Проверка статистических гипотез
- Понятие о статистической гипотезе
- Уровень значимости при проверке гипотезы
- Критическая область
- Простая гипотеза и критерии согласия
- Критерий согласия (X^2) Пирсона
- Примеры
п.1. Понятие о статистической гипотезе
Статистическая гипотеза – это предположение о виде распределения и свойствах случайной величины в наблюдаемой выборке данных.
Прежде всего, мы формулируем «рабочую» гипотезу. Желательно это делать не на основе полученных данных, а исходя из природы и свойств исследуемого явления.
Затем формулируется нулевая гипотеза (H_0), отвергающая нашу рабочую гипотезу.
Наша рабочая гипотеза при этом называется альтернативной гипотезой (H_1).
Получаем, что (H_0=overline{H_1}), т.е. нулевая и альтернативная гипотеза вместе составляют полную группу несовместных событий.
Основной принцип проверки гипотезы – доказательство «от противного», т.е. опровергнуть гипотезу (H_0) и тем самым доказать гипотезу (H_1).
В результате проверки гипотезы возможны 4 исхода:
| Верная гипотеза | |||
| (H_0) | (H_1) | ||
| Принятая гипотеза | (H_0) | True Negative (H_0) принята верно |
False Negative (H_0) принята неверно Ошибка 2-го рода |
| (H_1) | False Positive (H_0) отвергнута неверно (H_1) принята неверно Ошибка 1-го рода |
True Positive (H_0) отвергнута верно (H_1) принята верно |
Ошибка 1-го рода – «ложная тревога».
Ошибка 2-го рода – «пропуск события».
Например:
К врачу обращается человек с некоторой жалобой.
Гипотеза (H_1) — человек болен, гипотеза (H_0) — человек здоров.
True Negative – здорового человека признают здоровым
True Positive – больного человека признают больным
False Positive – здорового человека признают больным – «ложная тревога»
False Negative – больного человека признают здоровым – «пропуск события»
Уровень значимости при проверке гипотезы
Статистический тест (статистический критерий) – это строгое математическое правило, по которому гипотеза принимается или отвергается.
В статистике разработано множество критериев: критерии согласия, критерии нормальности, критерии сдвига, критерии выбросов и т.д.
Уровень значимости – это пороговая (критическая) вероятность ошибки 1-го рода, т.е. непринятия гипотезы (H_0), когда она верна («ложная тревога»).
Требуемый уровень значимости α задает критическое значение для статистического теста.
Например:
Уровень значимости α=0,05 означает, что допускается не более чем 5%-ая вероятность ошибки.
В результате статистического теста на конкретных данных получают эмпирический уровень значимости p. Чем меньше значение p, тем сильнее аргументы против гипотезы (H_0).
Обобщив практический опыт, можно сформулировать следующие рекомендации для оценки p и выбора критического значения α:
| Уровень значимости (p) |
Решение о гипотезе (H_0) | Вывод для гипотезы (H_1) |
| (pgt 0,1) | (H_0) не может быть отклонена | Статистически достоверные доказательства не обнаружены |
| (0,5lt pleq 0,1) | Истинность (H_0) сомнительна, неопределенность | Доказательства обнаружены на уровне статистической тенденции |
| (0,01lt pleq 0,05) | Отклонение (H_0), значимость | Обнаружены статистически достоверные (значимые) доказательства |
| (pleq 0,01) | Отклонение (H_0), высокая значимость | Доказательства обнаружены на высоком уровне значимости |
Здесь под «доказательствами» мы понимаем результаты наблюдений, свидетельствующие в пользу гипотезы (H_1).
Традиционно уровень значимости α=0,05 выбирается для небольших выборок, в которых велика вероятность ошибки 2-го рода. Для выборок с (ngeq 100) критический уровень снижают до α=0,01.
п.3. Критическая область
Критическая область – область выборочного пространства, при попадании в которую нулевая гипотеза отклоняется.
Требуемый уровень значимости α, который задается исследователем, определяет границу попадания в критическую область при верной нулевой гипотезе.
Различают 3 вида критических областей
Критическая область на чертежах заштрихована.
(K_{кр}=chi_{f(alpha)}) определяют границы критической области в зависимости от α.
Если эмпирическое значение критерия попадает в критическую область, гипотезу (H_0) отклоняют.
Пусть (K*) — эмпирическое значение критерия. Тогда:
(|K|gt K_{кр}) – гипотеза (H_0) отклоняется
(|K|leq K_{кр}) – гипотеза (H_0) не отклоняется
п.4. Простая гипотеза и критерии согласия
Пусть (x=left{x_1,x_2,…,x_nright}) – случайная выборка n объектов из множества (X), соответствующая неизвестной функции распределения (F(t)).
Простая гипотеза состоит в предположении, что неизвестная функция (F(t)) является совершенно конкретным вероятностным распределением на множестве (X).
Например: 
Глядя на полученные данные эксперимента (синие точки), можно выдвинуть следующую простую гипотезу:
(H_0): данные являются выборкой из равномерного распределения на отрезке [-1;1]
Критерий согласия проверяет, согласуется ли заданная выборка с заданным распределением или с другой выборкой.
К критериям согласия относятся:
- Критерий Колмогорова-Смирнова;
- Критерий (X^2) Пирсона;
- Критерий (omega^2) Смирнова-Крамера-фон Мизеса
п.5. Критерий согласия (X^2) Пирсона
Пусть (left{t_1,t_2,…,t_nright}) — независимые случайные величины, подчиняющиеся стандартному нормальному распределению N(0;1) (см. §63 данного справочника)
Тогда сумма квадратов этих величин: $$ x=t_1^2+t_2^2+⋯+t_n^2 $$ является случайной величиной, которая имеет распределение (X^2) с n степенями свободы.
График плотности распределения (X^2) при разных n имеет вид: 
С увеличением n распределение (X^2) стремится к нормальному (согласно центральной предельной теореме – см. §64 данного справочника).
