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1 卡方检验 相关与回归 卡方检验 陆一涵 理论基础 连续型随机变量的 χ 2 分布和离散型资料的拟合优度检验 χ 2 分布 : 设有 k 个互相独立的标准正态分布变量 Z 1, Z 2,, Z k, 则 Z 12 +Z Z k 2 的分布称为自由度为 k 的 χ 2 分布 基本思想 比较观察值与期望值之间的差别, 计算的 χ 2 值即观察值与期望值之间的偏离程度 无效假设 :H 0 :π1 = π2 备择假设 :H 1 :π1 π2 实际数 / 观察值 O (observed frequency): 实际得到的频数 理论数 / 期望值 E (expected frequency): 无效假设成立的前提下计算得到的频数 应用 无序分类变量 拟合优度检验 : 根据样本推断其总体分布与期望分布有无差别 关联性分析 : 推断分类变量是否关联或相互独立 率 / 构成比的比较 : 推断分类变量的总体分布是否相同 枚举格式 频数格式 姓名 性别 病情 张三 男性 有病 李四 男性 无病 王五 男性 无病 赵六 女性 有病 行变量 列变量 频数 男性 有病 32 男性 无病 20 女性 有病 56 女性 无病 24 1

2 Weight Cases 过程 1. 分类变量分布检验 频数格式 : Data Weight Cases, 选中 Weight cases by, 选择频数变量, 选入 Frequency Variable 枚举格式 : 跳过此步 完全随机设计的单样本计数资料的率 / 构成比与已知总体率 / 构成比的比较 目的 : 推断该样本所代表的未知总体率与已知总体率 ( 通常为理论值 标准值 经大量观察所得的稳定值 ) 是否相等 Chi-Square 过程 检验变量不同取值的实际比例与期望比例是否有统计学差异 人群中四种血型的比例是否相同 (25%) 新生儿男性与女性的比例是否相同 (50%) 分类变量 :type 频数变量 :number 非参数检验 分布类型检验 ( 拟合优度检验 ) Chi-square 过程 与通常所说的 卡方检验 不同 Chi-Square 过程 Analyze Nonparametric Tests Legacy Dialogs Chi-square Weight cases 2

3 Chi-Square 过程 Test Variable List: 选入需要检验的变量 Expected Range: 设定变量取值范围, 默认为实际数据最大值和最小值 Expected Values: 指定已知总体各分类构成比, 默认各分类构成比相等 2. 普通卡方检验 完全随机设计的两 / 多独立样本计数资料的率 / 构成比的比较 目的 : 两 / 多独立样本计数资料的率 / 构成比是否相同 两个分类变量是否相互关联 / 相互独立 相关分析 统计学回顾 非配对 2 2 四格表 : 计算 OR 或 RR 理论数 >5 且 n>40, 适用 Pearson 卡方 5> 理论数 >1 且 n>40, 适用校正卡方 理论数 <1 或 n<40, 适用 Fisher s 精确概率法 2 C 表 :Pearson 卡方, 并根据研究需要进行 Cochran-Mantel-Haenszel 卡方 / 趋势卡方 分类变量 :result 和 disease, 指示行 列 频数变量 :freq Weight cases Analyze Descriptive Statistics Crosstabs 3

4 Row(s): 选入行变量 Column(s): 选入列变量 Statistics 子对话框 Chi-square: 进行卡方检验 ; 2 2 表同时列出校正卡方检验和确切概率法结果 两两比较 多组独立样本卡方检验, 拒绝 H 0 表明各组的总体概率不全相等 至少有两组的有效概率不相等 并不能说明各组的有效概率均不相等 两两比较 Bonferroni:α/c,c 为两两比较的总次数 3. 配对卡方检验 配对设计的两组相关样本计数资料的率 / 构成比的比较 (McNemar 检验 ) 目的 : 控制非处理因素, 检验两种方法 / 处理的差异性问题 ( 两分类 ) H 0 : 两种方法 / 处理的阳性检出率无差别 多分类 :Analyze Nonparametric Tests 2 Related Samples McNemar 检验 A 方法的阳性检出率 :(a+b)/n B 方法的阳性检出率 :(a+c)/n A 方法 阳性 B 方法 阴性 合计 阳性 a b R 1 阴性 c d R 2 合计 C 1 C 2 N 两种方法的阳性检出率差异 :(b-c)/n 4

