Хи-квадрат критерий – универсальный метод проверки согласия результатов эксперимента и используемой статистической модели.

Расстояние Пирсона X 2

Пятницкий А.М.

Российский Государственный Медицинский Университет

В 1900 году Карл Пирсон предложил простой, универсальный и эффективный способ проверки согласия между предсказаниями модели и опытными данными. Предложенный им “хи-квадрат критерий” – это самый важный и наиболее часто используемыйстатистический критерий. Большинство задач, связанных с оценкой неизвестных параметров модели и проверки согласия модели и опытных данных, можно решить с его помощью.

Пусть имеется априорная (“до опытная”) модельизучаемого объекта или процесса (в статистике говорят о “нулевой гипотезе” H 0), и результаты опыта с этим объектом. Следует решить, адекватна ли модель (соответствует ли она реальности)? Не противоречат ли результаты опыта нашим представлениям о том, как устроена реальность, или иными словами - следует ли отвергнуть H 0 ? Часто эту задачу можно свести к сравнению наблюдаемых (O i = Observed )и ожидаемых согласно модели (E i =Expected ) средних частот появления неких событий. Считается, что наблюдаемые частоты получены в серии N независимых (!) наблюдений, производимых в постоянных (!) условиях. В результате каждого наблюдения регистрируется одно из M событий. Эти события не могут происходить одновременно (попарно несовместны) и одно из них обязательно происходит (их объединение образует достоверное событие). Совокупность всех наблюдений сводится к таблице (вектору) частот {O i }=(O 1 ,… O M ), которая полностью описывает результаты опыта. Значение O 2 =4 означает, что событие номер 2 произошло 4 раза. Сумма частот O 1 +… O M =N . Важно различать два случая: N – фиксировано, неслучайно, N – случайная величина. При фиксированном общем числе опытов N частоты имеют полиномиальное распределение. Поясним эту общую схему простым примером.

Применение хи-квадрат критерия для проверки простых гипотез.

Пусть модель (нулевая гипотеза H 0) заключается в том, что игральная кость является правильной - все грани выпадают одинаково часто с вероятностью p i =1/6, i =, M=6. Проведен опыт, который состоял в том, что кость бросили 60 раз (провели N =60 независимых испытаний). Согласно модели мы ожидаем, что все наблюдаемые частоты O i появления 1,2,... 6 очков должны быть близки к своим средним значениям E i =Np i =60∙(1/6)=10. Согласно H 0 вектор средних частот {E i }={Np i }=(10, 10, 10, 10, 10, 10). (Гипотезы, в которых средние частоты полностью известны до начала опыта, называются простыми.) Если бы наблюдаемый вектор {O i } был равен (34,0,0,0,0,26) , то сразу ясно, что модель неверна – кость не может быть правильной, так как60 раз выпадали только 1 и 6. Вероятность такого события для правильной игральной кости ничтожна: P = (2/6) 60 =2.4*10 -29 . Однако появление столь явных расхождений между моделью и опытом исключение. Пусть вектор наблюдаемых частот {O i } равен (5, 15, 6, 14, 4, 16). Согласуется ли это с H 0 ? Итак, нам надо сравнить два вектора частот {E i } и {O i }. При этом вектор ожидаемых частот {E i } не случаен, а вектор наблюдаемых {O i } случаен – при следующем опыте (в новой серии из 60 бросков) он окажется другим. Полезно ввести геометрическую интерпретацию задачи и считать, что в пространстве частот (в данном случае 6 мерном) даны две точки с координатами(5, 15, 6, 14, 4, 16) и (10, 10, 10, 10, 10, 10). Достаточно ли далеко они удалены друг от друга, чтобы счесть это несовместным сH 0 ? Иными словами нам надо:

1. научиться измерять расстояния между частотами (точками пространства частот),
2. иметь критерий того, какое расстояние следует считать слишком (“неправдоподобно”) большим, то есть несовместным с H 0 .

Квадрат обычного евклидова расстояниябыл бы равен:

X 2 Euclid = S (O i -E i) 2 = (5-10) 2 +(15-10) 2 + (6-10) 2 +(14-10) 2 +(4-10) 2 +(16-10) 2

При этом поверхности X 2 Euclid = const всегда являются сферами, если мы фиксируем значения E i и меняем O i . Карл Пирсон заметил, что использовать евклидово расстояние в пространстве частот не следует. Так, неправильно считать, что точки (O =1030 и E =1000) и (O =40 и E =10) находятся на равном расстоянии друг от друга, хотя в обоих случаях разность O -E =30. Ведь чем больше ожидаемая частота, тем большие отклонения от нее следует считать возможными. Поэтому точки (O =1030 и E =1000) должны считаться “близкими”, а точки (O =40 и E =10) “далекими” друг от друга. Можно показать, что если верна гипотеза H 0 , то флуктуации частоты O i относительно E i имеют величину порядка квадратного корня(!) из E i . Поэтому Пирсон предложил при вычислении расстояния возводить в квадраты не разности (O i -E i ), а нормированные разности (O i -E i )/E i 1/2 . Итак, вот формула, по которой вычисляется расстояние Пирсона (фактически это квадрат расстояния):

X 2 Pearson = S ((O i -E i )/E i 1/2) 2 =S (O i -E i ) 2 /E i

В нашем примере:

X 2 Pearson = (5-10) 2 /10+(15-10) 2 /10 +(6-10) 2 /10+(14-10) 2 /10+(4-10) 2 /10+(16-10) 2 /10=15.4

Для правильной игральной кости все ожидаемые частоты E i одинаковы, но обычно они различны, поэтому поверхности, на которых расстояние Пирсона постоянно (X 2 Pearson =const) оказываются уже эллипсоидами, а не сферами.

