Как посчитать ошибки первого и второго рода

Ошибки, встроенные в систему: их роль в статистике

В прошлой статье я указал, как распространена проблема неправильного использования t-критерия в научных публикациях (и это возможно сделать только благодаря их открытости, а какой трэш творится при его использовании во всяких курсовых, отчетах, обучающих задачах и т.д. — неизвестно). Чтобы обсудить это, я рассказал об основах дисперсионного анализа и задаваемом самим исследователем уровне значимости α. Но для полного понимания всей картины статистического анализа необходимо подчеркнуть ряд важных вещей. И самая основная из них — понятие ошибки.

Ошибка и некорректное применение: в чем разница?

В любой физической системе содержится какая-либо ошибка, неточность. В самой разнообразной форме: так называемый допуск — отличие в размерах разных однотипных изделий; нелинейная характеристика — когда прибор или метод измеряют что-то по строго известному закону в определенных пределах, а дальше становятся неприменимыми; дискретность — когда мы чисто технически не можем обеспечить плавность выходной характеристики.

И в то же время существует чисто человеческая ошибка — некорректное использование устройств, приборов, математических законов. Между ошибкой, присущей системе, и ошибкой применения этой системы есть принципиальная разница. Важно различать и не путать между собой эти два понятия, называемые одним и тем же словом «ошибка». Я в данной статье предпочитаю использовать слово «ошибка» для обозначения свойства системы, а «некорректное применение» — для ошибочного ее использования.

То есть, ошибка линейки равна допуску оборудования, наносящего штрихи на ее полотно. А ошибкой в смысле некорректного применения было бы использовать ее при измерении деталей наручных часов. Ошибка безмена написана на нем и составляет что-то около 50 граммов, а неправильным использованием безмена было бы взвешивание на нем мешка в 25 кг, который растягивает пружину из области закона Гука в область пластических деформаций. Ошибка атомно-силового микроскопа происходит из его дискретности — нельзя «пощупать» его зондом предметы мельче, чем диаметром в один атом. Но способов неправильно использовать его или неправильно интерпретировать данные существует множество. И так далее.

Так, а что же за ошибка имеет место в статистических методах? А этой ошибкой как раз и является пресловутый уровень значимости α.

Ошибки первого и второго рода

Ошибкой в математическом аппарате статистики является сама ее Байесовская вероятностная сущность. В прошлой статье я уже упоминал, на чем стоят статистические методы: определение уровня значимости α как наибольшей допустимой вероятности неправомерно отвергнуть нулевую гипотезу, и самостоятельное задание исследователем этой величины перед исследователем.
Вы уже видите эту условность? На самом деле, в критериальных методах нету привычной математической строгости. Математика здесь оперирует вероятностными характеристиками.
И тут наступает еще один момент, где возможна неправильная трактовка одного слова в разном контексте. Необходимо различать само понятие вероятности и фактическую реализацию события, выражающуюся в распределении вероятности. Например, перед началом любого нашего эксперимента мы не знаем, какую именно величину мы получим в результате. Есть два возможных исхода: загадав некоторое значение результата, мы либо действительно его получим, либо не получим. Логично, что вероятность и того, и другого события равна 1/2. Но показанная в предыдущей статье Гауссова кривая показывает распределение вероятности того, что мы правильно угадаем совпадение.

Наглядно можно проиллюстрировать это примером. Пусть мы 600 раз бросаем два игральных кубика — обычный и шулерский. Получим следующие результаты:

До эксперимента для обоих кубиков выпадение любой грани будет равновероятно — 1/6. Однако после эксперимента проявляется сущность шулерского кубика, и мы можем сказать, что плотность вероятности выпадения на нем шестерки — 90%.

Другой пример, который знают химики, физики и все, кто интересуется квантовыми эффектами — атомные орбитали. Теоретически электрон может быть «размазан» в пространстве и находиться практически где угодно. Но на практике есть области, где он будет находиться в 90 и более процентах случаев. Эти области пространства, образованные поверхностью с плотностью вероятности нахождения там электрона 90%, и есть классические атомные орбитали, в виде сфер, гантелей и т.д.

Так вот, самостоятельно задавая уровень значимости, мы заведомо соглашаемся на описанную в его названии ошибку. Из-за этого ни один результат нельзя считать «стопроцентно достоверным» — всегда наши статистические выводы будут содержать некоторую вероятность сбоя.

Ошибка, формулируемая определением уровня значимости α, называется ошибкой первого рода. Ее можно определить, как «ложная тревога», или, более корректно, ложноположительный результат. В самом деле, что означают слова «ошибочно отвергнуть нулевую гипотезу»? Это значит, по ошибке принять наблюдаемые данные за значимые различия двух групп. Поставить ложный диагноз о наличии болезни, поспешить явить миру новое открытие, которого на самом деле нет — вот примеры ошибок первого рода.

