Inferenzstatistik mit Simulationstechniken

Inferenzstatistik mit SimulationstechnikenEinführungSebastian SauerDozententage 20201 / 62

Dozententage 2020    
     
Agenda1. Wozu  Simulationstechniken?
Der Biertest -- Konfidenzintervall
Der Pringels-Test -- Hypothesen testen, Teil 1
Die Lächelstudie -- Hypothesen testen, Teil 2
Fazit
/ 62

Dozententage 2020    
     
1 Wozu Simulationstechniken?3 / 62

Simu ... was?

Simulationstechniken in der Datenanalyse nutzen die Stichprobendaten, um inferenzstatistische Schlüsse zu ziehen.

Didaktiver Nutzen:

A) weniger abstrakt

B) EIN Verfahren für (fast) alle Situationen

Inhaltlicher Nutzen

A) Manchmal präziser

B) Manchmal gibt es keine andere Möglichkeit

4 / 62

Verteilungsbasiert vs. simulationsbasiert

5 / 62

Verteilungsannahmen

... können falsch sein

Rousselet, G. A., Pernet, C. R., & Wilcox, R. R. (2019). A practical introduction to the bootstrap: A versatile method to make inferences by using data-driven simulations [Preprint]. PsyArXiv. https://doi.org/10.31234/osf.io/h8ft7

6 / 62

Der t-Test bei schiefen Verteilungen (I/II)

95%-KI auf Basis der der t-Verteilung mit 29 df:

#> [1] 0.9037929 2.3149338
#> attr(,"conf.level")
#> [1] 0.95

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Der t-Test bei schiefen Verteilungen (II/II)

8 / 62

Simulationstechniken sind nicht per se robuster

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Repro-Krise?

Fanelli, D. (2018). Opinion: Is science really facing a reproducibility crisis, and do we need it to? Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(11), 2628–2631. https://doi.org/10.1073/pnas.1708272114

10 / 62

The Introductory Statistics Course: A Ptolemaic Curriculum?

What we teach is largely the technical machinery of numerical approximations based on the normal distribution and its many subsidiary cogs. This machinery was once necessary, because the conceptually simpler alternative based on permutations was computationally beyond our reach. Before computers statisticians had no choice. These days we have no excuse. Randomization-based inference makes a direct connection between data production and the logic of inference that deserves to be at the core of every introductory course. Technology allows us to do more with less: more ideas, less technique.

Cobb, G. W. (2007). The introductory statistics course: A Ptolemaic curriculum? Technology Innovations in Statistics Education, 1(1).

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Teach statistical thinking

Emphasize Statistical Thinking

More Data and Concepts, Less Theory and Fewer Recipes

Almost any course in statistics can be improved by more emphasis on data and concepts, and less emphasis on theory and recipes.

GAISE College Report ASA Revision Committee, “Guidelines for Assessment and Instruction in Statistics Education College Report 2016,” http://www.amstat.org/education/gaise.

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Dozententage 2020    
     
2 Der Biertest -- KonfidenzintervallLive-Experiment: Biersorte erschmecken13 / 62

Erschmecke das "Biligbier"

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Du hast die Wahl

Im Rahmen des ~~normalen Unterrichts~~ einer Sonderveranstaltung der FOM wurde der Versuch durchgeführt:

$n = 34$ Versuchspersonen^*
$x = 12$ Treffer

^* Selbstloser Einsatz für die Wissenschaft

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Dozententage 2020    
     
OK, kein Bier, nur Pringels16 / 62

Ablauf: Schmeck den Pringel heraus!

Je zwei Personen, $A$ und $B$ finden sich in Pärchen
$A$ wählt 1 Pringel-Chip und 2 Noname-Chips
$A$ reicht $B$ nacheinander die 3 Chips in zufälliger Reihenfolge, $B$ hat dabei die Augen geschlossen
$B$ entscheidet sich, welcher Chips vermutlich der Pringle-Chip ist
Das Ergebnis (Treffer ja/nein) kann hier eingetragen werden: https://forms.gle/w1bUMGvdDofadih68
Bitte notieren Sie das Ergebnis (Treffer ja/nein) auch auf einen Zettel (den zusammenfalten)

Barcode zum Link:

17 / 62

Was ist der wahre Erschmecker-Anteil?