Теперь после того, как выбрана формула для подсчета расстояний, необходимо выяснить, какие расстояния следует считать “не слишком большими” (согласующимися с H 0).Так, например, что можно сказать по поводу вычисленного нами расстояния 15.4? В каком проценте случаев (или с какой вероятностью), проводя опыты с правильной игральной костью, мы получали бы расстояние большее, чем 15.4? Если этот процент будет мал (<0.05), то H 0 надо отвергнуть. Иными словами требуется найти распределение длярасстояния Пирсона. Если все ожидаемые частоты E i не слишком малы (≥5), и верна H 0 , то нормированные разности (O i - E i )/E i 1/2 приближенно эквивалентны стандартным гауссовским случайным величинам: (O i - E i )/E i 1/2 ≈N (0,1). Это, например, означает, что в 95% случаев| (O i - E i )/E i 1/2 | < 1.96 ≈ 2 (правило “двух сигм”).

Пояснение . Число измерений O i , попадающих в ячейку таблицы с номером i , имеет биномиальное распределение с параметрами: m =Np i =E i ,σ =(Np i (1-p i )) 1/2 , где N - число измерений (N »1), p i – вероятность для одного измерения попасть в данную ячейку (напомним, что измерения независимы и производятся в постоянных условиях). Если p i мало, то: σ≈(Np i ) 1/2 =E i и биномиальное распределение близко к пуассоновскому, в котором среднее число наблюдений E i =λ, а среднее квадратичное отклонение σ=λ 1/2 = E i 1/2 . Для λ≥5пуассоновскоераспределение близко к нормальному N (m =E i =λ, σ=E i 1/2 =λ 1/2), а нормированная величина (O i - E i )/E i 1/2 ≈ N (0,1).

Пирсон определил случайную величину χ 2 n – “хи-квадрат с n степенями свободы”, как сумму квадратов n независимых стандартных нормальных с.в.:

χ 2 n = T 1 2 + T 2 2 + …+ T n 2 , гдевсе T i = N(0,1) - н. о. р. с. в.

Попытаемся наглядно понять смысл этой важнейшей в статистике случайной величины. Для этого на плоскости (при n =2) или в пространстве (при n =3) представим облако точек, координаты которых независимы и имеют стандартное нормальное распределениеf T (x ) ~exp (-x 2 /2). На плоскости согласно правилу “двух сигм”, которое независимо применяется к обеим координатам, 90% (0.95*0.95≈0.90) точек заключены внутри квадрата(-2

f χ 2 2 (a) = Сexp(-a/2) = 0.5exp(-a/2).

При достаточно большом числе степеней свободы n (n >30) хи-квадрат распределение приближается к нормальному: N (m = n ; σ = (2n ) ½). Это следствие “центральной предельной теоремы”: сумма одинаково распределенных величин имеющих конечную дисперсию приближается к нормальному закону с ростом числа слагаемых.

Практически надо запомнить, что средний квадрат расстояния равен m (χ 2 n )=n , а его дисперсия σ 2 (χ 2 n )=2n . Отсюда легко заключить какие значения хи-квадрат следует считать слишком малыми и слишком большими:большая часть распределения заключена в пределахот n -2∙(2n ) ½ до n +2∙(2n ) ½ .

Итак, расстояния Пирсона существенно превышающие n +2∙ (2n ) ½ , следует считать неправдоподобно большими (не согласующимися с H 0) . Если результат близок к n +2∙(2n ) ½ , то следует воспользоваться таблицами, в которых можно точно узнать в какой доле случаев могут появляться такие и большие значения хи-квадрат.

Важно знать, как правильно выбирать значение числа степеней свободы (number degrees of freedom , сокращенно n .d .f .). Казалось естественным считать, что n просто равно числу разрядов: n =M . В своей статье Пирсон так и предположил. В примере с игральной костью это означало бы, что n =6. Однако спустя несколько лет было показано, что Пирсон ошибся. Число степеней свободы всегда меньше числа разрядов, если между случайными величинами O i есть связи. Для примера с игральной костью сумма O i равна 60, и независимо менять можно лишь 5 частот, так что правильное значение n =6-1=5. Для этого значения n получаем n +2∙(2n ) ½ =5+2∙(10) ½ =11.3. Так как15.4>11.3, то гипотезу H 0 - игральная кость правильная, следует отвергнуть.

После выяснения ошибки, существовавшие таблицы χ 2 пришлось дополнить, так как исходно в них не было случая n =1, так как наименьшее число разрядов =2. Теперь же оказалось, что могут быть случаи, когда расстояние Пирсона имеет распределение χ 2 n =1 .

Пример . При 100 бросаниях монеты число гербов равно O 1 = 65, а решек O 2 = 35. Число разрядов M =2. Если монета симметрична, то ожидаемые частотыE 1 =50, E 2 =50.

X 2 Pearson = S (O i -E i) 2 /E i = (65-50) 2 /50 + (35-50) 2 /50 = 2*225/50 = 9.