Но ведь тогда должны быть и ложноотрицательные результаты? Совершенно верно, и они называются ошибками второго рода. Примеры — не поставленный вовремя диагноз или же разочарование в результате исследования, хотя на самом деле в нем есть важные данные. Ошибки второго рода обозначаются буквой, как ни странно, β. Но само это понятие не так важно для статистики, как число 1-β. Число 1-β называется мощностью критерия, и как нетрудно догадаться, оно характеризует способность критерия не упустить значимое событие.
Однако содержание в статистических методах ошибок первого и второго рода не является только лишь их ограничением. Само понятие этих ошибок может использоваться непосредственным образом в статистическом анализе. Как?

ROC-анализ

ROC-анализ (от receiver operating characteristic, рабочая характеристика приёмника) — это метод количественного определения применимости некоторого признака к бинарной классификации объектов. Говоря проще, мы можем придумать некоторый способ, как отличить больных людей от здоровых, кошек от собак, черное от белого, а затем проверить правомерность такого способа. Давайте снова обратимся к примеру.

Пусть вы — подающий надежды криминалист, и разрабатываете новый способ скрытно и однозначно определять, является ли человек преступником. Вы придумали количественный признак: оценивать преступные наклонности людей по частоте прослушивания ими Михаила Круга. Но будет ли давать адекватные результаты ваш признак? Давайте разбираться.
Вам понадобится две группы людей для валидации вашего критерия: обычные граждане и преступники. Положим, действительно, среднегодовое время прослушивания ими Михаила Круга различается (см. рисунок):

Здесь мы видим, что по количественному признаку времени прослушивания наши выборки пересекаются. Кто-то слушает Круга спонтанно по радио, не совершая преступлений, а кто-то нарушает закон, слушая другую музыку или даже будучи глухим. Какие у нас есть граничные условия? ROC-анализ вводит понятия селективности (чувствительности) и специфичности. Чувствительность определяется как способность выявлять все-все интересующие нас точки (в данном примере — преступников), а специфичность — не захватывать ничего ложноположительного (не ставить под подозрение простых обывателей). Мы можем задать некоторую критическую количественную черту, отделяющую одних от других (оранжевая), в пределах от максимальной чувствительности (зеленая) до максимальной специфичности (красная).
Посмотрим на следующую схему:

Смещая значение нашего признака, мы меняем соотношения ложноположительного и ложноотрицательного результатов (площади под кривыми). Точно так же мы можем дать определения Чувствительность = Полож. рез-т/(Полож. рез-т + ложноотриц. рез-т) и Специфичность = Отриц. рез-т/(Отриц. рез-т + ложноположит. рез-т).

Но главное, мы можем оценить соотношение положительных результатов к ложноположительным на всем отрезке значений нашего количественного признака, что и есть наша искомая ROC-кривая (см. рисунок):

А как нам понять из этого графика, насколько хорош наш признак? Очень просто, посчитать площадь под кривой (AUC, area under curve). Пунктирная линия (0,0; 1,1) означает полное совпадение двух выборок и совершенно бессмысленный критерий (площадь под кривой равна 0,5 от всего квадрата). А вот выпуклость ROC кривой как раз и говорит о совершенстве критерия. Если же нам удастся найти такой критерий, что выборки вообще не будут пересекаться, то площадь под кривой займет весь график. В целом же признак считается хорошим, позволяющим надежно отделить одну выборку от другой, если AUC > 0,75-0,8.

С помощью такого анализа вы можете решать самые разные задачи. Решив, что слишком много домохозяек оказались под подозрением из-за Михаила Круга, а кроме того упущены опасные рецидивисты, слушающие Ноггано, вы можете отвергнуть этот критерий и разработать другой.

Возникнув, как способ обработки радиосигналов и идентификации «свой-чужой» после атаки на Перл-Харбор (отсюда и пошло такое странное название про характеристику приемника), ROC-анализ нашел широкое применение в биомедицинской статистике для анализа, валидации, создания и характеристики панелей биомаркеров и т.д. Он гибок в использовании, если оно основано на грамотной логике. Например, вы можете разработать показания для медицинской диспансеризации пенсионеров-сердечников, применив высокоспецифичный критерий, повысив эффективность выявления болезней сердца и не перегружая врачей лишними пациентами. А во время опасной эпидемии ранее неизвестного вируса вы наоборот, можете придумать высокоселективный критерий, чтобы от вакцинации в прямом смысле не ускользнул ни один чих.

С ошибками обоих родов и их наглядностью в описании валидируемых критериев мы познакомились. Теперь же, двигаясь от этих логических основ, можно разрушить ряд ложных стереотипных описаний результатов. Некоторые неправильные формулировки захватывают наши умы, часто путаясь своими схожими словами и понятиями, а также из-за очень малого внимания, уделяемого неверной интерпретации. Об этом, пожалуй, нужно будет написать отдельно.

Ошибки первого и второго рода

Выдвинутая гипотеза
может быть правильной или неправильной,
поэтому возникает необходимость её
проверки. Поскольку проверку производят
статистическими методами, её называют
статистической. В итоге статистической
проверки гипотезы в двух случаях может
быть принято неправильное решение, т.
е. могут быть допущены ошибки двух родов.