Если мы:
1) выдвигаем простую гипотезу (H_0) о том, что полученные данные являются выборкой из некоторого закона распределения (f(x));
2) выбираем в качестве теста проверки гипотезы (H_0) критерий Пирсона, —
тогда определение критической области будет основано на распределении (X^2).
Заметим, что выдвижение основной гипотезы в качестве (H_0) при проведении этого теста исторически сложилось.
В этом случае критическая область правосторонняя.
Мы задаем уровень значимости α и находим критическое значение
(X_{кр}^2=X^2(alpha,k-r-1)), где k — число вариант в исследуемом ряду, r – число параметров предполагаемого распределения.
Для этого есть специальные таблицы.
Или используем функцию ХИ2ОБР(α,k-r-1) в MS Excel (она сразу считает нужный нам правый хвост). Например, при r=0 (для равномерного распределения):
Пусть нам дан вариационный ряд с экспериментальными частотами (f_i, i=overline{1,k}).
Пусть наша гипотеза (H_0) –данные являются выборкой из закона распределения с известной плотностью распределения (p(x)).
Тогда соответствующие «теоретические частоты» (m_i=Ap(x_i)), где (x_i) – значения вариант данного ряда, A – коэффициент, который в общем случае зависит от ряда (дискретный или непрерывный).
Находим значение статистического теста: $$ X_e^2=sum_{j=1}^kfrac{(f_i-m_i)^2}{m_i} $$ Если эмпирическое значение (X_e^2) окажется в критической области, гипотеза (H_0) отвергается.
(X_e^2geq X_{кр}^2) — закон распределения не подходит (гипотеза (H_0) не принимается)
(X_e^2lt X_{кр}^2) — закон распределения подходит (гипотеза (H_0) принимается)
Например:
В эксперименте 60 раз подбрасывают игральный кубик и получают следующие результаты:
| Очки, (x_i) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Частота, (f_i) | 8 | 12 | 13 | 7 | 12 | 8 |
Не является ли кубик фальшивым?
Если кубик не фальшивый, то справедлива гипотеза (H_0) — частота выпадений очков подчиняется равномерному распределению: $$ p_i=frac16, i=overline{1,6} $$ При N=60 экспериментах каждая сторона теоретически должна выпасть: $$ m_i=p_icdot N=frac16cdot 60=10 $$ по 10 раз.
Строим расчетную таблицу:
| (x_i) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ∑ |
| (f_i) | 8 | 12 | 13 | 7 | 12 | 8 | 60 |
| (m_i) | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 60 |
| (f_i-m_i) | -2 | 2 | 3 | -3 | 2 | -2 | — |
| (frac{(f_i-m_i)^2}{m_i}) | 0,4 | 0,4 | 0,9 | 0,9 | 0,4 | 0,4 | 3,4 |
Значение теста: $$ X_e^2=3,4 $$ Для уровня значимости α=0,05, k=6 и r=0 находим критическое значение:
$$ X_{кр}^2approx 11,1 $$ Получается, что: $$ X_e^2lt X_{кр}^2 $$ На уровне значимости α=0,05 принимается гипотеза (H_0) про равномерное распределение.
Значит, с вероятностью 95% кубик не фальшивый.
п.6. Примеры
Пример 1. В эксперименте 72 раза подбрасывают игральный кубик и получают следующие результаты:
| Очки, (x_i) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Частота, (f_i) | 8 | 12 | 13 | 7 | 10 | 22 |
Не является ли кубик фальшивым?
Если кубик не фальшивый, то справедлива гипотеза (H_0) — частота выпадений очков подчиняется равномерному распределению: $$ p_i=frac16, i=overline{1,6} $$ При N=72 экспериментах каждая сторона теоретически должна выпасть: $$ m_i=p_icdot N=frac16cdot 72=12 $$ по 12 раз.
Строим расчетную таблицу:
| (x_i) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ∑ |
| (f_i) | 8 | 12 | 13 | 7 | 10 | 22 | 72 |
| (m_i) | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 72 |
| (f_i-m_i) | -4 | 0 | 1 | -5 | -2 | 10 | — |
| (frac{(f_i-m_i)^2}{m_i}) | 1,333 | 0,000 | 0,083 | 2,083 | 0,333 | 8,333 | 12,167 |
Значение теста: $$ X_e^2=12,167 $$ Для уровня значимости α=0,05, k=6 и r=0 находим критическое значение:
$$ X_{кр}^2approx 11,1 $$ Получается, что: $$ X_e^2gt X_{кр}^2 $$ На уровне значимости α=0,05 гипотеза (H_0) про равномерное распределение не принимается.
Значит, с вероятностью 95% кубик фальшивый.
Пример 2. Во время Второй мировой войны Лондон подвергался частым бомбардировкам. Чтобы улучшить организацию обороны, город разделили на 576 прямоугольных участков, 24 ряда по 24 прямоугольника.
В течение некоторого времени были получены следующие данные по количеству попаданий на участки:
| Число попаданий, (x_i) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Количество участков, (f_i) | 229 | 211 | 93 | 35 | 7 | 0 | 0 | 1 |
Проверялась гипотеза (H_0) — стрельба случайна.
Если стрельба случайна, то попадание на участок должно иметь распределение, подчиняющееся «закону редких событий» — закону Пуассона с плотностью вероятности: $$ p(k)=frac{lambda^k}{k!}e^{-lambda} $$ где (k) — число попаданий. Чтобы получить значение (lambda), нужно посчитать математическое ожидание данного распределения.
