Dlaczego wartości p rozkładają się równomiernie w ramach hipotezy zerowej?


115

Ostatnio znalazłem w artykule Klammera i in. stwierdzenie, że wartości p powinny być równomiernie rozłożone. Wierzę autorom, ale nie mogę zrozumieć, dlaczego tak jest.

Klammer, AA, Park, CY i Stafford Noble, W. (2009) Kalibracja statystyczna funkcji SEQUEST XCorr . Journal of Proteome Research . 8 (4): 2106–2113.


24
Wynika to bezpośrednio z definicji wartości p jako całki prawdopodobieństwa transformacji statystyki testowej z wykorzystaniem rozkładu pod hipotezą zerową. Wniosek wymaga, aby dystrybucja była ciągła. Gdy rozkład jest dyskretny (lub ma atomy), rozkład wartości p jest również dyskretny, a zatem może być w przybliżeniu równomierny.
— whuber

1
@whuber udzielił odpowiedzi, którą podejrzewałem. Poprosiłem o oryginalne odniesienie, aby upewnić się, że coś nie zostało utracone w tłumaczeniu. Zwykle nie ma znaczenia, czy artykuł jest konkretny, czy nie, treść statystyczna zawsze pokazuje poprzez :)
— mpiktas

10
Tylko gdy jest prawdziweH0 ! ... a ściślej, tylko gdy jest ciągły (choć coś takiego jest prawdą w przypadku nieciągłym; nie znam odpowiedniego słowa dla najbardziej ogólnego przypadku; to nie jest jednolitość). Następnie wynika z definicji wartości p.
— Glen_b

2
Można to uznać za wariant podstawowej zasady mechaniki statystycznej (że uczniowie często mają podobne trudności z zaakceptowaniem), że wszystkie mikrostany układu fizycznego mają jednakowe prawdopodobieństwo.
— DW

5
Co powiesz na roszczenie w tym artykule: plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0076010 ?

Odpowiedzi:


83

Wyjaśnić trochę. Wartość p rozkłada się równomiernie, gdy hipoteza zerowa jest prawdziwa i spełnione są wszystkie inne założenia. Powodem tego jest tak naprawdę definicja alfa jako prawdopodobieństwa błędu typu I. Chcemy, aby prawdopodobieństwo odrzucenia prawdziwej hipotezy zerowej było alfa, odrzucamy, gdy zaobserwowany , jedynym sposobem, w jaki dzieje się to dla dowolnej wartości alfa, jest to, gdy wartość p pochodzi z jednolitego dystrybucja. Cały sens stosowania prawidłowego rozkładu (normalny, t, f, chisq itp.) Polega na przekształceniu ze statystyki testowej w jednolitą wartość p. Jeśli hipoteza zerowa jest fałszywa, wówczas rozkład wartości p będzie (mam nadzieję) większy w stosunku do 0.p-value<α

Funkcje Pvalue.norm.simi Pvalue.binom.simw pakiecie TeachingDemos dla R symulują kilka zestawów danych, obliczają wartości p i wykreślają je, aby zademonstrować ten pomysł.

Zobacz także:

Murdoch, D, Tsai, Y i Adcock, J (2008). Wartości P są zmiennymi losowymi. The American Statistician , 62 , 242-245.

po więcej szczegółów.

Edytować:

Ponieważ ludzie wciąż czytają tę odpowiedź i komentują, pomyślałem, że odniosę się do komentarza @ whuber.

Prawdą jest, że przy zastosowaniu złożonej hipotezy zerowej, takiej jak , wartości p będą rozkładane równomiernie tylko wtedy, gdy 2 średnie są dokładnie równe i nie będą jednolite, jeśli jest dowolną wartością, która jest mniejsza niż . Można to łatwo zauważyć za pomocą funkcji i ustawienia jej na wykonanie jednostronnego testu oraz symulacji za pomocą symulacji i hipotetycznych środków różnych (ale w kierunku, aby wartość null była prawdziwa).μ 1 μ 2μ1≤μ2μ1μ2Pvalue.norm.sim

