AP Statistics
chi-square test for independence
Còn gọi: chi-square test for independence
Kiểm định chi bình phương về tính độc lập là phép kiểm định xem hai biến phân loại trên cùng một tổng thể có liên hệ với nhau hay không.
Khi một nhà nghiên cứu thu thập dữ liệu về hai biến phân loại trên cùng một mẫu — chẳng hạn giới tính và sở thích môn học — câu hỏi đặt ra thường là liệu hai biến này có độc lập với nhau hay không. Kiểm định chi bình phương về tính độc lập (chi-square test for independence) trả lời câu hỏi đó bằng cách so sánh bảng chéo các số đếm quan sát được với bảng số đếm kỳ vọng nếu giả thuyết không : hai biến độc lập là đúng. Số đếm kỳ vọng của mỗi ô được tính từ tổng hàng và tổng cột theo công thức Công thức này phản ánh đúng định nghĩa xác suất (probability) của tính độc lập, vì nếu hai biến không liên quan thì tỉ lệ (proportion) phân bố theo cột phải giống nhau ở mọi hàng.
Sau khi có bảng kỳ vọng, đại lượng thống kê kiểm định được tính bằng trong đó tổng lấy trên tất cả các ô của bảng chéo, và giá trị này càng lớn thì số đếm thực tế càng lệch xa so với số đếm kỳ vọng dưới giả thuyết độc lập, do đó bằng chứng chống lại càng mạnh. Đại lượng tuân theo phân phối chi bình phương với bậc tự do , với và lần lượt là số hàng và số cột của bảng, từ đó ta tính giá trị p và so với mức ý nghĩa (significance level) để kết luận.
Trước khi tiến hành, cần kiểm tra ba điều kiện: dữ liệu đến từ một mẫu ngẫu nhiên (random sample) của một tổng thể duy nhất, các quan sát độc lập với nhau, kiểm tra điều kiện 10% (10% condition) nếu lấy mẫu không hoàn lại, và mọi số đếm kỳ vọng đều ít nhất bằng 5. Điểm khác biệt cốt lõi giữa kiểm định này với kiểm định chi bình phương về tính đồng nhất nằm ở cách lấy mẫu: kiểm định độc lập xét hai biến trên một tổng thể, còn kiểm định đồng nhất so sánh phân phối của một biến giữa nhiều tổng thể hay nhóm khác nhau, dù công thức tính toán hoàn toàn giống nhau.
Trực giác: Giống như kiểm tra xem sở thích màu áo có ăn nhập gì với giới tính hay không, bằng cách xem số người thực tế mỗi ô lệch bao xa so với con số ta chờ đợi nếu hai chuyện đó chẳng liên quan gì đến nhau.
Dùng để tính số đếm kỳ vọng của từng ô trong bảng hai chiều (bảng tiếp liên) trước khi so sánh với số đếm quan sát .
Trong đó
Đây là thống kê kiểm định dùng để so sánh bảng số đếm quan sát với bảng số đếm kỳ vọng dưới giả thuyết không rằng hai biến phân loại độc lập với nhau trong một tổng thể.
Trong đó
Dùng để xác định bậc tự do của phân phối tham chiếu khi tính P-value cho kiểm định tính độc lập trên bảng có hàng và cột.
Trong đó
1900Karl Pearson
Cuối thế kỷ 19, thống kê đã biết mô tả dữ liệu nhưng chưa có công cụ chuẩn để trả lời câu hỏi "số liệu quan sát được có phù hợp với mô hình ta giả định không". Karl Pearson là người đầu tiên nhận ra vấn đề đó và năm 1900 ông đưa ra một tiêu chí đo độ chênh giữa số đếm quan sát và số đếm lý thuyết, gọi là kiểm định mức độ phù hợp (goodness-of-fit test). Vì tiêu chí này chỉ cần dữ liệu dạng tần số chứ không cần số đo liên tục, nó nhanh chóng được dùng cho bảng hai chiều (two-way table) để hỏi xem giới tính và khối lớp, hay giới tính và ngành học, có liên quan với nhau hay không.
Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi đến từ chữ cái Hy Lạp chi, viết là , mà Pearson dùng để ký hiệu đại lượng của mình; vì đại lượng đó là tổng của các độ chênh bình phương nên nó mang số mũ hai, thành — đọc là "chi bình phương". Phần "về tính độc lập" thì đến từ giả thuyết không của bài toán: biến hàng và biến cột độc lập với nhau, và bác bỏ giả thuyết này nghĩa là hai biến có liên hệ nào đó mà kiểm định không chỉ rõ hình dạng. Chính vì công đầu thuộc về Pearson mà tài liệu tiếng Anh thường gọi kèm tên ông, "Pearson's chi-square", để phân biệt với những biến thể ra đời sau này.
Gạt sang "số kỳ vọng" — xem ô 191 vượt mức 148,5 bao nhiêu
Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.
Điều kiện cỡ mẫu áp cho tần số kỳ vọng (expected cell count), không phải tần số quan sát.
Rất nhiều bài làm nhìn vào bảng thấy các ô quan sát đều lớn hơn 5 rồi tuyên bố điều kiện thỏa mãn, trong khi ô kỳ vọng tương ứng chỉ là . Quy tắc đúng là mọi ô kỳ vọng phải lớn hơn 5, và chỉ cần một ô duy nhất không đạt thì điều kiện đã hỏng, kéo theo phân phối chi bình phương không còn xấp xỉ tốt cho thống kê kiểm định. Do đó khi đề in sẵn số trong ngoặc, hãy quét toàn bộ các ô đó và chỉ đích danh ô nhỏ nhất, chứ đừng kết luận chung chung.