Составим расчетную таблицу:
| (x_i) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | ∑ |
| (f_i) | 229 | 211 | 93 | 35 | 7 | 0 | 0 | 1 | 576 |
| (x_if_i) | 0 | 211 | 186 | 105 | 28 | 0 | 0 | 7 | 537 |
$$ lambdaapprox M(x)=frac{sum x_if_i}{N}=frac{537}{576}approx 0,932 $$ Тогда теоретические частоты будут равны: $$ m_i=Ncdot p(k) $$ Получаем:
| (x_i) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | ∑ |
| (f_i) | 229 | 211 | 93 | 35 | 7 | 0 | 0 | 1 | 576 |
| (p_i) | 0,39365 | 0,36700 | 0,17107 | 0,05316 | 0,01239 | 0,00231 | 0,00036 | 0,00005 | 0,99999 |
| (m_i) | 226,7 | 211,4 | 98,5 | 30,6 | 7,1 | 1,3 | 0,2 | 0,0 | 576,0 |
| (f_i-m_i) | 2,3 | -0,4 | -5,5 | 4,4 | -0,1 | -1,3 | -0,2 | 1,0 | — |
| (frac{(f_i-m_i)^2}{m_i}) (результат) | 0,02 | 0,00 | 0,31 | 0,63 | 0,00 | 1,33 | 0,21 | 34,34 | 36,84 |
Значение теста: (X_e^2=36,84)
Поскольку в ходе исследования мы нашли оценку для λ через подсчет выборочной средней, нужно уменьшить число степеней свободы на r=1, и критическое значение статистики искать для (X_{кр}^2=X^2(alpha,k-2)).
Для уровня значимости α=0,05 и k=8, r=1 находим:
(X_{кр}^2approx 12,59)
Получается, что: (X_e^2gt X_{кр}^2)
Гипотеза (H_0) не принимается.
Стрельба не случайна.
Пример 3. В предыдущем примере объединили события x={4;5;6;7} с редким числом попаданий:
| Число попаданий, (x_i) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4-7 |
| Количество участков, (f_i) | 229 | 211 | 93 | 35 | 8 |
Проверялась гипотеза (H_0) — стрельба случайна.
Для последней объединенной варианты находим среднюю взвешенную: $$ x_5=frac{4cdot 7+5cdot 0+6cdot 0+7cdot 1}{7+1}=4,375 $$ Найдем оценку λ.
| (x_i) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4,375 | ∑ |
| (f_i) | 229 | 211 | 93 | 35 | 8 | 576 |
| (x_if_i) | 0 | 211 | 186 | 105 | 35 | 537 |
$$ lambdaapprox M(x)=frac{sum x_if_i}{N}=frac{537}{576}approx 0,932 $$ Оценка не изменилась, что указывает на правильное определение средней для (x_5).
Строим расчетную таблицу для подсчета статистики:
| (x_i) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4,375 | ∑ |
| (f_i) | 229 | 211 | 93 | 35 | 8 | 576 |
| (p_i) | 0,3937 | 0,3670 | 0,1711 | 0,0532 | 0,0121 | 0,9970 |
| (m_i) | 226,7 | 211,4 | 98,5 | 30,6 | 7,0 | 574,2 |
| (f_i-m_i) | 2,3 | -0,4 | -5,5 | 4,4 | 1,0 | — |
| (frac{(f_i-m_i)^2}{m_i}) | 0,02 | 0,00 | 0,31 | 0,63 | 0,16 | 1,12 |
Значение теста: (X_e^2=1,12)
Критическое значение статистики ищем в виде (X_{кр}^2=X^2(alpha,k-2)), где α=0,05 и k=5, r=1
(X_{кр}^2approx 7,81)
Получается, что: (X_e^2lt X_{кр}^2)
Гипотеза (H_0) принимается.
Стрельба случайна.
И какой же ответ верный? Полученный в Примере 2 или в Примере 3?
Если посмотреть в расчетную таблицу для статистики (X_e^2) в Примере 2, основной вклад внесло слагаемое для (x_i=7). Оно равно 34,34 и поэтому сумма (X_e^2=36,84) в итоге велика. А в расчетной таблице Примера 3 такого выброса нет. Для объединенной варианты (x_i=4,375) слагаемое статистики равно 0,16 и сумма (X_e^2=1,12) в итоге мала.
Правильный ответ – в Примере 3.
Стрельба случайна.
Ошибки первого и второго рода
Выдвинутая гипотеза
может быть правильной или неправильной,
поэтому возникает необходимость её
проверки. Поскольку проверку производят
статистическими методами, её называют
статистической. В итоге статистической
проверки гипотезы в двух случаях может
быть принято неправильное решение, т.
е. могут быть допущены ошибки двух родов.
Ошибка первого
рода состоит в том, что будет отвергнута
правильная гипотеза.
Ошибка второго
рода состоит в том, что будет принята
неправильная гипотеза.
Подчеркнём, что
последствия этих ошибок могут оказаться
весьма различными. Например, если
отвергнуто правильное решение «продолжать
строительство жилого дома», то эта
ошибка первого рода повлечёт материальный
ущерб: если же принято неправильное
решение «продолжать строительство»,
несмотря на опасность обвала стройки,
то эта ошибка второго рода может повлечь
гибель людей. Можно привести примеры,
когда ошибка первого рода влечёт более
тяжёлые последствия, чем ошибка второго
рода.
Замечание 1.
Правильное решение может быть принято
также в двух случаях:
-
гипотеза принимается,
причём и в действительности она
правильная; -
гипотеза отвергается,
причём и в действительности она неверна.
Замечание 2.
Вероятность совершить ошибку первого
рода принято обозначать через
;
её называют уровнем значимости. Наиболее
часто уровень значимости принимают
равным 0,05 или 0,01. Если, например, принят
уровень значимости, равный 0,05, то это
означает, что в пяти случаях из ста
имеется риск допустить ошибку первого
рода (отвергнуть правильную гипотезу).
Статистический
критерий проверки нулевой гипотезы.
Наблюдаемое значение критерия
Для проверки
нулевой гипотезы используют специально
подобранную случайную величину, точное
или приближённое распределение которой
известно. Обозначим эту величину в целях
общности через
.
Статистическим
критерием
(или просто критерием) называют случайную
величину
,
которая служит для проверки нулевой
гипотезы.
Например, если
проверяют гипотезу о равенстве дисперсий
двух нормальных генеральных совокупностей,
то в качестве критерия
принимают отношение исправленных
выборочных дисперсий:
.
