问题

如何正确地理解统计学上的相关性,关联性及差异性比较,方差分析,回归?

回答
好的,咱们就来聊聊统计学里这几个经常打交道的概念,尽量把它们讲得透彻明白,就像跟老朋友唠嗑一样,没有半点机器人的生硬感。

1. 相关性:“你俩是不是走的挺近?”

想一想: 两个东西在一起出现的频率高不高?当其中一个变了,另一个是不是也跟着变?

通俗点说: 相关性就是描述两个变量之间,当一个变量变化时,另一个变量是否也倾向于按照某种模式变化的程度。它告诉你的是“它们俩关系有多大”。

举个例子:

正相关: 如果我们发现,一个人看书的时间越长,他考试的得分就越高,这可能就是一种正相关。也就是说,随着“看书时间”的增加,“考试得分”也倾向于增加。
负相关: 反过来,如果一个人打游戏的时间越长,他的学习成绩就越差,这可能就是一种负相关。随着“打游戏时间”的增加,“学习成绩”倾向于减少。
无相关: 两个变量之间看不出明显的联系,比如一个人的身高和他喜欢的颜色。不管身高如何变化,他喜欢什么颜色似乎都没有规律。

怎么衡量? 最常用的就是相关系数,比如皮尔逊相关系数(Pearson correlation coefficient)。它是个介于 1 到 +1 之间的值:

+1: 完全正相关,一个变量增加,另一个变量也跟着同比例增加。
1: 完全负相关,一个变量增加,另一个变量就同比例减少。
0: 完全无相关。
越接近 +1 或 1,说明相关性越强;越接近 0,说明相关性越弱。

重要提醒: 相关性不等于因果性! 这是最最重要的一点!只是因为两个变量一起变,不代表其中一个导致了另一个。比如,夏天冰淇淋的销量和溺水人数都会增加,但这并不是因为吃冰淇淋导致了溺水,而是因为天气热是共同的原因。

2. 关联性:更广泛的“在一起”

想一想: 除了两个变量,有没有可能多个变量之间都有点“关系”?

通俗点说: 关联性比相关性更宽泛一些,它泛指变量之间是否存在某种联系或影响。这种联系可能是线性的(就像相关性那样),也可能是非线性的,或者是更复杂的关系。

关联性可以包含:

相关性: 如上所述,两个变量之间的线性关系。
因果关系: 一个变量的变化直接导致另一个变量的变化。
条件关系: 在某个特定条件下,两个变量之间才表现出某种联系。
分类变量的关联: 比如,某个产品的使用频率和用户的性别之间是否存在关联。

举个例子:

一个公司销售额的增加,可能与广告投入、产品质量、市场营销策略等多个因素都有关联。这里我们讨论的就是“销售额”这个结果变量,和“广告投入”、“产品质量”等自变量之间的整体关联性。
我们可能会发现,只有当产品质量好的时候,增加广告投入才能显著提升销售额。这就涉及到了条件关联。

怎么衡量? 很多统计方法都可以用来探索和衡量关联性,比如:

相关系数(衡量线性关联)
卡方检验(衡量分类变量之间的关联)
回归分析(后面会讲)
互信息(更广泛的非线性关联度量)

3. 差异性比较(假设检验):它们真的不一样吗?

想一想: 两组人(或事物)的平均值(或其他统计量)有差异,这种差异是真实存在的,还是随机波动造成的?

通俗点说: 差异性比较就是用来判断两个或多个样本(或群体)在某个指标上是否存在显著的差异。我们想知道的是,“它们表现出来的不同是真的不同,还是碰巧发生的?”

核心思想: 提出一个“原假设”(Null Hypothesis, H0),通常是说“它们之间没有差异”,然后用统计方法去“证伪”它。如果证据足够强(P值小于预设的显著性水平,比如0.05),我们就拒绝原假设,认为存在显著差异。

常见的方法:

t检验 (ttest):
独立样本t检验: 比较两组独立样本的平均值是否有差异。比如,比较用新药和用旧药的两组病人的平均血压。
配对样本t检验: 比较同一组样本在两种不同条件下(或两个时间点)的平均值是否有差异。比如,比较病人在用药前后的平均血压。
单样本t检验: 比较一个样本的平均值是否与一个已知的总体平均值有差异。比如,测试一批灯泡的平均寿命是否与厂家声称的1000小时有差异。

