張曉琴 李順勇

[摘要]時(shí)代的進(jìn)步、大數(shù)據(jù)的爆發(fā)，R被賦予了新的生命力，其卓越的性能為業(yè)界所稱(chēng)道。R的特性主要集中在以下幾方面：R的語(yǔ)法、R的知識(shí)結(jié)構(gòu)及R的理念。課題組對(duì)常用的四款軟件進(jìn)行了對(duì)比分析，從其在數(shù)學(xué)建模中的應(yīng)用，我們不難發(fā)現(xiàn)R的卓越性能。數(shù)學(xué)建模中，如果恰當(dāng)?shù)匾肓薘，將會(huì)有事半功倍的效果。

[關(guān)鍵詞]R語(yǔ)言;模型構(gòu)建;統(tǒng)計(jì)分析;數(shù)據(jù)處理

[中圖分類(lèi)號(hào)]G642

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]2095-3437（2020）04-0094-03

社會(huì)高速發(fā)展，人們會(huì)在諸多領(lǐng)域遇見(jiàn)紛繁蕪雜的非機(jī)構(gòu)性數(shù)據(jù)，如在互聯(lián)網(wǎng)、超市、銀行等企業(yè)以及國(guó)內(nèi)外高校的科研與教學(xué)中都會(huì)出現(xiàn)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)集。

“工欲善其事，必先利其器”，那么，用什么工具來(lái)處理這些數(shù)據(jù)并構(gòu)建合理的模型使之吻合實(shí)際，成為首要的任務(wù)呢？是利用C/C++、Java、PERL、Python、Ruby、Php、JavasCript、Erlang、MATLAB、SPSS、SAS還是R呢？不論使用何種工具，對(duì)使用者而言只有應(yīng)景的才是合適的。本文僅研究R在數(shù)學(xué)建模中的應(yīng)用，其他見(jiàn)相應(yīng)的資料和文獻(xiàn)，不再一一贅述。

R不只精于統(tǒng)計(jì)計(jì)算及作圖，在數(shù)據(jù)分析方面更是長(zhǎng)袖善舞，其驚艷之處在于人們利用其大量的、完備的工程計(jì)算包幾乎可以處理統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘中所有想解決的問(wèn)題。

就目前R的使用率而言，國(guó)外相較國(guó)內(nèi)要高很多，包括許多大公司如Google、Oracle以及Amazon的許多工程也在使用R進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，這與MATLAB、SPSs和SAS被破解直接決定了R在中國(guó)的普及率有關(guān)系。

一、R語(yǔ)言的特色

最初，為提高S語(yǔ)言的性能，新西蘭奧克蘭大學(xué)的Ross Ihaka和Robert Gentleman共同開(kāi)發(fā)了R語(yǔ)言。起初R一直在小眾領(lǐng)域徘徊，也只有部分統(tǒng)計(jì)學(xué)家知曉。經(jīng)過(guò)研究人員多年對(duì)其開(kāi)源源程序持之以恒地不懈推送以及大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，終于讓R獲得了新生，成就了R語(yǔ)言的今天，這也是時(shí)代賦予R的任務(wù)。

R是一個(gè)集數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)計(jì)算、制圖以及可視化的優(yōu)秀程序設(shè)計(jì)環(huán)境，其卓越的性能為業(yè)界所稱(chēng)道。其特色主要集中在以下幾方面：

（一）R的語(yǔ)法

R語(yǔ)言是語(yǔ)法自由、簡(jiǎn)潔易學(xué)、完全面向?qū)ο笄颐杂傻暮瘮?shù)式語(yǔ)言，其語(yǔ)法來(lái)自于Scheme，并受S語(yǔ)言的影響。R的免費(fèi)、開(kāi)源使得其有別于SAS，盛行于高等院校和研究機(jī)構(gòu)。但并不代表掌握了這些語(yǔ)法就意味著領(lǐng)會(huì)了R的精髓。R涉及的領(lǐng)域極其廣泛，可以說(shuō)從互聯(lián)網(wǎng)到統(tǒng)計(jì)分析，從金融風(fēng)險(xiǎn)到數(shù)據(jù)挖掘，從生物信息到地球物理，從生物制藥到數(shù)據(jù)可視化等包羅萬(wàn)象。近年來(lái)，R快速地向工業(yè)界滲透并有望成為工業(yè)界不可或缺的語(yǔ)言。