Эта величина
случайная, потому что в различных опытах
дисперсии принимают различные, наперёд
неизвестные значения, и распределена
по закону Фишера – Снедекора.
Для проверки
гипотезы по данным выборок вычисляют
частные значения входящих в критерий
величин и таким образом получают частное
(наблюдаемое) значение критерия.
Наблюдаемым
значением
называют значение критерия, вычисленное
по выборкам. Например, если по двум
выборкам найдены исправленные выборочные
дисперсии
и
,
то наблюдаемое значение критерия
.
Критическая
область. Область принятия гипотезы.
Критические точки
После выбора
определённого критерия множество всех
его возможных значений разбивают на
два непересекающихся подмножества:
одно из них содержит значения критерия,
при которых нулевая гипотеза отвергается,
а другая – при которых она принимается.
Критической
областью называют совокупность значений
критерия, при которых нулевую гипотезу
отвергают.
Областью принятия
гипотезы (областью допустимых значений)
называют совокупность значений критерия,
при которых гипотезу принимают.
Основной принцип
проверки статистических гипотез можно
сформулировать так: если наблюдаемое
значение критерия принадлежит критической
области – гипотезу отвергают, если
наблюдаемое значение критерия принадлежит
области принятия гипотезы – гипотезу
принимают.
Поскольку критерий
— одномерная случайная величина, все её
возможные значения принадлежат некоторому
интервалу. Поэтому критическая область
и область принятия гипотезы также
являются интервалами и, следовательно,
существуют точки, которые их разделяют.
Критическими
точками (границами)
называют точки, отделяющие критическую
область от области принятия гипотезы.
Различают
одностороннюю (правостороннюю или
левостороннюю) и двустороннюю критические
области.
Правосторонней
называют критическую область, определяемую
неравенством
>
,
где
— положительное число.
Левосторонней
называют критическую область, определяемую
неравенством
<
,
где
— отрицательное число.
Односторонней
называют правостороннюю или левостороннюю
критическую область.
Двусторонней
называют критическую область, определяемую
неравенствами
где
.
В частности, если
критические точки симметричны относительно
нуля, двусторонняя критическая область
определяется неравенствами ( в
предположении, что
>0):
,
или равносильным неравенством
.
Отыскание
правосторонней критической области
Как найти критическую
область? Обоснованный ответ на этот
вопрос требует привлечения довольно
сложной теории. Ограничимся её элементами.
Для определённости начнём с нахождения
правосторонней критической области,
которая определяется неравенством
>
,
где
>0.
Видим, что для отыскания правосторонней
критической области достаточно найти
критическую точку. Следовательно,
возникает новый вопрос: как её найти?
Для её нахождения
задаются достаточной малой вероятностью
– уровнем значимости
.
Затем ищут критическую точку
,
исходя из требования, чтобы при условии
справедливости нулевой гипотезы
вероятность того, критерий
примет значение, большее
,
была равна принятому уровню значимости:
Р(
>
)=
.
Для каждого критерия
имеются соответствующие таблицы, по
которым и находят критическую точку,
удовлетворяющую этому требованию.
Замечание 1.
Когда
критическая точка уже найдена, вычисляют
по данным выборок наблюдаемое значение
критерия и, если окажется, что
>
,
то нулевую гипотезу отвергают; если же
<
,
то нет оснований, чтобы отвергнуть
нулевую гипотезу.
Пояснение. Почему
правосторонняя критическая область
была определена, исходя из требования,
чтобы при справедливости нулевой
гипотезы выполнялось соотношение
Р(
>
)=
?
(*)
Поскольку вероятность
события
>
мала (
— малая вероятность), такое событие при
справедливости нулевой гипотезы, в силу
принципа практической невозможности
маловероятных событий, в единичном
испытании не должно наступить. Если всё
же оно произошло, т.е. наблюдаемое
значение критерия оказалось больше
,
то это можно объяснить тем, что нулевая
гипотеза ложна и, следовательно, должна
быть отвергнута. Таким образом, требование
(*) определяет такие значения критерия,
при которых нулевая гипотеза отвергается,
а они и составляют правостороннюю
критическую область.
Замечание 2.
Наблюдаемое значение критерия может
оказаться большим
не потому, что нулевая гипотеза ложна,
а по другим причинам (малый объём выборки,
недостатки методики эксперимента и
др.). В этом случае, отвергнув правильную
нулевую гипотезу, совершают ошибку
первого рода. Вероятность этой ошибки
равна уровню значимости
.
Итак, пользуясь требованием (*), мы с
вероятностью
рискуем совершить ошибку первого рода.
Замечание 3. Пусть
нулевая гипотеза принята; ошибочно
думать, что тем самым она доказана.
Действительно, известно, что один пример,
подтверждающий справедливость некоторого
общего утверждения, ещё не доказывает
его. Поэтому более правильно говорить,
«данные наблюдений согласуются с нулевой
гипотезой и, следовательно, не дают
оснований её отвергнуть».
На практике для
большей уверенности принятия гипотезы
её проверяют другими способами или
повторяют эксперимент, увеличив объём
выборки.
Отвергают гипотезу
более категорично, чем принимают.
Действительно, известно, что достаточно
привести один пример, противоречащий
некоторому общему утверждению, чтобы
это утверждение отвергнуть. Если
оказалось, что наблюдаемое значение
критерия принадлежит критической
области, то этот факт и служит примером,
противоречащим нулевой гипотезе, что
позволяет её отклонить.
Отыскание
левосторонней и двусторонней критических
областей***
Отыскание
левосторонней и двусторонней критических
областей сводится (так же, как и для
правосторонней) к нахождению соответствующих
критических точек. Левосторонняя
критическая область определяется
неравенством
<
(
<0).
Критическую точку находят, исходя из
требования, чтобы при справедливости
нулевой гипотезы вероятность того, что
критерий примет значение, меньшее
,
была равна принятому уровню значимости:
Р(
<
)=
.
