Основные термины и понятия медицинской статистики. Уровень статистической достоверности

Уровень значимости в статистике является важным показателем, отражающим степень уверенности в точности, истинности полученных (прогнозируемых) данных. Понятие широко применяется в различных сферах: от проведения социологических исследований, до статистического тестирования научных гипотез.

Определение

Уровень статистической значимости (или статистически значимый результат) показывает, какова вероятность случайного возникновения исследуемых показателей. Общая статистическая значимость явления выражается коэффициентом р-value (p-уровень). В любом эксперименте или наблюдении существует вероятность, что полученные данные возникли из-за ошибок выборки. Особенно это актуально для социологии.

То есть статистически значимой является величина, чья вероятность случайного возникновения крайне мала либо стремится к крайности. Крайностью в этом контексте считают степень отклонения статистики от нуль-гипотезы (гипотезы, которую проверяют на согласованность с полученными выборочными данными). В научной практике уровень значимости выбирается перед сбором данных и, как правило, его коэффициент составляет 0,05 (5 %). Для систем, где крайне важны точные значения, этот показатель может составлять 0,01 (1 %) и менее.

История вопроса

Понятие уровня значимости было введено британским статистиком и генетиком Рональдом Фишером в 1925 году, когда он разрабатывал методику проверки статистических гипотез. При анализе какого-либо процесса существует определенная вероятность тех либо иных явлений. Трудности возникают при работе с небольшими (либо не очевидными) процентами вероятностей, подпадающими под понятие «погрешность измерений».

При работе со статистическими данными, недостаточно конкретными, чтобы их проверить, ученые сталкивались с проблемой нулевой гипотезы, которая «мешает» оперировать малыми величинами. Фишер предложил для таких систем определить вероятность событий в 5 % (0,05) в качестве удобного выборочного среза, позволяющего отклонить нуль-гипотезу при расчетах.

Введение фиксированного коэффициента

В 1933 году ученые Ежи Нейман и Эгон Пирсон в своих работах рекомендовали заранее (до сбора данных) устанавливать определенный уровень значимости. Примеры использования этих правил хорошо видны во время проведения выборов. Предположим, есть два кандидата, один из которых очень популярен, а второй – малоизвестен. Очевидно, что первый кандидат выборы выиграет, а шансы второго стремятся к нулю. Стремятся – но не равны: всегда есть вероятность форс-мажорных обстоятельств, сенсационной информации, неожиданных решений, которые могут изменить прогнозируемые результаты выборов.

Нейман и Пирсон согласились, что предложенный Фишером уровень значимости 0,05 (обозначаемый символом α) наиболее удобен. Однако сам Фишер в 1956 году выступил против фиксации этого значения. Он считал, что уровень α должен устанавливаться в соответствии с конкретными обстоятельствами. Например, в физике частиц он составляет 0,01.

Значение p-уровня

Термин р-value впервые использован в работах Браунли в 1960 году. P-уровень (p-значение) является показателем, находящимся в обратной зависимости от истинности результатов. Наивысший коэффициент р-value соответствует наименьшему уровню доверия к произведенной выборке зависимости между переменными.

Данное значение отражает вероятность ошибок, связанных с интерпретацией результатов. Предположим, p-уровень = 0,05 (1/20). Он показывает пятипроцентную вероятность того, что найденная в выборке связь между переменными – всего лишь случайная особенность проведенной выборки. То есть, если эта зависимость отсутствует, то при многократных подобных экспериментах в среднем в каждом двадцатом исследовании можно ожидать такую ​​же либо большую зависимость между переменными. Часто p-уровень рассматривается в качестве «допустимой границы» уровня ошибок.

Кстати, р-value может не отражать реальную зависимость между переменными, а лишь показывает некое среднее значение в пределах допущений. В частности, окончательный анализ данных будет также зависеть от выбранных значений данного коэффициента. При p-уровне = 0,05 будут одни результаты, а при коэффициенте, равном 0,01, другие.

Проверка статистических гипотез

Уровень статистической значимости особенно важен при проверке выдвигаемых гипотез. Например, при расчетах двустороннего теста область отторжения разделяют поровну на обоих концах выборочного распределения (относительно нулевой координаты) и высчитывают истинность полученных данных.

Предположим, при мониторинге некоего процесса (явления) выяснилось, что новая статистическая информация свидетельствует о небольших изменениях относительно предыдущих значений. При этом расхождения в результатах малы, не очевидны, но важны для исследования. Перед специалистом встает дилемма: изменения реально происходят или это ошибки выборки (неточность измерений)?

