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独立性の検定

独立性の検定では、2つの質的変数の間に関係があるのか、それとも互いに独立しているのかを、クロス集計表を用いて検証します。このレクチャーでは、周辺度数から期待度数を求め、観測度数とのズレをカイ二乗統計量で評価する流れを確認します。
このページのゴール

クロス集計表から期待度数を求め、独立性検定の流れを理解する。

STEP 01

独立性の検定では2つの質的変数の関係を見る

このレクチャーでは、 独立性の検定 を見ていきます。

独立性の検定では、 2つの質的変数について、 互いに関係があるのか、 それとも 関係がなく独立しているのか を調べます。

2つの質的変数
↓
関係がない
= 独立
または
関係がある
= 連関がある
独立性の検定とは
2つの質的変数の間に、 何らかの連関があるかどうかを調べる検定です。
STEP 02

2つの質的変数をクロス集計表にまとめる

独立性の検定では、 2つの質的変数を クロス集計表 にまとめます。

質的変数 \(A\) が \(r\) 個の水準をもち、 質的変数 \(B\) が \(c\) 個の水準をもつとします。

\(A \backslash B\) \(B_1\) \(B_2\) \(\cdots\) \(B_c\) 行和
\(A_1\) \(O_{11}\) \(O_{12}\) \(\cdots\) \(O_{1c}\) \(O_{1\cdot}\)
\(A_2\) \(O_{21}\) \(O_{22}\) \(\cdots\) \(O_{2c}\) \(O_{2\cdot}\)
\(\vdots\) \(\vdots\) \(\vdots\) \(\ddots\) \(\vdots\) \(\vdots\)
列和 \(O_{\cdot1}\) \(O_{\cdot2}\) \(\cdots\) \(O_{\cdot c}\) \(n\)

表の内側に入っている \(O_{ij}\) が 観測度数 です。

また、 各行と各列の合計を 周辺度数 と呼びます。

STEP 03

性別と血液型の具体例で考える

ここからは、 具体例を使って考えてみましょう。

2つの質的変数として、 性別 と 血液型 を考えます。

100人を観測したところ、 次のようなクロス集計表になったとします。

性別 \ 血液型 A型 O型 B型 AB型 行和
男性 21 15 9 5 50
女性 19 15 11 5 50
列和 40 30 20 10 100

この表では、 行方向に性別、 列方向に血液型が並んでいます。

表の内側の数字が、 実際に観測された 観測度数 です。

STEP 04

独立なら、どんなクロス集計表になると期待されるか

独立性の検定では、 観測度数とは別に、 期待度数 を考えます。

期待度数とは、 2つの質的変数に 何ら連関がない と仮定したときに、 各セルに期待される度数です。

性別と血液型には関係がない
↓
男性でも女性でも、 血液型の割合は同じと考える
↓
独立な場合に期待される度数を計算する
期待度数
「2つの質的変数が独立である」 と仮定した世界で期待されるセルの度数です。
STEP 05

期待度数は周辺度数だけを使って計算する

独立な場合の期待度数は、 観測度数の 周辺度数 から計算します。

行 \(i\)、列 \(j\) の期待度数を \(E_{ij}\) とすると、

\[ E_{ij} = n \times \frac{\text{行 }i\text{ の合計}}{n} \times \frac{\text{列 }j\text{ の合計}}{n} \]

したがって、 次のようにも書けます。

\[ E_{ij} = \frac{ (\text{行 }i\text{ の合計}) (\text{列 }j\text{ の合計}) }{n} \]
行の周辺度数の割合
×
列の周辺度数の割合
× \(n\)
期待度数 \(E_{ij}\)
STEP 06

男性かつA型の期待度数を計算する

具体的に、 「男性かつA型」のセルを考えてみましょう。

全体100人のうち、 男性は50人、 A型は40人です。

男性である割合 \[ \frac{50}{100} \]
×
A型である割合 \[ \frac{40}{100} \]
↓ 独立なら
男性かつA型である割合 \[ \frac{50}{100} \times \frac{40}{100} = 0.2 \]
↓ ×100人
期待度数 \[ E_{11}=20 \]

式でまとめると、

\[ E_{11} = 100 \times \frac{50}{100} \times \frac{40}{100} = 20 \]
STEP 07

すべてのセルについて期待度数を求める

同じ計算を、 すべてのセルについて行います。

性別 \ 血液型 A型 O型 B型 AB型 行和
男性 20 15 10 5 50
女性 20 15 10 5 50
列和 40 30 20 10 100

この表が、 性別と血液型が独立である場合に期待されるクロス集計表 です。

観測と期待
実際の観測度数と、 独立な場合に期待される度数を比較する準備ができました。
STEP 08

手順0:帰無仮説は「2つの変数は独立」

期待度数を求めることができたので、 ここから仮説検定の流れを整理していきましょう。

独立性の検定では、 まず 2つの質的変数は独立である という帰無仮説を置きます。

\[ H_0: P(A_i\cap B_j) = P(A_i)P(B_j) \]