Двусторонняя
критическая область определяется
неравенствами
Критические
точки находят, исходя из требования,
чтобы при справедливости нулевой
гипотезы сумма вероятностей того, что
критерий примет значение, меньшее
или большее
,
была равна принятому уровню значимости:
.
(*)
Ясно, что критические
точки могут быть выбраны бесчисленным
множеством способов. Если же распределение
критерия симметрично относительно нуля
и имеются основания (например, для
увеличения мощности) выбрать симметричные
относительно нуля точки (-
)и
(
>0),
то
Учитывая (*), получим
.
Это соотношение
и служит для отыскания критических
точек двусторонней критической области.
Критические точки находят по соответствующим
таблицам.
Дополнительные
сведения о выборе критической области.
Мощность критерия
Мы строили
критическую область, исходя из требования,
чтобы вероятность попадания в неё
критерия была равна
при условии, что нулевая гипотеза
справедлива. Оказывается целесообразным
ввести в рассмотрение вероятность
попадания критерия в критическую область
при условии, что нулевая гипотеза неверна
и, следовательно, справедлива конкурирующая.
Мощностью критерия
называют вероятность попадания критерия
в критическую область при условии, что
справедлива конкурирующая гипотеза.
Другими словами, мощность критерия есть
вероятность того, что нулевая гипотеза
будет отвергнута, если верна конкурирующая
гипотеза.
Пусть для проверки
гипотезы принят определённый уровень
значимости и выборка имеет фиксированный
объём. Остаётся произвол в выборе
критической области. Покажем, что её
целесообразно построить так, чтобы
мощность критерия была максимальной.
Предварительно убедимся, что если
вероятность ошибки второго рода (принять
неправильную гипотезу) равна
,
то мощность равна 1-
.
Действительно, если
— вероятность ошибки второго рода, т.е.
события «принята нулевая гипотеза,
причём справедливо конкурирующая», то
мощность критерия равна 1 —
.
Пусть мощность 1
—
возрастает; следовательно, уменьшается
вероятность
совершить ошибку второго рода. Таким
образом, чем мощность больше, тем
вероятность ошибки второго рода меньше.
Итак, если уровень
значимости уже выбран, то критическую
область следует строить так, чтобы
мощность критерия была максимальной.
Выполнение этого требования должно
обеспечить минимальную ошибку второго
рода, что, конечно, желательно.
Замечание 1.
Поскольку вероятность события «ошибка
второго рода допущена» равна
,
то вероятность противоположного события
«ошибка второго рода не допущена» равна
1 —
,
т.е. мощности критерия. Отсюда следует,
что мощность критерия есть вероятность
того, что не будет допущена ошибка
второго рода.
Замечание 2. Ясно,
что чем меньше вероятности ошибок
первого и второго рода, тем критическая
область «лучше». Однако при заданном
объёме выборки уменьшить одновременно
и
невозможно; если уменьшить
,
то
будет возрастать. Например, если принять
=0,
то будут приниматься все гипотезы, в
том числе и неправильные, т.е. возрастает
вероятность
ошибки второго рода.
Как же выбрать
наиболее целесообразно? Ответ на этот
вопрос зависит от «тяжести последствий»
ошибок для каждой конкретной задачи.
Например, если ошибка первого рода
повлечёт большие потери, а второго рода
– малые, то следует принять возможно
меньшее
.
Если
уже выбрано, то, пользуясь теоремой Ю.
Неймана и Э.Пирсона, можно построить
критическую область, для которой
будет минимальным и, следовательно,
мощность критерия максимальной.
Замечание 3.
Единственный способ одновременного
уменьшения вероятностей ошибок первого
и второго рода состоит в увеличении
объёма выборок.
Соседние файлы в папке Лекции 2 семестр
- #
- #
- #
- #
Ошибки, встроенные в систему: их роль в статистике
Время на прочтение
6 мин
Количество просмотров 13K
В прошлой статье я указал, как распространена проблема неправильного использования t-критерия в научных публикациях (и это возможно сделать только благодаря их открытости, а какой трэш творится при его использовании во всяких курсовых, отчетах, обучающих задачах и т.д. — неизвестно). Чтобы обсудить это, я рассказал об основах дисперсионного анализа и задаваемом самим исследователем уровне значимости α. Но для полного понимания всей картины статистического анализа необходимо подчеркнуть ряд важных вещей. И самая основная из них — понятие ошибки.
Ошибка и некорректное применение: в чем разница?
В любой физической системе содержится какая-либо ошибка, неточность. В самой разнообразной форме: так называемый допуск — отличие в размерах разных однотипных изделий; нелинейная характеристика — когда прибор или метод измеряют что-то по строго известному закону в определенных пределах, а дальше становятся неприменимыми; дискретность — когда мы чисто технически не можем обеспечить плавность выходной характеристики.
И в то же время существует чисто человеческая ошибка — некорректное использование устройств, приборов, математических законов. Между ошибкой, присущей системе, и ошибкой применения этой системы есть принципиальная разница. Важно различать и не путать между собой эти два понятия, называемые одним и тем же словом «ошибка». Я в данной статье предпочитаю использовать слово «ошибка» для обозначения свойства системы, а «некорректное применение» — для ошибочного ее использования.
То есть, ошибка линейки равна допуску оборудования, наносящего штрихи на ее полотно. А ошибкой в смысле некорректного применения было бы использовать ее при измерении деталей наручных часов. Ошибка безмена написана на нем и составляет что-то около 50 граммов, а неправильным использованием безмена было бы взвешивание на нем мешка в 25 кг, который растягивает пружину из области закона Гука в область пластических деформаций. Ошибка атомно-силового микроскопа происходит из его дискретности — нельзя «пощупать» его зондом предметы мельче, чем диаметром в один атом. Но способов неправильно использовать его или неправильно интерпретировать данные существует множество. И так далее.
Так, а что же за ошибка имеет место в статистических методах? А этой ошибкой как раз и является пресловутый уровень значимости α.
