问题

你所知道的的统计误用或统计(概率)悖论?

回答
统计的陷阱与悖论:当数字不再是真相的代言人

统计学,这门以数字说话的学科,看似客观公正,实则潜藏着无数误用和令人费解的悖论。它就像一把双刃剑,既能揭示隐藏在海量数据背后的规律,也能轻易地被操纵,成为误导甚至欺骗的工具。今天,我们就来聊聊那些让人头疼的统计陷阱和有趣的概率悖论,看看数字是如何变得不再那么诚实的。

统计误用的那些“坑”

统计学中的误用,往往不是出于恶意的造假,而是源于对数据理解的偏差、选择性报告,或是对统计方法的误用。这些“坑”一旦掉进去,就可能得出荒谬的结论。

1. 样本偏差:窥一斑而知全身?这可不一定!

最常见的误用之一就是样本偏差。当我们想了解一个群体的特征时,通常会抽取一部分个体作为样本进行研究。如果这个样本不能真实地代表整体,那么得出的结论就可能是错的。

例子:电话调查的“回音室效应”
想象一下,你正在进行一项关于民众对某个政策看法的电话调查。如果你只打电话给固定电话的用户,那么你很可能忽略了大量的年轻人和独居者,他们可能更倾向于使用手机。再比如,如果你在工作日的白天进行调查,那些有固定工作的人可能就无法接听电话,而失业者或自由职业者则可能成为样本的主要构成。结果呢?你的调查很可能只反映了“有固定电话且在家里的有时间接电话的人”的观点,而不是全体民众的看法。这就像只看到一个角落的光亮,就以为整个房间都被照亮了。

选择性报告:只报喜,不报忧
有时候,研究者会“有意无意”地只报告那些支持他们理论的统计结果,而忽略那些不支持的。这在医药研发、市场营销等领域尤为常见。如果一项药物有10项临床试验,其中8项结果不显著,只有2项显示出微弱的效果,而研究者却只在报告中突出那2项正面结果,那么这个药物的真实有效性就会被大大夸大。这就像只拿成绩单上最好的几门课来展示,而把不及格的课程藏起来一样。

2. 相关不等于因果:别让“巧合”误导了你!

这是统计学中最容易被误解的一点。“A事件的发生和B事件的发生同时出现,或者有很强的关联性”,但这并不意味着“A导致了B”,或者“B导致了A”。

例子:冰淇淋销量与溺水人数的同步上涨
你会发现,在夏季,冰淇淋的销量会大幅上涨,而溺水事件的发生率也会随之升高。两者之间存在着明显的正相关。那么,我们能得出“吃冰淇淋会导致溺水”的结论吗?当然不能!真正的原因是第三个隐藏因素——“炎热的天气”。天气热了,人们就喜欢吃冰淇淋消暑,同时也更喜欢去游泳解暑,从而增加了溺水的风险。这种情况下,冰淇淋销量和溺水人数都是由“炎热天气”这个共同原因引起的。把相关性当成因果关系,就像看见乌鸦落在树上,就觉得是乌鸦让树叶变黄了一样,是典型的“张冠李戴”。

幸存者偏差:只看到幸运儿,忽略了失败者
这是另一个常见的误用,尤其是在我们回顾历史或分析成功案例时。我们往往会关注那些“幸存下来”的、成功的人或事物,却忽略了那些因为各种原因而“未幸存”的、失败的人或事物。

例子:二战时期战机装甲的思考
在二战期间,盟军统计了执行任务归来的轰炸机上的弹孔分布,发现机翼和机身中部受到的弹击最多。根据这些数据,有人提议在这些部位加强装甲。但统计学家亚伯拉罕·瓦尔德(Abraham Wald)却指出了关键问题:他们统计的样本是“幸存者”——那些成功返回基地的飞机。真正致命的弹击,是那些发生在引擎、驾驶舱等关键部位,导致飞机未能返回的。因此,应该加强的是那些在幸存者飞机上没有弹孔的部位,因为那些部位一旦被击中,飞机就无法返航了。这就像只关注那些从火海中逃出来的人身上有没有被烫伤,却忽略了那些被烧死的人身上的伤势一样,看到的只是事件的冰山一角。