これは、 \(A_i\) であることと \(B_j\) であることの間に 連関がない という意味です。

一方、 対立仮説は、

\[ H_1: A\text{ と }B\text{ は独立ではない} \]
\(H_0\)
2つの質的変数は独立
VS
\(H_1\)
2つの質的変数には連関がある
帰無仮説の世界
「2つの質的変数には何ら関係がない」 という世界をまず仮定します。
STEP 09

手順1:観測と期待のズレはカイ二乗分布で評価する

帰無仮説が正しい、 つまり2つの質的変数が独立であるとき、 各セルでは観測度数 \(O_{ij}\) が期待度数 \(E_{ij}\) の周辺でばらつきます。

そこで、 各セルの 「観測度数と期待度数のズレ」を 次の形でまとめます。

\[ \sum_{i=1}^{r} \sum_{j=1}^{c} \frac{(O_{ij}-E_{ij})^2}{E_{ij}} \]

標本サイズが十分に大きいとき、 この値は帰無仮説のもとで近似的に、

\[ \chi^2\bigl((r-1)(c-1)\bigr) \]

というカイ二乗分布にしたがいます。

補足|なぜカイ二乗分布が登場するの?

ここでは厳密な証明ではなく、 カイ二乗分布が登場する流れだけを確認します。

① 観測と期待のズレを考える \[ O_{ij}-E_{ij} \]
↓
② 標本サイズが十分に大きければ

度数のズレは、 正規分布を用いて近似できる
↓
③ ズレを調整して二乗する \[ \frac{(O_{ij}-E_{ij})^2}{E_{ij}} \]
↓
④ すべてのセルについて合計する \[ \sum_{i=1}^{r} \sum_{j=1}^{c} \frac{(O_{ij}-E_{ij})^2}{E_{ij}} \] がカイ二乗分布に近づく

ただし、 各セルの度数をすべて自由に決められるわけではありません。 行和と列和が決まっているため、 セルどうしには制約があります。

この制約によって、 自由度はセル数 \(rc\) ではなく、

\[ (r-1)(c-1) \]

となります。 次のSTEPで、 この自由度について具体的に確認します。

手順1
帰無仮説のもとでは、 観測度数と期待度数のズレをまとめた値が、 近似的にカイ二乗分布にしたがいます。
STEP 10

自由度が \((r-1)(c-1)\) になる理由

手順1では、

\[ \chi^2 \sim \chi^2\bigl((r-1)(c-1)\bigr) \]

と整理しました。

では、 なぜ自由度はセルの数 \(rc\) ではなく、 \((r-1)(c-1)\) なのでしょうか。

\(df\) とは?

\(df\) は degrees of freedom の略で、 日本語では 自由度 を意味します。

性別×血液型の例では、 行数は \(r=2\)、 列数は \(c=4\) です。

ただし、 行和と列和がすでに決まっているため、 8個のセルをすべて自由に決めることはできません。

自由
自由
自由
自動
自動
自動
自動
自動
左上の \((r-1)\times(c-1)\) 個を決めれば、
残りは行和・列和から自動的に決まります。

性別×血液型の例では、

\[ df = (2-1)(4-1) = 3 \]
自由度
\(r\times c\) 個のセルがあっても、 行和と列和という制約があるため、 自由度は \((r-1)(c-1)\) になります。
STEP 11

手順2:カイ二乗統計量を実際に計算する

手順1で、 観測度数と期待度数のズレをまとめた値が カイ二乗分布にしたがうことを確認しました。

そこで、 実際の標本から次の検定統計量を計算します。

\[ \chi^2 = \sum_{i=1}^{r} \sum_{j=1}^{c} \frac{(O_{ij}-E_{ij})^2}{E_{ij}} \]

やっていることは、 直前に学んだ 適合度検定と同じ です。

観測度数 \[ O_{ij} \]
−
期待度数 \[ E_{ij} \]
↓ 二乗して期待度数で割る
\[ \frac{(O_{ij}-E_{ij})^2}{E_{ij}} \]
↓ 全セルで合計
カイ二乗統計量
計算上の注意

