Кси квадрат пирсона в медицинской статистике. Критерий согласия Пирсона χ2 (Хи-квадрат)

Статистические критерии для таблиц сопряженности - Тест хи-квадрат

Чтобы получить статистические критерии для таблиц сопряженности, щелкните на кнопке Statistics... (Статистика) в диалоговом окне Crosstabs. Откроется диалоговое окно Crosstabs: Statistics (Таблицы сопряженности: Статистика) (см. рис. 11.9).

Рис. 11.9:

Флажки в этом диалоговом окне позволяют выбрать один или несколько критериев.

Тест хи-квадрат (X 2)

Корреляции

Меры связанности для переменных, относящихся к номинальной шкале

Меры связанности для переменных, относящихся к порядковой шкале

Меры связанности для переменных, относящихся к интервальной шкале

Коэффициент каппа (к )

Мера риска

Тест Мак-Немара

Статистики Кохрана и Мантеля-Хэнзеля

Эти критерии рассматриваются в двух последующих разделах, причем из-за того, что критерий хи-квадрат имеет большое значение в статистических вычислениях, ему посвящен отдельный раздел.

Тест хи-квадрат (X 2)

При проведении теста хи-квадрат проверяется взаимная независимость двух переменных таблицы сопряженности и благодаря этому косвенно выясняется зависимость обоих переменных. Две переменные считаются взаимно независимыми, если наблюдаемые частоты (f о) в ячейках совпадают с ожидаемыми частотами (f e).

Для того, чтобы провести тест хи-квадрат с помощью SPSS, выполните следующие действия:

Выберите в меню команды Analyze (Анализ) Descriptive Statistics (Дескриптивные статистики) Crosstabs... (Таблицы сопряженности)

Кнопкой Reset (Сброс) удалите возможные настройки.

Перенесите переменную sex в список строк, а переменную psyche - в список столбцов.

Щелкните на кнопке Cells... (Ячейки). В диалоговом окне установите, кроме предлагаемого по умолчанию флажка Observed, еще флажки Expected и Standardized. Подтвердите выбор кнопкой Continue.

Щелкните на кнопке Statistics... (Статистика). Откроется описанное выше диалоговое окно Crosstabs: Statistics.

Установите флажок Chi-square (Хи-квадрат). Щелкните на кнопке Continue, а в главном диалоговом окне - на ОК.

Вы получите следующую таблицу сопряженности.

Пол * Психическое состояние Таблица сопряженности

			Психическое состояние				Total
			Крайне неустойчивое	Неустойчивое	Устойчивое	Очень устойчивое
Пол	Женский	Count	16	18	9	1	44
		Expected Count	7,9	16,6	17,0	2,5	44,0
		Std. Residual	2,9	,3	-1,9	-.9
	Мужской	Count	3	22	32	5	62
		Expected Count	11,1	23,4	24,0	3,5	62,0
		Std. Residual	-2,4	-,3	1,6	,8
Total		Count	19	40	41	6	106
		Expected Count	19,0	40,0	41,0	6,0	106,0

Кроме того, в окне просмотра будут показаны результаты теста хи-квадрат:

Chi-Square Tests (Тесты хи-квадрат)

	Value (Значение)	df	Asymp. Sig. (2-sided) (Асимптотическая значимость (двусторонняя))
Pearson Chi-Square (Хи-квадрат по Пирсону)	22,455 (а)	3	,000
Likelihood Ratio (Отношение правдоподобия)	23,688	3	,000
Linear-by-Linear Association (Зависимость линейный-линейный)	20,391	1	,000
N of Valid Cases (Кол-во допустимых случаев)	106

а. 2 cells (25,0%) have expected count less than 5. The minimum expected count is 2,49 (2 ячейки (25%) имеют ожидаемую частоту менее 5. Минимальная ожидаемая частота 2,49.)