Полученное значение следует сравнивать с теми, которые может принимать случайная величина χ 2 n =1 , определенная как квадрат стандартной нормальной величины χ 2 n =1 =T 1 2 ≥ 9 ó T 1 ≥3 или T 1 ≤-3. Вероятность такого события весьма мала P (χ 2 n =1 ≥9) = 0.006. Поэтому монету нельзя считать симметричной: H 0 следует отвергнуть. То, что число степеней свободы не может быть равно числу разрядов видно из того, что сумма наблюдаемых частот всегда равна сумме ожидаемых, например O 1 +O 2 =65+35 = E 1 +E 2 =50+50=100. Поэтому случайные точки с координатами O 1 и O 2 располагаются на прямой: O 1 +O 2 =E 1 +E 2 =100 и расстояние до центра оказывается меньше, чем, если бы этого ограничения не было, и они располагались на всей плоскости. Действительно для двух независимые случайных величин с математическими ожиданиями E 1 =50, E 2 =50, сумма их реализаций не должна быть всегда равной 100 – допустимыми были бы, например, значения O 1 =60, O 2 =55.

Пояснение . Сравним результат, критерия Пирсона при M =2 с тем, что дает формула Муавра Лапласа при оценке случайных колебаний частоты появления события ν =K /N имеющего вероятность p в серии N независимых испытаний Бернулли (K -число успехов):

χ 2 n =1 =S (O i -E i ) 2 /E i = (O 1 -E 1) 2 /E 1 + (O 2 -E 2) 2 /E 2 = (Nν -Np ) 2 /(Np ) + (N (1-ν )-N (1-p )) 2 /(N (1-p ))=

=(Nν-Np) 2 (1/p + 1/(1-p))/N=(Nν-Np) 2 /(Np(1-p))=((K-Np)/(Npq) ½) 2 = T 2

Величина T =(K -Np )/(Npq ) ½ = (K -m (K ))/σ(K ) ≈N (0,1) при σ(K )=(Npq ) ½ ≥3. Мы видим, что в этом случае результат Пирсона в точности совпадает с тем, что дает применение нормальной аппроксимации для биномиального распределения.

До сих пор мы рассматривали простые гипотезы, для которых ожидаемые средние частоты E i полностью известны заранее. О том, как правильно выбирать число степеней свободы для сложных гипотез см. ниже.

Применение хи-квадрат критерия для проверки сложных гипотез

В примерах с правильной игральной костью и монетой ожидаемые частоты можно было определить до(!) проведения опыта. Подобные гипотезы называются “простыми”. На практике чаще встречаются “сложные гипотезы”. При этом для того, чтобы найти ожидаемые частоты E i надо предварительно оценить одну или несколько величин (параметры модели), и сделать это можно только, воспользовавшись данными опыта. В результате для “сложных гипотез” ожидаемые частоты E i оказываются зависящими от наблюдаемых частот O i и потому сами становятся случайными величинами, меняющимися в зависимости от результатов опыта. В процессе подбора параметров расстояние Пирсона уменьшается – параметры подбираются так, чтобы улучшить согласие модели и опыта. Поэтому число степеней свободы должно уменьшаться.

Как оценить параметры модели? Есть много разных способов оценки – “метод максимального правдоподобия”, “метод моментов”, “метод подстановки”. Однако можно не привлекать никаких дополнительных средств и найти оценки параметров минимизируя расстояние Пирсона. В докомпьютерную эпоху такой подход использовался редко: приручных расчетах он неудобен и, как правило, не поддается аналитическому решению. При расчетах на компьютере численная минимизация обычно легко осуществляется, а преимуществом такого способа является его универсальность. Итак, согласно “методу минимизации хи-квадрат”, мы подбираем значения неизвестных параметров так, чтобы расстояние Пирсона стало наименьшим. (Кстати, изучая изменения этого расстояния при небольших смещениях относительно найденного минимума можно оценить меру точности оценки: построить доверительные интервалы.) После того как параметры и само это минимальное расстояние найдено опять требуется ответить на вопрос достаточно ли оно мало.

Общая последовательность действий такова:

1. Выбор модели (гипотезы H 0).
2. Выбор разрядов и определение вектора наблюдаемых частот O i .
3. Оценка неизвестных параметров модели и построение для них доверительных интервалов (например, через поиск минимума расстояния Пирсона).
4. Вычисление ожидаемых частот E i .
5. Сравнение найденной величины расстояния Пирсона X 2 с критическим значением хи-квадрат χ 2 крит - наибольшим, которое еще рассматривается как правдоподобное, совместимое с H 0 . Величину, χ 2 крит мы находим из таблиц, решая уравнение

P (χ 2 n > χ 2 крит)=1-α,

где α – “уровень значимости” или ”размер критерия” или “величина ошибки первого рода” (типичное значение α=0.05).

Обычно число степеней свободы n вычисляют по формуле

n = (число разрядов) – 1 – (число оцениваемых параметров)

Если X 2 > χ 2 крит, то гипотеза H 0 отвергается, в противном случае принимается. В α∙100% случаев (то есть достаточно редко) такой способ проверки H 0 приведет к “ошибке первого рода”: гипотеза H 0 будет отвергнута ошибочно.

Пример. При исследовании 10 серий из 100 семян подсчитывалось число зараженных мухой-зеленоглазкой. Получены данные: O i =(16, 18, 11, 18, 21, 10, 20, 18, 17, 21);

Здесь неизвестен заранее вектор ожидаемых частот. Если данные однородны и получены для биномиального распределения, то неизвестен один параметр доля p зараженных семян. Заметим, что в исходной таблице фактически имеется не 10 а 20 частот, удовлетворяющих 10 связям: 16+84=100, … 21+79=100.