Ошибки первого и второго рода
Ошибкой в математическом аппарате статистики является сама ее Байесовская вероятностная сущность. В прошлой статье я уже упоминал, на чем стоят статистические методы: определение уровня значимости α как наибольшей допустимой вероятности неправомерно отвергнуть нулевую гипотезу, и самостоятельное задание исследователем этой величины перед исследователем.
Вы уже видите эту условность? На самом деле, в критериальных методах нету привычной математической строгости. Математика здесь оперирует вероятностными характеристиками.
И тут наступает еще один момент, где возможна неправильная трактовка одного слова в разном контексте. Необходимо различать само понятие вероятности и фактическую реализацию события, выражающуюся в распределении вероятности. Например, перед началом любого нашего эксперимента мы не знаем, какую именно величину мы получим в результате. Есть два возможных исхода: загадав некоторое значение результата, мы либо действительно его получим, либо не получим. Логично, что вероятность и того, и другого события равна 1/2. Но показанная в предыдущей статье Гауссова кривая показывает распределение вероятности того, что мы правильно угадаем совпадение.
Наглядно можно проиллюстрировать это примером. Пусть мы 600 раз бросаем два игральных кубика — обычный и шулерский. Получим следующие результаты:
До эксперимента для обоих кубиков выпадение любой грани будет равновероятно — 1/6. Однако после эксперимента проявляется сущность шулерского кубика, и мы можем сказать, что плотность вероятности выпадения на нем шестерки — 90%.
Другой пример, который знают химики, физики и все, кто интересуется квантовыми эффектами — атомные орбитали. Теоретически электрон может быть «размазан» в пространстве и находиться практически где угодно. Но на практике есть области, где он будет находиться в 90 и более процентах случаев. Эти области пространства, образованные поверхностью с плотностью вероятности нахождения там электрона 90%, и есть классические атомные орбитали, в виде сфер, гантелей и т.д.
Так вот, самостоятельно задавая уровень значимости, мы заведомо соглашаемся на описанную в его названии ошибку. Из-за этого ни один результат нельзя считать «стопроцентно достоверным» — всегда наши статистические выводы будут содержать некоторую вероятность сбоя.
Ошибка, формулируемая определением уровня значимости α, называется ошибкой первого рода. Ее можно определить, как «ложная тревога», или, более корректно, ложноположительный результат. В самом деле, что означают слова «ошибочно отвергнуть нулевую гипотезу»? Это значит, по ошибке принять наблюдаемые данные за значимые различия двух групп. Поставить ложный диагноз о наличии болезни, поспешить явить миру новое открытие, которого на самом деле нет — вот примеры ошибок первого рода.
Но ведь тогда должны быть и ложноотрицательные результаты? Совершенно верно, и они называются ошибками второго рода. Примеры — не поставленный вовремя диагноз или же разочарование в результате исследования, хотя на самом деле в нем есть важные данные. Ошибки второго рода обозначаются буквой, как ни странно, β. Но само это понятие не так важно для статистики, как число 1-β. Число 1-β называется мощностью критерия, и как нетрудно догадаться, оно характеризует способность критерия не упустить значимое событие.
Однако содержание в статистических методах ошибок первого и второго рода не является только лишь их ограничением. Само понятие этих ошибок может использоваться непосредственным образом в статистическом анализе. Как?
ROC-анализ
ROC-анализ (от receiver operating characteristic, рабочая характеристика приёмника) — это метод количественного определения применимости некоторого признака к бинарной классификации объектов. Говоря проще, мы можем придумать некоторый способ, как отличить больных людей от здоровых, кошек от собак, черное от белого, а затем проверить правомерность такого способа. Давайте снова обратимся к примеру.
Пусть вы — подающий надежды криминалист, и разрабатываете новый способ скрытно и однозначно определять, является ли человек преступником. Вы придумали количественный признак: оценивать преступные наклонности людей по частоте прослушивания ими Михаила Круга. Но будет ли давать адекватные результаты ваш признак? Давайте разбираться.
Вам понадобится две группы людей для валидации вашего критерия: обычные граждане и преступники. Положим, действительно, среднегодовое время прослушивания ими Михаила Круга различается (см. рисунок):
Здесь мы видим, что по количественному признаку времени прослушивания наши выборки пересекаются. Кто-то слушает Круга спонтанно по радио, не совершая преступлений, а кто-то нарушает закон, слушая другую музыку или даже будучи глухим. Какие у нас есть граничные условия? ROC-анализ вводит понятия селективности (чувствительности) и специфичности. Чувствительность определяется как способность выявлять все-все интересующие нас точки (в данном примере — преступников), а специфичность — не захватывать ничего ложноположительного (не ставить под подозрение простых обывателей). Мы можем задать некоторую критическую количественную черту, отделяющую одних от других (оранжевая), в пределах от максимальной чувствительности (зеленая) до максимальной специфичности (красная).
Посмотрим на следующую схему:
Смещая значение нашего признака, мы меняем соотношения ложноположительного и ложноотрицательного результатов (площади под кривыми). Точно так же мы можем дать определения Чувствительность = Полож. рез-т/(Полож. рез-т + ложноотриц. рез-т) и Специфичность = Отриц. рез-т/(Отриц. рез-т + ложноположит. рез-т).
Но главное, мы можем оценить соотношение положительных результатов к ложноположительным на всем отрезке значений нашего количественного признака, что и есть наша искомая ROC-кривая (см. рисунок):
А как нам понять из этого графика, насколько хорош наш признак? Очень просто, посчитать площадь под кривой (AUC, area under curve). Пунктирная линия (0,0; 1,1) означает полное совпадение двух выборок и совершенно бессмысленный критерий (площадь под кривой равна 0,5 от всего квадрата). А вот выпуклость ROC кривой как раз и говорит о совершенстве критерия. Если же нам удастся найти такой критерий, что выборки вообще не будут пересекаться, то площадь под кривой займет весь график. В целом же признак считается хорошим, позволяющим надежно отделить одну выборку от другой, если AUC > 0,75-0,8.
