网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

监测预警基础60-指数加权移动平均控制图里的√[λ/(2−λ)]到底是什么来头?

0
分享至


系列简介

这是我们一系列原创技术贴,从易到难,每天学习一点。所有内容均为疾控数据分析、科研论文相关,或者说很多和现在的热门监测预警相关,所以我们这个系列就叫“监测预警基础”。

我们这个系列不强求,宁缺毋滥,不为了发推文而发推文,有实用的,好用的内容了我们再发。

今天算是对我们很早之前的一节内容,→的补充说明!

我们之前讲过EWMA 控制图,也见过下面这个控制上限公式:


有一些老师反馈说看不懂这个公式,尤其是λ/(2−λ) 是怎么冒出来的?为什么要开根号?它在公式里到底起什么作用?

这篇推文就专门把这件事讲透。不用高深理论,从"为什么要用它"讲起,一步一步把这个系数的来历算给你看。


经典的休哈特控制图做法很简单:每天的发病数画一个点,超过 μ±3σ 就报警。

它判断每个点时只看今天,完全不管昨天。这对"暴发式"的异常很好用——某天病例数突然翻几倍,一眼就能看出来。

但它对一种情况很迟钝:缓慢的小幅抬升。

举个例子:某地手足口病的日常基线悄悄抬升了一点点,每天都比平时高几例,但每天都够不着报警线。休哈特图可能拖上几十天都不报警——等它终于报警时,疫情已经起来了。

而恰恰是这种"温水煮青蛙"式的基线漂移,才是监测预警最需要抓的信号。

一个很自然的补救思路:多看几天,不看单天,把最近几天的平均值画出来——平均值比单日数据稳定,小漂移会在平均中"积少成多",更容易越过报警线,这就是移动平均的思想。

但简单的算术移动平均有两个小毛病:

第一是窗口内 10 天的数据权重一样——10 天前的老数据和今天的数据同等重要,不太合理,第二是数据一更新就要重新算一遍窗口。

EWMA 的聪明做法就是越近的数据,话语权越大:按时间远近分配权重,最近的数据权重最大,越久远的数据权重越小,而且是按指数方式衰减的


翻译成大白话就是:

今天的 EWMA 值 = λ × 今天的观测值 + (1−λ) × 昨天算好的 EWMA 值

其中 λ就是"新数据的话语权":λ 大(如 0.8)很看重新数据,记忆短,反应快,但曲线毛刺多;λ 小(如 0.1)意味着新数据只占 10%,剩下 90% 交给历史,记忆长,曲线非常平滑。

这个式子最妙的地方是:不用存任何历史数据,只要记住上一个 EWMA 值,每天递推一步就行。一个数,就把整个加权历史"打包"进去了。


这个指数加权的公式看着抽象,我们把它一层层展开来看,

昨天的指数加权病例数是怎么来的:

代会今天的公式

我们继续一天一天展开看看,最终就得到

看清楚了吗?EWMA 值其实就是所有历史数据的加权平均,各天的权重是:

今天的权重是 λ,最大;昨天的多乘一个 (1−λ),小一截;前天的再乘一个 (1−λ),更小……

权重像台阶一样一级级等比往下衰减,这就是"指数加权"四个字的来历。而且这些权重加起来恰好等于 1(等比数列求和的结果),所以它是个名副其实的"平均值",不会系统性偏大或偏小。


先记住控制图的"万能套路",不管什么控制图,控制限都是同一个思路:


休哈特图里,画的统计量就是原始观测值 X,它的标准差是 σ,所以控制限是 μ ± kσ。

现在统计量换成了 EWMA 值 Z——那就得回答一个问题:Z 自己的标准差是多少?

平滑之后,波动肯定变小了,先不用算,先直觉想:单日发病数上蹿下跳,波动是 σ;把它平滑成 EWMA 曲线后,毛刺被抹掉了,波动必然缩小。问题是——缩小到多少?

其实这个√[λ/(2−λ)] 就是这个"缩小比例"。下面我们把它算出来。

关键一步:加权和的方差

概率论里有一条很基本的性质:一堆相互独立的数做加权求和,总和的方差 = 各权重平方 × 各自的方差,再相加。

设正常情况下每天发病数相互独立、方差都是 σ²。EWMA 的权重是 λ, λ(1−λ), λ(1−λ)², …,于是:


把 λ² 提出来,括号里是一个公比为 (1−λ)² 的等比数列,求无穷和(首项 ÷ (1 − 公比)):


把分母展开化简:


所以我们得到:


开根号,就得到了 EWMA 统计量自己的标准差:


代回控制限的万能套路,就是我们前面进的不理解的那个公式:


λ/(2−λ) 没有任何人为拼凑的成分——它就是 EWMA 所有权重的平方之和,是平滑操作在数学上的必然结果。

补充一句:上面求的是"无穷历史"的极限。图刚启动时(前十几二十个点),历史还没攒够,实际波动更小一点,严格来说控制限应乘上一个修正项 ,但是作为疾控分析的数据,日常用稳态公式即可。


