Участник:Василий Ломакин/Критерий Уилкоксона двухвыборочный
Материал из MachineLearning.
| (13 промежуточных версий не показаны.) | |||
| Строка 1: | Строка 1: | ||
| - | '''Критерий Уилкоксона (Вилкоксона) двухвыборочный''' — [[непараметрический статистический критерий]], используемый для оценки различий между двумя выборками, взятыми из закона распределения, отличного от нормального, либо измеренными с использованием [[Теория измерений|порядковой шкалы]].  Имеется [[Критерий_Уилкоксона_для_связных_выборок|аналог]] критерия Уилкоксона для связанных повторных наблюдений. Критерий является ранговым, поэтому он инвариантен по отношению к любому монотонному преобразованию шкалы измерения.   | + | {{TOCright}}  | 
| + | |||
| + | '''Критерий Уилкоксона (Вилкоксона) двухвыборочный''' — [[непараметрический статистический критерий]], используемый для оценки различий между двумя выборками, взятыми из закона распределения, отличного от нормального, либо измеренными с использованием [[Теория измерений|порядковой шкалы]].  Имеется [[Критерий_Уилкоксона_для_связных_выборок|аналог]] критерия Уилкоксона для связанных повторных наблюдений. Критерий является [[Ранговый критерий|ранговым]], поэтому он инвариантен по отношению к любому монотонному преобразованию шкалы измерения.   | ||
== Пример задачи ==  | == Пример задачи ==  | ||
| Строка 9: | Строка 11: | ||
Заданы две выборки <tex>x^m = (x_1,\ldots,x_m),\; x_i \in \mathbb{R};\;\; y^n = (y_1,\ldots,y_n),\; y_i \in \mathbb{R};\; m \le n,</tex> в противном случае следует поменять выборки местами.  | Заданы две выборки <tex>x^m = (x_1,\ldots,x_m),\; x_i \in \mathbb{R};\;\; y^n = (y_1,\ldots,y_n),\; y_i \in \mathbb{R};\; m \le n,</tex> в противном случае следует поменять выборки местами.  | ||
| - | '''  | + | '''Дополнительные предположения:''' обе выборки [[простая выборка|простые]], объединённая выборка [[независимая выборка|независима]];   | 
| - | '''[[Нулевая гипотеза]]''' <tex>H_0:\; \mathbb{P} \{ x<y \} = 1/2. </tex>  | + | '''[[Нулевая гипотеза]]''' <tex>H_0:\; \mathbb{P} \{ x\ <\ y \} = 1/2. </tex>  | 
'''Вычисление статистики критерия:'''  | '''Вычисление статистики критерия:'''  | ||
| Строка 18: | Строка 20: | ||
#:<tex>R_x = \sum_{i=1}^m r(x_i);</tex>  | #:<tex>R_x = \sum_{i=1}^m r(x_i);</tex>  | ||
#:<tex>R_y = \sum_{i=1}^n r(y_i);</tex>  | #:<tex>R_y = \sum_{i=1}^n r(y_i);</tex>  | ||
| - | # Если размеры выборок совпадают (<tex>m=n</tex>), то значение статистики <tex>W</tex> будет равняется одной из сумм рангов <tex>R_x</tex> или <tex>R_y</tex> (любой). Если же выборки не равны, то <tex>W = R_x</tex>, то есть сумме рангов, соответствующей меньшей выборке.  | + | # Если размеры выборок совпадают (<tex>m=n</tex>), то значение статистики <tex>W</tex> будет равняется одной из сумм рангов <tex>R_x</tex> или <tex>R_y</tex> (любой). Если же выборки не равны, то <tex>W = R_x</tex>, то есть сумме рангов, соответствующей меньшей выборке. Заметим, что статистика <tex>W</tex> линейно связана со статистикой [[Критерий Уилкоксона-Манна-Уитни|U-критерия Манна-Уитни]].  | 
| - | + | ||
| - | Заметим, что статистика <tex>W</tex> линейно связана со статистикой [[Критерий Уилкоксона-Манна-Уитни|U-критерия Манна-Уитни]].  | + | |
'''Критерий''' (при [[уровень значимости|уровне значимости]] <tex>\alpha</tex>):  | '''Критерий''' (при [[уровень значимости|уровне значимости]] <tex>\alpha</tex>):  | ||
| - | Против альтернативы <tex>H_1:\; \mathbb{P} \{ x < y \} \neq 1/2</tex>:  | + | Против альтернативы <tex>H_1:\; \mathbb{P} \{ x\ <\ y \} \neq 1/2</tex>:  | 