С помощью такого анализа вы можете решать самые разные задачи. Решив, что слишком много домохозяек оказались под подозрением из-за Михаила Круга, а кроме того упущены опасные рецидивисты, слушающие Ноггано, вы можете отвергнуть этот критерий и разработать другой.
Возникнув, как способ обработки радиосигналов и идентификации «свой-чужой» после атаки на Перл-Харбор (отсюда и пошло такое странное название про характеристику приемника), ROC-анализ нашел широкое применение в биомедицинской статистике для анализа, валидации, создания и характеристики панелей биомаркеров и т.д. Он гибок в использовании, если оно основано на грамотной логике. Например, вы можете разработать показания для медицинской диспансеризации пенсионеров-сердечников, применив высокоспецифичный критерий, повысив эффективность выявления болезней сердца и не перегружая врачей лишними пациентами. А во время опасной эпидемии ранее неизвестного вируса вы наоборот, можете придумать высокоселективный критерий, чтобы от вакцинации в прямом смысле не ускользнул ни один чих.
С ошибками обоих родов и их наглядностью в описании валидируемых критериев мы познакомились. Теперь же, двигаясь от этих логических основ, можно разрушить ряд ложных стереотипных описаний результатов. Некоторые неправильные формулировки захватывают наши умы, часто путаясь своими схожими словами и понятиями, а также из-за очень малого внимания, уделяемого неверной интерпретации. Об этом, пожалуй, нужно будет написать отдельно.
Ошибки I и II рода при проверке гипотез, мощность
Общий обзор
Принятие неправильного решения
Мощность и связанные факторы
Проверка множественных гипотез
Общий обзор
Большинство проверяемых гипотез сравнивают между собой группы объектов, которые испытывают влияние различных факторов.
Например, можно сравнить эффективность двух видов лечения, чтобы сократить 5-летнюю смертность от рака молочной железы. Для данного исхода (например, смерть) сравнение, представляющее интерес (например, различные показатели смертности через 5 лет), называют эффектом или, если уместно, эффектом лечения.
Нулевую гипотезу выражают как отсутствие эффекта (например 5-летняя смертность от рака молочной железы одинаковая в двух группах, получающих разное лечение); двусторонняя альтернативная гипотеза будет означать, что различие эффектов не равно нулю.
Критериальная проверка гипотезы дает возможность определить, достаточно ли аргументов, чтобы отвергнуть нулевую гипотезу. Можно принять только одно из двух решений:
- отвергнуть нулевую гипотезу и принять альтернативную гипотезу
- остаться в рамках нулевой гипотезы
Важно: В литературе достаточно часто встречается понятие «принять нулевую гипотезу». Хотелось бы внести ясность, что со статистической точки зрения принять нулевую гипотезу невозможно, т.к. нулевая гипотеза представляет собой достаточно строгое утверждение (например, средние значения в сравниваемых группах равны 
).
Поэтому фразу о принятии нулевой гипотезы следует понимать как то, что мы просто остаемся в рамках гипотезы.
Принятие неправильного решения
Возможно неправильное решение, когда отвергают/не отвергают нулевую гипотезу, потому что есть только выборочная информация.
| |
Верная гипотеза | ||
|---|---|---|---|
| H0 | H1 | ||
| Результат применения критерия |
H0 | H0 верно принята | H0 неверно принята (Ошибка второго рода) |
| H1 | H0 неверно отвергнута (Ошибка первого рода) |
H0 верно отвергнута |
Ошибка 1-го рода: нулевую гипотезу отвергают, когда она истинна, и делают вывод, что имеется эффект, когда в действительности его нет. Максимальный шанс (вероятность) допустить ошибку 1-го рода обозначается α (альфа). Это уровень значимости критерия; нулевую гипотезу отвергают, если наше значение p ниже уровня значимости, т. е., если p < α.
Следует принять решение относительно значения а прежде, чем будут собраны данные; обычно назначают условное значение 0,05, хотя можно выбрать более ограничивающее значение, например 0,01.
Шанс допустить ошибку 1-го рода никогда не превысит выбранного уровня значимости, скажем α = 0,05, так как нулевую гипотезу отвергают только тогда, когда p< 0,05. Если обнаружено, что p > 0,05, то нулевую гипотезу не отвергнут и, следовательно, не допустят ошибки 1-го рода.
Ошибка 2-го рода: не отвергают нулевую гипотезу, когда она ложна, и делают вывод, что нет эффекта, тогда как в действительности он существует. Шанс возникновения ошибки 2-го рода обозначается β (бета); а величина (1-β) называется мощностью критерия.
Следовательно, мощность — это вероятность отклонения нулевой гипотезы, когда она ложна, т.е. это шанс (обычно выраженный в процентах) обнаружить реальный эффект лечения в выборке данного объема как статистически значимый.
В идеале хотелось бы, чтобы мощность критерия составляла 100%; однако это невозможно, так как всегда остается шанс, хотя и незначительный, допустить ошибку 2-го рода.
К счастью, известно, какие факторы влияют на мощность и, таким образом, можно контролировать мощность критерия, рассматривая их.
Мощность и связанные факторы
Планируя исследование, необходимо знать мощность предложенного критерия. Очевидно, можно начинать исследование, если есть «хороший» шанс обнаружить уместный эффект, если таковой существует (под «хорошим» мы подразумеваем, что мощность должна быть по крайней мере 70-80%).
Этически безответственно начинать исследование, у которого, скажем, только 40% вероятности обнаружить реальный эффект лечения; это бесполезная трата времени и денежных средств.
Ряд факторов имеют прямое отношение к мощности критерия.
Объем выборки: мощность критерия увеличивается по мере увеличения объема выборки. Это означает, что у большей выборки больше возможностей, чем у незначительной, обнаружить важный эффект, если он существует.
Когда объем выборки небольшой, у критерия может быть недостаточно мощности, чтобы обнаружить отдельный эффект. Эти методы также можно использовать для оценки мощности критерия для точно установленного объема выборки.