3. 平均值的误导:中间的数字,不代表真实的“中间”

平均数是统计中最常用的指标,但它有时会带来误导。

例子:平均工资的“平均化”
假设在一个小公司里,老板的月薪是10万元,而其他5位员工的月薪都是5千元。那么,这个公司的平均月薪就是 (100000 + 5 5000) / 6 = 18333元。但是,这个数字对于大部分员工来说毫无意义,它并没有反映出大多数员工的真实收入水平。如果把老板的收入去掉,这5位员工的平均月薪就是5千元,这个数字更能代表他们的生活水平。在这种情况下,中位数(将所有数据从小到大排序,位于最中间的那个数)可能比平均数更能反映“典型”情况。如果数据存在极端值,平均值就会被这些极端值拉偏。

概率的魅影:那些让人抓狂的悖论

除了统计数据的误用,概率论本身也充满了许多反直觉的悖论,挑战着我们的逻辑和认知。

1. 蒙提霍尔问题 (Monty Hall Problem):选择的诱惑

这是一个经典的概率悖论,常常让人们感到困惑。

情境: 想象你正在参加一个游戏节目,面前有三扇门。一扇门后面是一辆汽车,另外两扇门后面是山羊。你选择了一扇门(比如1号门)。主持人知道汽车在哪扇门后面,他会打开另外两扇门中的一扇,里面是一只山羊(比如他打开了3号门)。然后,主持人问你:“你要坚持你最初的选择(1号门),还是换成另外一扇未打开的门(2号门)?”

直觉: 大多数人认为,既然已经有了一只山羊被排除了,剩下两扇门后面是汽车的概率各是1/2,所以换不换都一样。

事实: 你应该换门! 换门后赢得汽车的概率是2/3,而坚持原先选择的概率是1/3。

解释:
当你最初选择一扇门时,你选中汽车的概率是1/3,选中山羊的概率是2/3。
主持人打开一扇有山羊的门,这个行为 不是随机的。他知道车在哪,他总是会打开一扇你没选且有山羊的门。
如果你最初选的是汽车 (1/3概率): 主持人可以打开另外两扇任何一扇山羊门。你换门就会输。
如果你最初选的是山羊 (2/3概率): 主持人别无选择,只能打开另一扇有山羊的门。这时,剩下未打开的那扇门 必定是汽车。你换门就会赢。

所以,通过坚持最初的选择,你赢车的概率是1/3;而通过换门,你实际上是抓住了“你最初选的是山羊”这个2/3的概率,因此换门赢得汽车的概率是2/3。这个悖论的关键在于,主持人的行为提供了 额外的信息,改变了我们对剩下门的概率判断。

2. 辛普森悖论 (Simpson's Paradox):聚合的假象

辛普森悖论描述了一种现象:当我们将数据按某个特征分组统计时,各个组别的数据趋势可能与将所有数据聚合起来后的整体趋势相反。

例子:某医院的肾结石治疗成功率对比
假设某医院有两个医生,A医生和B医生,都在治疗肾结石。我们对比他们在治疗两种不同大小(大型和小型)的肾结石时的成功率:

| 医生 | 肾结石大小 | 治疗案例数 | 成功案例数 | 成功率 |
| : | : | : | : | : |
| A | 大型 | 50 | 30 | 60% |
| A | 小型 | 300 | 270 | 90% |
| A (总计) | 全部 | 350 | 300 | 85.7% |
| B | 大型 | 100 | 70 | 70% |
| B | 小型 | 50 | 40 | 80% |
| B (总计) | 全部 | 150 | 110 | 73.3% |

从上面的表格可以看出:
对于大型肾结石,A医生的成功率是60%,B医生的成功率是70%。B医生更高。
对于小型肾结石,A医生的成功率是90%,B医生的成功率是80%。A医生更高。

