Введение в статистику (стр. 3 из 4)

Можно ли отсутствие связей рассматривать как значимый результат? Чем слабее зависимость между переменными, тем большего объема требуется выборка, чтобы значимо ее обнаружить. Представьте, как много бросков монеты необходимо сделать, чтобы доказать, что отклонение от равной вероятности выпадения орла и решки составляет только .000001%! Необходимый минимальный размер выборки возрастает, когда степень эффекта, который нужно доказать, убывает. Когда эффект близок к 0, необходимый объем выборки для его отчетливого доказательства приближается к бесконечности. Другими словами, если зависимость между переменными почти отсутствует, объем выборки, необходимый для значимого обнаружения зависимости, почти равен объему всей популяции, который предполагается бесконечным. Статистическая значимость представляет вероятность того, что подобный результат был бы получен при проверке всей популяции в целом. Таким образом, все, что получено после тестирования всей популяции было бы, по определению, значимым на наивысшем, возможном уровне и это относится ко всем результатам типа "нет зависимости".

Как измерить величину зависимости между переменными. Статистиками разработано много различных мер взаимосвязи между переменными. Выбор определенной меры в конкретном исследовании зависит от числа переменных, используемых шкал измерения, природы зависимостей и т.д. Большинство этих мер, тем не менее, подчиняются общему принципу: они пытаются оценить наблюдаемую зависимость, сравнивая ее с "максимальной мыслимой зависимостью" между рассматриваемыми переменными. Говоря технически, обычный способ выполнить такие оценки заключается в том, чтобы посмотреть как варьируются значения переменных и затем подсчитать, какую часть всей имеющейся вариации можно объяснить наличием "общей" ("совместной") вариации двух (или более) переменных. Говоря менее техническим языком, вы сравниваете то "что есть общего в этих переменных", с тем "что потенциально было бы у них общего, если бы переменные были абсолютно зависимы". Рассмотрим простой пример. Пусть в вашей выборке, средний показатель (число лейкоцитов) WCC равен 100 для мужчин и 102 для женщин. Следовательно, вы могли бы сказать, что отклонение каждого индивидуального значения от общего среднего (101) содержит компоненту связанную с полом субъекта и средняя величина ее равна 1. Это значение, таким образом, представляет некоторую меру связи между переменными Пол и WCC. Конечно, это очень бедная мера зависимости, так как она не дает никакой информации о том, насколько велика эта связь, скажем относительно общего изменения значений WCC. Рассмотрим крайние возможности:

Если все значения WCC у мужчин были бы точно равны 100, а у женщин 102, то все отклонения значений от общего среднего в выборке всецело объяснялись бы полом индивидуума. Поэтому вы могли бы сказать, что пол абсолютно коррелирован (связан) с WCC, иными словами, 100% наблюдаемых различий между субъектами в значениях WCC объясняются полом субъектов.

Если же значения WCC лежат в пределах 0-1000, то та же разность (2) между средними значениями WCC мужчин и женщин, обнаруженная в эксперименте, составляла бы столь малую долю общей вариации, что полученное различие (2) считалось бы пренебрежимо малым. Рассмотрение еще одного субъекта могло бы изменить разность или даже изменить ее знак. Поэтому всякая хорошая мера зависимости должна принимать во внимание полную изменчивость индивидуальных значений в выборке и оценивать зависимость по тому, насколько эта изменчивость объясняется изучаемой зависимостью.

Общая конструкция большинства статистических критериев. Так как конечная цель большинства статистических критериев (тестов) состоит в оценивании зависимости между переменными, большинство статистических тестов следуют общему принципу, объясненному в предыдущем разделе. Говоря техническим языком, эти тесты представляют собой отношение изменчивости, общей для рассматриваемых переменных, к полной изменчивости. Например, такой тест может представлять собой отношение той части изменчивости WCC, которая определяется полом, к полной изменчивости WCC (вычисленной для объединенной выборки мужчин и женщин). Это отношение обычно называется отношением объясненной вариации к полной вариации. В статистике термин объясненная вариация не обязательно означает, что вы даете ей "теоретическое объяснение". Он используется только для обозначения общей вариации рассматриваемых переменных, иными словами, для указания на то, что часть вариации одной переменной "объясняется" определенными значениями другой переменной и наоборот.