Вариабельность наблюдений: мощность увеличивается по мере того, как вариабельность наблюдений уменьшается.
Интересующий исследователя эффект: мощность критерия больше для более высоких эффектов. Критерий проверки гипотез имеет больше шансов обнаружить значительный реальный эффект, чем незначительный.
Уровень значимости: мощность будет больше, если уровень значимости выше (это эквивалентно увеличению допущения ошибки 1-го рода, α, а допущение ошибки 2-го рода, β, уменьшается).
Таким образом, вероятнее всего, исследователь обнаружит реальный эффект, если на стадии планирования решит, что будет рассматривать значение р как значимое, если оно скорее будет меньше 0,05, чем меньше 0,01.
Обратите внимание, что проверка ДИ для интересующего эффекта указывает на то, была ли мощность адекватной. Большой доверительный интервал следует из небольшой выборки и/или набора данных с существенной вариабельностью и указывает на недостаточную мощность.
Проверка множественных гипотез
Часто нужно выполнить критериальную проверку значимости множественных гипотез на наборе данных с многими переменными или существует более двух видов лечения.
Ошибка 1-го рода драматически увеличивается по мере увеличения числа сравнений, что приводит к ложным выводам относительно гипотез. Следовательно, следует проверить только небольшое число гипотез, выбранных для достижения первоначальной цели исследования и точно установленных априорно.
Можно использовать какую-нибудь форму апостериорного уточнения значения р, принимая во внимание число выполненных проверок гипотез.
Например, при подходе Бонферрони (его часто считают довольно консервативным) умножают каждое значение р на число выполненных проверок; тогда любые решения относительно значимости будут основываться на этом уточненном значении р.
Связанные определения:
p-уровень
Альтернативная гипотеза, альтернатива
Альфа-уровень
Бета-уровень
Гипотеза
Двусторонний критерий
Критерий для проверки гипотезы
Критическая область проверки гипотезы
Мощность
Мощность исследования
Мощность статистического критерия
Нулевая гипотеза
Односторонний критерий
Ошибка I рода
Ошибка II рода
Статистика критерия
Эквивалентные статистические критерии
В начало
Содержание портала
Материал из MachineLearning.
Перейти к: навигация, поиск
Содержание
- 1 Стандартная методика проверки статистических гипотез
- 2 Вычисление пи-величины
- 3 Вычисление ROC-кривой
- 4 Литература
- 5 См. также
- 6 Ссылки
Уровень значимости статистического теста — допустимая для данной задачи вероятность ошибки первого рода (ложноположительного решения, false positive), то есть вероятность отклонить нулевую гипотезу, когда на самом деле она верна.
Другая интерпретация:
уровень значимости — это такое (достаточно малое) значение вероятности события, при котором событие уже можно считать неслучайным.
Уровень значимости обычно обозначают греческой буквой 
(альфа).
Стандартная методика проверки статистических гипотез
В стандартной методике проверки статистических гипотез уровень значимости фиксируется заранее, до того, как становится известной выборка
.
Чрезмерное уменьшение уровня значимости (вероятности ошибки первого рода) может привести к увеличению вероятности ошибки второго рода, то есть вероятности принять нулевую гипотезу, когда на самом деле она не верна (это называется ложноотрицательным решением, false negative).
Вероятность ошибки второго рода связана с мощностью критерия простым соотношением .
Выбор уровня значимости требует компромисса между значимостью и мощностью или
(что то же самое, но другими словами)
между вероятностями ошибок первого и второго рода.
Обычно рекомендуется выбирать уровень значимости из априорных соображений.
Однако на практике не вполне ясно, какими именно соображениями надо руководствоваться,
и выбор часто сводится к назначению одного из популярных вариантов
.
В докомпьютерную эпоху эта стандартизация позволяла сократить объём справочных статистических таблиц.
Теперь нет никаких специальных причин для выбора именно этих значений.
Существует две альтернативные методики, не требующие априорного назначения .
Вычисление пи-величины
Достигаемый уровень значимости или пи-величина (p-value) — это наименьшая величина уровня значимости,
при которой нулевая гипотеза отвергается для данного значения статистики критерия .
где
— критическая область критерия.
Другая интерпретация:
достигаемый уровень значимости или пи-величина — это вероятность, с которой (при условии истинности нулевой гипотезы) могла бы реализоваться наблюдаемая выборка, или любая другая выборка с ещё менее вероятным значением статистики .
Случайная величина имеет равномерное распределение.
Фактически, функция приводит значение статистики критерия к шкале вероятности.
Маловероятным значениям (хвостам распределения) статистики соотвествуют значения , близкие к нулю или к единице.
Вычислив значение на заданной выборке ,
статистик имеет возможность решить,
является ли это значение достаточно малым, чтобы отвергнуть нулевую гипотезу.
Данная методика является более гибкой, чем стандартная.
В частности, она допускает «нестандартное решение» — продолжить наблюдения, увеличивая объём выборки, если оценка вероятности ошибки первого рода попадает в зону неуверенности, скажем, в отрезок .
Вычисление ROC-кривой
ROC-кривая (receiver operating characteristic) — это зависимость мощности от уровня значимости .
Методика предполагает, что статистик укажет подходящую точку на ROC-кривой, которая соответствует компромиссу между вероятностями ошибок I и II рода.
Литература
- Кобзарь А. И. Прикладная математическая статистика. Справочник для инженеров и научных работников. — М.: Физматлит, 2006.
- Цейтлин Н. А. Из опыта аналитического статистика. — М.: Солар, 2006. — 905 с.
- Алимов Ю. И. Альтернатива методу математической статистики. — М.: Знание, 1980.
См. также
- Проверка статистических гипотез — о стандартной методике проверки статистических гипотез.
- Достигаемый уровень значимости, синонимы: пи-величина, p-Value.
Ссылки
- P-value — статья в англоязычной Википедии.
- ROC curve — статья в англоязычной Википедии.