然而,当我们 聚合所有数据,不考虑结石大小时:
A医生的总成功率是85.7%。
B医生的总成功率是73.3%。
聚合后的结果显示,A医生的总体成功率反而低于B医生。

解释: 这个问题出在“样本量失衡”上。A医生主要治疗的是小型肾结石(300例),这是一种更容易治疗的病例,因此他的整体成功率被拉高了。而B医生虽然在小型病例上的成功率略低于A,但他治疗了更多的大型病例(100例),这些病例本身成功率就较低,从而拉低了他的整体成功率。
辛普森悖论揭示了,在分析数据时,忽略了关键的“混淆变量”(这里是肾结石大小),可能会得出错误的结论。就像我们看一张照片时只关注主角,却忽略了背景的干扰一样。

3. 约会悖论 (The Dating Paradox) / 停启悖论 (The Secretary Problem) 的变种:等等看,还是定下来?

虽然严格意义上不是悖论,但这类问题也常常挑战人们的直觉。比如,在约会市场上,我们是应该尝试约会尽可能多的人,积累经验,然后再做决定?还是应该在遇到一个“看起来不错”的人时,就果断定下来?

直觉: 很多人会觉得多尝试,知道更多选项,才能做出更好的选择。
数学上的思考(以停启悖论为例): 如果你要从N个候选人中选出最佳人选,并且只能选择一次,那么一个经典的策略是:“考察”前 N/e (约等于 37%) 的候选人,记录下其中最优者的标准,然后继续考察剩余的候选人,一旦遇到比之前最优者更好的,就立刻选择他。这个策略在数学上能够最大化选中最佳人选的概率(尽管不一定能选到全局最优的那个)。
这个例子说明,有时候“无休止地等待更好的”反而会错过那个“足够好”甚至“非常好”的选择。在实际生活中,权衡经验积累和及时决策,是一个复杂的概率与现实的博弈。

结语:做个清醒的“数字迷”

统计学和概率论是强大而迷人的工具,它们帮助我们理解世界,做出决策。但正如我们看到的,数字本身不会说话,它们需要被恰当地解读和呈现。无论是统计误用还是概率悖论,都提醒着我们:

保持怀疑精神: 不要轻易相信那些看似完美或夸张的统计数据。
关注数据来源和样本: 样本的代表性、收集方法是否合理,至关重要。
区分相关与因果: 两个事物同时发生,不代表一个导致了另一个。
理解平均数的局限性: 当数据存在极端值时,要警惕平均数带来的误导。
拥抱反直觉的概率: 有时候,数学的结论会挑战我们的直觉,这正是它们的魅力所在。

成为一个“清醒的数字迷”,意味着在享受统计学带来的洞察力的同时,也要时刻警惕它可能存在的陷阱,用批判性的思维去审视每一个数字背后的故事。只有这样,我们才能真正地让统计学为我们服务,而不是被它所蒙蔽。

网友意见

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低出生体重悖论(Low birth-weight paradox)

这是从一个与吸烟母亲所生孩子的出生体重和其死亡率有关,且明显自相矛盾的问题中所观察出的悖论[1],基于的事实是:吸烟母亲所生的低出生体重婴儿的死亡率,显著低于非吸烟者母亲所生的低出生体重婴儿。

之前,曾在某篇回答里讲过辛普森悖论(Simpson's paradox)[2],低出生体重悖论,实际上就是辛普森悖论[3]的一个例子,可以说是悖论中的悖论了。

这类悖论,实际上是概率和统计中的一种现象,其中正确的趋势会出现在单独的分组数据当中。但是,当这些组被合并后,正确的趋势开始逐渐消失,甚至是反转了。类似的问题,在社会科学和医学科学统计中也会经常遇到。

现如今,每个人都知道吸烟会导致肺癌,但这在 1950 年代,这并不是那么显而易见的事情,并且花了将近十年的时间来解决这场争论。然而,即使是在吸烟和癌症的争论平息之后,一个令人费解的重大悖论仍然存在。