X 2 = (16-100p) 2 /100p +(84-100(1-p)) 2 /(100(1-p))+…+

(21-100p) 2 /100p +(79-100(1-p)) 2 /(100(1-p))

Объединяя слагаемые в пары (как в примере с монетой), получаем ту форму записи критерия Пирсона, которую обычно пишут сразу:

X 2 = (16-100p) 2 /(100p(1-p))+…+ (21-100p) 2 /(100p(1-p)).

Теперь если в качестве метода оценки р использовать минимум расстояния Пирсона, то необходимо найти такое p , при котором X 2 =min . (Модель старается по возможности “подстроиться” под данные эксперимента.)

Критерий Пирсона - это наиболее универсальный из всех используемых в статистике. Его можно применять к одномерным и многомерным данным, количественным и качественным признакам. Однако именно в силу универсальности следует быть осторожным, чтобы не совершить ошибки.

Важные моменты

1.Выбор разрядов.

• Если распределение дискретно, то произвола в выборе разрядов обычно нет.
• Если распределение непрерывно, то произвол неизбежен. Можно использовать статистически эквивалентные блоки (все O одинаковы, например =10). При этом длины интервалов разные. При ручных вычислениях стремились делать интервалы одинаковыми. Должны ли интервалы при изучении распределения одномерного признака быть равными? Нет.
• Объединять разряды нужно так, чтобы не слишком малыми (≥5) оказывались именно ожидаемые (а не наблюдаемые!) частоты. Напомним, что именно они {E i } стоят в знаменателях при вычислении X 2 ! При анализе одномерных признаков допускается нарушать это правило в двух крайних разрядах E 1 =E max =1. Если число разрядов велико, и ожидаемые частоты близки, то X 2 хорошо приближается χ 2 даже для E i =2.

Оценка параметров . Использование “самодельных”, неэффективных методов оценки может привести к завышенным значениям расстояния Пирсона.

Выбор правильного числа степеней свободы . Если оценки параметров делаются не по частотам, а непосредственно по данным (например, в качестве оценки среднего берется среднее арифметическое), то точное число степеней свободы n неизвестно. Известно лишь, что оно удовлетворяет неравенству:

(число разрядов – 1 – число оцениваемых параметров) < n < (число разрядов – 1)

Поэтому необходимо сравнить X 2 с критическими значениями χ 2 крит вычисленными во всем этом диапазоне n .

Как интерпретировать неправдоподобно малые значения хи-квадрат? Следует ли считать монету симметричной, если при 10000 бросаний, она 5000 раз выпала гербом? Ранее многие статистики считали, что H 0 при этом также следует отвергнуть. Теперь предлагается другой подход: принять H 0 , но подвергнуть данные и методику их анализа дополнительной проверке. Есть две возможности: либо слишком малое расстояние Пирсона означает, что увеличение числа параметров модели не сопровождалось должным уменьшением числа степеней свободы, или сами данные были сфальсифицированы (возможно ненамеренно подогнаны под ожидаемый результат).

Пример. Два исследователя А и B подсчитывали долю рецессивных гомозигот aa во втором поколении при моногибридном скрещивании AA * aa . Согласно законам Менделя эта доля равна 0.25. Каждый исследователь провел по 5 опытов, и в каждом опыте изучалось 100 организмов.

Результаты А: 25, 24, 26, 25, 24. Вывод исследователя: закон Менделя справедлив(?).

Результаты B : 29, 21, 23, 30, 19. Вывод исследователя: закон Менделя не справедлив(?).

Однако закон Менделя имеет статистическую природу, и количественный анализ результатов меняет выводы на обратные! Объединив пять опытов в один, мы приходим к хи-квадрат распределению с 5 степенями свободы (проверяется простая гипотеза):

X 2 A = ((25-25) 2 +(24-25) 2 +(26-25) 2 +(25-25) 2 +(24-25) 2)/(100∙0.25∙0.75)=0.16

X 2 B = ((29-25) 2 +(21-25) 2 +(23-25) 2 +(30-25) 2 +(19-25) 2)/(100∙0.25∙0.75)=5.17

Среднее значение m [χ 2 n =5 ]=5, среднеквадратичное отклонение σ[χ 2 n =5 ]=(2∙5) 1/2 =3.2.

Поэтому без обращения к таблицам ясно, что значение X 2 B типично, а значение X 2 A неправдоподобно мало. Согласно таблицам P (χ 2 n =5 <0.16)<0.0001.

Этот пример – адаптированный вариант реального случая, произошедшего в 1930-е годы (см. работу Колмогорова “Об еще одном доказательстве законов Менделя”). Любопытно, что исследователь A был сторонником генетики, а исследователь B – ее противником.

Путаница в обозначениях. Следует различать расстояние Пирсона, которое при своем вычислении требует дополнительных соглашений,от математического понятия случайной величины хи-квадрат. Расстояние Пирсона при определенных условиях имеет распределение близкое к хи-квадрат с n степенями свободы. Поэтому желательно НЕ обозначать расстояние Пирсона символом χ 2 n , а использовать похожее, но другое обозначение X 2. .

Критерий Пирсона не всесилен. Существует бесконечное множество альтернатив для H 0 , которые он не в состоянии учесть. Пусть вы проверяете гипотезу о том, что признак имел равномерное распределение, у вас имеется 10 разрядов и вектор наблюдаемых частот равен (130,125,121,118,116,115,114,113,111,110). Критерий Пирсона не c может “заметить” того, что частоты монотонно уменьшаются и H 0 не будет отклонена. Если бы его дополнить критерием серий то да!