Ошибка первого
рода состоит в том, что будет отвергнута
правильная гипотеза.

Ошибка второго
рода состоит в том, что будет принята
неправильная гипотеза.

Подчеркнём, что
последствия этих ошибок могут оказаться
весьма различными. Например, если
отвергнуто правильное решение «продолжать
строительство жилого дома», то эта
ошибка первого рода повлечёт материальный
ущерб: если же принято неправильное
решение «продолжать строительство»,
несмотря на опасность обвала стройки,
то эта ошибка второго рода может повлечь
гибель людей. Можно привести примеры,
когда ошибка первого рода влечёт более
тяжёлые последствия, чем ошибка второго
рода.

Замечание 1.
Правильное решение может быть принято
также в двух случаях:

1. гипотеза принимается,
   причём и в действительности она
   правильная;

2. гипотеза отвергается,
   причём и в действительности она неверна.

Замечание 2.
Вероятность совершить ошибку первого
рода принято обозначать через
;
её называют уровнем значимости. Наиболее
часто уровень значимости принимают
равным 0,05 или 0,01. Если, например, принят
уровень значимости, равный 0,05, то это
означает, что в пяти случаях из ста
имеется риск допустить ошибку первого
рода (отвергнуть правильную гипотезу).

Статистический
критерий проверки нулевой гипотезы.
Наблюдаемое значение критерия

Для проверки
нулевой гипотезы используют специально
подобранную случайную величину, точное
или приближённое распределение которой
известно. Обозначим эту величину в целях
общности через
.

Статистическим
критерием
(или просто критерием) называют случайную
величину
,
которая служит для проверки нулевой
гипотезы.

Например, если
проверяют гипотезу о равенстве дисперсий
двух нормальных генеральных совокупностей,
то в качестве критерия
принимают отношение исправленных
выборочных дисперсий:.

Эта величина
случайная, потому что в различных опытах
дисперсии принимают различные, наперёд
неизвестные значения, и распределена
по закону Фишера – Снедекора.

Для проверки
гипотезы по данным выборок вычисляют
частные значения входящих в критерий
величин и таким образом получают частное
(наблюдаемое) значение критерия.

Наблюдаемым
значением
называют значение критерия, вычисленное
по выборкам. Например, если по двум
выборкам найдены исправленные выборочные
дисперсиии,
то наблюдаемое значение критерия.

Критическая
область. Область принятия гипотезы.
Критические точки

После выбора
определённого критерия множество всех
его возможных значений разбивают на
два непересекающихся подмножества:
одно из них содержит значения критерия,
при которых нулевая гипотеза отвергается,
а другая – при которых она принимается.

Критической
областью называют совокупность значений
критерия, при которых нулевую гипотезу
отвергают.

Областью принятия
гипотезы (областью допустимых значений)
называют совокупность значений критерия,
при которых гипотезу принимают.

Основной принцип
проверки статистических гипотез можно
сформулировать так: если наблюдаемое
значение критерия принадлежит критической
области – гипотезу отвергают, если
наблюдаемое значение критерия принадлежит
области принятия гипотезы – гипотезу
принимают.

Поскольку критерий
— одномерная случайная величина, все её
возможные значения принадлежат некоторому
интервалу. Поэтому критическая область
и область принятия гипотезы также
являются интервалами и, следовательно,
существуют точки, которые их разделяют.

Критическими
точками (границами)
называют точки, отделяющие критическую
область от области принятия гипотезы.

Различают
одностороннюю (правостороннюю или
левостороннюю) и двустороннюю критические
области.

Правосторонней
называют критическую область, определяемую
неравенством
>,
где— положительное число.

Левосторонней
называют критическую область, определяемую
неравенством
<,
где— отрицательное число.

Односторонней
называют правостороннюю или левостороннюю
критическую область.

Двусторонней
называют критическую область, определяемую
неравенствами
где.

В частности, если
критические точки симметричны относительно
нуля, двусторонняя критическая область
определяется неравенствами ( в
предположении, что
>0):

,
или равносильным неравенством
.

Отыскание
правосторонней критической области

Как найти критическую
область? Обоснованный ответ на этот
вопрос требует привлечения довольно
сложной теории. Ограничимся её элементами.
Для определённости начнём с нахождения
правосторонней критической области,
которая определяется неравенством
>,
где>0.
Видим, что для отыскания правосторонней
критической области достаточно найти
критическую точку. Следовательно,
возникает новый вопрос: как её найти?

Для её нахождения
задаются достаточной малой вероятностью
– уровнем значимости
.
Затем ищут критическую точку,
исходя из требования, чтобы при условии
справедливости нулевой гипотезы
вероятность того, критерийпримет значение, большее,
была равна принятому уровню значимости:
Р(>)=.

Для каждого критерия
имеются соответствующие таблицы, по
которым и находят критическую точку,
удовлетворяющую этому требованию.

