 12, 9, 16, 7, 3, 19, 5, 4, 1)
n <- length(x)
B <- 5000  # number of bootstrap replicates

# Bootstrap distribution of the mean
boot_means <- replicate(B, {
  x_star <- sample(x, n, replace = TRUE)
  mean(x_star)
})

cat('Original mean:', mean(x), '\n')
cat('Bootstrap mean:', mean(boot_means), '\n')
cat('Bootstrap SE:', sd(boot_means), '\n')
cat('Theoretical SE:', sd(x)/sqrt(n))

Bootstrap dla dowolnej statystyki

Bootstrap działa dla dowolnej statystyki — mediany, korelacji, współczynników regresji czy średniej obciętej. Wystarczy zastąpić mean() interesującą Państwa statystyką w pętli replicate.

set.seed(42)
x <- c(2, 4, 6, 8, 10, 12, 100, 1, 3, 5)
# Notice the outlier 100 - makes the mean unreliable
B <- 5000; n <- length(x)

# Bootstrap distribution of the median
boot_medians <- replicate(B, {
  median(sample(x, n, replace = TRUE))
})

# Bootstrap distribution of the trimmed mean (10%)
boot_tmeans <- replicate(B, {
  mean(sample(x, n, replace = TRUE), trim = 0.1)
})

cat('Sample median:', median(x), '\n')
cat('Bootstrap SE of median:', sd(boot_medians), '\n')
cat('Bootstrap SE of trimmed mean:', sd(boot_tmeans))

Przedziały ufności bootstrap: metoda percentylowa

Najprostszy bootstrapowy przedział ufności: należy przyjąć kwantyle rozkładu bootstrapowego. 95-procentowy przedział ufności wykorzystuje 2,5. i 97,5. percentyl. Metoda jest szybka i intuicyjna, ale dla statystyk o skośnym rozkładzie może mieć problemy z pokryciem.

set.seed(42)
x <- rnorm(30, mean = 5, sd = 2)
B <- 5000; n <- length(x)

# Bootstrap CI for the mean
boot_means <- replicate(B, mean(sample(x, n, replace = TRUE)))

# Percentile CI
ci_percentile <- quantile(boot_means, c(0.025, 0.975))
cat('Percentile CI:', round(ci_percentile, 3), '\n')

# For comparison: t-interval (parametric)
t_ci <- mean(x) + qt(c(0.025, 0.975), df = n-1) * sd(x)/sqrt(n)
cat('t-interval CI:', round(t_ci, 3), '\n')

cat('True mean: 5')

Błąd standardowy bootstrapu

Bootstrapowy błąd standardowy to po prostu sd(boot_statistics). Szacuje on, jak bardzo statystyka zmieniałaby się w kolejnych próbach z populacji — bez przyjmowania założeń dotyczących rozkładu.

set.seed(42)
# Bootstrap SE for the ratio of two means
group_a <- rnorm(20, mean = 10, sd = 2)
group_b <- rnorm(20, mean = 8, sd = 2)
all_data <- data.frame(
  value = c(group_a, group_b),
  group = rep(c('A', 'B'), each = 20)
)

B <- 4000; n <- nrow(all_data)
boot_ratio <- replicate(B, {
  idx <- sample(1:n, n, replace = TRUE)
  d <- all_data[idx, ]
  mean(d$value[d$group == 'A']) /
    mean(d$value[d$group == 'B'])
})

cat('Observed ratio:', mean(group_a)/mean(group_b), '\n')
cat('Bootstrap SE:', round(sd(boot_ratio), 4), '\n')
cat('95% CI:', round(quantile(boot_ratio, c(.025,.975)), 3))

Przedział ufności BCa

Przedział ufności BCa (Bias-Corrected and Accelerated) jest dokładniejszy niż przedział percentylowy, zwłaszcza dla statystyk skośnych lub obciążonych. Koryguje obciążenie i skośność rozkładu bootstrapowego.