). Конкретная формулировка проверяемой гипотезы от случая к случаю будет варьировать.

В этом сообщении я опишу принцип работы критерия \(\chi^2\) на (гипотетическом) примере из иммунологии . Представим, что мы выполнили эксперимент по установлению эффективности подавления развития микробного заболевания при введении в организм соответствующих антител . Всего в эксперименте было задействовано 111 мышей, которых мы разделили на две группы, включающие 57 и 54 животных соответственно. Первой группе мышей сделали инъекции патогенных бактерий с последующим введением сыворотки крови, содержащей антитела против этих бактерий. Животные из второй группы служили контролем – им сделали только бактериальные инъекции. После некоторого времени инкубации оказалось, что 38 мышей погибли, а 73 выжили. Из погибших 13 принадлежали первой группе, а 25 – ко второй (контрольной). Проверяемую в этом эксперименте нулевую гипотезу можно сформулировать так: введение сыворотки с антителами не оказывает никакого влияния на выживаемость мышей. Иными словами, мы утверждаем, что наблюдаемые различия в выживаемости мышей (77.2% в первой группе против 53.7% во второй группе) совершенно случайны и не связаны с действием антител.

Полученные в эксперименте данные можно представить в виде таблицы:

			Всего
Бактерии + сыворотка
Только бактерии
Всего

Таблицы, подобные приведенной, называют таблицами сопряженности . В рассматриваемом примере таблица имеет размерность 2х2: есть два класса объектов («Бактерии + сыворотка» и «Только бактерии»), которые исследуются по двум признакам ("Погибло" и "Выжило"). Это простейший случай таблицы сопряженности: безусловно, и количество исследуемых классов, и количество признаков может быть бóльшим.

Для проверки сформулированной выше нулевой гипотезы нам необходимо знать, какова была бы ситуация, если бы антитела действительно не оказывали никакого действия на выживаемость мышей. Другими словами, нужно рассчитать ожидаемые частоты для соответствующих ячеек таблицы сопряженности. Как это сделать? В эксперименте всего погибло 38 мышей, что составляет 34.2% от общего числа задействованных животных. Если введение антител не влияет на выживаемость мышей, в обеих экспериментальных группах должен наблюдаться одинаковый процент смертности, а именно 34.2%. Рассчитав, сколько составляет 34.2% от 57 и 54, получим 19.5 и 18.5. Это и есть ожидаемые величины смертности в наших экспериментальных группах. Аналогичным образом рассчитываются и ожидаемые величины выживаемости: поскольку всего выжили 73 мыши, или 65.8% от общего их числа, то ожидаемые частоты выживаемости составят 37.5 и 35.5. Составим новую таблицу сопряженности, теперь уже с ожидаемыми частотами:

	Погибшие	Выжившие	Всего
Бактерии + сыворотка
Только бактерии
Всего

Как видим, ожидаемые частоты довольно сильно отличаются от наблюдаемых, т.е. введение антител, похоже, все-таки оказывает влияние на выживаемость мышей, зараженных патогенным микроорганизмом. Это впечатление мы можем выразить количественно при помощи критерия согласия Пирсона \(\chi^2\):

\[\chi^2 = \sum_{}\frac{(f_o - f_e)^2}{f_e},\]

где \(f_o\) и \(f_e\) - наблюдаемые и ожидаемые частоты соответственно. Суммирование производится по всем ячейкам таблицы. Так, для рассматриваемого примера имеем

\[\chi^2 = (13 – 19.5)^2/19.5 + (44 – 37.5)^2/37.5 + (25 – 18.5)^2/18.5 + (29 – 35.5)^2/35.5 = \]

Достаточно ли велико полученное значение \(\chi^2\), чтобы отклонить нулевую гипотезу? Для ответа на этот вопрос необходимо найти соответствующее критическое значение критерия. Число степеней свободы для \(\chi^2\) рассчитывается как \(df = (R - 1)(C - 1)\), где \(R\) и \(C\) - количество строк и столбцов в таблице сопряженности. В нашем случае \(df = (2 -1)(2 - 1) = 1\). Зная число степеней свободы, мы теперь легко можем узнать критическое значение \(\chi^2\) при помощи стандартной R-функции qchisq() :

Таким образом, при одной степени свободы только в 5% случаев величина критерия \(\chi^2\) превышает 3.841. Полученное нами значение 6.79 значительно превышает это критического значение, что дает нам право отвергнуть нулевую гипотезу об отсутствии связи между введением антител и выживаемостью зараженных мышей. Отвергая эту гипотезу, мы рискуем ошибиться с вероятностью менее 5%.

Следует отметить, что приведенная выше формула для критерия \(\chi^2\) дает несколько завышенные значения при работе с таблицами сопряженности размером 2х2. Причина заключается в том, что распределение самого критерия \(\chi^2\) является непрерывным, тогда как частоты бинарных признаков ("погибло" / "выжило") по определению дискретны. В связи с этим при расчете критерия принято вводить т.н. поправку на непрерывность , или поправку Йетса :

\[\chi^2_Y = \sum_{}\frac{(|f_o - f_e| - 0.5)^2}{f_e}.\]

"s Chi-squared test with Yates" continuity correction data : mice X-squared = 5.7923 , df = 1 , p-value = 0.0161

Как видим, R автоматически применяет поправку Йетса на непрерывность (Pearson"s Chi-squared test with Yates" continuity correction ). Рассчитанное программой значение \(\chi^2\) составило 5.79213. Мы можем отклонить нулевую гипотезу об отсутствии эффекта антител, рискуя ошибиться с вероятностью чуть более 1% (p-value = 0.0161 ).