Замечание 1.
Когда
критическая точка уже найдена, вычисляют
по данным выборок наблюдаемое значение
критерия и, если окажется, что
>,
то нулевую гипотезу отвергают; если же<,
то нет оснований, чтобы отвергнуть
нулевую гипотезу.

Пояснение. Почему
правосторонняя критическая область
была определена, исходя из требования,
чтобы при справедливости нулевой
гипотезы выполнялось соотношение

Р(>)=?
(*)

Поскольку вероятность
события
>мала (— малая вероятность), такое событие при
справедливости нулевой гипотезы, в силу
принципа практической невозможности
маловероятных событий, в единичном
испытании не должно наступить. Если всё
же оно произошло, т.е. наблюдаемое
значение критерия оказалось больше,
то это можно объяснить тем, что нулевая
гипотеза ложна и, следовательно, должна
быть отвергнута. Таким образом, требование
(*) определяет такие значения критерия,
при которых нулевая гипотеза отвергается,
а они и составляют правостороннюю
критическую область.

Замечание 2.
Наблюдаемое значение критерия может
оказаться большим
не потому, что нулевая гипотеза ложна,
а по другим причинам (малый объём выборки,
недостатки методики эксперимента и
др.). В этом случае, отвергнув правильную
нулевую гипотезу, совершают ошибку
первого рода. Вероятность этой ошибки
равна уровню значимости.
Итак, пользуясь требованием (*), мы с
вероятностьюрискуем совершить ошибку первого рода.

Замечание 3. Пусть
нулевая гипотеза принята; ошибочно
думать, что тем самым она доказана.
Действительно, известно, что один пример,
подтверждающий справедливость некоторого
общего утверждения, ещё не доказывает
его. Поэтому более правильно говорить,
«данные наблюдений согласуются с нулевой
гипотезой и, следовательно, не дают
оснований её отвергнуть».

На практике для
большей уверенности принятия гипотезы
её проверяют другими способами или
повторяют эксперимент, увеличив объём
выборки.

Отвергают гипотезу
более категорично, чем принимают.
Действительно, известно, что достаточно
привести один пример, противоречащий
некоторому общему утверждению, чтобы
это утверждение отвергнуть. Если
оказалось, что наблюдаемое значение
критерия принадлежит критической
области, то этот факт и служит примером,
противоречащим нулевой гипотезе, что
позволяет её отклонить.

Отыскание
левосторонней и двусторонней критических
областей***

Отыскание
левосторонней и двусторонней критических
областей сводится (так же, как и для
правосторонней) к нахождению соответствующих
критических точек. Левосторонняя
критическая область определяется
неравенством
<(<0).
Критическую точку находят, исходя из
требования, чтобы при справедливости
нулевой гипотезы вероятность того, что
критерий примет значение, меньшее,
была равна принятому уровню значимости:
Р(<)=.

Двусторонняя
критическая область определяется
неравенствами
Критические
точки находят, исходя из требования,
чтобы при справедливости нулевой
гипотезы сумма вероятностей того, что
критерий примет значение, меньшееили большее,
была равна принятому уровню значимости:

.
(*)

Ясно, что критические
точки могут быть выбраны бесчисленным
множеством способов. Если же распределение
критерия симметрично относительно нуля
и имеются основания (например, для
увеличения мощности) выбрать симметричные
относительно нуля точки (-
)и(>0),
то

Учитывая (*), получим
.

Это соотношение
и служит для отыскания критических
точек двусторонней критической области.
Критические точки находят по соответствующим
таблицам.

Дополнительные
сведения о выборе критической области.
Мощность критерия

Мы строили
критическую область, исходя из требования,
чтобы вероятность попадания в неё
критерия была равна
при условии, что нулевая гипотеза
справедлива. Оказывается целесообразным
ввести в рассмотрение вероятность
попадания критерия в критическую область
при условии, что нулевая гипотеза неверна
и, следовательно, справедлива конкурирующая.

Мощностью критерия
называют вероятность попадания критерия
в критическую область при условии, что
справедлива конкурирующая гипотеза.
Другими словами, мощность критерия есть
вероятность того, что нулевая гипотеза
будет отвергнута, если верна конкурирующая
гипотеза.

Пусть для проверки
гипотезы принят определённый уровень
значимости и выборка имеет фиксированный
объём. Остаётся произвол в выборе
критической области. Покажем, что её
целесообразно построить так, чтобы
мощность критерия была максимальной.
Предварительно убедимся, что если
вероятность ошибки второго рода (принять
неправильную гипотезу) равна
,
то мощность равна 1-.
Действительно, если— вероятность ошибки второго рода, т.е.
события «принята нулевая гипотеза,
причём справедливо конкурирующая», то
мощность критерия равна 1 —.

Пусть мощность 1
—
возрастает; следовательно, уменьшается
вероятностьсовершить ошибку второго рода. Таким
образом, чем мощность больше, тем
вероятность ошибки второго рода меньше.

Итак, если уровень
значимости уже выбран, то критическую
область следует строить так, чтобы
мощность критерия была максимальной.
Выполнение этого требования должно
обеспечить минимальную ошибку второго
рода, что, конечно, желательно.