# BCa CI implementation
bca_ci <- function(data, stat_fn, B = 2000, alpha = 0.05) {
  n <- length(data)
  theta_hat <- stat_fn(data)
  # Bootstrap replicates
  boot_vals <- replicate(B, stat_fn(sample(data, n, replace = TRUE)))
  # Bias correction z0
  z0 <- qnorm(mean(boot_vals < theta_hat))
  # Acceleration a (jackknife)
  jk <- sapply(seq_len(n), function(i) stat_fn(data[-i]))
  num <- sum((mean(jk) - jk)^3)
  den <- 6 * (sum((mean(jk) - jk)^2))^(3/2)
  a <- num / den
  # Adjusted quantiles
  z_alpha <- qnorm(c(alpha/2, 1 - alpha/2))
  p_adj <- pnorm(z0 + (z0 + z_alpha) / (1 - a * (z0 + z_alpha)))
  quantile(boot_vals, p_adj)
}

set.seed(42)
x <- rexp(25, rate = 0.5)  # skewed distribution
bca_ci(x, median)

Bootstrap dla regresji

Bootstrapowe przedziały ufności dla regresji można uzyskać, losując ponownie wiersze ramki danych. Pozwala to obsłużyć nienormalne błędy i przeprowadzić prawidłowe wnioskowanie bez założenia normalności.

set.seed(42)
n <- 40
x <- runif(n, 0, 10)
y <- 2 + 1.5 * x + rnorm(n, sd = 2)
df <- data.frame(x = x, y = y)
B <- 3000

# Bootstrap the slope coefficient
boot_slopes <- replicate(B, {
  idx <- sample(1:n, n, replace = TRUE)
  d_boot <- df[idx, ]
  coef(lm(y ~ x, data = d_boot))[2]
})

cat('OLS slope:', round(coef(lm(y~x, data=df))[2], 3), '\n')
cat('Bootstrap SE of slope:', round(sd(boot_slopes), 4), '\n')
cat('Bootstrap 95% CI:', round(quantile(boot_slopes, c(.025,.975)), 3))

Liczba replikacji bootstrapowych

Ile replikacji bootstrapowych B jest potrzebnych? Dla błędów standardowych: B=200–500. Dla percentylowych przedziałów ufności: B=1000–2000. Dla przedziałów BCa: B=2000–5000. Większa liczba jest zawsze korzystna, ale powyżej 10 000 korzyści stopniowo maleją.

set.seed(42)
x <- rnorm(50, mean = 3, sd = 1)
B_values <- c(100, 500, 1000, 2000, 5000, 10000)

# See how CI width varies with B
results <- sapply(B_values, function(B) {
  boot_m <- replicate(B, mean(sample(x, length(x), replace = TRUE)))
  q <- quantile(boot_m, c(0.025, 0.975))
  q[2] - q[1]  # CI width
})

result_df <- data.frame(B = B_values, ci_width = round(results, 4))
print(result_df)
# CI width stabilizes as B increases

Bootstrap parowany

W problemach dotyczących dwóch prób należy ponownie losować pary (x, y) razem — nie zaś x i y niezależnie. Zachowuje to strukturę zależności wewnątrz par i zapewnia prawidłowe przedziały ufności dla korelacji oraz różnic parowanych.

set.seed(42)
# Paired data: before/after treatment
before <- c(10, 12, 8, 15, 11, 9, 14, 13)
after  <- c(12, 14, 9, 16, 11, 10, 15, 12)
n <- length(before)
B <- 4000

# Bootstrap paired mean difference
boot_diff <- replicate(B, {
  idx <- sample(1:n, n, replace = TRUE)
  mean(after[idx] - before[idx])
})

observed_diff <- mean(after - before)
cat('Observed mean diff:', observed_diff, '\n')
cat('Bootstrap SE:', round(sd(boot_diff), 4), '\n')
cat('95% CI:', round(quantile(boot_diff, c(0.025, 0.975)), 3))

Bootstrapowy test hipotez

Bootstrap można również wykorzystać do testowania hipotez. Aby przetestować H₀: θ=θ₀, należy wygenerować rozkład przy hipotezie zerowej przez przesunięcie lub ponowne wycentrowanie prób bootstrapowych, a następnie obliczyć wartość p jako odsetek wyników przekraczających zaobserwowaną statystykę.

set.seed(42)
# Test H0: mean = 0 vs H1: mean != 0
x <- rnorm(30, mean = 0.5, sd = 2)
theta0 <- 0  # null hypothesis
observed_t <- (mean(x) - theta0) / (sd(x) / sqrt(length(x)))

B <- 5000; n <- length(x)
# Shift x to have mean = theta0 under H0
x_centered <- x - mean(x) + theta0

boot_t <- replicate(B, {
  x_star <- sample(x_centered, n, replace = TRUE)
  (mean(x_star) - theta0) / (sd(x_star) / sqrt(n))
})

p_value <- mean(abs(boot_t) >= abs(observed_t))
cat('Observed t:', round(observed_t, 3), '\n')
cat('Bootstrap p-value:', round(p_value, 4))

Przegląd pakietu boot

Pakiet boot udostępnia funkcję boot(data, statistic, R) z zaawansowanymi funkcjami: przedziałami BCa za pomocą boot.ci(), obliczeniami równoległymi i próbkowaniem warstwowym. Funkcja statistic otrzymuje dane oraz wektor indeksów.