理解一:它是"平滑折扣"——波动还剩几成

这是最直白的理解:λ 越小,平滑越狠,EWMA 曲线的波动越小,控制限就越窄,我们用具体的数字举例看一下:


理解二:它是灵敏度的来源——为什么 EWMA 能抓住小漂移

这是最有实际意义的一层理解。

假设某地发病基线悄悄抬升了一个小量 δ(比如 0.5 个 σ),在休哈特图上:信号 δ 不变,门槛是 3σ——δ 相对门槛太小,迟迟不报警;在 EWMA 图上:EWMA 曲线会慢慢爬到 μ+δ 的新高度,而控制限宽度只有原来的 √[λ/(2−λ)] 倍——信号没变,门槛变矮了,自然就迈过去了。

举个具体例子来看:λ = 0.1、k = 3 时,控制限离中心线的距离是 3σ×0.229 ≈ 0.69σ。也就是说,一个 0.7σ 大小的持续漂移,在休哈特图上可能石沉大海,在 EWMA 图上却足以触发报警。

这就是 EWMA 对小漂移(0.5σ~2σ 量级)特别敏感的机理。代价也有:对突发性的大暴发,它的反应反而不如休哈特图快——因为平滑会"拖后腿"。所以实际工作中,EWMA 适合盯"基线缓慢抬升"这种最隐蔽的危险信号,两者配合使用。


指数加权移动平均控制图控制限的公式如下:


我们每一项理解一下


λ 与 k 必须配对使用:λ 决定"记忆多长、对小漂移多敏感",k 决定"控制限多宽、误报率多高",两者共同决定预警性能,不能只调一个。


1. 公式的经典假设是"各天独立、波动恒定",传染病数据往往不满足。发病数常有自相关(今天高、明天也高)和明显的季节性。如果对原始序列直接套公式,算出的控制限往往偏窄、误报偏多。规范做法是先对数据做去季节、去趋势处理,对残差建 EWMA 图;或采用针对计数资料的 Poisson EWMA 等修正版本。

2. λ 不是越小越好。λ 太小,记忆太长,曲线太平滑——对真正的疫情信号反应会慢半拍,而且历史暴发期一旦混进"记忆"里,会把 EWMA 值长期抬高,造成连锁误判。文献中 λ 常取 0.05~0.3,0.2 是常用起点,具体取值应结合回测(看平均报警延迟、误报率)来定。

3. 这张图的本质是"统计假设检验",不是"疫情判断标准"。EWMA 图回答的问题是:"当前的发病水平,和'正常波动'相比,异常吗?"它帮你发现统计上的异常信号,但信号是否指向真实疫情,仍需结合现场流调、病原学检测等专业判断——图是筛子,不是判决书。



编辑:普通疾控人 | 审核:诗酒趁年华

文章来源 | 原创

说明 | 转载只为分享,如有侵权联系删除

©版权声明 | 部分信息和图片来自公开网络

转载请注明

再次转载请注明出处


科普健康 | 宣传疾控

本号为多位疾控机构从业者运营

重点关注国内外健康事件

致力于疾控科普

在做好科普服务大众的同时

做好疾控机构的宣传

让更多的人了解疾控,拥抱健康

欢迎加「小编」微信(cdcjkr126com)

本文具体说明

本文为原创内容,文章为个人理解所学,不涉及疫情信息及内部保密数据,发表的目的为自我总结及给有需求的人士学习使用。如有不妥之处,欢迎联系小编修改、删除。

更多精彩视频,尽在“CDC疾控人”视频号


特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
中央气象台:今晚到明晚,海南岛、新疆、内蒙古、黑龙江、甘肃、四川、贵州、云南、台湾岛等地有小到中雨,海南岛中东部有暴雨或大暴雨

中央气象台:今晚到明晚,海南岛、新疆、内蒙古、黑龙江、甘肃、四川、贵州、云南、台湾岛等地有小到中雨,海南岛中东部有暴雨或大暴雨

蓬勃新闻
2026-10-07 17:54:32
国庆高速数据彻底打脸!油电大势已定,再也回不去了

国庆高速数据彻底打脸!油电大势已定,再也回不去了

华庭讲美食
2026-10-06 02:59:29
热苏斯:我读了C罗的声明,现在我要和往常一样去足协工作

热苏斯:我读了C罗的声明,现在我要和往常一样去足协工作

懂球帝
2026-10-07 17:37:19
张之臻上海大师赛1-2遭马哈奇逆转止步首轮,周杰伦昆凌、许昕姚彦夫妇到现场观赛

张之臻上海大师赛1-2遭马哈奇逆转止步首轮,周杰伦昆凌、许昕姚彦夫妇到现场观赛

大风新闻
2026-10-07 18:58:08
染红后微笑离场!前国脚怒批韦世豪:不顾集体利益 惯犯 永远改不了

染红后微笑离场!前国脚怒批韦世豪:不顾集体利益 惯犯 永远改不了

风过乡
2026-10-07 08:23:48
俄罗斯鼠疫信息被指不透明,免签国人员要小心了,鼠疫属于甲类传染病,新冠还是乙类传染病,比新冠要严重很多,肺鼠疫未治疗死亡100%