Замечание 1.
Поскольку вероятность события «ошибка
второго рода допущена» равна
,
то вероятность противоположного события
«ошибка второго рода не допущена» равна
1 —,
т.е. мощности критерия. Отсюда следует,
что мощность критерия есть вероятность
того, что не будет допущена ошибка
второго рода.

Замечание 2. Ясно,
что чем меньше вероятности ошибок
первого и второго рода, тем критическая
область «лучше». Однако при заданном
объёме выборки уменьшить одновременно
иневозможно; если уменьшить,
тобудет возрастать. Например, если принять=0,
то будут приниматься все гипотезы, в
том числе и неправильные, т.е. возрастает
вероятностьошибки второго рода.

Как же выбрать
наиболее целесообразно? Ответ на этот
вопрос зависит от «тяжести последствий»
ошибок для каждой конкретной задачи.
Например, если ошибка первого рода
повлечёт большие потери, а второго рода
– малые, то следует принять возможно
меньшее.

Если
уже выбрано, то, пользуясь теоремой Ю.
Неймана и Э.Пирсона, можно построить
критическую область, для которойбудет минимальным и, следовательно,
мощность критерия максимальной.

Замечание 3.
Единственный способ одновременного
уменьшения вероятностей ошибок первого
и второго рода состоит в увеличении
объёма выборок.

Соседние файлы в папке Лекции 2 семестр

• #
• #
• #
• #

This article is about erroneous outcomes of statistical tests. For closely related concepts in binary classification and testing generally, see false positives and false negatives.

In statistical hypothesis testing, a type I error is the mistaken rejection of a null hypothesis that is actually true. A type I error is also known as a «false positive» finding or conclusion; example: «an innocent person is convicted». A type II error is the failure to reject a null hypothesis that is actually false. A type II error is also known as a «false negative» finding or conclusion; example: «a guilty person is not convicted».^[1] Much of statistical theory revolves around the minimization of one or both of these errors, though the complete elimination of either is a statistical impossibility if the outcome is not determined by a known, observable causal process.
By selecting a low threshold (cut-off) value and modifying the alpha (α) level, the quality of the hypothesis test can be increased.^{[citation needed]} The knowledge of type I errors and type II errors is widely used in medical science, biometrics and computer science.^{[clarification needed]}

Intuitively, type I errors can be thought of as errors of commission (i.e., the researcher unluckily concludes that something is the fact). For instance, consider a study where researchers compare a drug with a placebo. If the patients who are given the drug get better than the patients given the placebo by chance, it may appear that the drug is effective, but in fact the conclusion is incorrect.
In reverse, type II errors are errors of omission. In the example above, if the patients who got the drug did not get better at a higher rate than the ones who got the placebo, but this was a random fluke, that would be a type II error. The consequence of a type II error depends on the size and direction of the missed determination and the circumstances. An expensive cure for one in a million patients may be inconsequential even if it truly is a cure.

Definition[edit]

Statistical background[edit]

In statistical test theory, the notion of a statistical error is an integral part of hypothesis testing. The test goes about choosing about two competing propositions called null hypothesis, denoted by H₀ and alternative hypothesis, denoted by H₁. This is conceptually similar to the judgement in a court trial. The null hypothesis corresponds to the position of the defendant: just as he is presumed to be innocent until proven guilty, so is the null hypothesis presumed to be true until the data provide convincing evidence against it. The alternative hypothesis corresponds to the position against the defendant. Specifically, the null hypothesis also involves the absence of a difference or the absence of an association. Thus, the null hypothesis can never be that there is a difference or an association.

If the result of the test corresponds with reality, then a correct decision has been made. However, if the result of the test does not correspond with reality, then an error has occurred. There are two situations in which the decision is wrong. The null hypothesis may be true, whereas we reject H₀. On the other hand, the alternative hypothesis H₁ may be true, whereas we do not reject H₀. Two types of error are distinguished: type I error and type II error.^[2]

Type I error[edit]

The first kind of error is the mistaken rejection of a null hypothesis as the result of a test procedure. This kind of error is called a type I error (false positive) and is sometimes called an error of the first kind. In terms of the courtroom example, a type I error corresponds to convicting an innocent defendant.

Type II error[edit]

The second kind of error is the mistaken failure to reject the null hypothesis as the result of a test procedure. This sort of error is called a type II error (false negative) and is also referred to as an error of the second kind. In terms of the courtroom example, a type II error corresponds to acquitting a criminal.^[3]

Crossover error rate[edit]

The crossover error rate (CER) is the point at which type I errors and type II errors are equal. A system with a lower CER value provides more accuracy than a system with a higher CER value.

False positive and false negative[edit]

In terms of false positives and false negatives, a positive result corresponds to rejecting the null hypothesis, while a negative result corresponds to failing to reject the null hypothesis; «false» means the conclusion drawn is incorrect. Thus, a type I error is equivalent to a false positive, and a type II error is equivalent to a false negative.