| - | :если <tex>W \notin \left[ W_{\alpha/2},\,W_{1-\alpha/2} \right]</tex> , то нулевая гипотеза отвергается. Здесь <tex>W_{\alpha}</tex>  есть <tex>\alpha</tex>-[[квантиль]] табличного распределения Уилкоксона с параметрами <tex>m,\,n</tex>.   | + | :если <tex>W \notin \left[ W_{\alpha/2},\,W_{1-\alpha/2} \right]</tex> , то нулевая гипотеза отвергается. Здесь <tex>W_{\alpha}</tex>  есть <tex>\alpha</tex>-[[квантиль]] табличного распределения Уилкоксона с параметрами <tex>m,\,n</tex>. <ref>Кобзарь А. И. Прикладная математическая статистика. — 457 c.</ref><ref>Лапач С. Н. Статистика в науке и бизнесе. — 150 с.</ref>  | 
| - | '''Асимптотический критерий''':  | + | '''Асимптотический критерий:'''  | 
| + | |||
| + | [[Изображение:Standard_Normal_Density_-_Double-sided_Critical_Area.png|thumb|Критическая область двухвыборочного критерия Уилкоксона.]]  | ||
Рассмотрим нормированную и центрированную статистика Уилкоксона:  | Рассмотрим нормированную и центрированную статистика Уилкоксона:  | ||
| Строка 34: | Строка 36: | ||
:<tex>\tilde W = \frac{W - \frac{m(m + n + 1)}{2}}{sqrt{\frac{mn(m + n + 1)}{12}}}</tex>;  | :<tex>\tilde W = \frac{W - \frac{m(m + n + 1)}{2}}{sqrt{\frac{mn(m + n + 1)}{12}}}</tex>;  | ||
| - | <tex>\tilde W</tex> асимптотически имеет стандартное нормальное распределение. Нулевая гипотеза (против альтернативы <tex>H_1</tex>) отвергается, если <tex> |\tilde W| > \Phi_{1-\alpha/2} </tex>, где <tex>\Phi_{\alpha}</tex> есть <tex>\alpha</tex>-[[квантиль]] стандартного нормального распределения.   | + | <tex>\tilde W</tex> асимптотически имеет стандартное нормальное распределение. Нулевая гипотеза (против альтернативы <tex>H_1</tex>) отвергается, если <tex> |\tilde W|\ >\ \Phi_{1-\alpha/2} </tex>, где <tex>\Phi_{\alpha}</tex> есть <tex>\alpha</tex>-[[квантиль]] стандартного нормального распределения.   | 
Приближение можно использовать, если размер хотя бы одной из выборок превышает 25. Если размеры выборок равны, то данная аппроксимация хорошо работает до <tex>m = n = 8</tex>.<ref>Лапач С. Н. Статистика в науке и бизнесе. — 161 с.</ref>  | Приближение можно использовать, если размер хотя бы одной из выборок превышает 25. Если размеры выборок равны, то данная аппроксимация хорошо работает до <tex>m = n = 8</tex>.<ref>Лапач С. Н. Статистика в науке и бизнесе. — 161 с.</ref>  | ||
| - | + | '''Случай совпадающих наблюдений:'''  | |
| - | + | При наличии [[Вариационный ряд|связок]] необходимо учесть их с помощью поправки. Выражение в знаменателе необходимо заменить на следующее:  | |
| - | :  | + | :<tex>\left{ \frac{mn(n+m+1)}{12} \left[ 1 - \frac{\sum^k_{i = 1}t_i(t_i^2-1)}{(n+m)(n+m-1)(n+m+1)} \right] \right}^{1/2}.</tex><ref>Кобзарь А. И. Прикладная математическая статистика. — 454 c.</ref><ref>Лагутин М. Б. Наглядная математическая статистика. — 206 с.</ref>  | 
| + | |||
| + | :Здесь <tex>k</tex> - количество только тех связок, в которые входят ранги как одной, так и другой выборок, <tex>t_1, \ldots, t_k</tex> - их размеры. Совпадения, целиком состоящие из элементов одной и той же выборки, на величину <tex>\tilde W</tex> не влияют. Наблюдения, не совпадающие с другими, рассматриваются как связки размера 1. Для элементов связок вычисляется [[Вариационный ряд|средний ранг]].  | ||
| + | |||
| + | '''Поправка:'''<ref>Лагутин М. Б. Наглядная математическая статистика. — 205-206 с.</ref>  | ||
| + | |||
| + | В 1976 году Р. Иман предложил следующую аппроксимацию, обеспечивающую значительное снижение относительной ошибки для критических значений, в том числе на малых выборках. Поправка использует полусумму нормальной и стьюдентовской квантилей. Положим <tex>N = n + m</tex>. Тогда:  | ||
