方差分析(ANOVA)与f值,p值


在传统的统计学中f值是用于方差分析的。

  • 举个例子:

我们开发出了一种降血压的药,需要检验这个降血压药品的药效如何。我们就做了如下实验,给定不同剂量,分别是0,1,2,3,4这四个级别的剂量(0剂量表示病人服用了安慰剂),给4组病人服用,在一定时间后测量病人的血压差,在得到数据以后。我们要问,这种新药是不是有显著药效,也就是说病人的血压差是不是显著的不等于0。

剂量 血压差
0 x_{01} x_{02} … x_{0n}
1 x_{11}x_{12} … x_{1n}
... ...
4 x_{41} x_{42} … x_{4n}

我们得到了五个总体 X_i(i=0,1,2,3,4),这五个总体的均值为μ_i,我们假设是:
H_0: μ_0=μ1=μ_2=μ_3=μ_4=0
H_1: μ_i中至少有一个不为0

  • 组间离差:S_A=\sum_{i=1}^{r}n_i(\overline{X_i}-\overline{X})^2
  • 组内离差:S_E=\sum_{i=1}^{r}\sum_{j=1}^{n_i}(X_{ij}-X_i)^2

继而构造检验统计量f=\frac{S_A/(r−1)}{S_E/(n−r)}S_A,S_E分别是组间和组内离差,这个统计量服从F(r−1,n−r),式中n=\sum_in_i,也就是总样本数,r是总体个数。

在我们这个例子中,r=5n=n_0+n_1+n_2+n_3+n_4,那么这个统计量f服从分布F(4,n−5)。当这个统计量比较大的时候,也就是超过F_{1−α}(4,n−5)时,我们拒绝零假设,即认为几个μ_i中至少有一个不为0,即认为新药有显著的改变血压。

在这个例子中,是为了检验在不同的药剂量下,血压差是不是有显著的差异。实际上,方差分析的真正目的是:在随机变量Y的不同水平下,检验某个变量X是不是有显著的变化。其实就是在说变量X和Y之间的相关性。


f\_classif

前面做了那么多铺垫,终于进入正题了。前面提到利用f值这个检验统计量,可以判断假设H0是否成立:f值越大,大到一定程度时,就有理由拒绝零假设,认为不同总体下的均值存在显著差异。

f值越大,我们拒绝H_0的把握也越大,我们越有理由相信μ_{S_+}≠μ_{S_−},越有把握认为集合S_+S_−呈现出巨大差异,也就说xi这个特征对预测类别的帮助也越大。


f\_regression

r_i = \frac{(X - mean(X)(y - mean(y))}{\sigma(X_i) \sigma(y)}=p_{x,y}

我们计算的f=\frac{r_i^2}{1−ri^2}*(n−2) ,才是f\_{regression}中的f值,服从F(1,n−2)分布,先计算f值然后转为pvalue


p-value

看到这个方法返回两个变量,f\_{classif}f值,f\_{regression}pvalue,这个pvalue就是用于检验特征与变量之间相关性的,假设你给出α值(常常取0.05,0.01),如果你的pvalue小于α,那就有把握认为,这个特征和预测变量y之间,具有相关性。比方说你取α=0.05,这就意味着你有95%(也就是1-α)的把握认为,这个特征和预测变量y之间存在相关性。

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