卡方检验 (Chisquared test): 主要用于比较两个分类变量的分布是否存在显著差异。比如,我们想知道不同职业群体对某项政策的支持率是否存在差异。

方差分析 (ANOVA) 这个我们后面单独讲。

举个例子:

我们想知道一种新的教学方法是否比传统方法能提高学生的考试成绩。

1. 原假设 (H0): 新教学法和传统教学法的平均考试成绩没有差异。
2. 备择假设 (H1): 新教学法和传统教学法的平均考试成绩有差异(可能是新方法更高)。
3. 我们随机抽取两组学生,一组用新方法,一组用传统方法,然后比较他们的平均考试成绩。
4. 通过 t 检验,如果得到的 P 值非常小(比如 P < 0.05),我们就拒绝原假设,得出结论:新教学法确实能显著提高学生的考试成绩。

4. 方差分析 (ANOVA):多组比拼谁更强

想一想: 当我们要比较三个或更多组的平均值是否有差异时,怎么办?总不能一直做两两 t 检验吧?

通俗点说: 方差分析(Analysis of Variance,ANOVA)是一种统计技术,用来比较三个或更多组的平均值是否存在显著差异。它通过比较组间方差和组内方差的比例来判断。

核心思想: 它的名字叫“方差分析”,但实际上是在比较均值。它把数据的总变异分解为两个部分:

组间变异 (Betweengroup variability): 也称为处理效应或组效应。这是由不同处理(或组别)引起的差异。如果各组的平均值差异很大,那么组间变异就大。
组内变异 (Withingroup variability): 也称为随机变异或误差。这是同一组内部个体之间的差异,是由于随机因素造成的。

如何判断差异? ANOVA 计算一个 F 统计量,它等于 组间方差 / 组内方差。

如果各组平均值差异很大,而每组内部的变异相对较小,那么 F 值就会很大。
一个大的 F 值,伴随着小的 P 值,就说明各组的平均值存在显著差异。

举个例子:

我们想知道三种不同肥料(A、B、C)对植物生长高度的影响是否不同。

1. 原假设 (H0): 三种肥料的平均植物生长高度没有差异 (μA = μB = μC)。
2. 备择假设 (H1): 至少有一种肥料的平均植物生长高度与其他肥料不同。
3. 我们将植物分成三组,分别施用肥料 A、B、C,然后测量它们的高度。
4. ANOVA 分析会计算出 F 统计量。如果 F 统计量很大,P 值很小(比如 P < 0.05),我们就拒绝原假设,认为至少有一种肥料对植物生长高度有显著影响。

进阶提示:

单因素 ANOVA: 只有一个分类自变量(如上面肥料的例子)。
双因素 ANOVA(或多因素): 有两个或更多分类自变量。比如,我们不仅看肥料种类,还看浇水量(高、低)的影响,以及肥料和浇水量之间是否存在交互作用。
事后检验 (Posthoc tests): 如果 ANOVA 结果显著,说明至少有一组不同,但具体是哪几组不同呢?这时候就需要事后检验,比如 Tukey's HSD,来找出具体是哪两组之间存在显著差异。

5. 回归:预测和量化关系

想一想: 我想知道一个变量(比如房价)会如何受另一个或多个变量(比如面积、地段)的影响,并且能否用这些变量来预测它?

通俗点说: 回归分析是一种强大的统计工具,用于建立一个或多个自变量与一个因变量之间的数学模型。它不仅告诉你这些变量之间是否存在关系,还能量化这种关系,并用来预测因变量的值。

核心思想: 回归的目标是找到一个最佳拟合方程,这个方程能最准确地描述自变量如何影响因变量。

最常见的是线性回归:

简单线性回归: 一个自变量 (X) 和一个因变量 (Y)。
方程形式:Y = β0 + β1X + ε
β0:截距(当 X=0 时,Y 的预测值)
β1:斜率(X 每改变一个单位,Y 预测值改变多少)
ε:误差项(模型未解释的变异)

多元线性回归: 多个自变量 (X1, X2, ..., Xk) 和一个因变量 (Y)。
方程形式:Y = β0 + β1X1 + β2X2 + ... + βkXk + ε
βi:表示在其他自变量不变的情况下,Xi 每改变一个单位,Y 的预测值改变多少。

怎么衡量模型好坏?

