Der χ 2 -Test (Chiquadrat-Test)

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1 Der χ 2 -Test (Chiquadrat-Test) Der Grundgedanke Mit den χ 2 -Methoden kann überprüft werden, ob sich die empirischen (im Experiment beobachteten) Häufigkeiten einer nominalen Variable systematisch von den erwarteten Häufigkeiten unterscheiden. Warnung: In den hier gezeigten Beispielen stellt der χ 2 -Test eine Näherung für das eigentliche Testproblem dar. Daher ist vor der Anwendung zu prüfen, ob die (weiter unten genannten) Bedingungen erfüllt sind. Andernfalls ist ein exakter Test (Fisher-Test) ins Auge zu fassen. Beispiel (fiktiv) Es wird vermutet, dass in einer grösseren Stadt der Grossteil der weiblichen und männlichen Jugendlichen ihre Kleider in unterschiedlichen Geschäften einkauft. Um die Signifikanz dieser Hypothese zu untersuchen, wurden 120 zufällig ausgewählte Jugendliche befragt, in welchem Geschäft sie ihre Kleider am liebsten einkaufen: Kleidergeschäft A Kleidergeschäft B Kleidergeschäft C andere Summe Beobachtete Häufigkeiten Da in der Umfrage nur die populärsten Kleidergeschäfte erfasst wurden und bei der Kategorie andere kein Vergleich möglich ist, beschränkt man sich auf die Geschäfte A, B und C: Kleidergeschäft A Kleidergeschäft B Kleidergeschäft C Summe Dies ist eine Kontingenztafel (Kreuztabelle), die alle Ausprägungskombinationen der Merkmale Geschlecht (m, f) und bevorzugtes Kleidergeschäft (A, B, C) enthält. Die Nullhypothese H 0 Wenn wir kein Vorwissen über die Verhältnisse in der Grundgesamtheit haben, ist es sinnvoll, (vorläufig) davon auszugehen, dass keines der Geschäfte von weiblichen (oder männlichen) Jugendlichen bevorzugt wird und dass Unterschiede in der Stichprobe zufälliger Natur sind. Dieser Standpunkt entspricht der Nullhypothese H 0. 1

2 Beachte: Die Nullhypothese ist eine Aussage über die Grundgesamtheit. Die Alternativhypothese H 1 Die Alternativhypothese (H 1 ) ist komplementär zur Nullhypothese. Sie besagt, dass es einen Unterschied gibt. In Bezug das Beispiel bedeutet dies, dass in mindestens einem Geschäft weibliche Jugendliche häufiger (oder seltener) einkaufen als ihre männlichen Altersgenossen. Beachte: Auch die Alternativhypothese ist eine Aussage über die Grundgesamtheit. Gerichtete Alternativhypothese Bei zwei Geschäften wäre es möglich, die Alternativhypothese so zu präzisieren, dass beispielsweise weibliche Jugendliche in einem Geschäft häufiger (oder seltener) einkaufen als im anderen. Bei drei oder mehr Kategorien ist es jedoch nicht mehr sinnvoll eine Richtung für die Bevorzugung anzugeben; d. h. eine gerichtete Alternativhypothese zu formulieren. Moral: Bei mehr als zwei Ausprägungen ist die Alternativhypothesen immer ungerichtet. Anzahl Freiheitsgrade Für weiter unten folgenden Überlegungen geht man davon aus, dass die Randsummen (Geschäfte: 30, 40, 30) und (Geschlecht: 45, 50) unveränderlich sind. In diesem Fall können nicht mehr alle Häufigkeiten im Innern der Tabelle unabhängig von den übrigen gewählt werden. Genauer: Setzt man alle Randsummen als fest voraus, so ist die Tabelle durch die Angabe von zwei Häufigkeiten eindeutig bestimmt. Diese zwei Wahlmöglichkeiten bezeichnet man als Anzahl Freiheitsgrade (df = degrees of freedom). Bei zwei Merkmalen mit jeweils n 1 bzw. n 2 Ausprägungen gilt allgemein: df = (n 1 1) (n 2 1). Im Beispiel gilt deshalb df = (3 1) (2 1) = 2. Erwartete Häufigkeiten Die aufgrund der Nullhypothese erwarteten Häufigkeiten berechnet man so: Für jede innere Zelle der Tabelle bildet man das Produkt der entsprechenden Zeilen- und Spaltensumme und dividiert es durch das Gesamttotal (100): Kleidergeschäft A Kleidergeschäft B Kleidergeschäft C Summe Man beachte, dass diese Berechnungsvorschrift die unterschiedlichen Häufigkeiten in den Randsummen berücksichtigt. Das bedeutet auch, dass die Stichprobe nicht zwingend aus 2