Table of error types[edit]

Tabularised relations between truth/falseness of the null hypothesis and outcomes of the test:^[4]

Table of error types	Null hypothesis (H0) is
True	False
Decision about null hypothesis (H0)	Fail to reject	Correct inference (true negative) (probability = 1−α)	Type II error (false negative) (probability = β)
Reject	Type I error (false positive) (probability = α)	Correct inference (true positive) (probability = 1−β)

Error rate[edit]

A perfect test would have zero false positives and zero false negatives. However, statistical methods are probabilistic, and it cannot be known for certain whether statistical conclusions are correct. Whenever there is uncertainty, there is the possibility of making an error. Considering this nature of statistics science, all statistical hypothesis tests have a probability of making type I and type II errors.^{[citation needed]}

• The type I error rate is the probability of rejecting the null hypothesis given that it is true. The test is designed to keep the type I error rate below a prespecified bound called the significance level, usually denoted by the Greek letter α (alpha) and is also called the alpha level. Usually, the significance level is set to 0.05 (5%), implying that it is acceptable to have a 5% probability of incorrectly rejecting the true null hypothesis.^[5]
• The rate of the type II error is denoted by the Greek letter β (beta) and related to the power of a test, which equals 1−β.^{[citation needed]}

These two types of error rates are traded off against each other: for any given sample set, the effort to reduce one type of error generally results in increasing the other type of error.^{[citation needed]}

The quality of hypothesis test[edit]

The same idea can be expressed in terms of the rate of correct results and therefore used to minimize error rates and improve the quality of hypothesis test. To reduce the probability of committing a type I error, making the alpha value more stringent is quite simple and efficient. To decrease the probability of committing a type II error, which is closely associated with analyses’ power, either increasing the test’s sample size or relaxing the alpha level could increase the analyses’ power.^{[citation needed]} A test statistic is robust if the type I error rate is controlled.

Varying different threshold (cut-off) value could also be used to make the test either more specific or more sensitive, which in turn elevates the test quality. For example, imagine a medical test, in which an experimenter might measure the concentration of a certain protein in the blood sample. The experimenter could adjust the threshold (black vertical line in the figure) and people would be diagnosed as having diseases if any number is detected above this certain threshold. According to the image, changing the threshold would result in changes in false positives and false negatives, corresponding to movement on the curve.^{[citation needed]}

Example[edit]

Since in a real experiment it is impossible to avoid all type I and type II errors, it is important to consider the amount of risk one is willing to take to falsely reject H₀ or accept H₀. The solution to this question would be to report the p-value or significance level α of the statistic. For example, if the p-value of a test statistic result is estimated at 0.0596, then there is a probability of 5.96% that we falsely reject H₀. Or, if we say, the statistic is performed at level α, like 0.05, then we allow to falsely reject H₀ at 5%. A significance level α of 0.05 is relatively common, but there is no general rule that fits all scenarios.

Vehicle speed measuring[edit]

The speed limit of a freeway in the United States is 120 kilometers per hour (75 mph). A device is set to measure the speed of passing vehicles. Suppose that the device will conduct three measurements of the speed of a passing vehicle, recording as a random sample X₁, X₂, X₃. The traffic police will or will not fine the drivers depending on the average speed . That is to say, the test statistic

In addition, we suppose that the measurements X₁, X₂, X₃ are modeled as normal distribution N(μ,4). Then, T should follow N(μ,4/3) and the parameter μ represents the true speed of passing vehicle. In this experiment, the null hypothesis H₀ and the alternative hypothesis H₁ should be

H₀: μ=120     against      H₁: μ>120.

If we perform the statistic level at α=0.05, then a critical value c should be calculated to solve

According to change-of-units rule for the normal distribution. Referring to Z-table, we can get

Here, the critical region. That is to say, if the recorded speed of a vehicle is greater than critical value 121.9, the driver will be fined. However, there are still 5% of the drivers are falsely fined since the recorded average speed is greater than 121.9 but the true speed does not pass 120, which we say, a type I error.

The type II error corresponds to the case that the true speed of a vehicle is over 120 kilometers per hour but the driver is not fined. For example, if the true speed of a vehicle μ=125, the probability that the driver is not fined can be calculated as

which means, if the true speed of a vehicle is 125, the driver has the probability of 0.36% to avoid the fine when the statistic is performed at level α=0.05, since the recorded average speed is lower than 121.9. If the true speed is closer to 121.9 than 125, then the probability of avoiding the fine will also be higher.

The tradeoffs between type I error and type II error should also be considered. That is, in this case, if the traffic police do not want to falsely fine innocent drivers, the level α can be set to a smaller value, like 0.01. However, if that is the case, more drivers whose true speed is over 120 kilometers per hour, like 125, would be more likely to avoid the fine.