Jeśli chodzi o teorię statystyczną, nie ma to znaczenia. Zastanów się, czy twierdziłem, że jestem wyższy niż każdy członek twojej rodziny, jednym ze sposobów sprawdzenia tego twierdzenia byłoby porównanie mojego wzrostu z wzrostem każdego członka twojej rodziny pojedynczo. Inną opcją byłoby znalezienie członka rodziny, który jest najwyższy, i porównanie ich wzrostu z moim. Jeśli jestem wyższy od tej jednej osoby, to jestem również wyższy od reszty i moje twierdzenie jest prawdziwe, jeśli nie jestem wyższy od tej jednej osoby, moje twierdzenie jest fałszywe. Testowanie złożonego null może być postrzegane jako podobny proces, zamiast testowania wszystkich możliwych kombinacji, w których możemy przetestować tylko część równości, ponieważ jeśli możemy odrzucić, że na korzyśćμ 1 = μ 2 μ 1 > μ 2 μ 1 < μ 2 μ 1 < μ 2 α μ 1 μ 2 αμ1≤μ2μ1=μ2μ1>μ2wtedy wiemy, że możemy również odrzucić wszystkie możliwości . Jeśli spojrzymy na rozkład wartości p dla przypadków, w których to rozkład nie będzie idealnie jednolity, ale będzie miał więcej wartości bliższych 1 niż 0, co oznacza, że ​​prawdopodobieństwo błędu typu I będzie mniejsze niż wybrana wartość czyni ją testem zachowawczym. Mundur staje się rozkładem granicznym, gdy zbliża się doμ1<μ2μ1<μ2αμ1μ2(ludzie, którzy są bardziej aktualni w kategoriach statystyki statystycznej, prawdopodobnie mogliby to stwierdzić lepiej, jeśli chodzi o supremum dystrybucyjne lub coś w tym rodzaju). Konstruując nasz test, zakładając równą część wartości zerowej, nawet gdy wartość zerowa jest złożona, projektujemy nasz test, aby prawdopodobieństwo wystąpienia błędu typu I było co najwyżej w każdych warunkach, w których wartość null jest prawdziwa.α


Przepraszam za literówkę, którą przedstawiłem (powinienem przeczytać \leqw TeX)!
— chl

1
Artykuł „Wartości P są zmiennymi losowymi” jest naprawdę interesujący, czy jest jakaś książka wprowadzająca, która przestrzega zasad określonych w tym artykule?
— Alessandro Jacopson

8
Mimo komentarza, który zamieściłem na pytanie, zdałem sobie sprawę, że wniosek nie jest prawdziwy, z wyjątkiem szczególnych przypadków. Problem występuje w przypadku złożonych hipotez, takich jak . „Hipoteza zerowa jest prawdziwa” obejmuje teraz wiele możliwości, takich jak przypadek . W takim przypadku wartości p nie będą równomiernie rozłożone. Podejrzewam, że można wytworzyć (nieco sztuczne) sytuacje, w których bez względu na element hipotezy zerowej rozkład wartości p nigdy nie byłby w pobliżu równomierny. μ 1 = μ 2 - 10 6μ1≤μ2μ1=μ2−106
— whuber

1
@Greg Snow: Myślę, że rozkład wartości p nie zawsze jest jednolity, jest jednakowy, gdy są obliczane z rozkładu ciągłego, ale nie, gdy są obliczane z rozkładu dyskretnego

1
Rozszerzyłem odpowiedź powyżej, aby uwzględnić komentarz @whuber.
— Greg Snow,

26

Zgodnie z hipotezą zerową, twoja statystyka testowa ma rozkład (np. Standardowa normalna). Pokazujemy, że wartość p ma rozkład prawdopodobieństwa innymi słowy, jest rozłożone równomiernie. Dzieje się tak, dopóki jest odwracalny, a niezbędnym warunkiem jest to, że nie jest dyskretną zmienną losową.TF(t)P=F(T)

Pr(P<p)=Pr(F−1(P)<F−1(p))=Pr(T<t)≡p;
PF(⋅)T

Ten wynik jest ogólny: rozkład odwracalnego CDF zmiennej losowej jest równomierny dla .[0,1]


8
możesz przeformułować swój ostatni komentarz, co jest nieco mylące. Ciągłe CDF niekoniecznie mają (właściwą) odwrotność. (Czy możesz pomyśleć o kontrprzykładzie?) Więc twój dowód wymaga dodatkowych warunków. Standardowym sposobem obejścia tego jest zdefiniowanie pseudoinwersji . Argument staje się również bardziej subtelny. F←(y)=inf{x:F(x)≥y}
— kardynał

1
Informacje na temat pracy z uogólnionymi odwrotnościami można znaleźć na stronie link.springer.com/article/10.1007%2Fs00186-013-0436-7 (w szczególności F (T) jest jednolity tylko wtedy, gdy F jest ciągły - nie ma znaczenia, czy F jest odwracalny, czy nie). Jeśli chodzi o twoją definicję wartości p: nie sądzę, że zawsze jest to „F (T)”. Jest to prawdopodobieństwo (poniżej zera) przyjęcia wartości bardziej ekstremalnej niż obserwowana, więc może to być również funkcja przeżycia (żeby być precyzyjnym tutaj).
— Marius Hofert