В этом случае применяют либо отвергают нулевую гипотезу (списывают все на погрешность, или признают изменение системы как свершившийся факт). Процесс решения задачи базируется на соотношении общей статистической значимости (р-value) и уровня значимости (α). Если р-уровень < α, значит, нулевую гипотезу отвергают. Чем меньше р-value, тем более значимой является тестовая статистика.

Используемые значения

Уровень значимости зависит от анализируемого материала. На практике используют следующие фиксированные значения:

• α = 0,1 (или 10 %);
• α = 0,05 (или 5 %);
• α = 0,01 (или 1 %);
• α = 0,001 (или 0,1 %).

Чем более точными требуются расчеты, тем меньший коэффициент α используется. Естественно, что статистические прогнозы в физике, химии, фармацевтике, генетике требуют большей точности, чем в политологии, социологии.

Пороги значимости в конкретных областях

В высокоточных областях, таких как физика частиц и производственная деятельность, статистическая значимость часто выражается как соотношение среднеквадратического отклонения (обозначается коэффициентом сигма – σ) относительно нормального распределения вероятностей (распределение Гаусса). σ – это статистический показатель, определяющий рассеивание значений некой величины относительно математических ожиданий. Используется для составления графиков вероятности событий.

В зависимости от области знаний, коэффициент σ сильно разнится. Например, при прогнозировании существования бозона Хиггса параметр σ равен пяти (σ=5), что соответствует значению р-value=1/3,5 млн. При исследованиях геномов уровень значимости может составлять 5×10 -8 , что не являются редкостью для этой области.

Эффективность

Необходимо учитывать, что коэффициенты α и р-value не являются точными характеристиками. Каким бы ни был уровень значимости в статистике исследуемого явления, он не является безусловным основанием для принятия гипотезы. Например, чем меньше значение α, тем больше шанс, что устанавливаемая гипотеза значима. Однако существует риск ошибиться, что уменьшает статистическую мощность (значимость) исследования.

Исследователи, которые зацикливаются исключительно на статистически значимых результатах, могут получить ошибочные выводы. При этом перепроверить их работу затруднительно, так как ими применяются допущения (коими фактически и являются значения α и р-value). Поэтому рекомендуется всегда, наряду с вычислением статистической значимости, определять другой показатель – величину статистического эффекта. Величина эффекта – это количественная мера силы эффекта.

Понятие о статистической достоверности

Статистическая достоверность имеет существенное значение в расчетной практике ФКС. Ранее было отмечено, что из одной и той же генеральной совокупности может быть избрано множество выборок:

Если они подобраны корректно, то их средние показатели и показатели генеральной совокупности незначительно отличаются друг от друга величиной ошибки репрезентативности с учетом принятой надежности;

Если они избираются из разных генеральных совокупностей, различие между ними оказывается существенным. В статистике по­всеместно рассматривается сравнение выборок;

Если они отличаются несущественно, непринципиально, не­значительно, т. е. фактически принадлежат одной и той же гене­ральной совокупности, различие между ними называется стати­стически недостоверным.

Статистически достоверным различием выборок называется выборка, которая различается значимо и принципиально, т. е. при­надлежит разным генеральным совокупностям.

В ФКС оценка статистической достоверности различий выбо­рок означает решение множества практических задач. Например, введение новых методик обучения, программ, комплексов упраж­нений, тестов, контрольных упражнений связано с их экспери­ментальной проверкой, которая должна показать, что испытуе­мая группа принципиально отлична от контрольной. Поэтому при­меняют специальные статистические методы, называемые крите­риями статистической достоверности, позволяющие обнаружить наличие или отсутствие статистически достоверного различия между выборками.

Все критерии делятся на две группы: параметрические и непараметрические. Параметрические критерии предусматривают обязательное наличие нормального закона распределения, т.е. имеется в виду обязательное определение основных показателей нормального закона - средней арифметической величины х и среднего квадратического отклонения о. Параметрические крите­рии являются наиболее точными и корректными. Непараметри­ческие критерии основаны на ранговых (порядковых) отличиях между элементами выборок.

Приведем основные критерии статистической достоверности, используемые в практике ФКС: критерий Стьюдента, критерий Фишера, критерий Вилкоксона, критерий Уайта, критерий Ван-дер-Вардена (критерий знаков).