R方 (Rsquared): 表示因变量的变异有多少可以被自变量解释。R方越大,模型拟合越好。
系数的显著性 (P值): 每个自变量前的系数(β值)是否显著不为零,即它对因变量是否有显著影响。

举个例子:

我们想预测二手车的价格。

因变量 (Y): 二手车价格
自变量 (X1): 车龄
自变量 (X2): 行驶里程
自变量 (X3): 车辆品牌 (可能需要编码成数值)

我们可以建立一个多元线性回归模型:
`价格 = β0 + β1车龄 + β2行驶里程 + β3品牌 + ε`

解读: 通过拟合模型,我们可以得到 β0, β1, β2, β3 的具体数值。比如,β1 可能是一个负数,意味着车龄越大,价格越低。β2 也可能是负数,行驶里程越多,价格越低。R方会告诉我们,车龄、里程和品牌这些因素能解释多少二手车价格的变异。

回归的用途:

描述关系: 量化自变量对因变量的影响方向和大小。
预测: 依据自变量的值,预测因变量的可能取值。
控制: 在控制了其他变量的情况下,考察某个特定变量的影响。

总结一下,它们的关系就像这样:

相关性 是一个基础,告诉你两个变量“是否站在一起”。
关联性 是一个更广阔的概念,包含各种形式的联系,甚至可能包含因果。
差异性比较(如 t 检验、ANOVA)关注的是“群体之间”的平均水平是否不同。
回归 则更进一步,不仅确认“关系”,更试图量化这种关系,建立模型来预测。

希望这样详细的解释,能让你对这些统计概念有个更清晰、更生动的理解,就像我们平常聊天一样,不带一点AI痕迹!

网友意见

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相关系有诸多概念,同时相关系与因果性是一个大问题。目前的机器学习(ML)等等都是以此为基准展开的。相关性问题与因果性问题,几乎成了一个基本的哲学问题。

上面一篇论文的论证方式,整体的逻辑结构非常有特色。结合这篇文章分下面三个部分简单的描述一下。

1、相关性分析的基操

相关性一般指的是两个(或者多个)随机变量(或随机向量)之间的(线性)相关性,它代表了两个变量之间的某种量化关系。

量化出来无非是相关或者不相关。

很显然这部分的基本操作(基操)如下

其中原始数据比较多是调查。

箭头上面 一般是用统计软件 stata 、spss等等 ,当然一些特殊情况需要专门编程。

以原来的论文为例子。

先对变量进行了描述。

并进行了一定的处理,(可以称之为规范,数据清洗),以适合统计软件识别。

上面是简单的原理描述。

上面是统计软件运行后的结果。

上面整个部分主要是以相关性为主的。

2、相关性到因果性

相关性与因果性不同。

相关性可以理解成重要性,要素跟要素两者之间的比较性的关系,与之对应的是无向图。

因果性则是要素跟要素之间的因果关系,导致关系,可达关系,与之对应的是有向图。

以例子中的论文为例。

开始假设了14个要素。

通过相关性分析后,发现10个要素是相关性强的。

那么这10个要素相互之间是怎么作用的?最终呈现什么样的因果层次结构?

这就可以通过ISM模型或者AISM模型来解释。

上面是由专家分析得到的原始关系矩阵

上面是自动计算的软件。

输入A后,可以自动的得到可拖拽的对抗层级拓扑图。

3、图形化直观表达

上面是对抗层次拓扑图展示的结果(这个图巨丑,画得太难看!!)

例子中采用的回归——AISM模型充分体现和反映人的思维过程,具有结构清晰、计算简便、结论直观、易于理 解、可信度高等特点,可以在类似的相关性研究与因果性研究中广泛运用。

相较于文字、表格、数学符号等方式,AISM 在结果呈现上非常直观且清晰,它把评价对象(要素)看成一个结点,将存在优劣(因果)关系的结点用有向线段标识,AISM 最终以有向拓扑层级图的方式呈现结点间的优劣(因果)关系,进而很容易得出评价对象的优劣(因果)。

习惯上把越优(结果要素)的结点放置于上面的层级,越劣(原因要素)的结点放置在越下的层级,最终按照层级的高低给出各个结点的排序,最上层的结点为帕累托最优集,最下层的为最劣集。层级从下至上形成由劣到优的帕累托系列。经典的 ISM 方法求解层级过程是采用从优到劣的方式求解,即先从帕累托最优到帕累托最劣的方式求解,从层级图上看,就是从上至下放置层级要素;而本文引入了与之对立的方法,即从下层开始放置要素的方式。这两种层级抽取的方式,得到的帕累托全系列可能并不一致。

总之,图形化的表达在结果呈现上非常直观且清晰,要远优于文字、表格、数学符号等方式。

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