独立性检验

更新时间:2023-12-29 20:37

独立性检验是统计学的一种检验方式,与适合性检验同属于X2检验,即卡方检验(英文名:chi square test),它是根据次数资料判断两类因子彼此相关或相互独立的假设检验

定义

独立性检验是统计学的一种检验方式。与适合性检验同属于X2检验(即卡方检验,英文名:chi square test)它是根据次数资料判断两类因子彼此相关或相互独立的假设检验

假设有两个分类变量X和Y,它们的值域分另为{x1, x2}和{y1, y2},其样本频数列联表为:

若要推断的论述为H1:“X与Y有关系”,可以利用独立性检验来考察两个变量是否有关系,并且能较精确地给出这种判断的可靠程度。具体的做法是,由表中的数据算出随机变量K^2的值(即K的平方)

K2 = n (ad - bc) 2 / [(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)], 其中n=a+b+c+d为样本容量

K2的值越大,说明“X与Y有关系”成立的可能性越大。

当表中数据a,b,c,d都不小于5时,可以查阅下表来确定结论“X与Y有关系”的可信程度:

例如,当“X与Y有关系”的K2变量的值为6.109,根据表格,因为5.024≤6.109<6.635,所以“X与Y有关系”成立的概率为1-0.025=0.975,即97.5%。

与列表相关联的概念

分类变量

其不同“值”表示相应对象所属的不同类别的变量,分类变量的取值一定是离散的,而且不同的取值仅表示相应对象所属的类别,如性别变量只取男、女两个“值”,某商品的等级变量只取一级、二级、三级三个“值”,等等。分类变量的取“值”有时可用数字来表示,但这时的数字除了类别以外,没有其他的含义。如用“0”表示“男”,用“1”表示“女”。

列联表

分类变量的统计汇总表(频数表)在独立性检验中,一般只研究两个分类变量,且每个分类变量只有两个可取的值;这时得到的列联表称为2×2列联表,如后面的案例中的关于患肺癌与否与吸烟与否的列联表。

独立性检验的基本思想

独立性检验的必要性

独立性检验的学习目标:了解独立性检验的基本思想;

独立性检验的学习重点:会对两个分类变量进行独立性检验。

即为什么不能只凭列联表中的数据和由其绘出的图形下结论,由列联表可以粗略地估计出两个变量(两类对象)是否有关(即粗略地进行独立性检验),但2×2列联表中的数据是样本数据,它只是总体的代表,具有随机性,故需要用独立性检验的方法确认所得结论在多大程度上适用于总体。关于这一点,在后面的案例中还要进一步说明。

独立性检验的原理及步骤

独立性检验是一种假设检验(先假设,再推翻假设),它的原理及步骤与反证法类似。

反证法假设检验

要证明结论A想说明假设H1(两个分类变量,即两类对象有关)成立。在A不成立的前提下进行推理,在H1不成立,即H0(两类对象无关,即相互独立)成立的条件下进行推理,推出矛盾,意味着结论A成立,推出小概率事件(概率不超过α,α一般为0.001,0.01,0.05或0.1)发生,意味着H1成立的可能性很大(可能性为1-α),没有找到矛盾,意味着不能确定A成立,没有推出小概率事件发生,意味着不能确定H1成立。

独立性检验的案例展示

案例 某医疗机构为了了解患肺癌与吸烟是否有关,进行了一次抽样调查,共调查了9965个成年人,其中吸烟者2148人,不吸烟者7817人,调查结果是:吸烟的2148人中49人患肺癌,2099人不患肺癌;不吸烟的7817人中42人患肺癌,7775人不患肺癌。

根据这些数据能否断定:患肺癌与吸烟有关?

【方法一】由样本数据,可得如下列联表和条形图:

在不吸烟者中,患肺癌的比重是0.54%;在吸烟者中,患肺癌的比重是 2.28% 。

说明吸烟者和不吸烟者患肺癌的可能性存在较大的差异,吸烟者患肺癌的可能性大。可初步判断:患肺癌与吸烟有关.

【方法二】以上通过对数据和图表的分析,得到的结论是:患肺癌与吸烟有关.

但这个结论在多大程度上适用于总体呢?要回答这个问题,就必须借助于独立性检验的方法来分析.

独立性检验是检验两个分类变量是否有关(是否相互独立)的一种统计方法:

用字母表示题设数据(使之更有一般性),可得如下2×2列联表

想说明假设H1“患肺癌与吸烟有关”成立.

假设H0:H1不成立,即患肺癌与吸烟没有关系。

在H0成立的条件下,吸烟者中不患肺癌的的比例应该与不吸烟者中相应的比例差不多,即a/(a+b)≈c/(c+d); a(c+d)≈c(a+b); ad-bc≈0。

因此|ad-bc|越小,则说明患肺癌与吸烟之间的关系越弱。

构造统计量

作为检验在多大程度上可认为“两个分类变量有关系”的标准。

若H0成立,则k2应该很小。实际上,统计学家们已经估算出如下概率:

这就是独立性检验的临界值表。

回到本案例,把题设数据代入公式,可得

在H0成立的情况下,P(k2≥10.828)<0.001,

即k2的值大于10.828的概率非常小(只有0.1%).

但这个小概率事件竟然发生了。

因此,我们有99.9%以上的把握认为“患肺癌与吸烟有关”。

【总结】独立性检验的解题步骤如下:

第一步 提出假设H0:患肺癌与吸烟没有关系。(目标结论H1“患肺癌与吸烟有关系”的反面)

第二步 计算独立性检验的标准,即统计量k2=n(ad-bc)^2/{(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)}的值。(它越小,原假设H0成立的可能性越大;它越大,目标结论H1成立的可能性越大。)

第三步 由独立性检验的临界值表得出结论及其可信度(即在多大程度上适用)。

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