Для вычисления критерия хи-квадрат применяются три различных подхода:

• формула Пирсона ;
• поправка на правдоподобие ;
• тест Мантеля-Хэнзеля .
• Если таблица сопряженности имеет четыре поля (таблица 2 x 2) и ожидаемая вероятность менее 5, дополнительно выполняется точный тест Фишера .

Обычно для вычисления критерия хи-квадрат используется формула Пирсона:

Здесь вычисляется сумма квадратов стандартизованных остатков по всем полям таблицы сопряженности. Поэтому поля с более высоким стандартизованным остатком вносят более весомый вклад в численное значение критерия хи-квадрат и, следовательно, - в значимый результат. Согласно правилу, приведенному в разделе 8.9 , стандартизованный остаток 2 (1,96) или более указывает на значимое расхождение между наблюдаемой и ожидаемой частотами в той или ячейке таблицы.

В рассматриваемом примере формула Пирсона дает максимально значимую величину критерия хи-квадрат (р<0,0001). Если рассмотреть стандартизованные остатки в отдельных полях таблицы сопряженности, то на основе вышеприведенного правила можно сделать вывод, что эта значимость в основном определяется полями, в которых переменная psyche имеет значение "крайне неустойчивое". У женщин это значение сильно повышено, а у мужчин - понижено.

Корректность проведения теста хи-квадрат определяется двумя условиями:

• ожидаемые частоты < 5 должны встречаться не более чем в 20% полей таблицы;
• суммы по строкам и столбцам всегда должны быть больше нуля.

Однако в рассматриваемом примере это условие выполняется не полностью. Как указывает примечание после таблицы теста хи-квадрат, 25% полей имеют ожидаемую частоту менее 5. Однако, так как допустимый предел в 20% превышен лишь ненамного и эти поля, вследствие своего очень малого стандартизованного остатка, вносят весьма незначительную долю в величину критерия хи-квадрат, это нарушение можно считать несущественным.

Альтернативой формуле Пирсона для вычисления критерия хи-квадрат является поправка на правдоподобие:

При большом объеме выборки формула Пирсона и подправленная формула дают очень близкие результаты. В нашем примере критерий хи-квадрат с поправкой на правдоподобие составляет 23,688.

Количественное изучение биологических явлений обязательно требует создания гипотез, с по­мощью которых можно объяснить эти явления. Чтобы проверить ту или иную гипотезу ставят се­рию специальных опытов и полученные фактические данные сопоставляют с теоретически ожи­даемыми согласно данной гипотезе. Если есть совпадениеэто может быть достаточным ос­но­ванием для принятия гипотезы. Если же опытные данные плохо согласуются с теоретически ожи­даемыми, возникает большое сомнение в правильности предложенной гипотезы.

Степень соответствия фактических данных ожидаемым (гипотетическим) измеряется критерием со­от­ветствия хи-квадрат:

 фактически наблюдаемое значение признака вi- той;теоретически ожидаемое число или признак (показатель) для данной группы,k число групп данных.

Критерий был предложен К.Пирсоном в 1900 г. и иногда его называют критерием Пирсона.

Задача. Среди 164 детей, наследовавших от одного из родителей фактор, а от другогофактор, оказалось 46 детей с фактором, 50с фактором, 68с тем и другим,. Рассчитать ожидаемые частоты при отношении 1:2:1 между группами и определить степень соответствия эмпирических данных с помощью критерия Пирсона.

Решение: Отношение наблюдаемых частот 46:68:50, теоретически ожидаемых 41:82:41.

Зададимся уровнем значимости равным 0,05. Табличное значение критерия Пирсона для этого уровня значимости при числе степеней свободы, равном оказалось равным 5,99. Следовательно гипотезу о соответствии экспериментальных данных теоретическим можно принять, так как, .

Отметим, что при вычислении критерия хи-квадрат мы уже не ставим условия о непременной нор­маль­ности распределения. Критерий хи-квадрат может использоваться для любых распределений, ко­­то­рые мы вольны сами выбирать в своих предположениях. В этом есть некоторая уни­вер­саль­ность этого критерия.