传统认知上,体重低于一定数值的婴儿被归类为低出生体重儿童,而在特定人群中,低出生体重婴儿的死亡率明显高于其他婴儿;因此,低出生体重率较高的人群的儿童死亡率通常也高于其他人群。

1960 年代中期,有人指出,如果婴儿出生时体重过轻,母亲吸烟似乎对新生儿有益

这种所谓的出生体重悖论,是对正在形成的关于吸烟有害影响的医学共识的重大挑战,并且花了40多年的时间才得以解决,当时,许多人甚至把它看成是出生体重和死亡率之间所独有的矛盾。

事情是这样的,1959年,加州大学伯克利分校的生物统计学家雅各布·耶鲁沙米 (Jacob Yerushalmy) 发起了一项长期公共卫生研究,收集了旧金山湾区 15,000 多名儿童的数据,这些数据包括母亲的吸烟习惯、婴儿出生后第一个月的出生体重和死亡率等信息。

根据调查,出生时体重不足的低出生体重 (Low birth-weight,LBW) 婴儿的死亡率是正常出生体重婴儿的N倍以上,而且吸烟母亲的婴儿出生时平均体重比不吸烟母亲的婴儿轻,一个很自然的推论:这种较低的出生体重 (LBW) 会导致吸烟母亲婴儿出现较差的存活率。

然而,Jacob Yerushalmy的发现是:吸烟母亲的低出生体重婴儿比不吸烟母亲的存活率更高。就好像妈妈抽烟对低体重婴儿的成活有保护作用一样。

很明显,这是错误的结论,Yerushalmy 并没有愚蠢到相信并且宣布这种荒谬的说法,他表示吸烟与死亡率之间没有因果关系,但数据似乎很奇怪且违反直觉。现代流行病学家也认为,吸烟确实会增加婴儿死亡率。

不过,如何解释上述调查数据呢?

从60年代开始,争论便一直不断,直到2006年的一篇研究文章 Birth Weight “Paradox” Uncovered[4] 解释了这个问题,结论是:吸烟者所生婴儿的LBW和死亡率风险高于非吸烟者所生婴儿。

Distribution of birth weights among infants born to smokers and nonsmokers, United States, 1991 (national linked birth/infant-death data, National Center for Health Statistics). The line at 2,500 g indicates the cutoff point used to define low birth weight

但是,在LBW婴儿中,吸烟者所生婴儿的死亡率较低

你可以在下图中看到,死亡率显著的分界线,在2000g左右。(2,500g的线表示用于定义低出生体重的截止点)

Birth-weight-specific infant mortality curves for infants born to smokers and nonsmokers, United States, 1991 (national linked birth/ infant-death data, National Center for Health Statistics)

在LBW婴儿中,吸烟者所生婴儿的死亡率较低,原因何在?

通过使用因果图(Causal diagrams),作者揭开了这个悖论背后的原因

可以看到,吸烟可能有害并会导致 LBW,但还有其他更严重和有害的 LBW 原因,例如遗传缺陷、营养不良,以及等等。(图中“U”指向其它原因,即未测量的风险因素)

如果婴儿的母亲是吸烟者,这可以“解释”其婴儿低出生体重的原因,并且某种程度上排除严重出生缺陷(如遗传缺陷)的可能性;但是,如果母亲不是吸烟者,低出生体重的原因则很大可能是严重的出生缺陷,从而导致更高的死亡率。

当分析按出生体重划分时,这些未测量的风险因素 (U) 的存在,可能会导致吸烟死亡率之间的虚假关联。就好比,经常逆行的人患肺癌的概率低,而常系安全带则会增加癌症死亡率一样,一个统计上的误区。

以上,谢谢

参考

  1. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Low_birth-weight_paradox
  2. ^ https://www.zhihu.com/question/296683966/answer/1662679106
  3. ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%BE%9B%E6%99%AE%E6%A3%AE%E6%82%96%E8%AE%BA
  4. ^ Hernández-Díaz S, Schisterman E F, Hernán M A. The birth weight “paradox” uncovered?[J]. American journal of epidemiology, 2006, 164(11): 1115-1120.

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