5 Kappa 一致性检验 目的 : 测量两种方法 / 处理的一致性程度 H 0 :κ=0 即两种方法 / 处理完全无关, 即不存在一致性 分类变量 :A 和 B, 指示行 列 频数变量 :freq A 方法 阳性 B 方法 阴性 合计 阳性 a b R 1 阴性 c d R 2 合计 C 1 C 2 N κ = N(a + d) - (R 1 C 1 + R 2 C 2 ) N 2 - (R 1 C 1 + R 2 C 2 ) Row(s): 选入行变量 Column(s): 选入列变量 Statistics 子对话框 Kappa: 计算 Kappa 值即内部一致性, 0.75 / / <0.4 McNemar: 进行 McNemar 检验即配对卡方检验 按二项分布计算获得, 即相当于进行精确校正, 与手工计算结果不一致, 且不能列出卡方值 两者的比较 Kappa 检验认为两种方法 / 处理结果存在一致性, 配对卡方检验则认为两者存在显著性差别? Kappa 检验利用表格中的全部信息 配对检验仅利用非主对角线单元格信息 对于一致性较好 即绝大多数数据都位于主对角线的大样本表格而言, 配对检验失去大量有用信息 5

6 4. 分层卡方检验 统计学回顾 完全随机设计的分层卡方检验 目的 : 将数据按照可能的混杂因素分层分析, 从而控制混杂因素的影响 SPSS 只能进行二分类变量的分层卡方检验, 不能进行多分类的分层检验 2 2 I 多层四格表 : 适用 Breslow-Day 检验和 Tarone s 检验, 分析各层四格表之间是否存在混杂因素 分析每层的卡方及 OR 值 RR 值 计算 Mantel-Haenszel 和 Cochran-Mantel-Haenszel 卡方 分类变量 :exposure 和 disease, 指示行 列 分层变量 :age 频数变量 :freq Row(s): 选入行变量 Column(s): 选入列变量 Statistics 子对话框 Chi-square: 进行卡方检验 Risk: 计算 OR 值和 RR 值 6

7 Row(s): 选入行变量 Column(s): 选入列变量 Layer: 选入分层变量 Statistics 子对话框 Risk: 计算 OR 值和 RR 值 Cochran s and Mantel-Haenszel statistics: 对两个二分类变量进行独立性检验和同质性 ( 齐性 ) 检验, 同时调整分层因素 统计学回顾 R C 表 : 行 列均为分类变量, 适用 Pearson 卡方 行 列中一个为分类变量, 一个为有序变量 分组变量有序, 指标变量无序 :Pearson 卡方 分组变量无序, 指标变量有序 :Kruskal-Wallis 检验 (K Independent Samples 过程 ) 行 列均为有序变量, 适用 Spearman 相关 变量间的关系 函数关系 : 确定性关系, 如圆半径与面积 相关与回归 统计关系 : 非确定性关系, 如身高与体重 ( 存在变异 ) 确定两个变量之间是否存在联系 联系的程度 相关 定量地确定两个变量之间的互依关系 回归 7

8 相关与回归 简单线性相关分析 测量两个连续变量间是否存在线性关系及线性关系的方向和密切程度 简单线性回归分析 简单线性相关分析 考察变量间的线性数量依存关系的变化规律, 并通过一定的数学表达式来描述这种关系, 进而确定一个变量的改变对另一个变量的影响方式和程度 相关的指标 1 连续变量 :Pearson 线性相关系数 相关的指标 2 分类变量 : 秩相关 变量服从双变量正态分布 变量转换 通常两个变量都是随机变动的, 不分主次, 处于同等地位 无量纲, 取值范围为 [-1,1] 相关系数的绝对值越接近 1, 相关性越好 Spearman 秩相关 将两变量分别从小到大编秩, 对秩次进行相关分析 计算方法 统计推断与 Pearson 相关系数完全相同, 仅是用秩次取代 x y Kendall 等级相关 两个有序分类变量, 一个变量的等级高, 另一个的等级也高, 即为一致 ; 反之则不一致 相关的指标 3 其他有序变量的相关指标 γ 统计量,Somer s D 无序分类变量的相关指标 列联系数 Contingency coefficient,phi & Cramer s V,λ 系数, 不确定系数 无序分类变量与连续变量的 eta 相关 前者为自变量, 后者为应变量,Eta( 即 eta 2 ) 表示由组间变异所解释的应变量总变异的比例, 即 SS 组间 /SS 总 Statistics 子对话框 Correlations: 计算行列变量的 Pearson 相关系数和 Spearman 等级相关系数 Nominal: 计算分类变量的相关性指标, 适用于有序 / 无序分类变量 Ordinal: 计算分类变量的一致性指标, 适用于有序分类变量 Nominal by Interval: 计算一个变量为连续变量 另一个为分类变量两者的关联度 8