Etymology[edit]

In 1928, Jerzy Neyman (1894–1981) and Egon Pearson (1895–1980), both eminent statisticians, discussed the problems associated with «deciding whether or not a particular sample may be judged as likely to have been randomly drawn from a certain population»:^[6] and, as Florence Nightingale David remarked, «it is necessary to remember the adjective ‘random’ [in the term ‘random sample’] should apply to the method of drawing the sample and not to the sample itself».^[7]

They identified «two sources of error», namely:

(a) the error of rejecting a hypothesis that should have not been rejected, and

(b) the error of failing to reject a hypothesis that should have been rejected.

In 1930, they elaborated on these two sources of error, remarking that:

…in testing hypotheses two considerations must be kept in view, we must be able to reduce the chance of rejecting a true hypothesis to as low a value as desired; the test must be so devised that it will reject the hypothesis tested when it is likely to be false.

In 1933, they observed that these «problems are rarely presented in such a form that we can discriminate with certainty between the true and false hypothesis» . They also noted that, in deciding whether to fail to reject, or reject a particular hypothesis amongst a «set of alternative hypotheses», H₁, H₂…, it was easy to make an error:

…[and] these errors will be of two kinds:

(I) we reject H₀ [i.e., the hypothesis to be tested] when it is true,^[8]

(II) we fail to reject H₀ when some alternative hypothesis H_A or H₁ is true. (There are various notations for the alternative).

In all of the papers co-written by Neyman and Pearson the expression H₀ always signifies «the hypothesis to be tested».

In the same paper they call these two sources of error, errors of type I and errors of type II respectively.^[9]

[edit]

Null hypothesis[edit]

It is standard practice for statisticians to conduct tests in order to determine whether or not a «speculative hypothesis» concerning the observed phenomena of the world (or its inhabitants) can be supported. The results of such testing determine whether a particular set of results agrees reasonably (or does not agree) with the speculated hypothesis.

On the basis that it is always assumed, by statistical convention, that the speculated hypothesis is wrong, and the so-called «null hypothesis» that the observed phenomena simply occur by chance (and that, as a consequence, the speculated agent has no effect) – the test will determine whether this hypothesis is right or wrong. This is why the hypothesis under test is often called the null hypothesis (most likely, coined by Fisher (1935, p. 19)), because it is this hypothesis that is to be either nullified or not nullified by the test. When the null hypothesis is nullified, it is possible to conclude that data support the «alternative hypothesis» (which is the original speculated one).

The consistent application by statisticians of Neyman and Pearson’s convention of representing «the hypothesis to be tested» (or «the hypothesis to be nullified») with the expression H₀ has led to circumstances where many understand the term «the null hypothesis» as meaning «the nil hypothesis» – a statement that the results in question have arisen through chance. This is not necessarily the case – the key restriction, as per Fisher (1966), is that «the null hypothesis must be exact, that is free from vagueness and ambiguity, because it must supply the basis of the ‘problem of distribution,’ of which the test of significance is the solution.»^[10] As a consequence of this, in experimental science the null hypothesis is generally a statement that a particular treatment has no effect; in observational science, it is that there is no difference between the value of a particular measured variable, and that of an experimental prediction.^{[citation needed]}

Statistical significance[edit]

If the probability of obtaining a result as extreme as the one obtained, supposing that the null hypothesis were true, is lower than a pre-specified cut-off probability (for example, 5%), then the result is said to be statistically significant and the null hypothesis is rejected.

British statistician Sir Ronald Aylmer Fisher (1890–1962) stressed that the «null hypothesis»:

… is never proved or established, but is possibly disproved, in the course of experimentation. Every experiment may be said to exist only in order to give the facts a chance of disproving the null hypothesis.

— Fisher, 1935, p.19

Application domains[edit]

Medicine[edit]

In the practice of medicine, the differences between the applications of screening and testing are considerable.

Medical screening[edit]

Screening involves relatively cheap tests that are given to large populations, none of whom manifest any clinical indication of disease (e.g., Pap smears).

Testing involves far more expensive, often invasive, procedures that are given only to those who manifest some clinical indication of disease, and are most often applied to confirm a suspected diagnosis.

For example, most states in the USA require newborns to be screened for phenylketonuria and hypothyroidism, among other congenital disorders.

Hypothesis: «The newborns have phenylketonuria and hypothyroidism»

Null Hypothesis (H₀): «The newborns do not have phenylketonuria and hypothyroidism»,

Type I error (false positive): The true fact is that the newborns do not have phenylketonuria and hypothyroidism but we consider they have the disorders according to the data.

Type II error (false negative): The true fact is that the newborns have phenylketonuria and hypothyroidism but we consider they do not have the disorders according to the data.

Although they display a high rate of false positives, the screening tests are considered valuable because they greatly increase the likelihood of detecting these disorders at a far earlier stage.

The simple blood tests used to screen possible blood donors for HIV and hepatitis have a significant rate of false positives; however, physicians use much more expensive and far more precise tests to determine whether a person is actually infected with either of these viruses.

