Привет, Хабр! Представляю вашему вниманию перевод статьи «An intuitive explanation of Hypothesis Testing and P-Values» автора Joos Korstanje.
Несколько лет назад я делал свою первую фриланс-работу по статистике для компании по доставке фруктов и овощей. Двадцать четыре часа в день поступающие продукты от фермеров до того, как были отправлены в супермаркеты, проходили через отдел по контролю за качеством. Выбор продуктов осуществлялся случайно работниками данного отдела.
В годовом отчёте они заметили, что качество в этом году ниже, чем качество в прошлом: разница составила примерно половину пункта по шкале от 1 до 10.
Потом пригласили меня. Я должен был ответить на вопрос:
Являются ли эти 0,5 пунктов существенной разницей?
Если вы не знаете статистику, то этот вопрос может показаться вам странным. Но не беспокойтесь: цель этой статьи показать вам как можно ответить на этот вопрос, используя проверку гипотез, также называемое статистическим выводом.
Представьте себе, что вы проверяете яблоко на предмет хорошее оно или плохое, используя случайную выборку яблок из очень большой коробки с яблоками. В изображении ниже мы видим реальный эффект размера выборки на измерения: эффект одного яблока очень существенен для маленьких выборок и становится менее и менее значимым, чем больше размер выборки.
Вклад одного яблока зависит от размера выборки.
Понимание влияния размера выборки — это первый базис для понимания проверки гипотез. Мы можем начать утверждать, что 0.5 на 2 яблоках будет как разница в 1 яблоко, очень маленькая. Но на 100 яблоках, 0.5 будет представлять собой разницу в 50 яблок: очень большая разница!
На малых выборках 0.5 пункта это небольшая разница, но на больших выборках 0.5 это разница большая.
Есть несколько способов, чтобы ответить на данный вопрос, но в этой статье я собираюсь погрузиться в статистический вывод или проверку гипотез.
Проверка гипотез — это семейство статистических методов используемых, чтобы понять, как выборка наблюдаемых объектов может использоваться, чтобы принять или отвергнуть заранее поставленную гипотезу. Проверка гипотез используется для решения многих задач, в основном в научных исследованиях и как ключевой метод в онлайн маркетинге (А\Б тестирование).
Математики разработали проверку гипотез таким образом, что существует определённая процедура для поиска истины.
Проверка гипотез позволяет только проверить гипотезы, но не разработать их.
Из коробки, в которой 100 яблок (назовём её генеральной совокупностью), мы возьмём выборку из 8 яблок. В этом году из 8 яблок 5 оказались гнилыми (62%), а в выборке прошлого года из 8 яблок было только 4 гнилых (50%). Мы хотим использовать проверку гипотез, чтобы определить стал ли процент гнилых яблок в этом году больше, чем в прошлом.
Проверка гипотез — это математическая альтернатива для измерения генеральной совокупности. Благодаря этим вычислениям мы можем обобщить измерения небольшой выборки на большую генеральную совокупность. Так мы проделываем меньше работы.
Случайно набранная выборка имеет такой же процент гнилых яблок, как и генеральная совокупность, при условии, что набранная выборка достаточно велика.
Математики придумали способ, как обобщить вывод, основанный на выборке, на генеральную совокупность.
Этот способ начинается с формулировки чёткой исследовательской гипотезы. К сожалению, математика работает только в том случае, если у нас уже есть представление о том, что мы хотим проверить.
Основная гипотеза для нашего примера:
Процент гнилых яблок в генеральной совокупности в этом году, больше чем в прошлом.
Математика проверки гипотез образует баланс между результатом измерений выборки с числом наблюдений. Результатом будет p-значение.
Эти вычисления проходят через использование распределений: почти для каждой воображаемой ситуации был выведен математический закон, который описывает ожидаемый результат.
Для вопросов вида «да/нет», таких как вопрос о наших гнилых яблоках (гнилые/не гнилые), применяется закон подбрасывания монетки. Это самый простой пример математического закона: 50% выпадения решки, 50% орла.
Также очень просто это может быть представлено, как стандартное математическое распределение, которое скажет нам о вероятности наблюдений. Для примера, 7 орлов выпало из 10 подбрасываний монетки. Это называется биноминальным распределением и может быть изображено так:
биноминальное распределение 10 подбрасываний монетки.
В этой статье я буду далек от тяжёлой математики, но важно знать, что мы можем использовать математические формулы для оценки того, является ли наблюдаемый процент далеким от ожидаемого процента.
В конце этой статьи я дам вам список часто используемых формул проверки гипотез для различных случаев и после объясню, как их использовать. Но сначала я объясню интерпретацию проверки гипотез.
За проверкой гипотез есть математический баланс между наблюдаемыми значениями и размером выборки. В конце вычислений каждый существующий вариант тестирования гипотез выдаст стандартизированную оценку, которая позволит сравнить результат, даже когда математика не совсем одинакова.
P-value это стандартный способ, чтобы сформулировать результат проверки гипотез и использовать его в любых других тестах.