Czy jest CDF? F(t)
— zyxue

@zyxue Tak, plik cdf jest czasem nazywany „dystrybucją”.
— mikario

6

Niech oznacza zmienną losową z funkcją rozkładu skumulowanego dla wszystkich . Zakładając, że jest odwracalna, możemy wyprowadzić rozkład losowej wartości w następujący sposób:TF(t)≡Pr(T<t)tFP=F(T)

Pr(P<p)=Pr(F(T)<p)=Pr(T<F−1(p))=F(F−1(p))=p,

z którego możemy wnioskować, że rozkład jest równomierny na .P[0,1]

Ta odpowiedź jest podobna do odpowiedzi Charliego, ale unika konieczności definiowania .t=F−1(p)


Jak zdefiniowałeś F, czy P = F (T) = Pr (T <T) = 0?
— TrynnaDoStat

Nie do końca „syntaktyczna zamiana” jest nieco myląca. Formalnie rzecz biorąc, jest zmienną losową zdefiniowaną przezF(T)=Pr(T<T)F(T)(F(T))(ω)=F(T(ω)):=Pr(T<T(ω))
— jII

4

Prosta symulacja rozkładu wartości p w przypadku regresji liniowej między dwiema zmiennymi niezależnymi:

# estimated model is: y = a0 + a1*x + e

obs<-100                # obs in each single regression
Nloops<-1000            # number of experiments
output<-numeric(Nloops) # vector holding p-values of estimated a1 parameter from Nloops experiments

for(i in seq_along(output)){

x<-rnorm(obs) 
y<-rnorm(obs)

# x and y are independent, so null hypothesis is true
output[i] <-(summary(lm(y~x)) $ coefficients)[2,4] # we grab p-value of a1

if(i%%100==0){cat(i,"from",Nloops,date(),"\n")} # after each 100 iteration info is printed

}

plot(hist(output), main="Histogram of a1 p-values")
ks.test(output,"punif") # Null hypothesis is that output distr. is uniform

7
Czy mógłbyś wyjaśnić, w jaki sposób odpowiada to pytanie? Chociaż jego wyniki ilustrują szczególny przypadek tego stwierdzenia, żadna ilość kodu nie byłaby w stanie odpowiedzieć na pytanie, dlaczego ? To wymaga dodatkowych wyjaśnień.
— whuber

-1

Nie sądzę, że większość z tych odpowiedzi w ogóle odpowiada na pytanie. Są one ograniczone do przypadku, gdy istnieje prosta hipoteza zerowa i gdy statystyka testowa ma odwracalny CDF (jak w ciągłej zmiennej losowej, która ma ściśle rosnący CDF). Te przypadki są przypadkami, którymi większość ludzi się przejmuje testem Z i testem t, chociaż do testowania średniej dwumianowej (na przykład) nie ma takiego CDF. To, co podano powyżej, wydaje mi się słuszne w tych ograniczonych przypadkach.

Jeśli hipotezy zerowe są złożone, rzeczy są nieco bardziej skomplikowane. Najbardziej ogólny dowód tego faktu, jaki widziałem w złożonej sprawie przy użyciu pewnych założeń dotyczących regionów odrzucenia, znajduje się w „Testing Statisitical Hypotheses” Lehmanna i Romano, str. 63-64. Spróbuję odtworzyć poniższy argument ...

Testujemy hipotezy zerowej kontra alternatywnej hipotezy oparciu o statystykę testową, którą będziemy oznaczać jako zmiennej losowej . Zakłada się, że statystyki testowe pochodzą z pewnej klasy parametrycznej, tj. , gdzie jest elementem rodziny rozkładów prawdopodobieństwa , a to przestrzeń parametrów. Hipoteza i hipoteza alternatywna tworzą partycję w tym H0H1XX∼PθPθP≡{Pθ∣θ∈Θ}ΘH0:θ∈Θ0H1:θ∈Θ1Θ

Θ=Θ0∪Θ1
gdzie
Θ0∩Θ1=∅.

Wynik testu może być oznaczony gdzie dla dowolnego zestawu definiujemy Tutaj jest naszym poziomem istotności, a oznacza region odrzucenia testu dla poziomu istotności .

ϕα(X)=1Rα(X)
S
1S(X)={1,X∈S,0,X∉S.
αRαα

Załóżmy, że regiony odrzucające spełniają jeśli . W tym przypadku zagnieżdżonych regionów odrzucania przydatne jest określenie nie tylko tego, czy hipoteza zerowa jest odrzucana na danym poziomie istotności , ale także określenie najmniejszego poziomu istotności, dla którego hipoteza zerowa zostałaby odrzucona. Ten poziom jest znany jako wartość p , ta liczba daje nam wyobrażenie o jak silne dane (przedstawione przez statystykę testową ) są sprzeczne z hipotezą zerową .