| + | |||
| + | :<tex>\tilde W^{*} = \frac12 \tilde W \left[ 1 + \sqrt{(n-2)(n - 1 - (\tilde W)^2)} \right]</tex>.  | ||
| + | |||
| + | Гипотеза <tex>H_0</tex> отвергается, если <tex>\tilde W ^{*} \ge (x_{1-\alpha}+y_{1-\alpha})/2</tex>, где <tex>x_{1-\alpha},\; y_{1-\alpha}</tex> обозначают соответственно квантили уровня <tex>1-\alpha</tex> стандартного нормального распределения и [[Распределение Стьюдента|распределения Стьюдента]] с <tex>N-2</tex> степенью свободы.  | ||
== Применение критерия ==  | == Применение критерия ==  | ||
| - | В биологических и эконометрических приложениях метод часто используется для проверки гипотезы о равенстве средних двух независимых выборок в случае, когда нет предположений о дисперсиях  | + | В биологических и эконометрических приложениях метод часто используется для проверки гипотезы о равенстве средних двух независимых выборок. Вообще говоря, данное использование критерия некорректно. Можно построить примеры, когда <tex>\mathbb{P} \{ x<y \} = 1/2</tex>, и средние выборок не совпадают.<ref>Орлов А. И. Эконометрика. — 79 с.</ref> При этом надо заметить, что данный недостаток не является редкостью, о многих популярных в математической статистике критериях можно сказать, что они не позволяют проверять те гипотезы, с которыми традиционно связаны. При применении подобных критериев к анализу реальных данных необходимо тщательно взвешивать их достоинства и недостатки.<ref>Орлов А. И. Эконометрика. — 83 с.</ref>  | 
| + | |||
| + | Критерий является аналогом критерия [[Критерий Стьюдента|t-критерия Стьюдента для независимых выборок]] в случае закона распределения, отличного от нормального, либо данных, измеренных с использованием порядковой шкалы. Для нормально распределённых совокупностей следует использовать более мощный t-критерий.  | ||
| + | |||
| + | == Критерий Уилкоксона и [[Критерий Уилкоксона-Манна-Уитни|U-критерий Манна-Уитни]] ==  | ||
| + | |||
| + | Статистики критериев Уилкоксона и Уилкоксона-Манна-Уитни линейно связаны, поэтому, по сути, нет смысла говорить о двух различных критериях.<ref>Орлов А. И. Эконометрика. — 75 c.</ref> Оба они проверяют одну и ту же гипотезу и их границы применимости также совпадают. В то же время в литературе можно встретить рекомендации использовать критерий Уилкоксона для проверки равенства средних, когда нет предположений о дисперсиях,<ref>Лапач С. Н. Статистика в науке и бизнесе. — 160 с.</ref>, а в случае равных дисперсий применять [[Критерий_Уилкоксона-Манна-Уитни|U-критерий Манна-Уитни]].<ref>Лапач С. Н. Статистика в науке и бизнесе. — 118 с.</ref>  | ||
| + | |||
| + | Проведём эксперимент: будем строить график [[Достигаемый уровень значимости|достигаемого уровня значимости]] как функцию размера выборок и параметров распределения. Будем усреднять p-value по нескольким десяткам экспериментов.  | ||
| + | |||
| + | Общие параметры для всех экспериментов:  | ||
| + | * Выборки генерируются независимо из нормального распределения с заданными параметрами.  | ||
| + | * Размер выборок варьируется от 50 до 500 с шагом 50.  | ||
| + | * Значение p-value усредняется по 50 экспериментам.  | ||
| + | * Размер выборки откладывается по вертикальной оси, переменный параметр по горизонтальной.  | ||
| + | |||
| + | |||
| + | {| class="standard"  | ||
| + |  !Тип критерия  | ||
| + |  !Параметры эксперимента  | ||
| + |  !График  | ||
| + |  |-  | ||
| + |  |align="center"|[[Критерий Уилкоксона-Манна-Уитни|U-критерий Манна-Уитни]]  | ||
| + |  |Среднее первой выборки: 0.  | ||
| + | |||