（二）R的知識(shí)結(jié)構(gòu)

想要對(duì)R運(yùn)用自如，應(yīng)對(duì)其前期需具備的基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)構(gòu)了然于心。R作為一門(mén)統(tǒng)計(jì)語(yǔ)言與生俱來(lái)就有別于其他編程語(yǔ)言。只有把基礎(chǔ)知識(shí)（高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、離散數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等）與業(yè)務(wù)知識(shí)（本專(zhuān)業(yè)知識(shí)、相應(yīng)的算法、數(shù)據(jù)庫(kù)、R包等）有效地融合才可以在實(shí)際應(yīng)用中做到收放自如，R強(qiáng)大的生命力才會(huì)得以綻放。

（三）R的理念

R的設(shè)計(jì)理念就是“靜心做事”。

針對(duì)一個(gè)復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)模型而言，研究人員只需斟酌構(gòu)建合理的模型，傳什么參數(shù)即可，而不必考慮如何進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，其代碼也不會(huì)冗長(zhǎng)也不用設(shè)計(jì)模式，只需調(diào)用函數(shù)和傳相應(yīng)的參數(shù)即可，全然不必去考慮其時(shí)間和空間復(fù)雜度的問(wèn)題。

（四）R的其他特色

R不僅僅有以上一些特色，還有其他特色，如，它與其他編程語(yǔ)言和數(shù)據(jù)庫(kù)之間有相當(dāng)好的接口、有效的保存機(jī)制、有著豐富的網(wǎng)上資源等，不勝枚舉。

二、R語(yǔ)言和其他語(yǔ)言的對(duì)比分析

統(tǒng)計(jì)學(xué)家們最初使用R也是為了用其代替SAS做統(tǒng)計(jì)分析，主要是看中了其開(kāi)源、簡(jiǎn)潔、高效、易學(xué)、便于操作等性能。時(shí)代的進(jìn)步、大數(shù)據(jù)的爆發(fā)，R被賦予了新的生命力。然而，R的各個(gè)商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手如MATLAB、SPSS以及SAS也在蓬勃發(fā)展，它們都是非常優(yōu)秀的軟件且都在特定領(lǐng)域中一展身手，只是使用人群在不斷地調(diào)整著自己的使用工具而已。表1為四款軟件的對(duì)比。

通過(guò)比較分析和對(duì)未來(lái)發(fā)展的預(yù)測(cè)，我們認(rèn)為R是最值得學(xué)習(xí)掌握的軟件之一。由于R被時(shí)代賦予了特殊的使命，這就決定了R在目前以至于未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間會(huì)占據(jù)一定的主角地位。

三、R在數(shù)學(xué)建模中的應(yīng)用

隨著R的不斷發(fā)展，其已經(jīng)不僅僅局限于統(tǒng)計(jì)學(xué)這一小眾領(lǐng)域，互聯(lián)網(wǎng)、教育、電商、銀行等諸多行業(yè)都在使用R，這使得R一躍成為一門(mén)炙手可熱的數(shù)據(jù)分析利器。

基于R的語(yǔ)法、知識(shí)結(jié)構(gòu)、理念以及其他特性，我們不難發(fā)現(xiàn)其在高校的數(shù)學(xué)建模中可以發(fā)揮其卓越的性能。對(duì)本科生而言，數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽是一門(mén)綜合性非常強(qiáng)的賽事，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、應(yīng)用能力和實(shí)踐能力方面尤為重要。由于R本身具備的特性，如果在數(shù)學(xué)建模中恰當(dāng)?shù)匾肓薘，勢(shì)必會(huì)起到事半功倍的效果。本文舉兩個(gè)例子說(shuō)明R在數(shù)學(xué)建模中的效能。

問(wèn)題1：部分大學(xué)生畢業(yè)后，面臨的一個(gè)主要問(wèn)題之一就是就業(yè)。就業(yè)不僅關(guān)乎從業(yè)學(xué)生的未來(lái)發(fā)展，還對(duì)我國(guó)的高等教育直接產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

社會(huì)統(tǒng)計(jì)表明，大學(xué)生畢業(yè)后選擇職業(yè)主要集中考慮：工資待遇、地區(qū)和專(zhuān)業(yè)等因素，這些都會(huì)直接影響到未來(lái)學(xué)生的就業(yè)渠道。圖1是2002～2010年全國(guó)大學(xué)畢業(yè)生的平均月薪（單位：元;數(shù)據(jù)來(lái)源于《2012中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》）。