# library(boot)  # uncomment to use

# The boot() statistic function signature:
# statistic(data, indices) -> scalar or vector

# Example (conceptual - requires boot package):
# mean_stat <- function(data, indices) {
#   mean(data[indices])
# }
# results <- boot(data = x, statistic = mean_stat, R = 5000)
# boot.ci(results, type = c('perc', 'bca'))  # CIs
# plot(results)  # histogram of bootstrap distribution

# Manual equivalent:
set.seed(42)
x <- rnorm(30, mean = 5)
B <- 2000
boot_vals <- replicate(B, mean(sample(x, length(x), replace = TRUE)))
quantile(boot_vals, c(0.025, 0.975))

Szybki test

Sprawdź swoją wiedzę na temat resamplingu bootstrapowego w R.

Odpowiedz w interaktywnej lekcji

Podsumowanie: resampling bootstrapowy

Najważniejsze informacje: Bootstrap polega na losowaniu danych ze zwracaniem za pomocą sample(x, n, replace=TRUE). Do wygenerowania B statystyk bootstrapowych należy użyć replicate(B, ...). sd(boot_stats) zwraca bootstrapowy błąd standardowy. Percentylowy przedział ufności: quantile(boot_stats, c(0.025, 0.975)). Dla przedziałów ufności należy używać B≥2000. Pakiet boot dodaje przedziały BCa i obliczenia równoległe. Bootstrap działa dla dowolnej statystyki bez założeń dotyczących rozkładu.

set.seed(42)
x <- c(3, 5, 7, 2, 9, 4, 6, 8, 1, 10)
n <- length(x); B <- 3000

# Generic bootstrap template:
boot_stat <- replicate(B, {
  x_star <- sample(x, n, replace = TRUE)
  median(x_star)  # replace with any statistic
})

# Summary
cat('Original median:', median(x), '\n')
cat('Bootstrap SE:', round(sd(boot_stat), 3), '\n')
ci <- quantile(boot_stat, c(0.025, 0.975))
cat('95% Percentile CI: [', ci[1], ',', ci[2], ']')

Bezpłatny start

Ucz się R dzięki korepetycjom AI — za darmo

Pisz i uruchamiaj kod w przeglądarce, otrzymuj natychmiastową pomoc od korepetytora AI dostępnego 24/7 i kontynuuj naukę w sieci lub w aplikacji.

Kursy: 43
Lekcje: 159

Zacznij naukę bezpłatnie Wyświetl pełny kurs

Często zadawane pytania

Czy lekcja „Bootstrapowe próbkowanie w R” jest bezpłatna?

Tak — pełny tekst „Bootstrapowe próbkowanie w R” jest dostępny za darmo tutaj w sieci. Aby ćwiczyć ją interaktywnie (wbudowany edytor kodu i tutor AI dostępny 24/7) i odblokować resztę kursu R Academy, przejdź na CoddyKit PRO. Kurs R Academy zawiera 4 lekcji w sumie.

Co nauczysz się w „Bootstrapowe próbkowanie w R”?

Zaimplementuj bootstrapowe przedziały ufności, używając sample() z losowaniem ze zwracaniem. Ćwiczysz R Academy z praktycznym kodem, który uruchamiasz bezpośrednio w przeglądarce, a tutor AI dostępny 24/7 odpowiada na Twoje pytania podczas pracy nad lekcją.

Czy potrzebuję doświadczenia, aby zacząć R Academy?

Nie wymagamy żadnego doświadczenia. R Academy w CoddyKit jest strukturyzowany dla początkujących i zaawansowanych użytkowników, więc możesz zacząć tutaj lub od początku i uczyć się w swoim tempie. To lekcja 4 z 4.

Ile czasu zajmuje lekcja „Bootstrapowe próbkowanie w R”?

Większość lekcji CoddyKit trwa około 5–10 minut. Każda lekcja to mały, interaktywny krok, dzięki czemu robisz systematyczne postępy i zawsze wracasz dokładnie do tego samego miejsca — na webie i w aplikacji.

Czy mogę pisać i uruchamiać kod w tej lekcji R Academy?

Tak. Każda lekcja R Academy zawiera wbudowany edytor kodu, więc piszesz i uruchamiasz prawdziwy kod bezpośrednio w przeglądarce i od razu otrzymujesz sprzężenie zwrotne od AI — bez konfiguracji na komputerze.

Wszystkie lekcje w tym kursie

← Powrót do R Academy