Распределение "хи-квадрат" является одним из наиболее широко используемых в статистике для проверки статистических гипотез. На основе распределения "хи-квадрат" построен один из наиболее мощных критериев согласия – критерий "хи-квадрата" Пирсона.

Критерием согласия называют критерий проверки гипотезы о предполагаемом законе неизвестного распределения.

Критерий χ2 ("хи-квадрат") используется для проверки гипотезы различных распределений. В этом заключается его достоинство.

Расчетная формула критерия равна

где m и m’ - соответственно эмпирические и теоретические частоты

рассматриваемого распределения;

n - число степеней свободы.

Для проверки нам необходимо сравнивать эмпирические (наблюдаемые) и теоретические (вычисленные в предположении нормального распределения) частоты.

При полном совпадении эмпирических частот с частотами, вычисленными или ожидаемыми S (Э – Т) = 0 и критерий χ2 тоже будет равен нулю. Если же S (Э – Т) не равно нулю это укажет на несоответствие вычисленных частот эмпирическим частотам ряда. В таких случаях необходимо оценить значимость критерия χ2, который теоретически может изменяться от нуля до бесконечности. Это производится путем сравнения фактически полученной величины χ2ф с его критическим значением (χ2st).Нулевая гипотеза, т. е. предположение, что расхождение между эмпирическими и теоретическими или ожидаемыми частотами носит случайный характер, опровергается, если χ2ф больше или равно χ2st для принятого уровня значимости (a) и числа степеней свободы (n).

Распределение вероятных значений случайной величины χ2 непрерывно и ассиметрично. Оно зависит от числа степеней свободы (n) и приближается к нормальному распределению по мере увеличения числа наблюдений. Поэтому применение критерия χ2 к оценке дискретных распределений сопряжено с некоторыми погрешностями, которые сказываются на его величине, особенно на малочисленных выборках. Для получения более точных оценок выборка, распределяемая в вариационный ряд, должна иметь не менее 50 вариантов. Правильное применение критерия χ2 требует также, чтобы частоты вариантов в крайних классах не были бы меньше 5; если их меньше 5, то они объединяются с частотами соседних классов, чтобы в сумме составляли величину большую или равную 5. Соответственно объединению частот уменьшается и число классов (N). Число степеней свободы устанавливается по вторичному числу классов с учетом числа ограничений свободы вариации.

Так как точность определения критерия χ2 в значительной степени зависит от точности расчета теоретических частот (Т), для получения разности между эмпирическими и вычисленными частотами следует использовать неокругленные теоретические частоты.

В качестве примера возьмем исследование, опубликованное на сайте, который посвящен применению статистических методов в гуманитарных науках.

Критерий "Хи-квадрат" позволяет сравнивать распределения частот вне зависимости от того, распределены они нормально или нет.

Под частотой понимается количество появлений какого-либо события. Обычно, с частотой появления события имеют дело, когда переменные измерены в шкале наименований и другой их характеристики, кроме частоты подобрать невозможно или проблематично. Другими словами, когда переменная имеет качественные характеристики. Так же многие исследователи склонны переводить баллы теста в уровни (высокий, средний, низкий) и строить таблицы распределений баллов, чтобы узнать количество человек по этим уровням. Чтобы доказать, что в одном из уровней (в одной из категорий) количество человек действительно больше (меньше) так же используется коэффициент Хи-квадрат.

Разберем самый простой пример.

Среди младших подростков был проведён тест для выявления самооценки. Баллы теста были переведены в три уровня: высокий, средний, низкий. Частоты распределились следующим образом:

Высокий (В) 27 чел.

Средний (С) 12 чел.

Низкий (Н) 11 чел.

Очевидно, что детей с высокой самооценкой большинство, однако это нужно доказать статистически. Для этого используем критерий Хи-квадрат.

Наша задача проверить, отличаются ли полученные эмпирические данные от теоретически равновероятных. Для этого необходимо найти теоретические частоты. В нашем случае, теоретические частоты – это равновероятные частоты, которые находятся путём сложения всех частот и деления на количество категорий.

В нашем случае:

(В + С + Н)/3 = (27+12+11)/3 = 16,6

Формула для расчета критерия хи-квадрат:

χ2 = ∑(Э - Т)І / Т

Строим таблицу:

Находим сумму последнего столбца:

Теперь нужно найти критическое значение критерия по таблице критических значений (Таблица 1 в приложении). Для этого нам понадобится число степеней свободы (n).

n = (R - 1) * (C - 1)

где R – количество строк в таблице, C – количество столбцов.

В нашем случае только один столбец (имеются в виду исходные эмпирические частоты) и три строки (категории), поэтому формула изменяется – исключаем столбцы.

n = (R - 1) = 3-1 = 2

Для вероятности ошибки p≤0,05 и n = 2 критическое значение χ2 = 5,99.

Полученное эмпирическое значение больше критического – различия частот достоверны (χ2= 9,64; p≤0,05).

Как видим, расчет критерия очень прост и не занимает много времени. Практическая ценность критерия хи-квадрат огромна. Этот метод оказывается наиболее ценным при анализе ответов на вопросы анкет.

Разберем более сложный пример.

К примеру, психолог хочет узнать, действительно ли то, что учителя более предвзято относятся к мальчикам, чем к девочкам. Т.е. более склонны хвалить девочек. Для этого психологом были проанализированы характеристики учеников, написанные учителями, на предмет частоты встречаемости трех слов: "активный", "старательный", "дисциплинированный", синонимы слов так же подсчитывались. Данные о частоте встречаемости слов были занесены в таблицу:

Для обработки полученных данных используем критерий хи-квадрат.