9 基本步骤 注意事项 1 散点图 : 观察两变量之间有无关系 何种关系, 是否存在异常值 Pearson 相关系数 : 表示两变量相关的密切程度与相关方向的指标 总体相关系数的假设检验 : 样本相关系数 r 是总体相关系数 ρ 的估计值 H 0 : ρ = 0 H 1 : ρ 0 Pearson 相关系数只能测量两变量之间的线性相关程度, 不能描述非线性关系 相关系数 r=0 不能说明两变量之间无相关性 ( 可能存在曲线关系, 可通过散点图判断 ) 相关分析的解释 真实的相关 同时与第三个变量相关 注意事项 2 人为设定数值的变量, 属于非随机变量, 不宜做相关分析 ( 例如药物的剂量 - 反应关系 ) 数据中存在明显极端值时, 慎用相关分析 分层资料不宜直接合并进行相关分析 两个连续型变量 : concentration time 散点图 判断变量之间有无相关趋势, 以及该趋势是否呈线性 Graphs Legacy Dialogs Scatter/Dot Simple Scatter 9

10 散点图 Bivariate 过程 用于两个变量间的参数 / 非参数相关分析, 计算相关系数并进行检验 Analyze Correlate Bivariate Bivariate 过程 Bivariate 过程 Options 子对话框 Variables: 选入相关分析的变量, 至少两个 Correlation Coefficients: 选择相关的指标 Means and standard deviations: 均数与标准差 Cross-product deviations and covariances: 离均差平方和 协方差阵 Flag significant correlations: 星号标记有统计学意义的相关系数 * P<0.05 **P<0.01 Bivariate 过程 等价 Analyze Descriptive Statistics Crosstabs 10

11 偏相关分析 控制其他变量影响的情况下, 分析两个变量关系 分别计算三个变量之间的相关系数, 再通过这三个简单相关系数来计算偏相关系数 在控制第三个变量影响的基础上, 计算第一个与第二个变量之间的偏相关系数 偏相关系数相当于 : 以需分析的两个变量为应变量, 被控制的变量为自变量, 拟合两个回归方程, 将所得的两组残差再进行简单相关分析 三个变量 : y: 血糖 x1: 胰岛素 ( 需控制 ) 散点图 Graphs Legacy Dialogs Scatter/Dot Matrix Scatter x2: 生长素 散点图 Partial 过程 Analyze Correlate Partial 11

12 Partial 过程 Partial 过程 Variables: 选入相关分析的变量, 至少两个 Controlling for: 选择需要控制的协变量 Display actual significance level: 确定是否输出确切 P 值 Options 子对话框 : 选择需要计算的描述统计量和统计分析 Means and standard deviations: 均数与标准差 Zero-order correlations: 包括协变量在内所有变量的相关方阵 Partial 过程 距离远近 ( 相似程度 ) 分析 Distance 过程 : 一种探索性分析, 主要用于因子分析 聚类分析 多维尺度分析的预分析, 以初步了解数据的内在结构和联系 基本原理 目的 : 研究一个变量 ( 应变量 ) 的平均水平随着其他变量 ( 自变量 ) 的线性变化的趋势, 并定量表达这种趋势 简单线性回归分析 最小二乘法 : 使各实测点距回归直线的纵向距离的平方和达到最小, 即残差平方和最小 偏回归系数 b: 总体回归系数 β 的估计值, 需进行假设检验 H 0 : β = 0 H 1 : β 0 决定系数 R 2 : 即相关系数的平方, 表示应变量的变异中能够通过回归关系被自变量解释的比例 12