Еще одно приложение критерия Пирсона это сравнение эмпирического распределения с нор­мальным распределением Гаусса. При этом он может быть отнесен к группе критериев про­вер­ки нормальности распределения. Единственным ограничением является тот факт, что общее число зна­чений (вариант) при пользовании этим критерием должно быть достаточно велико (не менее 40), и число значений в отдельных классах (интервалах) должно быть не менее 5. В противном случае следует объединять соседние интервалы. Число степенй свободы при проверке нор­маль­нос­ти распределения должно вычисляться как:.

1. Критерий Фишера.

Этот параметрический критерий служит для проверки нулевой гипотезы о равенстве дис­пер­сий нормально распределенных генеральных совокупностей.

Или.

При малых объемах выборок применение критерия Стьюдента может быть корректным только при условии равенства дисперсий. Поэтому прежде чем проводить проверку равенства выборочных средних значений, необходимо убедиться в правомочности использования критерия Стьюдента.

где N 1 , N 2  объемы выборок, 1 ,  2 числа степеней свободы для этих выборок.

При пользовании таблицами следует обратить внимание, что число степеней свободы для выборки с большей по величине дисперсией выбирается как номер столбца таблицы, а для меньшей по величине дисперсии как номер строки таблицы.

Для уровня значимости по таблицам математической статистики находим табличное значение. Если, то гипотеза о равенстве дисперсий отклоняется для выбранного уровня значимости.

Пример. Изучали влияние кобальта на массу тела кроликов. Опыт проводился на двух группах животных: опытной и контрольной. Опытные получали добавку к рациону в виде водного раствора хлористого кобальта. За время опыта прибавки в весе составили в граммах:

	Контроль

Критерий независимости хи-квадрат используется для определения связи между двумя категориальными переменными. Примерами пар категориальных переменных являются: Семейное положение vs. Уровень занятости респондента; Порода собак vs. Профессия хозяина, Уровень з/п vs. Специализация инженера и др. При вычислении критерия независимости проверяется гипотеза о том, что между переменными связи нет. Вычисления будем производить с помощью функции MS EXCEL 2010 ХИ2.ТЕСТ() и обычными формулами.

Предположим у нас есть выборка данных, представляющая результат опроса 500 человек. Людям задавалось 2 вопроса: про их семейное положение (женаты, гражданский брак, не состоят в отношениях) и их уровень занятости (полный рабочий день, частичная занятость, временно не работает, на домохозяйстве, на пенсии, учеба). Все ответы поместили в таблицу:

Данная таблица называется таблицей сопряжённости признаков (или факторной таблицей, англ. Contingency table). Элементы на пересечении строк и столбцов таблицы обычно обозначают O ij (от англ. Observed, т.е. наблюденные, фактические частоты).

Нас интересует вопрос «Влияет ли Семейное положение на Занятость?», т.е. существует ли зависимость между двумя методами классификации выборки ?

При проверке гипотез такого вида обычно принимают, что нулевая гипотеза утверждает об отсутствии зависимости способов классификации.

Рассмотрим предельные случаи. Примером полной зависимости двух категориальных переменных является вот такой результат опроса:

В этом случае семейное положение однозначно определяет занятость (см. файл примера лист Пояснение ). И наоборот, примером полной независимости является другой результат опроса:

Обратите внимание, что процент занятости в этом случае не зависит от семейного положения (одинаков для женатых и не женатых). Это как раз совпадает с формулировкой нулевой гипотезы . Если нулевая гипотеза справедлива, то результаты опроса должны были бы так распределиться в таблице, что процент занятых был бы одинаковым независимо от семейного положения. Используя это, вычислим результаты опроса, которые соответствуют нулевой гипотезе (см. файл примера лист Пример ).

Сначала вычислим оценку вероятности, того, что элемент выборки будет иметь определенную занятость (см. столбец u i):

где с – количество столбцов (columns), равное количеству уровней переменной «Семейное положение».