Для этого построим таблицу распределения эмпирических частот, т.е. тех частот, которые мы наблюдаем:

Теоретически, мы ожидаем, что частоты распределятся равновероятно, т.е. частота распределится пропорционально между мальчиками и девочками. Построим таблицу теоретических частот. Для этого умножим сумму по строке на сумму по столбцу и разделим получившееся число на общую сумму (s).

Итоговая таблица для вычислений будет выглядеть так:

χ2 = ∑(Э - Т)І / Т

n = (R - 1), где R – количество строк в таблице.

В нашем случае хи-квадрат = 4,21; n = 2.

По таблице критических значений критерия находим: при n = 2 и уровне ошибки 0,05 критическое значение χ2 = 5,99.

Полученное значение меньше критического, а значит принимается нулевая гипотеза.

Вывод: учителя не придают значение полу ребенка при написании ему характеристики.

Заключение.

К. Пирсон внёс значительный вклад в развитие математической статистики (большое количество фундаментальных понятий). Основная философская позиция Пирсона формулируется следующим образом: понятия науки - искусственные конструкции, средства описания и упорядочивания чувственного опыта; правила связи их в научные предложения вычленяются грамматикой науки, которая и является, философией науки. Связать же разнородные понятия и явления позволяет универсальная дисциплина - прикладная статистика, хотя и она по Пирсону субъективна.

Многие построения К. Пирсона напрямую связаны или разрабатывались с использованием антропологических материалов. Им разработаны многочисленные способы нумерической классификации и статистические критерии, применяемые во всех областях науки.

Литература.

1. Боголюбов А. Н. Математики. Механики. Биографический справочник. - Киев: Наукова думка, 1983.

2. Колмогоров А. Н., Юшкевич А. П. (ред.). Математика XIX века. - М.: Наука. - Т. I.

3. 3. Боровков А.А. Математическая статистика. М.: Наука, 1994.

4. 8. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. - М.: Мир, Т.2, 1984.

5. 9. Харман Г., Современный факторный анализ. - М.: Статистика, 1972.

Использование этого критерия основано на применении такой меры (статистики) расхождения между теоретическим F (x ) и эмпирическим распределением F * п (x ) , которая приближенно подчиняется закону распределения χ 2 . Гипотеза Н 0 о согласованности распределений проверяется путем анализа распределения этой статистики. Применение критерия требует построения статистического ряда.

Итак, пусть выборка представлена статистическим рядом с количеством разрядов M . Наблюдаемая частота попаданий в i - й разряд n i . В соответствии с теоретическим законом распределения ожидаемая частота попаданий в i -й разряд составляет F i . Разность между наблюдаемой и ожидаемой частотой составит величину (n i – F i ). Для нахождения общей степени расхождения между F (x ) и F * п (x ) необходимо подсчитать взвешенную сумму квадратов разностей по всем разрядам статистического ряда

Величина χ 2 при неограниченном увеличении n имеет χ 2 -распределение (асимптотически распределена как χ 2). Это распределение зависит от числа степеней свободы k , т.е. количества независимых значений слагаемых в выражении (3.7). Число степеней свободы равно числу y минус число линейных связей, наложенных на выборку. Одна связь существует в силу того, что любая частота может быть вычислена по совокупности частот в оставшихся M –1 разрядах. Кроме того, если параметры распределения неизвестны заранее, то имеется еще одно ограничение, обусловленное подгонкой распределения к выборке. Если по выборке определяются S параметров распределения, то число степеней свободы составит k = M – S –1.

Область принятия гипотезы Н 0 определяется условием χ 2 < χ 2 (k ; a ) , где χ 2 (k ; a ) – критическая точка χ2-распределения с уровнем значимости a . Вероятность ошибки первого рода равна a , вероятность ошибки второго рода четко определить нельзя, потому что существует бесконечно большое множество различных способов несовпадения распределений. Мощность критерия зависит от количества разрядов и объема выборки. Критерий рекомендуется применять при n >200, допускается применение при n >40, именно при таких условиях критерий состоятелен (как правило, отвергает неверную нулевую гипотезу).

Алгоритм проверки по критерию

1. Построить гистограмму равновероятностным способом.

2. По виду гистограммы выдвинуть гипотезу

H 0: f (x ) = f 0 (x ),

H 1: f (x ) ¹ f 0 (x ),

где f 0 (x ) - плотность вероятности гипотетического закона распределения (например, равномерного, экспоненциального, нормального).

Замечание . Гипотезу об экспоненциальном законе распределения можно выдвигать в том случае, если все числа в выборке положительные.

3. Вычислить значение критерия по формуле

,

где
частота попадания вi -тый интервал;

p i - теоретическая вероятность попадания случайной величины вi - тый интервал при условии, что гипотезаH 0 верна.

Формулы для расчета p i в случае экспоненциального, равномерного и нормального законов соответственно равны.

Экспоненциальный закон

. (3.8)

При этом A 1 = 0, B m = +¥.

Равномерный закон

Нормальный закон

. (3.10)

При этом A 1 = -¥, B M = +¥.

Замечания . После вычисления всех вероятностей p i проверить, выполня­ется ли контрольное соотношение

Функция Ф(х )- нечетная. Ф(+¥) = 1.

