5.8 Anpassungstests. W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 389 / 419
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- Dagmar Geier
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1 Einführung empirische Verteilungsfunktion 8.2 EDF- Kolmogorov-Smirnov-Test Anderson-Darling-Test Cramer-von Mises-Test 8.3 Anpassungstest auf Normalverteilung - Shapiro-Wilk-Test 8.4. auf weitere Verteilungen W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 389 / 419
2 Einführung Tests Problem Klassische Test- und Schätzverfahren sind oft konzipiert unter der Normalverteilungsannahme. Frage Gilt sie überhaupt? W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 390 / 419
3 Gilt die Normalverteilung? (1) Hampel, 1980, Biometr. Journal Eine Zeitlang glaubte (fast) jeder an das normale Fehlergesetz, die Mathematiker, weil sie es für ein empirisches Faktum hielten, und die Anwender, weil sie es für ein mathematisches Gesetz hielten. W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 391 / 419
4 Gilt die Normalverteilung? (2) Geary 1947, Biometrika Normality is a myth; there never was, and never will be, a normal distribution. W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 392 / 419
5 Tests (X 1,...,X n ) iid., X i F, F unbekannt. Anpassungstest auf eine spezifizierte Verteilung: H 0 : F = F 0 gegen H 1 : F F 0. I.A. hängt F von unbekannten Parametern ab. Anpassungstest auf eine Normalverteilung: H 0 : F(x) = Φ ( x µ ) σ H 1 : F(x) Φ ( x µ ) σ (µ, σ unbekannt) µ, σ, σ > 0 (Φ: Verteilungsfunktion der Standardnormal.). W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 393 / 419
6 Tests Gewicht von Hühnern Abmessungen von Banknoten, oben (echt, falsch) W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 394 / 419
7 Auf der empirischen Verteilungsfunktion beruhende Tests Empirische Verteilungsfunktion Seien X 1,..., X n unabh. Beobachtungen, X (1)... X (n) die geordneten Beob. Die Funktion 0 x < X (1) i F n (x) = X n (i) x < X (i+1) i = 1...n 1 X (n) x heißt empirische Verteilungsfunktion. Satz v. Glivento-Cantelli: F n (x) F(x). (Hauptsatz der math. Statistik genannt) EDF.sas EDF_2.sas W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 396 / 419
8 Auf der empirischen Verteilungsfunktion beruhende Tests Kolmogorov-Smirnov-Test D = sup F n (x) F 0 (x) x Anderson-Darling-Test (F n (x) F 0 (x)) 2 A-sq = n F 0 (x)(1 F 0 (x)) df 0(x) Cramer-von Mises-Test W-sq = n ( Fn (x) F 0 (x) ) 2 df0 (x) W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 397 / 419
9 auf Normalverteilung Auf der empirischen Verteilungsfunktion beruhende Tests hier: F 0 (x) = Φ ( x ˆµ ), ˆσ ˆµ = X = 1 n X i, n i=1 ˆσ 2 = s 2 1 n = (X i X) 2 n 1 D D n (Kolmogorov-Verteilung) approx. lim P 0(D < x ) = 1 2 ( 1) k e 2k2 x 2 n n (Kolmogorov, 1933). W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 399 / 419 i=1 k=1
10 auf Normalverteilung Auf der empirischen Verteilungsfunktion beruhende Tests Modifikationen für endliche Stichproben (zur Info.) D: D ( n / n) A sq: A-sq ( /n /n 2 ) W-sq: W-sq ( /n) Große Werte von D, A-sq und W-sq führen jeweils zur Ablehnung von H 0. p-werte werden vom Programm berechnet. Test_GoF_Banknote.sas Test_GoFDarwin.sas aufg24.sas W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 401 / 419
11 Shapiro-Wilk-Test Vorbemerkungen: Tests X i N(µ, σ 2 ), Y i = X i µ σ i = 1,...,n. Geordnete Beobachtungen: Die Erwartungswerte N(0, 1) X (1)... X (n) Y (1)... Y (n). m i := E(Y (i) ) n! = (i 1)!(n i)! sind bekannt (und vertafelt). tφ i 1 (t)(1 Φ(t)) n i φ(t)dt W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 402 / 419
12 Shapiro-Wilk-Test Tests Approximation (Blom, 1958) m i m i = Φ 1( i n ) EX (i) X (i) = µ + σm i = µ + σm i + ǫ i einfaches lineares Regressionsmodell mit Parametern µ, σ. Eǫ i = 0, aber die ǫ i sind nicht unabhängig. V := cov(y (i), Y (j) ), m := (m 1,...,m n ) X := (X (1),...,X (n) ). W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 403 / 419
13 Verallgemeinerter Kleinster Quadrat-Schätzer von σ: ˆσ = m V 1 X m V 1 m wird verglichen mit der gewöhnlichen Standardabweichung s, s 2 = 1 n 1 n (X i X) 2. i=1 W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 404 / 419