3 gleich vielen weiblichen und männlichen Jugendlichen bestehen muss. Die Testidee Bei den χ 2 -Tests berechnen wir ein Mass dafür, wie sehr die beobachteten Werte von den erwarteten Werten abweichen. Die Vorschrift dafür ist relativ einfach: Berechne für jede innere Zelle der Kontingenztafel in der Zeile i und der Kolonne j die Differenz aus dem beobachteten Wert (B ij ) und dem erwarteten Wert (E ij ), quadriere dieses Differenz und teile sie durch den erwarteten Wert. Bilde anschliessend die Summe dieser Quotienten. Formal: χ 2 = ( ) 2 Bij E ij Zelle ij Je grösser χ 2 ist, desto mehr weicht das beobachtete vom erwarteten Ergebnis (der Nullhypothese) ab. E ij Mit den Beispieldaten erhält man: χ 2 = ( ) (12 18)2 18 ( ) ( ) (28 22)2 22 ( ) Die Wahrscheinlichkeitsdichte Um den berechneten Wert zu interpretieren, benötigen wir die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der χ 2 -Verteilung zur Anzahl Freiheitsgrade df = dp x Wie diese Funktion genau definiert ist, spielt hier keine Rolle. Wichtig ist nur, dass ihr Graph mit den Koordinatenachsen eine Fläche vom Inhalt 1 (100%) einschliesst. Die Entscheidung Die rot eingefärbte Fläche stellt die Wahrscheinlichkeit aller Ergebnisse dar, die einen χ 2 - Wert von 6.13 oder grösser haben; also gleich stark oder stärker von der Nullhypothese abweichen als das beobachtete Ergebnis. 3

4 Der Inhalt dieser farbigen Fläche ist der p-wert und beträgt Flächeneinheiten. Auch hier braucht man sich über die konkrete Berechnung nicht den Kopf zu zerbrechen. Es genügt, wenn die Idee anschaulich verstanden wird. Da der p-wert das Signifikanzniveau von 5% nicht übertrifft, entscheiden wir uns gegen die Nullhypothese: Die Wahl des Kleidergeschäfts ist bei jugendlichen Kunden offenbar abhängig vom Geschlecht (α = 5%, p-wert = , n = 100, df = 2). Voraussetzungen Da der χ 2 -Test nur eine Näherung für unser eigentliches Testproblem darstellt, muss geprüft werden, ob folgende Voraussetzungen erfüllt sind: (a) Die Einzelbeobachtungen müssen durch eine Zufallsstichprobe zustande kommen; d. h. unabhängig voneinander sein. (b) Die erwarteten Häufigkeiten pro Zelle sollten grösser als 5 sein. Andernfalls ist der exakte Fisher-Yates-Test zu verwenden (siehe weiter unten). Bemerkung Das Resultat des χ 2 -Tests auf Unabhängigkeit sagt uns nur, dass es irgendwo in den Daten mindestens eine Zeile gibt, deren Häufigkeiten sich überzufällig unterscheiden. Der Test sagt uns aber nicht, um welche Zeilen es sich handelt. Dafür sind weitere Analysen (sogenannte Post-Hoc-Tests) nötig, bei denen man jeweils die Merkmalspaarungen einzeln untersucht. Der χ 2 -Test mit dem TI-84 Plus Zuerst müssen die beobachteten Häufigkeiten im Matrix-Editor in eine Matrix (z. B. [A]) eingegeben werden. 2ND/MATRIX/EDIT/ENTER/1:[A]/ENTER/3x2/ENTER/13/ENTER/.../2ND QUIT Dann wählt man die Funktion STAT/TESTS/C:χ 2 -Test... zur Untersuchung der Unabhängigkeit zweier Merkmale. Expected: [A] der Name einer Matrix mit den beobachteten Häufigkeiten. Observed: [B] der Name einer Matrix, in der die erwarteten Häufigkeiten gespeichert werden sollen. (optional) Wählt man Calculate, wird der χ 2 -Wert und der p-wert berechnet und angezeigt. Wählt man Draw, werden χ 2 - und p-wert grafisch dargestellt. Evtl. muss man hier 9:ZoomStat aus dem ZOOM-Menü wählen. Der χ 2 -Test mit R Die folgende Eingabe erzeugt aus der Liste der Elemente 13, 28, 14, 17, 12, 16 eine Matrix mit 3 Zeilen und 2 Kolonnen, wobei die Elemente standardmässig kolonnenweise eingefüllt werden. 4

5 > daten <- matrix(c(13,28,14,17,12,16), 3, 2) Auf Wunsch können die Zeilen und Kolonnen in der entsprechenden Reihenfolge beschriftet werden. Dies ist aber nicht unbedingt nötig. > dimnames(daten) <- list( c("a", "B", "C"), c("f", "m")) Zur Kontrolle kann die Datenmatrix angezeigt werden: > daten f m A B C Wenn alles stimmt, kann der Test durchgeführt werden: > chisq.test(daten) Pearson s Chi-squared test data: daten X-squared = , df = 2, p-value = R zeigt eine Warnung an, falls Voraussetzung (b) verletzt ist. Der exakte Test von Fisher und Yates Falls die Voraussetzung (b) für den χ 2 -Test verletzt ist, kann man den exakten Test von Fisher und Yates verwenden. Die Vorbereitung der Eingabedaten ist dieselbe. Die Elemente der Matrix werden von oben nach unten und dann von links nach rechts interpretiert. Die Dimension und die Beschriftung der Matrix bezieht sich zerst auf die drei Zeilen und dann auf die zwei Kolonnen. daten <- matrix(c(13,28,14,17,12,16),3,2) dimnames(daten) <- list(c("a","b","c"),c("f","m")) fisher.test(daten) Der Fisher-Yates-Test ergibt einen p-wert von was mit dem des χ 2 -Tests vergleichbar ist. Bei grösseren Stichproben muss man etwas länger auf das Resultat warten, da dieser Test sehr rechenintensiv ist. 5