4. Из таблицы " Хи-квадрат" Приложения выбирается значение
, гдеa - заданный уровень значимости (a = 0,05 или a = 0,01), а k - число степеней свободы, определяемое по формуле

k = M - 1 - S .

Здесь S - число параметров, от которых зависит выбранный гипотезой H 0 закон распределения. Значения S для равномерного закона равно 2, для экспоненциального - 1, для нормального - 2.

5. Если
, то гипотезаH 0 отклоняется. В противном случае нет оснований ее отклонить: с вероятностью 1 - b она верна, а с вероятностью - b неверна, но величина b неизвестна.

Пример3 . 1. С помощью критерия c 2 выдвинуть и проверить гипотезу о законе распределения случайной величины X , вариационный ряд, интерваль­ные таблицы и гистограммы распределения которой приведены в примере 1.2. Уровень значимости a равен 0,05.

Решение . По виду гистограмм выдви­гаем гипотезу о том, что случайная величина X распределена по нормальному закону:

H 0: f (x ) = N (m , s);

H 1: f (x ) ¹ N (m , s).

Значение критерия вычисляем по формуле:

(3.11)

Как отмечалось выше, при проверке гипотезы предпочтительнее использовать равновероятностную гистограмму. В этом случае

Теоретические вероятности p i рассчитываем по формуле (3.10). При этом полагаем, что

p 1 = 0,5(Ф((-4,5245+1,7)/1,98)-Ф((-¥+1,7)/1,98)) = 0,5(Ф(-1,427)-Ф(-¥)) =

0,5(-0,845+1) = 0,078.

p 2 = 0,5(Ф((-3,8865+1,7)/1,98)-Ф((-4,5245+1,7)/1,98)) =

0,5(Ф(-1,104)+0,845) = 0,5(-0,729+0,845) = 0,058.

p 3 = 0,094; p 4 = 0,135; p 5 = 0,118; p 6 = 0,097; p 7 = 0,073; p 8 = 0,059; p 9 = 0,174;

p 10 = 0,5(Ф((+¥+1,7)/1,98)-Ф((0,6932+1,7)/1,98)) = 0,114.

После этого проверяем выполнение контрольного соотношения

100 × (0,0062 + 0,0304 + 0,0004 + 0,0091 + 0,0028 + 0,0001 + 0,0100 +

0,0285 + 0,0315 + 0,0017) = 100 × 0,1207 = 12,07.

После этого из таблицы "Хи - квадрат" выбираем критическое значение

.

Так как
то гипотезаH 0 принимается (нет основания ее отклонить).

В том случае, если полученное значение критерия χ 2 больше критического, делаем вывод о наличии статистической взаимосвязи между изучаемым фактором риска и исходом при соответствующем уровне значимости.

Пример расчета критерия хи-квадрат Пирсона

Определим статистическую значимость влияния фактора курения на частоту случаев артериальной гипертонии по рассмотренной выше таблице:

1. Рассчитываем ожидаемые значения для каждой ячейки:

2. Находим значение критерия хи-квадрат Пирсона:

χ 2 = (40-33.6) 2 /33.6 + (30-36.4) 2 /36.4 + (32-38.4) 2 /38.4 + (48-41.6) 2 /41.6 = 4.396.

3. Число степеней свободы f = (2-1)*(2-1) = 1. Находим по таблице критическое значение критерия хи-квадрат Пирсона, которое при уровне значимости p=0.05 и числе степеней свободы 1 составляет 3.841.

4. Сравниваем полученное значение критерия хи-квадрат с критическим: 4.396 > 3.841, следовательно зависимость частоты случаев артериальной гипертонии от наличия курения - статистически значима. Уровень значимости данной взаимосвязи соответствует p<0.05.

Также критерий хи-квадрат Пирсона вычисляется по формуле

Но для таблицы 2х2 более точные результаты дает критерий с поправкой Йетса

Если то Н(0) принимается,

В случае принимается Н(1)

Когда число наблюдений невелико и в клетках таблицы встречается частота меньше 5, критерий хи-квадрат неприменим и для проверки гипотез используется точный критерий Фишера . Процедура вычисления этого критерия достаточно трудоемка и в этом случае лучше воспользоваться компьютерными программами статанализа.

По таблице сопряженности можно вычислить меру связи между двумя качественными признаками – ею является коэффициент ассоциации Юла Q (аналог коэффициента корреляции)

Q лежит в пределах от 0 до 1. Близкий к единице коэффициент свидетельствует о сильной связи между признаками. При равенстве его нулю – связь отсутствует.

Аналогично используется коэффициент фи-квадрат (φ 2)

ЗАДАЧА-ЭТАЛОН

В таблице описывается связь между частотой мутации у групп дрозофил с подкормкой и без подкормки

Анализ таблицы сопряженности

Для анализа таблицы сопряженности выдвигается Н 0 - гипотеза.т.е.отсуствие влияния изучаемого признака на результат исследования.Для этого рассчитывается ожидаемая частота,и строится таблица ожидания.

Таблица ожидания

группы	Чило культур	Всего
Давшие мутации	Не давшие мутации
Фактическая частота	Ожидаемая частота	Фактическая частота	Ожидаемая частота
С подкормкой
Без подкормкой
всего

Метод №1

Определяем частоту ожидания:

2756 – Х ;

2. 3561 – 3124

Если число наблюдении в группах мало, при применении Х 2, в случае сопоставления фактических и ожидаемых частот при дискретных распределениях сопряжено с некоторой неточностью.Для уменьшения неточности применяют поправку Йейтса.