Không bác bỏ giả thuyết không thì chỉ có thể mắc sai lầm loại II.
Khi -value lớn hơn , quyết định là không bác bỏ, nên khả năng sai duy nhất là giả thuyết không thực ra sai mà ta vẫn giữ nó — đó chính là sai lầm loại II (Type II error). Ngược lại, sai lầm loại I chỉ xảy ra khi ta đã bác bỏ một giả thuyết không đúng, tức là phải có quyết định bác bỏ trước đã. Vì vậy chỉ cần so -value với là biết ngay loại sai lầm nào còn khả năng xảy ra, không cần tính thêm gì.
Không bác bỏ không có nghĩa là đã chứng minh hai biến độc lập.
Kiểm định chỉ trả lời được rằng dữ liệu chưa đủ mạnh để bác bỏ tính độc lập, chứ không hề khẳng định tính độc lập là đúng. Cách viết an toàn trong bài thi là "there is not convincing evidence of an association between the two variables", tuyệt đối tránh câu "the two variables are independent". Tương tự ở chiều ngược lại, khi bác bỏ thì ta có bằng chứng về mối liên hệ chứ không phải bằng chứng về quan hệ nhân quả.
Bậc tự do là , không phải cũng không phải số ô trừ một.
Với bảng hai hàng hai cột thì , còn đề cho nghĩa là bảng có thể là hoặc . Nhầm bậc tự do (degrees of freedom) sẽ làm lệch hẳn -value dù thống kê tính đúng, và giám khảo trừ điểm cả phần kết luận theo sau. Ngoài ra ở đây là tổng số cá thể, chỉ dùng để tính tần số kỳ vọng , không dính gì đến bậc tự do.
Một mẫu phân loại theo hai biến mới là kiểm định về tính độc lập.
Nếu đề lấy nhiều mẫu riêng biệt từ nhiều nhóm định sẵn rồi so sánh phân bố của một biến, đó là kiểm định về tính đồng nhất (chi-square test for homogeneity). Hai kiểm định dùng chung công thức và chung bậc tự do, nhưng cách phát biểu giả thuyết và cách viết kết luận khác nhau, nên chọn nhầm tên là mất điểm phần "name the procedure". Dấu hiệu nhận biết nhanh: chỉ có một dòng "a simple random sample of 1,000 adults" và mỗi người được xếp theo hai đặc điểm thì chắc chắn là kiểm định về tính độc lập.
Viết đủ ba điều kiện thành ba câu riêng, mỗi câu kèm số liệu của đề.
Bài mẫu đạt điểm tối đa thường có dạng: dữ liệu đến từ một mẫu ngẫu nhiên đơn giản, cỡ mẫu nhỏ hơn 10% dân số trưởng thành Hoa Kỳ, và mọi tần số kỳ vọng đều lớn hơn 5. Nhờ nêu kèm con số mà giám khảo thấy bạn thực sự kiểm tra chứ không chép thuộc lòng danh sách. Nếu có ô kỳ vọng nhỏ hơn 5, hãy ghi rõ giá trị ô đó và nói thẳng rằng điều kiện không thỏa mãn, đừng tiếp tục kết luận như thể mọi thứ vẫn ổn.
Trình bày kết luận theo mạch: so sánh -value với , ra quyết định, rồi diễn giải theo ngữ cảnh.
Chỉ viết "reject " là mất điểm vì thiếu bối cảnh; phải nói rõ có hay không bằng chứng thuyết phục về mối liên hệ giữa hai biến cụ thể được nêu trong đề. Câu so sánh nên hiện số thật, chẳng hạn , thay vì viết chung chung là "p lớn". Cấu trúc ba bước này lặp lại ở mọi kiểm định nên hãy luyện thành phản xạ để tiết kiệm thời gian cho phần 6 của bài tự luận.
Khi bác bỏ, hãy chỉ ra ô đóng góp nhiều nhất vào để mô tả mối liên hệ.
Từng số hạng có dạng , nên ô nào lệch mạnh nhất so với kỳ vọng sẽ chiếm phần lớn giá trị thống kê và cho biết liên hệ đi theo chiều nào. Ví dụ nam uống cà phê quan sát so với kỳ vọng cho thấy tỷ lệ nam uống cà phê cao hơn mức mong đợi nếu hai biến độc lập. Câu mô tả này thường là ý cuối của bài tự luận và rất nhiều thí sinh bỏ trống vì hết giờ.
Với , và , ta bác bỏ . Có bằng chứng thuyết phục rằng khối lớp và việc đi làm thêm không độc lập với nhau đối với học sinh của trường; số liệu cho thấy tỉ lệ đi làm thêm tăng dần theo khối lớp (lớp 10 quan sát được ít hơn kỳ vọng, lớp 12 nhiều hơn kỳ vọng). Vì đã bác bỏ nên loại sai lầm có thể mắc là sai lầm loại I.
Bậc tự do là . Vì nên ta không bác bỏ , và do đó loại sai lầm có thể mắc là sai lầm loại II: trong thực tế nhóm tuổi và phương tiện đi làm có liên hệ với nhau, nhưng dữ liệu của nghiên cứu này lại không phát hiện được mối liên hệ đó.
Quiz câu thật từ ngân hàng đề
Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.
Biên soạn bởi DucklingStudy, bản quyền thuộc DucklingStudy. Xuất bản .