13 模型 统计检验 y = a + bx + e i y: 给定自变量 x 的取值时, 根据公式计算获得 y 的估计值 a: 常数项 / 截距,x 等于 0 时 y 的估计值, 即回归直线在 y 轴的截距 b: 回归系数 ( 偏回归系数 ), 自变量 x 改变一个单位,y 估计值的改变量, 即回归直线的斜率 e i : 随机误差项 ( 残差 ), 表达每个个体的实测值 回归方程的假设检验 : 检验自变量与应变量之间的线性关系是否显著, 是否可以用线性回归模型来表示 简单线性回归 :F 检验与 t 检验等价,F=t 2,t 检验可进行单侧和双侧检验,F 检验只能进行单侧检验 t = b - 0 S b F = SS 回 /ν 回 SS 剩 /ν 剩 = MS 回 MS 剩 拟合优度检验 : 检验样本点聚集在回归直线周围的密集程度, 评价回归方程对样本点的拟合程度 统计检验 残差分析 : 通过残差分析数据与模型之间的拟合关系, 评价实际资料是否满足回归模型假设 残差图优于散点图 总体回归线 95% 置信带 : 同时考虑 x 所有可能的取值时, 其 95% 置信区间的上下限连接起来所形成的回归线 95% 的置信带, 中间窄 两端宽 个体 y 预测值的容许区间 : 总体中 x 为一定取值时, 个体 y 值围绕总体均数上下波动, 其区间比总体回归线的置信带更远 更宽的两条弧形曲线 适用条件 线性趋势 : 自变量与应变量的关系呈线性 独立性 : 应变量的取值相互独立, 即残差间相互独立, 不存在自相关 正态性 : 对于自变量的任何一个线性组合, 应变量均服从正态分布, 即残差服从正态分布 方差齐性 : 对于自变量的任何一个线性组合, 应变量的方差都相同, 即残差的方差齐 记录数为分析的自变量数的 20 倍以上 基本步骤 确定应变量与自变量 绘制散点图, 观察变量间的趋势 从样本数据出发确定变量之间的数学关系式, 并估计回归方程的各个参数 注意事项 回归分析有意义, 并不能证明 x y 之间存在因果关系 用回归方程进行预测时, 不能过度外延 : 可能降低预测值的稳定性 ; 改变 x y 之间的关系 各类统计检验 : 回归方程的显著性检验, 拟合优度检验, 残差分析等 利用回归方程进行预测和控制 绘制散点图和残差图是正确应用相关与回归分析的前提条件 13

14 两个连续型变量 : 散点图 concentration time Linear 过程 Analyze Regression Linear 用最小二乘法拟合回归方程, 对回归系数做假设检验 计算决定系数 Linear 过程 Dependent: 选入一个需回归分析的变量 Independent: 选入自变量, 通过 Block 选择选入方法 ; 交互作用需要定义新变量 Methods: 选择自变量纳入方法 Linear 过程 Methods: 专业知识考虑优先于统计学检验原则 Enter: 选入自变量全部纳入模型, 无筛选 Stepwise: 根据设定的纳入和排除标准, 筛选自变量 Remove: 只出不进, 以 Block 为单位剔除已纳入方程的自变量 Backward: 只出不进, 剔除已纳入方程的自变量 Forward: 只进不出, 选入未纳入方程的自变量 Linear 过程 Statistics 子对话框 Regression Coefficients: 定义回归系数的输出情况 Residuals: 输入残差诊断信息 Model fit: 模型拟合中进入 / 退出变量的列表 ; 拟合优度的检验, 包括复相关系数 R 决定系数 R 2 调整 R 2 标准误 方差列表 14

15 Linear 过程 Linear 过程 R squared change: 模型拟合过程中的 R2 F 值 P 值的改变情况 Descriptives: 变量描述, 包括有效例数 均数 标准差 自变量间的相关矩阵 Part and partial correlations: 自变量间的相关 部分相关 偏相关系数 Collinearity diagnostics: 共线性诊断的统计量, 包括特征根 (Eigenvalues) 方差膨胀因子 (VIF) 等 Plots 子对话框 Scatter: 绘制回归分析诊断或预测图 Standardized Residual Plots: 绘制标准化残差图, 包括直方图与 P-P 图 应变量标准化预测值标准化残差删除的残差调整残差学生化残差学生化删除残差 Linear 过程 陆一涵 luyihan@fudan.edu.cn 公共卫生安全教育部重点实验室复旦大学公共卫生学院 15

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