Критерий Стьюдента назван в честь английского ученого К. Госсета (Стьюдент - псевдоним), открывшего данный метод. Критерий Стьюдента является параметрическим, используется для сравнения абсолютных показателей выборок. Выборки могут быть различными по объему.

Критерий Стьюдента определяется так.

1. Находим критерий Стьюдента t по следующей формуле:

где Xi, x 2 - средние арифметические сравниваемых выборок; /я ь w 2 - ошибки репрезентативности, выявленные на основании показателей сравниваемых выборок.

2. Практика в ФКС показала, что для спортивной работы доста­точно принять надежность счета Р = 0,95.

63 Для надежности счета: Р= 0,95 (а = 0,05), при числе степеней; свободы k = «! + п 2 - 2 по таблице приложения 4 находим величи- \ ну граничного значения критерия (^гр).

3. На основании свойств нормального закона распределения в критерии Стьюдента осуществляется сравнение t и t^.

4. Делаем выводы:

Если t > ftp, то различие между сравниваемыми выборками статистически достоверно;

Если t < 7 Ф, то различие статистически недостоверно.

Для исследователей в области ФКС оценка статистической до­стоверности является первым шагом в решении конкретной зада­чи: принципиально или непринципиально различаются между; собой сравниваемые выборки. Последующий шаг заключается в; оценке этого различия с педагогической точки зрения, что опре­деляется условием задачи.

ПЛАТНАЯ ФУНКЦИЯ. Функция статистической значимости доступна только в некоторых тарифных планах. Проверьте, есть ли она в .

Можно узнать, есть ли статистически значимые отличия в ответах, полученных от разных групп респондентов на вопросы в опросе. Для работы с функцией статистической значимости в SurveyMonkey необходимо:

• Включить функцию статистической значимости при добавлении правила сравнения к вопросу в Вашем опросе. Выбрать группы респондентов для сравнения, чтобы отсортировать результаты опроса по группам для наглядного сравнения.
• Изучить таблицы с данными по вопросам Вашего опроса, чтобы выявить наличие статистически значимых отличий в ответах, полученных от различных групп респондентов.

Просмотр статистической значимости

Выполнив нижеописанные действия, Вы сможете создать опрос, отображающий статистическую значимость.

1. Добавьте в опрос вопросы закрытого типа

Для того, чтобы отобразить статистическую значимость во время анализа результатов, Вам понадобится применить правило сравнения к какому-либо вопросу из Вашего опроса.

Применить правило сравнения и вычислить статистическую значимость в ответах можно в том случае, если в схеме опроса Вы используете один из следующих типов вопросов:

Необходимо убедиться в том, что предлагаемые варианты ответа можно разделить на полноценные группы. Варианты ответа, выбираемые Вами для сравнения при создании правила сравнения, будут использованы для организации данных в перекрестные таблицы в рамках всего опроса.

2. Соберите ответы

После завершения составления опроса создайте коллектор для его рассылки. Существует несколько способов .

Вам необходимо получить не менее 30 ответов по каждому варианту ответа, который Вы планируете использовать в своем правиле сравнения, чтобы активировать и просмотреть статистическую значимость.

Пример опроса

Вы хотите узнать, довольны ли мужчины Вашей продукцией значительно больше, чем женщины.

1. Добавьте в опрос два вопроса с множественными вариантами ответа:
   Какой Ваш пол? (мужской, женский)
   Довольны ли Вы или недовольны нашим продуктом? (доволен(-льна), недоволен(-льна))
2. Убедитесь, что не менее 30 респондентов выбрали вариант ответа «мужской» на вопрос о поле, А ТАКЖЕ не менее 30 респондентов в качестве своего пола выбрали вариант «женский».
3. Добавьте правило сравнения к вопросу "Какой Ваш пол?" и выберите оба варианта ответа как Ваши группы.
4. Используйте таблицу данных ниже диаграммы вопроса "Довольны ли Вы или недовольны нашим продуктом?" , чтобы узнать, показывают ли какие-нибудь варианты ответа статистически значимое отличие

Что такое статистически значимое отличие?

Статистически значимое отличие означает, что с помощью статистического анализа установлено наличие существенных отличий между ответами одной группы респондентов и ответами другой группы. Статистическая значимость означает, что полученные цифры достоверно отличаются. Такие знания в значительной мере помогут Вам при анализе данных. Тем не менее, важность полученных результатов определяете Вы. Именно Вы решаете, как толковать результаты опросов и какие меры следует принять на их основе.