Anteil Stichprobe: 12/34

Anteil in Population der FOM-Profs???

18 / 62

Idee 1: Wir testen alle FOM-Profs!

super. Dauert aber.

19 / 62

Idee 2: Wir wiederholen der Versuch oft!

z.B. 100 Mal:

super. Dauert aber.

20 / 62

Idee 3: Der Münchhausen-Trick

21 / 62

Ziele viele Stichproben mit Zurücklegen

Voila -- Die Bootstrap-Verteilung:

22 / 62

Auf Errisch geht das so...

library(mosaic)
# unsere Stichprobe:
stipro <- rep(factor(c("f","r")),
              c(22, 12)) 
# 3 Bootstrap-Stichproben:
boot1 <- mosaic::do(3) * 
  prop( ~ resample(stipro),
        success = "r") 
boot1
#>      prop_r
#> 1 0.3529412
#> 2 0.3823529
#> 3 0.3529412

# Histogramm zeichnen:
gf_bar( ~ prop_r, data = Bootvtlg)

23 / 62

Bootstrap-Kochrezept

Voraussetzungen

Zufallsstichprobe
Nicht zu kleine Stichprobe, $n \geq 35$

Ablauf

Ziehe 1000 Bootstrap-Stichproben
Berechne jeweils Statistik (z.B. Anteil)
Sortiere die Stichproben nach ihrem Wert
Zeichne Histogram
Schneide links/rechts jeweils 25 Stichproben ab

24 / 62

Übung: Ist 1/3 ein plausibler Wert in der FOM-Prof-Population?

🏋️‍♀️

boot2 <- mosaic::do(1000) * prop( ~ resample(stipro), success = "r")
confint(boot2)
#>     name     lower     upper level     method  estimate
#> 1 prop_r 0.2058824 0.5294118  0.95 percentile 0.3529412

25 / 62

Dozententage 2020    
     
3  Der Pringels-Test -- Hypothesen testen, Teil 1Echte Pringels kann man nicht rausschmecken (?)26 / 62

Übung: Rate-Wahrscheinlichkeit

🏋️‍♀️

Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit $π$ , einen Pringel unter drei Proben rein zufällig, also durch Raten, herauszuschmecken?

A. $π = 0$

B. $π = 1 / 3$

C. $π = 1 / 2$

D. $π = 2 / 3$

B. $π = 1$

27 / 62

"Pringels kann man nicht rausschmecken!"

via GIPHY

$H_{0} : π \leq 1 / 3$ .

$H_{A} : π > 1 / 3$ .

28 / 62

Angenommen, Pringels schmecken genau wie NoName-Chips

dann: Trefferchance = 1/3

29 / 62

Stellen wir den Versuch anhand von Münzwürfen nach

Werfen wir eine gezinkte Münze (Trefferquote 1/3):

rflip(prob = 1/3)
#> 
#> Flipping 1 coin [ Prob(Heads) = 0.333333333333333 ] ...
#> 
#> T
#> 
#> Number of Heads: 0 [Proportion Heads: 0]

Jetzt $n = 34$ gezinkte Münzen:

rflip(n = 34, prob = 1/3)
#> 
#> Flipping 34 coins [ Prob(Heads) = 0.333333333333333 ] ...
#> 
#> T T T T T T T T H T H T T H H T T H H T H H T T H T H T T T T T T T
#> 
#> Number of Heads: 10 [Proportion Heads: 0.294117647058824]

30 / 62

Wir simulieren den Versuch oft ein paar Mal

rflip(n = 34, prob = 1/3)
#> 
#> Flipping 34 coins [ Prob(Heads) = 0.333333333333333 ] ...
#> 
#> T H T H T T H T T T T H T T T T T T H H H T H H T T H T H H T T H T
#> 
#> Number of Heads: 13 [Proportion Heads: 0.382352941176471]
rflip(n = 34, prob = 1/3)
#> 
#> Flipping 34 coins [ Prob(Heads) = 0.333333333333333 ] ...
#> 
#> T H H T T T T T T H H T H H T H H T T T T T T H T T T T H T H T H H
#> 
#> Number of Heads: 13 [Proportion Heads: 0.382352941176471]

...