Perhaps the most widely discussed false positives in medical screening come from the breast cancer screening procedure mammography. The US rate of false positive mammograms is up to 15%, the highest in world. One consequence of the high false positive rate in the US is that, in any 10-year period, half of the American women screened receive a false positive mammogram. False positive mammograms are costly, with over $100 million spent annually in the U.S. on follow-up testing and treatment. They also cause women unneeded anxiety. As a result of the high false positive rate in the US, as many as 90–95% of women who get a positive mammogram do not have the condition. The lowest rate in the world is in the Netherlands, 1%. The lowest rates are generally in Northern Europe where mammography films are read twice and a high threshold for additional testing is set (the high threshold decreases the power of the test).

The ideal population screening test would be cheap, easy to administer, and produce zero false-negatives, if possible. Such tests usually produce more false-positives, which can subsequently be sorted out by more sophisticated (and expensive) testing.

Medical testing[edit]

False negatives and false positives are significant issues in medical testing.

Hypothesis: «The patients have the specific disease».

Null hypothesis (H₀): «The patients do not have the specific disease».

Type I error (false positive): «The true fact is that the patients do not have a specific disease but the physicians judges the patients was ill according to the test reports».

False positives can also produce serious and counter-intuitive problems when the condition being searched for is rare, as in screening. If a test has a false positive rate of one in ten thousand, but only one in a million samples (or people) is a true positive, most of the positives detected by that test will be false. The probability that an observed positive result is a false positive may be calculated using Bayes’ theorem.

Type II error (false negative): «The true fact is that the disease is actually present but the test reports provide a falsely reassuring message to patients and physicians that the disease is absent».

False negatives produce serious and counter-intuitive problems, especially when the condition being searched for is common. If a test with a false negative rate of only 10% is used to test a population with a true occurrence rate of 70%, many of the negatives detected by the test will be false.

This sometimes leads to inappropriate or inadequate treatment of both the patient and their disease. A common example is relying on cardiac stress tests to detect coronary atherosclerosis, even though cardiac stress tests are known to only detect limitations of coronary artery blood flow due to advanced stenosis.

Biometrics[edit]

Biometric matching, such as for fingerprint recognition, facial recognition or iris recognition, is susceptible to type I and type II errors.

Hypothesis: «The input does not identify someone in the searched list of people»

Null hypothesis: «The input does identify someone in the searched list of people»

Type I error (false reject rate): «The true fact is that the person is someone in the searched list but the system concludes that the person is not according to the data».

Type II error (false match rate): «The true fact is that the person is not someone in the searched list but the system concludes that the person is someone whom we are looking for according to the data».

The probability of type I errors is called the «false reject rate» (FRR) or false non-match rate (FNMR), while the probability of type II errors is called the «false accept rate» (FAR) or false match rate (FMR).

If the system is designed to rarely match suspects then the probability of type II errors can be called the «false alarm rate». On the other hand, if the system is used for validation (and acceptance is the norm) then the FAR is a measure of system security, while the FRR measures user inconvenience level.

Security screening[edit]

False positives are routinely found every day in airport security screening, which are ultimately visual inspection systems. The installed security alarms are intended to prevent weapons being brought onto aircraft; yet they are often set to such high sensitivity that they alarm many times a day for minor items, such as keys, belt buckles, loose change, mobile phones, and tacks in shoes.

Here, the null hypothesis is that the item is not a weapon, while the alternative hypothesis is that the item is a weapon.

A type I error (false positive): «The true fact is that the item is not a weapon but the system still alarms».

Type II error (false negative) «The true fact is that the item is a weapon but the system keeps silent at this time».

The ratio of false positives (identifying an innocent traveler as a terrorist) to true positives (detecting a would-be terrorist) is, therefore, very high; and because almost every alarm is a false positive, the positive predictive value of these screening tests is very low.

The relative cost of false results determines the likelihood that test creators allow these events to occur. As the cost of a false negative in this scenario is extremely high (not detecting a bomb being brought onto a plane could result in hundreds of deaths) whilst the cost of a false positive is relatively low (a reasonably simple further inspection) the most appropriate test is one with a low statistical specificity but high statistical sensitivity (one that allows a high rate of false positives in return for minimal false negatives).

Computers[edit]

The notions of false positives and false negatives have a wide currency in the realm of computers and computer applications, including computer security, spam filtering, Malware, Optical character recognition and many others.

For example, in the case of spam filtering the hypothesis here is that the message is a spam.

Thus, null hypothesis: «The message is not a spam».

Type I error (false positive): «Spam filtering or spam blocking techniques wrongly classify a legitimate email message as spam and, as a result, interferes with its delivery».

While most anti-spam tactics can block or filter a high percentage of unwanted emails, doing so without creating significant false-positive results is a much more demanding task.

Type II error (false negative): «Spam email is not detected as spam, but is classified as non-spam». A low number of false negatives is an indicator of the efficiency of spam filtering.

See also[edit]

References[edit]

Bibliography[edit]

External links[edit]

• Bias and Confounding – presentation by Nigel Paneth, Graduate School of Public Health, University of Pittsburgh

Статья рассматривает ошибки первого и второго рода в статистическом выводе, их определение, свойства и примеры, а также предлагает способы минимизации этих ошибок.