| + | Среднее второй выборки: -3:0.3:3.<ref>Запись вида <tex>\alpha\;:\;\delta\;:\;\beta</tex> на языке [[Matlab]] обозначает выборку, составленную из чисел от <tex>\alpha</tex> до <tex>\beta</tex> c шагом <tex>\delta</tex>.</ref>  | ||
| + | |||
| + | Дисперсия первой выборки: 5.  | ||
| + | |||
| + | Дисперсия второй выборки: 5.  | ||
| + | |||
| + |  |[[Изображение:UNorm_50-50-1000_0_-3-0.3-3_5_5_50.png|400px]]  | ||
| + |  |-  | ||
| + |  |align="center"|Критерий Уилкоксона  | ||
| + |  |Среднее первой выборки: 0.  | ||
| + | |||
| + | Среднее второй выборки: -3:0.3:3.  | ||
| + | |||
| + | Дисперсия первой выборки: 5.  | ||
| + | |||
| + | Дисперсия второй выборки: 5.  | ||
| + | |||
| + |  |[[Изображение:WNorm 50-50-1000 0 -3-0.3-3 5 5 50.png|400px]]  | ||
| + |  |-  | ||
| + |  |align="center"|[[Критерий Уилкоксона-Манна-Уитни|U-критерий Манна-Уитни]]  | ||
| + |  |Среднее первой выборки: 0.  | ||
| + | |||
| + | Среднее второй выборки: -30:3:30.  | ||
| + | |||
| + | Дисперсия первой выборки: 1.  | ||
| + | |||
| + | Дисперсия второй выборки: 50.  | ||
| + | |||
| + |  |[[Изображение:UNorm 50-50-1000 0 -30-3-30 1 50 50.png|400px]]  | ||
| + |  |-  | ||
| + | |||
| + |  |align="center"|Критерий Уилкоксона  | ||
| + |  |Среднее первой выборки: 0.  | ||
| + | |||
| + | Среднее второй выборки: -30:3:30.  | ||
| + | |||
| + | Дисперсия первой выборки: 1.  | ||
| + | |||
| + | Дисперсия второй выборки: 50.  | ||
| + | |||
| + |  |[[Изображение:WNorm 50-50-1000 0 -30-3-30 1 50 50.png|400px]]  | ||
| + |  |}  | ||
| + | |||
| + | Легко видеть, что при одинаковых параметрах экспериментов графики p-value критериев Уилкоксона и Уилкоксона-Манна-Уитни практически совпадают, в том числе и в случае, когда дисперсии выборок существенно различаются.  | ||
== Примечания ==  | == Примечания ==  | ||
| Строка 54: | Строка 134: | ||
# ''Лагутин М. Б.'' Наглядная математическая статистика. В двух томах. — М.: П-центр, 2003. — 204-209 с.  | # ''Лагутин М. Б.'' Наглядная математическая статистика. В двух томах. — М.: П-центр, 2003. — 204-209 с.  | ||
# ''Лапач С. Н. , Чубенко А. В., Бабич П. Н.'' Статистика в науке и бизнесе. — Киев: Морион, 2002. — 160-164 с.  | # ''Лапач С. Н. , Чубенко А. В., Бабич П. Н.'' Статистика в науке и бизнесе. — Киев: Морион, 2002. — 160-164 с.  | ||
| - | # ''Орлов А. И.'' Эконометрика. — М.: Экзамен, 2003. —   | + | # ''Орлов А. И.'' Эконометрика. — М.: Экзамен, 2003. — §4.5.  | 
| - | # ''Кобзарь А. И.'' Прикладная математическая статистика. — М.: Физматлит, 2006. —   | + | # ''Кобзарь А. И.'' Прикладная математическая статистика. — М.: Физматлит, 2006. — 454-456 с.  | 
== Ссылки ==   | == Ссылки ==   | ||
| + | * [[Критерий Уилкоксона-Манна-Уитни]] — аналогичный критерий.  | ||
* [[Проверка статистических гипотез]] — о методологии проверки статистических гипотез.  | * [[Проверка статистических гипотез]] — о методологии проверки статистических гипотез.  | ||
| - | + | * [[Критерий Уилкоксона для связных выборок]] — аналог критерия для случая парных повторных наблюдений.  | |
| - | * [[Критерий Уилкоксона для связных выборок]]  | + | |
Текущая версия
 
  | 
Критерий Уилкоксона (Вилкоксона) двухвыборочный — непараметрический статистический критерий, используемый для оценки различий между двумя выборками, взятыми из закона распределения, отличного от нормального, либо измеренными с использованием порядковой шкалы. Имеется аналог критерия Уилкоксона для связанных повторных наблюдений. Критерий является ранговым, поэтому он инвариантен по отношению к любому монотонному преобразованию шкалы измерения.