31 / 62

Wir erzeugen 1000 Rate-Stichproben

Nullvtlg <- mosaic::do(10000) * rflip(n = 34, prob = 1/3)
gf_bar( ~ heads, data = Nullvtlg )

32 / 62

Die Blaupause eines (jeden) statistisches Tests

33 / 62

p-Wert

p-Wert: Anteil der Stichproben mit mindestens 12 Treffer:

gf_bar( ~ heads, 
        data = Nullvtlg)

prop( ~ heads >= 12, 
      data = Nullvtlg)
#> prop_TRUE 
#>    0.4644

34 / 62

Als sehr, sehr wichtig

... wird der p-Wert von vielen erachtet.

35 / 62

Die Daten sind plausibel unter der Nullhypothese.

Die Daten sind mit der $H_{0}$ kompatibel.

Wir können die Nullhypothese also nicht ablehnen.

36 / 62

p-Wert: Eine gute Geschichte

... verdient, aufgebauscht zu werden (?)

www.xkcd.com/about Note: You are welcome to reprint occasional comics pretty much anywhere (presentations, papers, blogs with ads, etc). If you're not outright merchandizing, you're probably fine. Just be sure to attribute the comic to xkcd.com.

37 / 62

Forschung über dem 5%-Niveau

"Mein p-Wert ist der ~~größte~~ kleinste."

Bildquelle

"... some statisticians prefer to supplement or even replace p-values with other approaches. These include methods that emphasize estimation over testing, such as confidence ... intervals ..."

"Good statistical practice ... emphasizes principles of good study design ... , a variety of numerical and graphical summaries of data, understanding of the phenomenon under study, interpretation of results in context, complete reporting and proper logical and quantitative understanding of what data summaries mean."

... No single index should substitute for scientific reasoning.

Ronald L. Wasserstein & Nicole A. Lazar (2016) The ASA Statement on p-Values: Context, Process, and Purpose, The American Statistician, 70:2, 129-133, DOI: 10.1080/00031305.2016.1154108

38 / 62

Gott liebt

... 0.051 fast genauso sehr wie 0.049

Im Übrigen ...

I have no interest in you or your life.
— God (@TheTweetOfGod) January 4, 2019

Gelman, A., & Stern, H. (2006). The Difference Between “Significant” and “Not Significant” is not Itself Statistically Significant. The American Statistician, 60(4), 328–331. https://doi.org/10.1198/000313006X152649

39 / 62

Dozententage 2020    
     
4  Die Lächelstudie -- Hypothesen testen, Teil 2Stimmt Lächeln nachsichtiger?40 / 62

Stimmt Lächeln nachsichtiger?

Bildquelle

Skeptiker:

"Lächeln bringt doch nichts!"

$H_{0} : μ_{Lächeln} \leq μ_{Neutral}$

$H_{A} : μ_{Lächeln} > μ_{Neutral}$

LaFrance, M., & Hecht, M. A. (1995). Why smiles generate leniency. Personality and Social Psychology Bulletin, 21(3), 207-214, https://doi.org/10.1177%2F0146167295213002

41 / 62

Finde den echten Datensatz

11 Datensätze wurden so simuliert, dass es keinen Unterschied in den Mittelwerten der Populationen gibt, 1 Datensatz ist echt.

42 / 62

Angenommen, es gäbe keinen Zusammenhang

... von Lächeln und Nachsichtigkeit. Wie häufig wäre unser empirischer Wert in diesen Stichproben?

43 / 62

Der p-Wert schlägt zurück

"Wer die Definition vergisst, dem tättoviere ich p-value auf den Unterarm."

Bildquelle

Wenn die Daten aus einer Population stammen, in der die Nullhypothese stimmt, dann ist unser empirisches Ergebnis selten (unplausibel).

Auf dieser Basis entscheiden wir uns in diesem Fall, die $H_{0}$ zu verwerfen (bzw. nicht mehr so stark wie vorher an sie zu glauben).