分母は \(E_{ij}\) です。
\(E_{ij}^2\) ではありません。
STEP 12

具体的なセルについて計算してみる

性別×血液型の例で、 実際に計算してみましょう。

「男性かつA型」のセルでは、 観測度数が21人、 期待度数が20人でした。

\[ \frac{(21-20)^2}{20} \]

一方、 「男性かつO型」のセルでは、 観測度数も期待度数も15人です。

\[ \frac{(15-15)^2}{15} = 0 \]

このような計算を、 クロス集計表のすべてのセルについて行い、 最後に合計します。

観測度数と期待度数が近い
↓
そのセルの寄与は小さい
一方
観測度数と期待度数が大きくズレる
↓
そのセルの寄与は大きい
STEP 13

手順3:カイ二乗分布の上側を棄却域にする

最後に、 検定統計量の実現値を カイ二乗分布と比較します。

観測度数と期待度数が近ければ、 カイ二乗統計量は小さくなります。

観測度数 ≈ 期待度数
↓
\(\chi^2\) は小さい
↓
「独立」という仮説と矛盾しにくい

一方、 観測度数と期待度数が大きくズレるほど、 カイ二乗統計量は大きくなります。

観測度数と期待度数が大きくズレる
↓
\(\chi^2\) が大きくなる
↓
「2つの変数は独立」 では説明しにくい

したがって、 独立性の検定では、 カイ二乗分布の 上側 を棄却域とします。

\[ P(\chi^2\geq\chi^2_{\mathrm{crit}}) = 0.05 \]
STEP 14

独立性の検定の流れを一本につなげる

観測度数のクロス集計表
↓ 周辺度数を確認
手順0
「2つの変数は独立」と仮定
↓
独立な場合の期待度数 \[ E_{ij} = \frac{(\text{行合計})(\text{列合計})}{n} \]
↓
手順1
帰無仮説のもとで \[ \chi^2((r-1)(c-1)) \] にしたがう
↓
手順2 \[ \chi^2 = \sum_{i=1}^{r} \sum_{j=1}^{c} \frac{(O_{ij}-E_{ij})^2}{E_{ij}} \] を計算
↓
手順3
上側棄却域に入るかを判断
STEP 15

適合度検定と独立性検定を整理する

最後に、 このセクションで学んだ 2つのカイ二乗検定を比較しておきましょう。

適合度検定 独立性検定
対象 1つの質的変数 2つの質的変数
何を調べる? 想定した分布に合うか 2変数が独立か
期待度数 想定した割合から計算 周辺度数から計算
検定統計量 \[ \sum \frac{(O-E)^2}{E} \] \[ \sum\sum \frac{(O-E)^2}{E} \]
自由度 \(k-1\) \((r-1)(c-1)\)
棄却域 上側 上側

期待度数の求め方と自由度は異なりますが、 検定の基本構造は共通しています。

帰無仮説のもとで期待度数を求める
↓
観測度数とのズレを二乗してまとめる
↓
カイ二乗分布の上側で判断する
共通点
適合度検定も独立性検定も、 「観測度数」と「期待度数」のズレを カイ二乗統計量によって評価する検定です。
SUMMARY

独立性の検定を整理する

手順0|帰無仮説
\[ H_0: P(A_i\cap B_j) = P(A_i)P(B_j) \]
2つの質的変数は独立であり、 連関はないと仮定します。
期待度数
\[ E_{ij} = \frac{ (\text{行合計}) (\text{列合計}) }{n} \]
独立であると仮定したときに 各セルに期待される度数を、 周辺度数から計算します。
手順1|分布
\[ \chi^2 \sim \chi^2\bigl((r-1)(c-1)\bigr) \]
観測度数と期待度数のズレをまとめた統計量は、 帰無仮説のもとで近似的に カイ二乗分布にしたがいます。
手順2|検定統計量
\[ \chi^2 = \sum_{i=1}^{r} \sum_{j=1}^{c} \frac{(O_{ij}-E_{ij})^2}{E_{ij}} \]
観測度数と期待度数のズレを、 すべてのセルについて合計します。
手順3|判定
カイ二乗統計量が大きいほど、 「2つの質的変数は独立」という世界では 起こりにくい結果になります。

したがって、 カイ二乗分布の 上側 を棄却域とします。
特に重要な3点
① 帰無仮説は「2つの質的変数は独立」
② 期待度数は周辺度数から計算する
③ 観測度数と期待度数のズレをカイ二乗分布で評価する
最後に
独立性の検定では、

「2つの質的変数が独立なら期待される度数」と 「実際に観測された度数」を比較し、

そのズレが偶然の範囲で説明できるかを カイ二乗分布によって判断します。
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