俄罗斯鼠疫信息被指不透明,免签国人员要小心了,鼠疫属于甲类传染病,新冠还是乙类传染病,比新冠要严重很多,肺鼠疫未治疗死亡100%

村里的月光
2026-10-07 15:16:19
俄媒:俄鼠疫感染区医院暴发瘟疫,出现第二例死亡病例

俄媒:俄鼠疫感染区医院暴发瘟疫,出现第二例死亡病例

阿尔卑斯瞭望
2026-10-07 14:05:52
被记者拦车采访,葡萄牙主帅热苏斯回应C罗长文声明:我没什么可说的;葡媒:热苏斯团队已提前知晓C罗声明,且认为内容可以接受

被记者拦车采访,葡萄牙主帅热苏斯回应C罗长文声明:我没什么可说的;葡媒:热苏斯团队已提前知晓C罗声明,且认为内容可以接受

大风新闻
2026-10-07 14:06:14
据说,每天有3万人退场

据说,每天有3万人退场

一条要飞跃的咸鱼
2026-10-07 08:49:43
大结局!东航“最霸气”乘客欧某某,这次终于踢到铁板了,真容曝光,全网社死

大结局!东航“最霸气”乘客欧某某,这次终于踢到铁板了,真容曝光,全网社死

静若梨花
2026-10-06 14:15:09
闹大了!网红解密川剧变脸账号消失,变脸是国家二级机密?网友:封号或另有原因

闹大了!网红解密川剧变脸账号消失,变脸是国家二级机密?网友:封号或另有原因

火山詩话
2026-10-07 07:44:10
诺贝尔化学奖揭晓,两位化学家共同获奖

诺贝尔化学奖揭晓,两位化学家共同获奖

澎湃新闻
2026-10-07 18:14:07
全程堵死!10月6日返程大崩溃,高速寸步难行,网友:堵到绝望

全程堵死!10月6日返程大崩溃,高速寸步难行,网友:堵到绝望

杰丝聊古今
2026-10-07 12:36:54
“根本不想让他们来!”亚运会结束后,组委会主席言论引发争议

“根本不想让他们来!”亚运会结束后,组委会主席言论引发争议

全景体育V
2026-10-07 08:24:04
祁连县把泼天的流量接成了脏水

祁连县把泼天的流量接成了脏水

陈宜之
2026-10-07 16:26:38
独自飞往仰光后杳无音信,26岁白俄模特被网上兼职诱骗至缅甸杀害,5名招募者因人口拐卖获刑21年

独自飞往仰光后杳无音信,26岁白俄模特被网上兼职诱骗至缅甸杀害,5名招募者因人口拐卖获刑21年

扬子晚报
2026-10-06 20:24:16
吴奇隆因举旗被取消活动,网友质疑其立场,吴奇隆:不赚钱也这样

吴奇隆因举旗被取消活动,网友质疑其立场,吴奇隆:不赚钱也这样

蜜桔娱乐
2026-10-07 09:55:52
地雷风波升级,金与正发声:野兽都不能进进出出

地雷风波升级,金与正发声:野兽都不能进进出出

中国新闻周刊
2026-10-07 16:43:44
很严峻!这5个行业,工资都发不下来了!

很严峻!这5个行业,工资都发不下来了!

职场资深秘书
2026-10-07 17:36:30
中国民航进入萎缩期?国庆旅游火爆,民航客流却连跌3天,机票低至200元

中国民航进入萎缩期?国庆旅游火爆,民航客流却连跌3天,机票低至200元

三言四拍
2026-10-06 20:43:40
2026-10-07 20:00:49
CDC疾控人 incentive-icons
CDC疾控人
关注疾控,科普健康
250文章数 8关注度
往期回顾 全部

科技要闻

诺贝尔化学奖揭晓,两位科学家摘得大奖

头条要闻

男子带妻子和10岁娃爬山走野路 用手机照亮半夜没走出

头条要闻

男子带妻子和10岁娃爬山走野路 用手机照亮半夜没走出

体育要闻

从骑马舞到开口全中文 德约在北京不止七冠

娱乐要闻

蔡康永风波再升级!这次谁也救不了他

财经要闻

谷歌签下科技史上最大核能协议

汽车要闻

智能化再提升 2027款东风标致、东风雪铁龙新车更人性化了

态度原创

手机
数码
时尚
亲子
军事航空

手机要闻

还得是苹果!iPhone Duo 强制 APP 适配,不适配直接下架,安卓办不到

数码要闻

苹果Apple TV平台F1赛事转播将支持杜比全景声,本月底上线

赫本的小黑裤,裤装界的气质王者

亲子要闻

宝蓝和叔叔玩过家家扮演大人,叔叔藏起来吃零食不让宝蓝找到

军事要闻

外舰跟监遵义舰 结果自己先"趴窝"了

无障碍浏览 进入关怀版