Пример задачи
Задача - сравнить две методики подготовки роженицы к родам. Сравнивается эффективность по оценке состояния новорожденного в баллах (шкала является порядковой).
Описание критерия
Заданы две выборки  в противном случае следует поменять выборки местами.
Дополнительные предположения: обе выборки простые, объединённая выборка независима;
Вычисление статистики критерия:
-  Построить общий вариационный ряд объединённой выборки 
и найти ранги
всех элементов обеих выборок в общем вариационном ряду.
 -  Рассчитать суммы рангов, соответствующих обеим выборкам:
 -  Если размеры выборок совпадают (
), то значение статистики
будет равняется одной из сумм рангов
или
(любой). Если же выборки не равны, то
, то есть сумме рангов, соответствующей меньшей выборке. Заметим, что статистика
линейно связана со статистикой U-критерия Манна-Уитни.
 
Критерий (при уровне значимости ):
Против альтернативы :
- если 
, то нулевая гипотеза отвергается. Здесь
есть
-квантиль табличного распределения Уилкоксона с параметрами
. [1][2]
 
Асимптотический критерий:
Рассмотрим нормированную и центрированную статистика Уилкоксона:
;
 асимптотически имеет стандартное нормальное распределение. Нулевая гипотеза (против альтернативы 
) отвергается, если 
, где 
 есть 
-квантиль стандартного нормального распределения. 
Приближение можно использовать, если размер хотя бы одной из выборок превышает 25. Если размеры выборок равны, то данная аппроксимация хорошо работает до .[3]
Случай совпадающих наблюдений:
При наличии связок необходимо учесть их с помощью поправки. Выражение в знаменателе необходимо заменить на следующее:
- Здесь 
- количество только тех связок, в которые входят ранги как одной, так и другой выборок,
- их размеры. Совпадения, целиком состоящие из элементов одной и той же выборки, на величину
не влияют. Наблюдения, не совпадающие с другими, рассматриваются как связки размера 1. Для элементов связок вычисляется средний ранг.
 
Поправка:[6]
В 1976 году Р. Иман предложил следующую аппроксимацию, обеспечивающую значительное снижение относительной ошибки для критических значений, в том числе на малых выборках. Поправка использует полусумму нормальной и стьюдентовской квантилей. Положим . Тогда:
.
Гипотеза  отвергается, если 
, где 
 обозначают соответственно квантили уровня 
 стандартного нормального распределения и распределения Стьюдента с 
 степенью свободы.
Применение критерия
В биологических и эконометрических приложениях метод часто используется для проверки гипотезы о равенстве средних двух независимых выборок. Вообще говоря, данное использование критерия некорректно. Можно построить примеры, когда , и средние выборок не совпадают.[7] При этом надо заметить, что данный недостаток не является редкостью, о многих популярных в математической статистике критериях можно сказать, что они не позволяют проверять те гипотезы, с которыми традиционно связаны. При применении подобных критериев к анализу реальных данных необходимо тщательно взвешивать их достоинства и недостатки.[8]
Критерий является аналогом критерия t-критерия Стьюдента для независимых выборок в случае закона распределения, отличного от нормального, либо данных, измеренных с использованием порядковой шкалы. Для нормально распределённых совокупностей следует использовать более мощный t-критерий.