P-value это число между 0 и 1, которое говорит нам, если разница между нашим наблюдениями выборок, и наши гипотезы сильно различаются. Опорное значение – это 0.05.
Разница статистически значима, если p-value меньше 0.05.
И разница статистически не значима, если p-value больше 0.05.
Пример 1:
Мы сделали 10 подбрасываний монетки.
Наша гипотеза: мы ожидаем 5 решек.
Наши наблюдения: мы получили 6 решек.
Вычисление p-value дало 0.518, что больше, чем 0.05.
Наш вывод: разница статистически не значима.
Наша интерпретация: результат соответствует гипотезе.
Пример 2:
Мы сделали 10 подбрасываний монетки
Наша гипотеза: мы ожидаем 5 решек.
Наш результат: мы получили 10 решек.
Наше p-value — 0.0, что меньше чем 0.05.
Наше заключение: разница статистически значима
Наша интерпретация: результат не соответствует гипотезе.
Пример 3:
Мы проверили 10 яблок.
Наша гипотеза: мы ожидаем 1 гнилое яблоко.
Наш результат: мы получили 1 гнилых яблок.
Наше p-value — 1.0 что больше, чем 0.05.
Наше заключение: разница статистически не значима
Наша интерпретация: результат соответствует гипотезе.
Пример 4:
Мы проверили 10 яблок.
Наша гипотеза: мы ожидаем 1 гнилое яблоко.
Наш результат: мы получили 5 гнилых яблок.
Наше p-value — 0.0114 что меньше, чем 0.05.
Наше заключение: разница статистически значима
Наша интерпретация: результат не соответствует гипотезе.
В этой статье я дал интуитивную интерпретацию общей структуры статистических погрешностей или проверки гипотез. Я надеюсь, что теперь вы лучше понимаете проверку гипотез, и чем она может быть вам полезна.
Я не уходил глубоко в математические доказательства и в специфичные детали. В таблице ниже приведен список самых частых проверок гипотез, которые я рекомендую для дальнейшего изучения.
Список с альтернативными гипотезами для некоторых проверок гипотез.
Я надеюсь эта статья будет полезна для вас, и желаю вам удачи в дальнейших исследованиях проверки гипотез.
Несколько лет назад я делал свою первую фриланс-работу по статистике для компании по доставке фруктов и овощей. Двадцать четыре часа в день поступающие продукты от фермеров до того, как были отправлены в супермаркеты, проходили через отдел по контролю за качеством. Выбор продуктов осуществлялся случайно работниками данного отдела.
В годовом отчёте они заметили, что качество в этом году ниже, чем качество в прошлом: разница составила примерно половину пункта по шкале от 1 до 10.
Потом пригласили меня. Я должен был ответить на вопрос:
Являются ли эти 0,5 пунктов существенной разницей?
Если вы не знаете статистику, то этот вопрос может показаться вам странным. Но не беспокойтесь: цель этой статьи показать вам как можно ответить на этот вопрос, используя проверку гипотез, также называемое статистическим выводом.
Игра в числа: вклад одного яблока
Представьте себе, что вы проверяете яблоко на предмет хорошее оно или плохое, используя случайную выборку яблок из очень большой коробки с яблоками. В изображении ниже мы видим реальный эффект размера выборки на измерения: эффект одного яблока очень существенен для маленьких выборок и становится менее и менее значимым, чем больше размер выборки.
Вклад одного яблока зависит от размера выборки.
Понимание влияния размера выборки — это первый базис для понимания проверки гипотез. Мы можем начать утверждать, что 0.5 на 2 яблоках будет как разница в 1 яблоко, очень маленькая. Но на 100 яблоках, 0.5 будет представлять собой разницу в 50 яблок: очень большая разница!
На малых выборках 0.5 пункта это небольшая разница, но на больших выборках 0.5 это разница большая.
Насколько большая должна быть выборка: проверка гипотез и значимость как ответ
Есть несколько способов, чтобы ответить на данный вопрос, но в этой статье я собираюсь погрузиться в статистический вывод или проверку гипотез.
Проверка гипотез — это семейство статистических методов используемых, чтобы понять, как выборка наблюдаемых объектов может использоваться, чтобы принять или отвергнуть заранее поставленную гипотезу. Проверка гипотез используется для решения многих задач, в основном в научных исследованиях и как ключевой метод в онлайн маркетинге (А\Б тестирование).
Математики разработали проверку гипотез таким образом, что существует определённая процедура для поиска истины.
Проверка гипотез позволяет только проверить гипотезы, но не разработать их.
Из коробки, в которой 100 яблок (назовём её генеральной совокупностью), мы возьмём выборку из 8 яблок. В этом году из 8 яблок 5 оказались гнилыми (62%), а в выборке прошлого года из 8 яблок было только 4 гнилых (50%). Мы хотим использовать проверку гипотез, чтобы определить стал ли процент гнилых яблок в этом году больше, чем в прошлом.