根據(jù)《2012年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》提供的數(shù)據(jù)，專(zhuān)科、本科、碩士2011年畢業(yè)后平均月薪見(jiàn)表1。

而我們結(jié)合影響大學(xué)畢業(yè)生月薪的有關(guān)因素，進(jìn)一步收集相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)建合理的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)2011年大學(xué)生平均月薪，同時(shí)利用MATLAB、SPSS、SAS和R進(jìn)行了擬合，結(jié)果均顯示與《2012中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》給定的數(shù)據(jù)在伯仲之間，說(shuō)明MATLAB、SPSS、SAS和R對(duì)這一問(wèn)題擬合效果均有效，但用R語(yǔ)言所做的擬合優(yōu)度（Good-ness of Fit）最接近于1，說(shuō)明R的擬合效果相較其他三種語(yǔ)言效果顯著。

問(wèn)題2：鋼鐵產(chǎn)能一直以來(lái)是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的標(biāo)志之一。近年來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)態(tài)勢(shì)呈穩(wěn)步攀升趨勢(shì)，對(duì)鋼鐵的需求常常供不應(yīng)求，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中地位彰顯。正因?yàn)槿绱?，我們需要通過(guò)計(jì)量分析來(lái)構(gòu)建模型，從而確定哪些因素對(duì)鋼鐵供應(yīng)量會(huì)產(chǎn)生不同的影響?，F(xiàn)有2006年各解釋變量數(shù)據(jù)（單位：萬(wàn)噸）：18382.93、40413、23.53、28344、109998.1624、219439、207694，試預(yù)測(cè)2006年鋼材供應(yīng)量。

為了全面反映影響我國(guó)鋼鐵供應(yīng)量的主要因素，選取了我國(guó)1986～2005年我國(guó)鋼材供應(yīng)量的具體數(shù)據(jù)，選擇“鋼材供應(yīng)量（萬(wàn)噸）Y”作為被解釋變量，“原油產(chǎn)量（萬(wàn)噸）X₁”“生鐵產(chǎn)量（萬(wàn)噸）X₁”“原煤產(chǎn)量（萬(wàn)噸）X₃”“電力產(chǎn)量（億千瓦小時(shí)）X₄”“固定資產(chǎn)投資（億元）X₅”“國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（億元）X₆”和“鐵路運(yùn)輸量（萬(wàn)噸）X₇”作為解釋變量。

利用逐步回歸法，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，去檢驗(yàn)并解決此問(wèn)題中存在的多重復(fù)共線性問(wèn)題，分別作Y對(duì)X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X₆、X₇的一元回歸，利用四款軟件對(duì)2006年的鋼鐵供應(yīng)量的預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

《2007中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示：2006年我國(guó)實(shí)際的鋼鐵應(yīng)量為42266萬(wàn)噸。表3顯示，就預(yù)測(cè)結(jié)果而言，R誤差最小，說(shuō)明R回歸的結(jié)果相較其他三款軟件最為準(zhǔn)確，與實(shí)際最為接近。因此我們可以看出，在對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、做回歸時(shí)，R語(yǔ)言表現(xiàn)出較好的性能。

四、結(jié)束語(yǔ)

R的優(yōu)點(diǎn)不言而喻，但R也有一些不盡如人意的地方，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）就健壯性而言，R語(yǔ)言畢竟出自統(tǒng)計(jì)學(xué)家，其遜于軟件工程師編寫(xiě)的軟件是不爭(zhēng)的事實(shí);

（2）初學(xué)R有一定門(mén)檻，主要是其需要具備一定的數(shù)學(xué)、概率統(tǒng)計(jì)等相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí);

（3）R處理文本文件略顯被動(dòng)。

當(dāng)R逐漸為我國(guó)高校及研究機(jī)構(gòu)人員使用時(shí)，普及率具有一定的局限性。然而，隨著R在業(yè)界作為眾多領(lǐng)域用戶(hù)的平臺(tái)后，R聲名鵲起。

R處在了一個(gè)對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘的時(shí)代，其勢(shì)必會(huì)被賦予洞察數(shù)據(jù)內(nèi)在價(jià)值和規(guī)律的任務(wù)。因此，用好R就會(huì)為人類(lèi)創(chuàng)造更大的價(jià)值空間。

[責(zé)任編輯：鐘嵐]