14 Shapiro-Wilk-Statistik W = ˆσ 2 s 2 (n 1) (m V 1 m) 2 m V 2 m = (h X) 2 n i=1 (X i X) 2 h h wobei h = m V 1 (bekannt, vertafelt). Wegen h i = 0 folgt: W ist Quadrat des (empir.) Korrelationskoeffizienten von h und X: ( n i=1 (X i X)(h i h) ) 2 W = n i=1 (X i X) 2 n i=1 (h i h) 2, W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 406 / 419
15 ( n i=1 (X i X)(h i h) ) 2 W = n i=1 (X i X) 2 n i=1 (h i h) 2, Offenbar: 0 W 1. W 1 indiziert, dass h = m V 1 ( 2m ): ein Vielfaches von X ist. D.h. die Punkte (m i, X (i) ) liegen etwa auf einer Geraden, was Normalverteilung indiziert. H 0 wird ablehnt, falls W < W α (n). Test_GoF_Shapiro_Wilk.sas W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 408 / 419
16 Shapiro-Wilk Test Scores des 1 Wettkämpfers (5 Preisrichter) 31.2, 31.2, 31.4, 32.0, 33.1 Mit der Prozedur UNIVARIATE erhalten wir s = und mit der Prozedur GPLOT (Option REGEQN) ˆσ = im Regressionsmodell Y i = µ + σm i + ǫ i Für die Shapiro-Wilk Statistik bekommen wir (c: Normierungsfaktor) W = ˆσ2 s 2 c = W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 409 / 419
17 Shapiro-Wilk Test Approximative Dichtefunktion von W (unter H 0 ) ( n i=1 (X i X)(h i h) ) 2 W = n i=1 (X i X) 2 n i=1 (h i h) 2, n = 10 n = W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 410 / 419
18 Tests SAS verwendet eine Approximation von W. Der Shapiro-Wilk-Test erweist sich für kleinere, mittlere und größere Stichprobenumfänge als geeignetster Test (höchste Güte). Früher wurde meist der sogen. χ 2 -Anpassungstest verwendet. Dieser hat jedoch geringe Güte. W ist etwas besser als A-sq, besser als W-sq, und viel besser als D und χ 2. D ist nur für sehr große Stichprobenumfänge zu empfehlen (n 2000). W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 411 / 419
19 Tests Man sollte beim Test auf Normalverteilung das Signifikanzniveau auf α = 0.1 hochsetzen, insbesondere wenn wenig robuste Tests (die NV verlangen) angewendet werden sollen. Robuste Tests haben meist geringen Effizienzverlust bei NV. W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 412 / 419
20 Durchführung des Tests auf Normalverteilung Unter Verwendung von ˆµ, ˆσ: PROC UNIVARIATE NORMAL; RUN; PROC UNIVARIATE; HISTOGRAM variable / NORMAL; RUN; mit vorgebenen µ, σ: PROC UNIVARIATE; HISTOGRAM variable / NORMAL(mu=0, sigma=1); RUN; Bem.: Mit der Prozedur UNIVARIATE (Kommando HISTOGRAM) können Sie auch auf andere Verteilungen testen. W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 414 / 419
21 8.4 auf weitere Verteilungen χ 2 -Anpassungstest (Pearson, 1900) Prinzip: Daten werden in p Klassen eingeteilt. Klassenhäufigkeiten: N i theoretische Klassenhäufigkeiten: np i X 2 = p (N i np i ) 2 i=1 np i X 2 χ 2 p 1 asymptotisch (bei bekannten µ, σ2 ) (Fisher, 1922) X 2 χ 2 p 3 approx. (bei 2 zu schätzenden Parametern, ML-Schätzung mit gruppierten Daten oder Minimum-χ 2 -Schätzung). W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 415 / 419
22 χ 2 -Anpassungstest Tests Nachteile des χ 2 - Wert von X 2 abhängig von Klasseneinteilung. χ 2 - Anpassungstest auf Normalverteilung hat geringe Güte. Diskrete Verteilungen Hier kann der χ 2 -Anpassungstest genommen werden (natürliche Klasseneinteilung) Prozedur FREQ, Option CHISQ W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 416 / 419
23 χ 2 -Anpassungstest Diskrete Gleichverteilung PROC FREQ; TABLES var1 /CHISQ; RUN; Sonstige diskrete Verteilungen wie oben, zusätzlich sind die Einzelwktn. explizit zu formulieren, /CHISQ TESTP=(p 1,..., p k ); Test_GoF_Poisson.sas Anzahlen schon gegeben Die Variablen, die Anzahlen bezeichnen, werden durch ein WEIGHT-Kommando angegeben. W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 418 / 419
24 EDF-Tests Stetige Verteilungen zugelassen sind: Normal, Gamma, Weibull, Lognormal, Exponential HISTOGRAM var1 / Gamma; Test_GoF_Darwin_1.sas W. Kössler (IfI HU Berlin) Werkzeuge der empirischen Forschung 420 / 419
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