44 / 62

Wie stellt man die Nullverteilung her?

Man reist in ein Land, in dem es keinen Zusammenhang gibt (zwischen Lächeln und Nachsichtigkeit) und zieht dort viele Stichproben.

45 / 62

... Oder man mischt eine Spalte

Man mischt die Spalte (z.B. UV) durch, so dass der Zusammenhang zwischen der Spalte UV under einer anderen Spalte (AV) aufgelöst wird.

46 / 62

So mischt man eine Spalte mit R

Nullvtlg_gesicht <- mosaic::do(100)*diffmean(nachsichtigkeit ~ shuffle(gesicht), 
                             data = Laecheln)

gesicht gesicht_gemischt nachsichtigkeit

lächeln neutral 7.0 lächeln neutral 3.0 lächeln lächeln 6.0 lächeln lächeln 4.5 lächeln neutral 3.5 lächeln lächeln 4.0

47 / 62

Übung: Konsumieren Raucher im Schnitt mehr? (1/3)

$H 0 : μ_{R} = μ_{N R}$

$H_{A} : μ_{r} \neq μ_{N R}$

Daten laden:

download.file("https://goo.gl/whKjnl", 
              destfile = "tips.csv")
tips <- read.csv2("tips.csv")

Nullverteilung berechnen:

library(mosaic)
Nullvtlg_Raucher <- mosaic::do(1000) * 
  diffmean(total_bill ~ shuffle(smoker),
           data = tips)

Die ersten paar Werte aus den Stichproben der Nullverteilung:

diffmean
-1.2006729
1.5180254
2.1377989
0.2732657
1.6922987
0.0890885

48 / 62

Übung: Konsumieren Raucher im Schnitt mehr? (2/3)

$H_{0}$ -Verteilung visualisieren:

gf_histogram( ~ diffmean, data = Nullvtlg_Raucher) %>%
gf_vline(xintercept = ~diffmean(total_bill ~ smoker, data = tips))

49 / 62

Übung: Konsumieren Raucher im Schnitt mehr? (2/3)

Empirische Differenz/Wert in der Stichprobe:

#> diffmean 
#> 1.568066

Anteil der Stichproben, die mind. so groß sind wie der emp. Wert:

#> prop_TRUE 
#>     0.099

Mal zwei nehmen, da ungerichtete Hypothese:

#> prop_TRUE 
#>     0.198

50 / 62

Dozententage 2020    
     
5 FazitWie war das nochmal im Mittelteil?51 / 62

Verteilungsbasiert vs. simulationsbasiert

52 / 62

Drei Varianten von Simulationstechniken

1. Bootstrapping: Ziehe viele Stichproben mit Zurücklegen aus Originalstichprobe, um Konfidenzintervall zu erhalten

2. Permutationtest: Testen von Zusammenhangs-/Unterschiedshypothesen

3. Einfache Simulation: Führe den Versuch oft durch, unter Annahme von $H_{0}$

53 / 62

Drei Varianten von Simulationstechniken -- mit R

1. Bootstrapping: Ziehe viele Stichproben mit Zurücklegen aus Originalstichprobe, um Konfidenzintervall zu erhalten

do(oft) * statistik(y ~ x, data = resample(Daten))

2. Permutationtest: Testen von Zusammenhangs-/Unterschiedshypothesen

do(oft) * statistik(y ~ shuffle(x), data = Daten)

3. Einfache Simulation: Führe den Versuch oft durch, unter Annahme von $H_{0}$

do(oft) * ziehe_aus_verteilung(n, parameterwerte)

54 / 62

Dozententage 2020    
     
Übersicht Teststatistiken (Auswahl)
 