Затем вычислим оценку вероятности, того, что элемент выборки будет иметь определенное семейное положение (см. строку v j).

где r – количество строк (rows), равное количеству уровней переменной «Занятость».

Теоретическая частота для каждой ячейки E ij (от англ. Expected, т.е. ожидаемая частота) в случае независимости переменных вычисляется по формуле:
E ij =n* u i * v j

Известно, что статистика Х 2 0 при больших n имеет приблизительно с (r-1)(c-1) степенями свободы (df – degrees of freedom):

Если вычисленное на основе выборки значение этой статистики «слишком большое» (больше порогового), то нулевая гипотеза отвергается. Пороговое значение вычисляется на основании , например с помощью формулы =ХИ2.ОБР.ПХ(0,05; df) .

Примечание : Уровень значимости обычно принимается равным 0,1; 0,05; 0,01.

При проверке гипотезы также удобно вычислять , которое мы сравниваем с уровнем значимости . p -значение рассчитывается с использованием с (r-1)*(c-1)=df степеней свободы.

Если вероятность, того что случайная величина имеющая с (r-1)(c-1) степенями свободы примет значение больше вычисленной статистики Х 2 0 , т.е. P{Х 2 (r-1)*(c-1) >Х 2 0 }, меньше уровня значимости , то нулевая гипотеза отклоняется.

В MS EXCEL p-значение можно вычислить с помощью формулы =ХИ2.РАСП.ПХ(Х 2 0 ;df) , конечно, вычислив непосредственно перед этим значение статистики Х 2 0 (это сделано в файле примера ). Однако, удобнее всего воспользоваться функцией ХИ2.ТЕСТ() . В качестве аргументов этой функции указываются ссылки на диапазоны содержащие фактические (Observed) и вычисленные теоретические частоты (Expected).

Если уровень значимости > p -значения , то означает это фактические и теоретические частоты, вычисленные из предположения справедливости нулевой гипотезы , серьезно отличаются. Поэтому, нулевую гипотезу нужно отклонить.

Использование функции ХИ2.ТЕСТ() позволяет ускорить процедуру проверки гипотез , т.к. не нужно вычислять значение статистики . Теперь достаточно сравнить результат функции ХИ2.ТЕСТ() с заданным уровнем значимости .

Примечание : Функция ХИ2.ТЕСТ() , английское название CHISQ.TEST, появилась в MS EXCEL 2010. Ее более ранняя версия ХИ2ТЕСТ() , доступная в MS EXCEL 2007 имеет тот же функционал. Но, как и для ХИ2.ТЕСТ() , теоретические частоты нужно вычислить самостоятельно.

). 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 ).

При проведении теста хи-квадрат проверяется взаимная независимость двух переменных таблицы сопряженности и благодаря этому косвенно выясняется зависимость обоих переменных. Две переменные считаются взаимно независимыми, если наблюдаемые частоты (f 0) в ячейках совпадают с ожидаемыми частотами (f e).

Для того, чтобы провести тест хи-квадрат с помощью SPSS, выполните следующие действия:

• Выберите в меню команды Analyze (Анализ) › Descriptive Statistics (Дескриптивные статистики) › Crosstabs… (Таблицы сопряженности)
• Кнопкой Reset (Сброс) удалите возможные настройки.
• Перенесите переменную sex в список строк, а переменную psyche - в список столбцов.
• Щелкните на кнопке Cells… (Ячейки). В диалоговом окне установите, кроме предлагаемого по умолчанию флажка Observed , еще флажки Expected и Standardized . Подтвердите выбор кнопкой Continue .
• Щелкните на кнопке Statistics… (Статистика).

Откроется описанное выше диалоговое окно Crosstabs: Statistics .

• Установите флажок Chi-square (Хи-квадрат). Щелкните на кнопке Continue , а в главном диалоговом окне - на ОК .

Вы получите следующую таблицу сопряженности.

Пол * Психическое состояние. Таблица сопряженности .