Например, Вы получаете больше претензий от покупателей женского пола, чем от покупателей-мужчин. Как определить, является ли такое отличие реальным и требуется ли в связи с этим принять меры? Одним из отличных способов проверить Ваши наблюдения является проведение опроса, который покажет Вам, действительно ли Вашим товаром в значительно большей мере довольны покупатели-мужчины. С помощью статистической формулы предлагаемая нами функция статистической значимости предоставит Вам возможность определить, действительно ли Ваш товар гораздо больше нравится мужчинам, чем женщинам. Это позволит Вам принять меры, основываясь на факты, а не на догадки.

Статистически значимое отличие

Если полученные Вами результаты выделены в таблице данных, это означает, что две группы респондентов значительно отличаются друг от друга. Термин «значительно» не означает, что полученные цифры имеют какую-то особую важность или значение, а лишь то, что между ними есть статистическая разница.

Отсутствие статистически значимого отличия

Если полученные Вами результаты не выделены в соответствующей таблице данных, это означает, что, несмотря на возможную разницу в двух сравниваемых цифрах, между ними нет статистической разницы.

Ответы без статистически значимых отличий демонстрируют, что между двумя сравниваемыми элементами нет значительной разницы при используемом Вами объеме выборки, однако это не обязательно означает, что они не имеют значения. Возможно, увеличив объем выборки, Вы сможете выявить статистически значимое отличие.

Объем выборки

Если у Вас очень малый объем выборки, значительными будут только очень большие отличия между двумя группами. Если у Вас очень большой объем выборки, как небольшие, так и большие отличия будут учтены как значительные.

Тем не менее, если две цифры являются статистически различными, это не означает, что разница между результатами имеет для Вас какое-либо практическое значение. Вам придется самим решить, какие именно отличия значимы для Вашего опроса.

Вычисление статистической значимости

Мы вычисляем статистическую значимость, используя стандартный уровень доверия 95 %. Если вариант ответа отображается как статистически значимый, это означает, что только благодаря случайности либо из-за ошибки выборки отличие между двумя группами имеет место с вероятностью менее 5 % (часто отображается в виде: p<0,05).

Для вычисления статистически значимых отличий между группами мы используем следующие формулы:

*1,96 является значением, применяемым для уровня доверия 95 %, поскольку 95 % диапазона, обрабатываемого функцией t-распределения Стьюдента, лежит в пределах 1,96 стандартного отклонения от среднего значения.

Пример вычислений

Продолжая пример, используемый выше, давайте выясним, действительно ли процент мужчин, заявляющих о том, что они довольны Вашим товаром, значительно выше процента женщин.

Допустим, в Вашем опросе приняло участие 1000 мужчин и 1000 женщин, и в результате опроса оказалось, что 70 % мужчин и 65 % женщин утверждают, что они довольны Вашим товаром. Является ли показатель на уровне 70 % значительно выше показателя на уровне 65 %?

Подставьте следующие данные из опроса в предлагаемые формулы:

• p1 (% мужчин, довольных продуктом) = 0,7
• p2 (% женщин, довольных продуктом) = 0,65
• n1 (количество опрошенных мужчин) = 1000
• n2 (количество опрошенных женщин) = 1000

Поскольку абсолютная величина тестового статистического показателя больше чем 1,96, это означает, что отличие между мужчинами и женщинами является значительным. По сравнению с женщинами мужчины с большей долей вероятности будут довольны Вашим продуктом.

Скрытие статистической значимости

Как скрыть статистическую значимость для всех вопросов

1. Нажмите стрелку «вниз» справа от правила сравнения на левой боковой панели.
2. Выберите пункт Редактировать правило .
3. Отключите функцию Показать статистическую значимость с помощью переключателя.
4. Нажмите кнопку Применить .

Чтобы скрыть статистическую значимость для одного вопроса, необходимо:

1. Нажмите кнопку Настроить над диаграммой данного вопроса.
2. Откройте вкладку Параметры отображения .
3. Снимите флажок напротив пункта Статистическая значимость .
4. Нажмите кнопку Сохранить .

Параметр отображения автоматически активируется при включении отображения статистической значимости. Если снять флажок этого параметра отображения, отображение статистической значимости также будет отключено.

Включите функцию статистической значимости при добавлении правила сравнения к вопросу в Вашем опросе. Изучите таблицы с данными по вопросам Вашего опроса, чтобы выявить наличие статистически значимых отличий в ответах, полученных от различных групп респондентов.

