一文搞懂什么是效应量度量

编译：yxy

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统计假设检验报告了假设观察结果的可能性，例如，变量之间没有关联或集合之间没有差异。

如果关联或差异具有统计学意义，则假设检验不会评估效果的大小。这突出了对计算和报告结果的标准方法的需求。

效应量方法是指用于量化实验结果中效应量的一套统计工具，可用于补充统计假设检验的结果。

在本教程中，你将发现用于量化结果大小的效应量和效应量的度量。

完成本教程后，你将了解：

• 在实验结果中计算和报告效应量的重要性。
• 影响变量之间关联效应量度量，例如Pearson相关系数。
• 用于量化集合差异的效应量度量，例如Cohen’s d度量。

让我们开始吧。

本教程分为三个部分：

1. 报告效应量的需求
2. 什么是效应量？
3. 如何计算效应量

报告效应量的需求

一旦从业者熟悉统计方法，通常会专注于量化结果的可能性。

通常，我们可以通过p值和统计假设检验计算和描述的结果找到答案。

在结果呈现中经常被忽略的一个方面是实际量化差异或关系，这称为效应（effect）。我们很容易忘记，实验的目的是量化一个效应。

研究调查的主要产品是效应量的一个或多个度量，而不是P值。

– Things I have learned (so far), 1990。

统计测试只能描述是否存在影响的可能性。无法描述效应的大小。实验结果可能有意义，但影响可能小到几乎没有。

这是可能的而且常见的，结果在统计学上是显著的但并不重要。结果在统计上也可能是非显著但很重要。

– The Essential Guide to Effect Sizes: Statistical Power, Meta-Analysis, and the Interpretation of Research Results，第4页，2010年。

忽略效应所表现出的问题在于它可以使用特别措辞来计算，或者甚至完全忽略留给读者去解释。这是一个很大的问题，因为量化效应的量对于解释结果至关重要。

什么是效应量？

效应量是指预期在群体中发生的效果或结果的量或量级。

效应量是根据数据样本估算的。

效应量方法是指用于计算效应量的统计工具的集合。通常，效应量测量领域被简称为“ 效应量”。

根据要量化的效应类型，将效应量统计方法分组。计算效应量的两组主要方法有：

• Association。用于量化变量之间关联的统计方法（例如，相关性）。
• Difference。量化变量之间差异的统计方法（例如均值之间的差异）。

效应可以是在集合（例如处理集合和未处理集合）之间的比较中显示的处理结果，或者它可以描述两个相关变量（例如治疗剂量和健康）之间的关联程度。

– The Essential Guide to Effect Sizes: Statistical Power, Meta-Analysis, and the Interpretation of Research Results，第5页，2010年。

效应量计算的结果必须能够解释，并且它取决于所使用的具体统计方法。必须根据解释的目标选择其中一项。三种计算结果包括：

• 标准化结果。效应量具有标准比例，使它无论应用如何都可以被解释（例如，Cohen’s d）。
• 原始单位结果。效应量可以使用变量的原始单位，这可以有助于在领域内进行解释（例如，两个样本均值之间的差异）。
• 无单位结果。效应量可能不具有诸如计数或比例（例如，相关系数）的单位。

因此，效应量可以指集合平均值的原始差异，或绝对效应量，以及标准化的效果度量，其被计算以将效应转换为易于理解的度量。当研究中的变量具有内在意义（例如，睡眠小时数）时，适用于绝对效应量。

– Using Effect Size—or Why the P Value Is Not Enough, 2012.

使用多种度量报告效应量以可以帮助不同类型的读者了解你的发现。

有时，为了便于读者理解，以及在将来的元分析中易于包含的一些标准化措施，结果最好报告在原始单元中。

– 第41页， Understanding The New Statistics: Effect Sizes, Confidence Intervals, and Meta-Analysis，2011。

效应量不会取代统计假设检验的结果，而是补充了它。一般来说，假设检验和效应量计算的结果将并排显示。

• 假设检验：根据假设（零假设）量化观察数据的可能性。
• 效应量：假设效应存在，量化其的大小。

如何计算效应量

效应量结果可以是样本均值的计算结果或两个均值之间的绝对差值。也可以是更精细的统计计算。

在本节中，我们将查看关联和差异的一些常见效应量的计算。这些仅作为示例，并不是包含所有；可能有100种方法可用于计算效应量。

计算关联效应量

变量之间的关联通常被称为效应量方法的“ r family ”。

这个名字或许来自于计算效应量的最常用方法，Pearson相关系数，也称为Pearson’s r。

Pearson相关系数衡量两个实值变量之间的线性相关程度。它是一种无单位效应量度量，可以按如下标准方式解释：

• -1.0：完全负相关
• -0.7：强负相关
• -0.5：中等负相关
• -0.3：弱负相关
• 0.0：不相关
• 0.3：弱正相关
• 0.5：中等正相关
• 0.7：强正相关
• 1.0：完全正相关。