Как вычисляется уровень статистической значимости. Предположим, вы уже вычислили меру зависимости между двумя переменными (как объяснялось выше). Следующий вопрос, стоящий перед вами: "насколько значима эта зависимость?" Например, является ли 40% объясненной дисперсии между двумя переменными достаточным, чтобы считать зависимость значимой? Ответ: "в зависимости от обстоятельств". Именно, значимость зависит в основном от объема выборки. Как уже объяснялось, в очень больших выборках даже очень слабые зависимости между переменными будут значимыми, в то время как в малых выборках даже очень сильные зависимости не являются надежными. Таким образом, для того чтобы определить уровень статистической значимости, вам нужна функция, которая представляла бы зависимость между "величиной" и "значимостью" зависимости между переменными для каждого объема выборки. Данная функция указала бы вам точно "насколько вероятно получить зависимость данной величины (или больше) в выборке данного объема, в предположении, что в популяции такой зависимости нет". Другими словами, эта функция давала бы уровень значимости (p -уровень), и, следовательно, вероятность ошибочно отклонить предположение об отсутствии данной зависимости в популяции. Эта "альтернативная" гипотеза (состоящая в том, что нет зависимости в популяции) обычно называется нулевой гипотезой. Было бы идеально, если бы функция, вычисляющая вероятность ошибки, была линейной и имела только различные наклоны для разных объемов выборки. К сожалению, эта функция существенно более сложная и не всегда точно одна и та же. Тем не менее, в большинстве случаев ее форма известна, и ее можно использовать для определения уровней значимости при исследовании выборок заданного размера. Большинство этих функций связано с очень важным классом распределений, называемым нормальным.

Почему важно Нормальное распределение. Нормальное распределение важно по многим причинам. В большинстве случаев оно является хорошим приближением функций, определенных в предыдущем разделе (более подробное описание см. в разделе Все ли статистики критериев нормально распределены?). Распределение многих статистик является нормальным или может быть получено из нормальных с помощью некоторых преобразований. Рассуждая философски, можно сказать, что нормальное распределение представляет собой одну из эмпирически проверенных истин относительно общей природы действительности и его положение может рассматриваться как один из фундаментальных законов природы. Точная форма нормального распределения (характерная "колоколообразная кривая") определяется только двумя параметрами: средним и стандартным отклонением.

Характерное свойство нормального распределения состоит в том, что 68% всех его наблюдений лежат в диапазоне ±1 стандартное отклонение от среднего, а диапазон ±2 стандартных отклонения содержит 95% значений. Другими словами, при нормальном распределении, стандартизованные наблюдения, меньшие -2 или большие +2, имеют относительную частоту менее 5% (Стандартизованное наблюдение означает, что из исходного значения вычтено среднее и результат поделен на стандартное отклонение (корень из дисперсии)). Если у вас имеется доступ к пакету STATISTICA, Вы можете вычислить точные значения вероятностей, связанных с различными значениями нормального распределения, используя Вероятностный калькулятор; например, если задать z-значение (т.е. значение случайной величины, имеющей стандартное нормальное распределение) равным 4, соответствующий вероятностный уровень, вычисленный STATISTICA будет меньше .0001, поскольку при нормальном распределении практически все наблюдения (т.е. более 99.99%) попадут в диапазон ±4 стандартных отклонения.

Иллюстрация того, как нормальное распределение используется в статистических рассуждениях (индукция). Напомним пример, обсуждавшийся выше, когда пары выборок мужчин и женщин выбирались из совокупности, в которой среднее значение WCC для мужчин и женщин было в точности одно и то же. Хотя наиболее вероятный результат таких экспериментов (одна пара выборок на эксперимент) состоит в том, что разность между средними WCC для мужчин и женщин для каждой пары близка к 0, время от время появляются пары выборок, в которых эта разность существенно отличается от 0. Как часто это происходит? Если объем выборок достаточно большой, то разности "нормально распределены" и зная форму нормальной кривой, вы можете точно рассчитать вероятность случайного получения результатов, представляющих различные уровни отклонения среднего от 0 - значения гипотетического для всей популяции. Если вычисленная вероятность настолько мала, что удовлетворяет принятому заранее уровню значимости, то можно сделать лишь один вывод: ваш результат лучше описывает свойства популяции, чем "нулевая гипотеза". Следует помнить, что нулевая гипотеза рассматривается только по техническим соображениям как начальная точка, с которой сопоставляются эмпирические результаты. Отметим, что все это рассуждение основано на предположении о нормальности распределения этих повторных выборок (т.е. нормальности выборочного распределения). Это предположение обсуждается в следующем разделе.