    Y 
    X 
    Statistik 
  


    binär 
    NA 
    Anteil `pp` 
  

    kategorial 
    NA 
    Verhältnis beobachtet/erwartet: `χ2χ2` 
  

    kategorial 
    NA 
    Verhältnis beobachtet/erwartet": `χ2χ2` 
  

    numerisch 
    NA 
    Mittelwert `¯xx¯` 
  

    binär 
    binär 
    Differenz der Anteile `pB−pApB−pA` 
  

    numerisch 
    binär 
    Differenz der Mittelwerte `¯xB−¯xAx¯B−x¯A` 
  

    kategorial 
    kategorial 
    Verhältnis beobachtet/erwartet: `χ2χ2` 
  

    numerisch 
    kategorial 
    Verhältnis Varianz zwischen/innerhalb der Gruppen: `FF` 
  

    numerisch 
    numerisch 
    Korrelation oder Regression `r^βrβ^` 
  

    kategorial 
    numerisch 
    Regression `^ββ^` (logistische oder multinomiale Regression) 
  

55 / 62

Y	X	Statistik
binär	NA	Anteil ` $p$ `
kategorial	NA	Verhältnis beobachtet/erwartet: ` $χ^{2}$ `
kategorial	NA	Verhältnis beobachtet/erwartet": ` $χ^{2}$ `
numerisch	NA	Mittelwert ` $\bar{x}$ `
binär	binär	Differenz der Anteile ` $p_{B} - p_{A}$ `
numerisch	binär	Differenz der Mittelwerte ` ${\bar{x}}_{B} - {\bar{x}}_{A}$ `
kategorial	kategorial	Verhältnis beobachtet/erwartet: ` $χ^{2}$ `
numerisch	kategorial	Verhältnis Varianz zwischen/innerhalb der Gruppen: ` $F$ `
numerisch	numerisch	Korrelation oder Regression ` $r \hat{β}$ `
kategorial	numerisch	Regression ` $\hat{β}$ ` (logistische oder multinomiale Regression)

Dozententage 2020    
     
Übersicht Inferenzverfahren R mosaic (Auswahl)
 
    Y 
    X 
    simulationsbasiert 
    konventionell 
  


    binär 
    . 
    prop() 
    binom.test() 
  

    kategorial 
    . 
    xchisq.test() 
    xchisq.test() 
  

    kategorial 
    . 
    chisq.test() 
    chisq.test() 
  

    numerisch 
    . 
    mean() 
    t.test() 
  

    binär 
    binär 
    diffprop() 
    prop.test() 
  

    numerisch 
    binär 
    diffmean() 
    t.test() 
  

    kategorial 
    kategorial 
    xchisq.test() 
    xchisq.test() 
  

    numerisch 
    kategorial 
    aov() 
    aov() 
  

    numerisch 
    numeric 
    cor(), lm() 
    cor.test(), lm() 
  

    kategorial 
    numerisch 
    glm(family= 'binomial') 
    glm(family= 'binomial') 
  

56 / 62

Y	X	simulationsbasiert	konventionell
binär	.	prop()	binom.test()
kategorial	.	xchisq.test()	xchisq.test()
kategorial	.	chisq.test()	chisq.test()
numerisch	.	mean()	t.test()
binär	binär	diffprop()	prop.test()
numerisch	binär	diffmean()	t.test()
kategorial	kategorial	xchisq.test()	xchisq.test()
numerisch	kategorial	aov()	aov()
numerisch	numeric	cor(), lm()	cor.test(), lm()
kategorial	numerisch	glm(family= 'binomial')	glm(family= 'binomial')

Nutzen und Grenzen

Ein Prinzip für alle gängigen Verfahren
Wenige Voraussetzungen
Einfach, wenig abstrakt

Zur Anschlussfähigkeit sollten Namen konventioneller Verfahren (wie t-Test) weiterhin gelehrt werden

57 / 62

Sinnbild: Bootstrap

58 / 62

Sinnbild: Zusammenhang zweier Variablen (Permutationstest)

59 / 62

Sinnbild: Test auf bestimmten Wert einer Variablen

60 / 62

Fragen, Feedback, Feierlichkeiten?

Sprechen Sie uns an!

sebastian.sauer@fom.de

Diese Folien wurden von Autor*innen der FOM https://www.fom.de/ entwickelt und stehen unter der Lizenz CC-BY-SA-NC 3.0 de: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/

61 / 62

Technical details

Last update: 2020-02-03
Slides built with xaringan, based on rmarkdown
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Inferenzstatistik mit Simulationstechniken

Einführung

Sebastian Sauer

Dozententage 2020

Agenda

1. Wozu Simulationstechniken?

2. Der Biertest -- Konfidenzintervall

3. Der Pringels-Test -- Hypothesen testen, Teil 1

4. Die Lächelstudie -- Hypothesen testen, Teil 2

5. Fazit

1 Wozu Simulationstechniken?

Simu ... was?