			Психическое состояние				Total
			Крайне неустойчивое	Неустойчивое	Устойчивое	Очень устойчивое
Пол	женский	Count	16	18	9	1	44
		Expected Count	7.9	16.6	17.0	2.5	44.0
		Std. Residual	2.9	0.3	-1.9	-0.9
	Мужской	Count	3	22	32	5	62
		Expected Count	11.1	23.4	24.0	3.5	62.0
		Std. Residual	-2.4	-0.3	1.6	0.8
Total		Count	19	40	41	6	106
		Expected Count	19.0	40.0	41.0	6.0	106.0

Кроме того, в окне просмотра будут показаны результаты теста хи-квадрат:

Chi-Square Tests (Тесты хи-квадрат)

• а. 2 cells (25.0%) have expected count less than 5. The minimum expected count is 2.49 (2 ячейки (25%) имеют ожидаемую частоту менее 5. Минимальная ожидаемая частота 2.49.)

Для вычисления критерия хи-квадрат применяются три различных подхода: формула Пирсона, поправка на правдоподобие и тест Мантеля-Хэнзеля. Если таблица сопряженности имеет четыре поля и ожидаемая вероятность менее 5, дополнительно выполняется точный тест Фишера.

Критерий хи-квадрат по Пирсону

Обычно для вычисления критерия хи-квадрат используется формула Пирсона:

Здесь вычисляется сумма квадратов стандартизованных остатков по всем полям таблицы сопряженности. Поэтому поля с более высоким стандартизованным остатком вносят более весомый вклад в численное значение критерия хи-квадрат и, следовательно, - в значимый результат. Согласно правилу, приведенному в разделе 8.7.2, стандартизованный остаток 2 или более указывает на значимое расхождение между наблюдаемой и ожидаемой частотами.

В рассматриваемом нами примере формула Пирсона дает максимально значимую величину критерия хи-квадрат (р<0.001). Если рассмотреть стандартизованные остатки в отдельных полях таблицы сопряженности, то на основе вышеприведенного правила можно сделать вывод, что эта значимость в основном определяется полями, в которых переменная psyche имеет значение "крайне неустойчивое". У женщин это значение сильно повышено, а у мужчин - понижено.

Корректность проведения теста хи-квадрат определяется двумя условиями: во-первых, ожидаемые частоты < 5 должны встречаться не более чем в 20% полей таблицы; во-вторых, суммы по строкам и столбцам всегда должны быть больше нуля.

Однако в рассматриваемом примере это условие выполняется не полностью. Как указывает примечание после таблицы теста хи-квадрат, 25% полей имеют ожидаемую частоту менее 5. Однако, так как допустимый предел4в 20% превышен лишь ненамного и эти поля, вследствие своего очень малого стандартизованного остатка, вносят весьма незначительную долю в величину критерия хи-квадрат, это нарушение можно считать несущественным.

Критерий хи-квадрат с поправкой на правдоподобие

Альтернативой формуле Пирсона для вычисления критерия хи-квадрат является поправка на правдоподобие:

При большом объеме выборки формула Пирсона и подправленная формула дают очень близкие результаты. В нашем примере критерий хи-квадрат с поправкой на правдоподобие составляет 23.688.

Тест Мантеля-Хэнзеля

Дополнительно в таблице сопряженности под обозначением linear-by-linear ("линейный-по-линейному") выводится значение теста Мантеля-Хэнзеля (20.391). Эта форма критерия хи-квадрат с поправкой Мантеля-Хэнзеля - еще одна мера линейной зависимости между строками и столбцами таблицы сопряженности. Она определяется как произведение коэффициента корреляции Пирсона на количество наблюдений, уменьшенное на единицу:

Полученный таким образом критерий имеет одну степень свободы. Метод Мантеля-Хэнзеля используется всегда, когда в диалоговом окне Crosstabs: Statistics установлен флажок Chi-square . Однако для данных, относящихся к с номинальной шкале, этот критерий неприменим.