Критерий Уилкоксона и U-критерий Манна-Уитни
Статистики критериев Уилкоксона и Уилкоксона-Манна-Уитни линейно связаны, поэтому, по сути, нет смысла говорить о двух различных критериях.[9] Оба они проверяют одну и ту же гипотезу и их границы применимости также совпадают. В то же время в литературе можно встретить рекомендации использовать критерий Уилкоксона для проверки равенства средних, когда нет предположений о дисперсиях,[10], а в случае равных дисперсий применять U-критерий Манна-Уитни.[11]
Проведём эксперимент: будем строить график достигаемого уровня значимости как функцию размера выборок и параметров распределения. Будем усреднять p-value по нескольким десяткам экспериментов.
Общие параметры для всех экспериментов:
- Выборки генерируются независимо из нормального распределения с заданными параметрами.
 - Размер выборок варьируется от 50 до 500 с шагом 50.
 - Значение p-value усредняется по 50 экспериментам.
 - Размер выборки откладывается по вертикальной оси, переменный параметр по горизонтальной.
 
| Тип критерия | Параметры эксперимента | График | 
|---|---|---|
| U-критерий Манна-Уитни | Среднее первой выборки: 0.
 Среднее второй выборки: -3:0.3:3.[12] Дисперсия первой выборки: 5. Дисперсия второй выборки: 5.  |  
 | 
| Критерий Уилкоксона | Среднее первой выборки: 0.
 Среднее второй выборки: -3:0.3:3. Дисперсия первой выборки: 5. Дисперсия второй выборки: 5.  |  
 | 
| U-критерий Манна-Уитни | Среднее первой выборки: 0.
 Среднее второй выборки: -30:3:30. Дисперсия первой выборки: 1. Дисперсия второй выборки: 50.  |  
 | 
| Критерий Уилкоксона | Среднее первой выборки: 0.
 Среднее второй выборки: -30:3:30. Дисперсия первой выборки: 1. Дисперсия второй выборки: 50.  |  
 | 
Легко видеть, что при одинаковых параметрах экспериментов графики p-value критериев Уилкоксона и Уилкоксона-Манна-Уитни практически совпадают, в том числе и в случае, когда дисперсии выборок существенно различаются.
Примечания
- ↑ Кобзарь А. И. Прикладная математическая статистика. — 457 c.
 - ↑ Лапач С. Н. Статистика в науке и бизнесе. — 150 с.
 - ↑ Лапач С. Н. Статистика в науке и бизнесе. — 161 с.
 - ↑ Кобзарь А. И. Прикладная математическая статистика. — 454 c.
 - ↑ Лагутин М. Б. Наглядная математическая статистика. — 206 с.
 - ↑ Лагутин М. Б. Наглядная математическая статистика. — 205-206 с.
 - ↑ Орлов А. И. Эконометрика. — 79 с.
 - ↑ Орлов А. И. Эконометрика. — 83 с.
 - ↑ Орлов А. И. Эконометрика. — 75 c.
 - ↑ Лапач С. Н. Статистика в науке и бизнесе. — 160 с.
 - ↑ Лапач С. Н. Статистика в науке и бизнесе. — 118 с.
 - ↑ Запись вида 
на языке Matlab обозначает выборку, составленную из чисел от
до
c шагом
.
 
Литература
- Лагутин М. Б. Наглядная математическая статистика. В двух томах. — М.: П-центр, 2003. — 204-209 с.
 - Лапач С. Н. , Чубенко А. В., Бабич П. Н. Статистика в науке и бизнесе. — Киев: Морион, 2002. — 160-164 с.
 - Орлов А. И. Эконометрика. — М.: Экзамен, 2003. — §4.5.
 - Кобзарь А. И. Прикладная математическая статистика. — М.: Физматлит, 2006. — 454-456 с.
 
Ссылки
- Критерий Уилкоксона-Манна-Уитни — аналогичный критерий.
 - Проверка статистических гипотез — о методологии проверки статистических гипотез.
 - Критерий Уилкоксона для связных выборок — аналог критерия для случая парных повторных наблюдений.
 