Simulationstechniken in der Datenanalyse nutzen die Stichprobendaten, um inferenzstatistische Schlüsse zu ziehen.

Didaktiver Nutzen:

Inhaltlicher Nutzen

Verteilungsbasiert vs. simulationsbasiert

Verteilungsannahmen

... können falsch sein

Der t-Test bei schiefen Verteilungen (I/II)

Der t-Test bei schiefen Verteilungen (II/II)

Simulationstechniken sind nicht per se robuster

Repro-Krise?

The Introductory Statistics Course: A Ptolemaic Curriculum?

Teach statistical thinking

Emphasize Statistical Thinking

More Data and Concepts, Less Theory and Fewer Recipes

2 Der Biertest -- Konfidenzintervall

Live-Experiment: Biersorte erschmecken

Erschmecke das "Biligbier"

Du hast die Wahl

OK, kein Bier, nur Pringels

Ablauf: Schmeck den Pringel heraus!

Was ist der wahre Erschmecker-Anteil?

Anteil Stichprobe: 12/34

Anteil in Population der FOM-Profs???

Idee 1: Wir testen alle FOM-Profs!

super. Dauert aber.

Idee 2: Wir wiederholen der Versuch oft!

z.B. 100 Mal:

super. Dauert aber.

Idee 3: Der Münchhausen-Trick

Ziele viele Stichproben mit Zurücklegen

Voila -- Die Bootstrap-Verteilung:

Auf Errisch geht das so...

Bootstrap-Kochrezept

Voraussetzungen

Ablauf

Übung: Ist 1/3 ein plausibler Wert in der FOM-Prof-Population?

3 Der Pringels-Test -- Hypothesen testen, Teil 1

Echte Pringels kann man nicht rausschmecken (?)

Übung: Rate-Wahrscheinlichkeit

"Pringels kann man nicht rausschmecken!"

Angenommen, Pringels schmecken genau wie NoName-Chips

dann: Trefferchance = 1/3

Stellen wir den Versuch anhand von Münzwürfen nach

Werfen wir eine gezinkte Münze (Trefferquote 1/3):

Jetzt n=34n=34 gezinkte Münzen:

Wir simulieren den Versuch oft ein paar Mal

Wir erzeugen 1000 Rate-Stichproben

Die Blaupause eines (jeden) statistisches Tests

p-Wert

p-Wert: Anteil der Stichproben mit mindestens 12 Treffer:

Als sehr, sehr wichtig

... wird der p-Wert von vielen erachtet.

Die Daten sind plausibel unter der Nullhypothese.

Die Daten sind mit der H0H0 kompatibel.

Wir können die Nullhypothese also nicht ablehnen.

p-Wert: Eine gute Geschichte

... verdient, aufgebauscht zu werden (?)

Forschung über dem 5%-Niveau

... No single index should substitute for scientific reasoning.

Gott liebt

... 0.051 fast genauso sehr wie 0.049

Im Übrigen ...

4 Die Lächelstudie -- Hypothesen testen, Teil 2

Stimmt Lächeln nachsichtiger?

Stimmt Lächeln nachsichtiger?

Skeptiker:

"Lächeln bringt doch nichts!"

H0:μLächeln≤μNeutralH0:μLächeln≤μNeutral

Jetzt $n = 34$ gezinkte Münzen:

Die Daten sind mit der $H_{0}$ kompatibel.

$H_{0} : μ_{Lächeln} \leq μ_{Neutral}$

$H_{A} : μ_{Lächeln} > μ_{Neutral}$

Auf dieser Basis entscheiden wir uns in diesem Fall, die $H_{0}$ zu verwerfen (bzw. nicht mehr so stark wie vorher an sie zu glauben).

$H 0 : μ_{R} = μ_{N R}$

$H_{A} : μ_{r} \neq μ_{N R}$