Проверка гипотез — это математическая альтернатива для измерения генеральной совокупности. Благодаря этим вычислениям мы можем обобщить измерения небольшой выборки на большую генеральную совокупность. Так мы проделываем меньше работы.
Случайно набранная выборка имеет такой же процент гнилых яблок, как и генеральная совокупность, при условии, что набранная выборка достаточно велика.
Математики придумали способ, как обобщить вывод, основанный на выборке, на генеральную совокупность.
Этот способ начинается с формулировки чёткой исследовательской гипотезы. К сожалению, математика работает только в том случае, если у нас уже есть представление о том, что мы хотим проверить.
Основная гипотеза для нашего примера:
Процент гнилых яблок в генеральной совокупности в этом году, больше чем в прошлом.
Фактическая проверка гипотезы
Математика проверки гипотез образует баланс между результатом измерений выборки с числом наблюдений. Результатом будет p-значение.
Эти вычисления проходят через использование распределений: почти для каждой воображаемой ситуации был выведен математический закон, который описывает ожидаемый результат.
Для вопросов вида «да/нет», таких как вопрос о наших гнилых яблоках (гнилые/не гнилые), применяется закон подбрасывания монетки. Это самый простой пример математического закона: 50% выпадения решки, 50% орла.
Также очень просто это может быть представлено, как стандартное математическое распределение, которое скажет нам о вероятности наблюдений. Для примера, 7 орлов выпало из 10 подбрасываний монетки. Это называется биноминальным распределением и может быть изображено так:
биноминальное распределение 10 подбрасываний монетки.
В этой статье я буду далек от тяжёлой математики, но важно знать, что мы можем использовать математические формулы для оценки того, является ли наблюдаемый процент далеким от ожидаемого процента.
В конце этой статьи я дам вам список часто используемых формул проверки гипотез для различных случаев и после объясню, как их использовать. Но сначала я объясню интерпретацию проверки гипотез.
Результат проверки гипотез: p-value
За проверкой гипотез есть математический баланс между наблюдаемыми значениями и размером выборки. В конце вычислений каждый существующий вариант тестирования гипотез выдаст стандартизированную оценку, которая позволит сравнить результат, даже когда математика не совсем одинакова.
P-value это стандартный способ, чтобы сформулировать результат проверки гипотез и использовать его в любых других тестах.
P-value это число между 0 и 1, которое говорит нам, если разница между нашим наблюдениями выборок, и наши гипотезы сильно различаются. Опорное значение – это 0.05.
Разница статистически значима, если p-value меньше 0.05.
И разница статистически не значима, если p-value больше 0.05.
Пример 1:
Мы сделали 10 подбрасываний монетки.
Наша гипотеза: мы ожидаем 5 решек.
Наши наблюдения: мы получили 6 решек.
Вычисление p-value дало 0.518, что больше, чем 0.05.
Наш вывод: разница статистически не значима.
Наша интерпретация: результат соответствует гипотезе.
Пример 2:
Мы сделали 10 подбрасываний монетки
Наша гипотеза: мы ожидаем 5 решек.
Наш результат: мы получили 10 решек.
Наше p-value — 0.0, что меньше чем 0.05.
Наше заключение: разница статистически значима
Наша интерпретация: результат не соответствует гипотезе.
Пример 3:
Мы проверили 10 яблок.
Наша гипотеза: мы ожидаем 1 гнилое яблоко.
Наш результат: мы получили 1 гнилых яблок.
Наше p-value — 1.0 что больше, чем 0.05.
Наше заключение: разница статистически не значима
Наша интерпретация: результат соответствует гипотезе.
Пример 4:
Мы проверили 10 яблок.
Наша гипотеза: мы ожидаем 1 гнилое яблоко.
Наш результат: мы получили 5 гнилых яблок.
Наше p-value — 0.0114 что меньше, чем 0.05.
Наше заключение: разница статистически значима
Наша интерпретация: результат не соответствует гипотезе.
Заключение
В этой статье я дал интуитивную интерпретацию общей структуры статистических погрешностей или проверки гипотез. Я надеюсь, что теперь вы лучше понимаете проверку гипотез, и чем она может быть вам полезна.
Я не уходил глубоко в математические доказательства и в специфичные детали. В таблице ниже приведен список самых частых проверок гипотез, которые я рекомендую для дальнейшего изучения.
| Название теста | Альтернативная гипотезе |
| Тест одной выборки | Значение пременной отлично от ожидаемого значения |
| Тест двух выборок | Значение двух групп различно |
| ANOVA | Значение больше чем двух групп различно |
| Пропорциональная z проверка | Процент успеха переменной из двух возможных вариантов отлично от ожидаемого значения |
| Двухпропарциаоная z-проверка | Процент успеха переменной с двумя исходами различно между двумя группами |
Список с альтернативными гипотезами для некоторых проверок гипотез.
Я надеюсь эта статья будет полезна для вас, и желаю вам удачи в дальнейших исследованиях проверки гипотез.