在Python中使用SciPy的函数pearsonr（）计算Pearson相关系数。

下面的例子演示了Pearson相关系数的计算，以量化两个随机高斯数样本之间关联的大小，其中第一个样本与第二个样本有强相关。

# calculate the Pearson's correlation between two variables

from numpy.randomimport randn

from numpy.randomimport seed

from scipy.statsimport pearsonr

# seed random number generator

seed(1)

# prepare data

data1= 10 * randn(10000)+ 50

data2= data1+ (10 * randn(10000)+ 50)

# calculate Pearson's correlation

corr, _= pearsonr(data1, data2)

print('Pearsons correlation: %.3f' % corr)

运行该示例计算并打印两个数据样本之间的Pearson相关系数。我们可以看到效果显示样本之间存在强正相关。

Pearson’s correlation:0.712

用于计算关联效应量的另一种非常流行的方法是r平方度量，r ^ 2，也称为决定系数。它总结了一个变量中由另一个变量解释的方差比例。

计算差异效应量

集合之间的差异通常被称为效应量方法的“ d family”。

这个名字来自于计算集合平均值之间差异的最常用方法，称为Cohen’s d。

Cohen’s d测量两个高斯分布变量的均值之差。它是一个标准分数，总结了标准差数量方面的差异。由于分数是标准化的，因此也有一个表格可以解释结果，如下：

• 小效应量：d = 0.20
• 中效应量：d = 0.50
• 大效应量：d = 0.80

Python中没有提供Cohen’s d的计算；我们可以手动计算。

计算两个样本的平均值之间的差如下：

d= (u1- u2)/ s

其中d是Cohen的d，u1是第一个样本的平均值，u2是第二个样本的平均值，s是两个样本的并合标准差。

两个独立样本的并合标准差可以计算如下： s = sqrt(((n1 – 1) . s1^2 + (n2 – 1) . s2^2) / (n1 + n2 – 2))

其中s是并合标准差，n1和n2是第一个样本和第二个样本的大小，s1 ^ 2和s2 ^ 2是第一个和第二个样本的方差。减法是对自由度数量的调整。

下面的函数将计算两个实值变量样本的Cohen d度量。NumPy函数mean（）和var（）分别用于计算样本均值和方差。

# function to calculate Cohen's d for independent samples

def cohend(d1, d2):

    # calculate the size of samples

    n1, n2= len(d1),len(d2)

    # calculate the variance of the samples

    s1, s2= var(d1, ddof=1), var(d2, ddof=1)

    # calculate the pooled standard deviation

    s= sqrt(((n1- 1)* s1+ (n2- 1)* s2)/ (n1+ n2- 2))

    # calculate the means of the samples

    u1, u2= mean(d1), mean(d2)

    # calculate the effect size

    return (u1- u2)/ s

下面的例子计算了两个具有不同均值的随机高斯变量样本的Cohen d度量。

该实例被设计为使得均值是半个标准差，并且两个样本具有相同的标准差。

# calculate the Cohen's d between two samples

from numpy.randomimport randn

from numpy.randomimport seed

from numpyimport mean

from numpyimport var

from mathimport sqrt

# function to calculate Cohen's d for independent samples

def cohend(d1, d2):

    # calculate the size of samples

    n1, n2= len(d1),len(d2)

    # calculate the variance of the samples

    s1, s2= var(d1, ddof=1), var(d2, ddof=1)

    # calculate the pooled standard deviation

    s= sqrt(((n1- 1)* s1+ (n2- 1)* s2)/ (n1+ n2- 2))

    # calculate the means of the samples

    u1, u2= mean(d1), mean(d2)

    # calculate the effect size

    return (u1- u2)/ s

# seed random number generator

seed(1)

# prepare data

data1= 10 * randn(10000)+ 60

data2= 10 * randn(10000)+ 55

# calculate cohen's d

d= cohend(data1, data2)

print('Cohens d: %.3f' % d)

运行该示例计算并打印Cohen’s d的效应量。

我们可以看到，正如预期的那样，均值之间的差异是标准差的一半，被解释为中效应量。

Cohen's d:0.500

量化差异效应量的另外两种流行方法是：

• 优势比。测量一种处理与另一种处理相比产生结果的几率。
• 相对风险率。测量一种处理方法与另一种处理方法相比的结果发生的几率。

拓展阅读

如果您希望深入了解，本节将提供有关该主题的更多资源。

论文

• Using Effect Size—or Why the P Value Is Not Enough, 2012.
• Things I have learned (so far), 1990.

链接：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3444174/

链接：https://tech.me.holycross.edu/files/2015/03/Cohen_1990.pdf

书

• The Essential Guide to Effect Sizes: Statistical Power, Meta-Analysis, and the Interpretation of Research Results, 2010.
• Understanding The New Statistics: Effect Sizes, Confidence Intervals, and Meta-Analysis, 2011.
• Statistical Power Analysis for the Behavioral Sciences, 1988.

API

• scipy.stats.pearsonr() API
• numpy.var() API
• numpy.mean() API

总结

在本教程中，你了解了效应量和效应量度量，用于量化结果的量级。

具体来说，你学到了：

• 在实验结果中计算和报告效应量的重要性。
• 影响变量之间关联效应量度量，例如Pearson相关系数。
• 用于量化集合差异的效应量度量，例如Cohen’s d度量。