Rα⊂Rα′
α<α′α
p^=p^(X)≡inf{α∣X∈Rα},
XH0

Załóżmy, że dla niektórych i że . Załóżmy dodatkowo, że regiony odrzucające zgodne z powyższą właściwością zagnieżdżania. Następnie następujące pozycje:X∼Pθθ∈ΘH0:θ∈Θ0Rα

  1. Jeśli dla wszystkich , to dla , supθ∈Θ0Pθ(X∈Rα)≤α0<α<1θ∈Θ0

    Pθ(p^≤u)≤ufor all0≤u≤1.

  2. Jeśli dla mamy dla wszystkich , to dla mamy θ∈Θ0Pθ(X∈Rα)=α0<α<1θ∈Θ0

    Pθ(p^≤u)=ufor all0≤u≤1.

Zauważ, że ta pierwsza właściwość mówi nam tylko, że współczynnik fałszywie dodatnich jest kontrolowany , odrzucając, gdy wartość p jest mniejsza niż , a druga właściwość mówi nam (przy dodatkowym założeniu), że wartości p są równomiernie rozmieszczone pod wartością zerową hipoteza.uu

Dowód jest następujący:

  1. Niech i załóżmy dla wszystkich . Następnie z definicji mamy dla wszystkich . Z monotoniczności i założenia wynika, że dla wszystkich . Pozwalając , wynika z tego, że .θ∈Θ0supθ∈Θ0Pθ(X∈Rα)≤α0<α<1p^{p^≤u}⊂{X∈Rv}u<vPθ(p^≤u)≤Pθ(X∈Rv)≤vu<vv↘uPθ(p^≤u)≤u

  2. Niech i załóżmy, że dla wszystkich . Następnie , a przez monotoniczność wynika, że . Biorąc pod uwagę (1), wynika z tego, że . θ∈Θ0Pθ(X∈Rα)=α0<α<1{X∈Ru}⊂{p^(X)≤u}u=Pθ(X∈Ru)≤Pθ(p^≤u)Pθ(p^(X)≤u)=u

Zauważ, że założenie w (2) nie obowiązuje, gdy statystyka testowa jest dyskretna, nawet jeśli hipoteza zerowa jest prosta, a nie złożona. Weźmy na przykład z i . Tzn. Rzuć monetą dziesięć razy i sprawdź, czy jest sprawiedliwa w stosunku do stronniczości (zakodowana jako 1). Prawdopodobieństwo zobaczenia 10 głów w 10 uczciwych rzutach monetą wynosi (1/2) ^ 10 = 1/1024. Prawdopodobieństwo zobaczenia 9 lub 10 głów w 10 uczciwych rzutach monetą wynosi 11/1024. Dla każdego ściśle między 1/1024 a 11/1024 odrzuciłbyś null, jeśli , ale nie mamy tego dla tych wartości kiedyX∼Binom(10,θ)H0:θ=.5H1:θ>0.5αX=10Pr(X∈Rα)=ααθ=0.5 . Zamiast tego dla takiego . Pr(X∈Rα)=1/1024α


Należy wyjaśnić, że ogólność podana w Lehmann i Romano dotyczy regionów odrzucających ogólnie. Nadal masz tylko „prawidłowe” wartości p dla złożonych wartości zerowych i nieciągłych statystyk testowych.
— Adam

-12

Jeśli wartości p są równomiernie rozłożone w ramach H0, oznacza to, że równie prawdopodobne jest zobaczenie wartości p 0,05 jako wartości p 0,80, ale nie jest to prawdą, ponieważ rzadziej obserwuje się wartość p- wartość 0,05 niż wartość p 0,80, ponieważ jest to dokładnie definicja rozkładu normalnego, z którego wzięta jest wartość p. Z definicji będzie więcej próbek mieszczących się w zakresie normalności niż poza nim. Dlatego bardziej prawdopodobne jest znalezienie większych wartości p niż mniejszych.


3
-1. To jest całkowicie błędne. Zastanawiam się, kto to głosował. Wartości P w punkcie H0 są równomiernie rozłożone.
— ameba

1
-1. Nie ma to nawet sensu, by zostać nazwanym błędnym: „zakres normalności” jest bez znaczenia, a wartości p z natury nie mają w ogóle nic wspólnego z normalnymi rozkładami.
— whuber
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.