Основные черты всякой зависимости между переменными.

Можно отметить два самых простых свойства зависимости между переменными: (a) величина зависимости и (b) надежность зависимости.

- Величина . Величину зависимости легче понять и измерить, чем надежность. Например, если любой мужчина в выборке имел значение числа лейкоцитов (WCC) выше чем любая женщина, то вы можете сказать, что зависимость между двумя переменными (Пол и WCC) очень высокая. Другими словами, вы могли бы предсказать значения одной переменной по значениям другой.

- Надежность ("истинность"). Надежность взаимозависимости - менее наглядное понятие, чем величина зависимости, однако чрезвычайно важное. Надежность зависимости непосредственно связана с репрезентативностью определенной выборки, на основе которой строятся выводы. Другими словами, надежность говорит о том, насколько вероятно, что зависимость будет вновь обнаружена (иными словами, подтвердится) на данных другой выборки, извлеченной из той же самой популяции.

Следует помнить, что конечной целью почти никогда не является изучение данной конкретной выборки значений; выборка представляет интерес лишь постольку, поскольку она дает информацию обо всей популяции. Если исследование удовлетворяет некоторым специальным критериям, то надежность найденных зависимостей между переменными выборки можно количественно оценить и представить с помощью стандартной статистической меры.

Величина зависимости и надежность представляют две различные характеристики зависимостей между переменными. Тем не менее, нельзя сказать, что они совершенно независимы. Чем больше величина зависимости (связи) между переменными в выборке обычного объема, тем более она надежна (см. следующий раздел).

Статистическая значимость результата (p-уровень) представляет собой оцененную меру уверенности в его "истинности" (в смысле "репрезентативности выборки"). Выражаясь более технически, p-уровень – это показатель, находящийся в убывающей зависимости от надежности результата. Более высокий p-уровень соответствует более низкому уровню доверия к найденной в выборке зависимости между переменными. Именно, p-уровень представляет собой вероятность ошибки, связанной с распространением наблюдаемого результата на всю популяцию.

Например, p-уровень = 0.05 (т.е. 1/20) показывает, что имеется 5% вероятность, что найденная в выборке связь между переменными является лишь случайной особенностью данной выборки. Во многих исследованиях p-уровень 0.05 рассматривается как "приемлемая граница" уровня ошибки.

Не существует никакого способа избежать произвола при принятии решения о том, какой уровень значимости следует действительно считать "значимым". Выбор определенного уровня значимости, выше которого результаты отвергаются как ложные, является достаточно произвольным.

На практике окончательное решение обычно зависит от того, был ли результат предсказан априори (т.е. до проведения опыта) или обнаружен апостериорно в результате многих анализов и сравнений, выполненных с множеством данных, а также на традиции, имеющейся в данной области исследований.

Обычно во многих областях результат p .05 является приемлемой границей статистической значимости, однако следует помнить, что этот уровень все еще включает довольно большую вероятность ошибки (5%).

Результаты, значимые на уровне p .01 обычно рассматриваются как статистически значимые, а результаты с уровнем p .005 или p . 001 как высоко значимые. Однако следует понимать, что данная классификация уровней значимости достаточно произвольна и является всего лишь неформальным соглашением, принятым на основе практического опыта в той или иной области исследования .

Понятно, что чем большее число анализов будет проведено с совокупностью собранных данных, тем большее число значимых (на выбранном уровне) результатов будет обнаружено чисто случайно.

Некоторые статистические методы, включающие много сравнений, и, таким образом, имеющие значительный шанс повторить такого рода ошибки, производят специальную корректировку или поправку на общее число сравнений. Тем не менее, многие статистические методы (особенно простые методы разведочного анализа данных) не предлагают какого-либо способа решения данной проблемы.

Если связь между переменными "объективно" слабая, то не существует иного способа проверить такую зависимость кроме как исследовать выборку большого объема. Даже если выборка совершенно репрезентативна, эффект не будет статистически значимым, если выборка мала. Аналогично, если зависимость "объективно" очень сильная, тогда она может быть обнаружена с высокой степенью значимости даже на очень маленькой выборке.

Чем слабее зависимость между переменными, тем большего объема требуется выборка, чтобы значимо ее обнаружить.

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.

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, нужна функция, которая представляла бы зависимость между "величиной" и "значимостью" зависимости между переменными для каждого объема выборки.

Такая функция указала бы 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 классом распределений, называемым нормальным .