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フィッシャーの正確確率検定とは?  小さなサンプルでも確実に統計検定

2023年10月17日

こんにちは!統計学に初めて触れる方々へ、今回は「フィッシャーの正確確率検定」についてわかりやすく解説していきます。この名前、ちょっと長くて難しそうですよね。でも、心配しないでください。一緒にゆっくりと学びましょう!

1. フィッシャーの正確確率検定とは?

フィッシャーの正確確率検定は、2x2のクロス表(2行2列の表)におけるカテゴリー間の関連性を検証するための統計的手法です。この検定は、特にサンプルサイズが小さい場合に、行と列の間の関連性(独立性)が偶然によるものかどうかを評価する際に有効です。

フィッシャーの正確確率検定の背景

統計学において、2つのカテゴリー変数間の関連性を評価するための基本的な方法としてカイ二乗検定が知られています。しかし、このカイ二乗検定は、各セルの期待度数が一定以上(通常は5以上)であることを前提としています。サンプルサイズが小さい場合、この条件を満たさないことがよくあり、その結果としてカイ二乗検定の結果が不正確になる恐れがあります。

フィッシャーの正確確率検定は、このような小さいサンプルサイズでも適切に2x2クロス表の関連性を評価できるように設計されています。

どのように動作するのか?

この検定の基本的なアイディアは、観測されたクロス表が得られる確率を計算することです。そして、その確率が非常に低い(例: 5%未満)場合、我々は2つのカテゴリー変数が独立ではないと結論づけることができます。

具体的には、与えられたマージン合計(行合計と列合計)を保持したまま、可能な2x2テーブルのすべての組み合わせを考慮します。観測されたテーブル、またはそれよりもさらに極端なテーブルが偶然によって得られる確率(p値)を計算します。

フィッシャーの正確確率検定の重要性

サンプルサイズが小さいとき、通常のカイ二乗検定を使用すると、Type Iの誤差(偽陽性)のリスクが高まります。フィッシャーの正確確率検定は、このリスクを最小限に抑えるための手段として開発されました。したがって、小さいサンプルサイズのデータに対する信頼性の高い結果を求める場面で非常に役立つツールとなっています。

なぜ「正確」という名前がついているの?

「正確」という言葉の選択の背後には、この検定の数学的なアプローチとその特性に関連する歴史的背景があります。

  1. 全ての可能性の考慮: フィッシャーの正確確率検定では、2x2のクロス表のすべての可能な組み合わせに基づく確率が計算されます。つまり、我々の観測データが得られる確率だけでなく、それよりも極端なデータの組み合わせが得られる確率も考慮されます。これにより、実際に得られる確率値は「正確」であると言えるのです。

  2. カイ二乗検定との対比: カイ二乗検定は大きなサンプルサイズでのアプローチとして開発されました。しかし、サンプルサイズが小さい場合や期待度数が特定の値を下回るセルが存在する場合、カイ二乗検定の結果は不正確になる可能性があります。フィッシャーの正確確率検定は、このような状況でも「正確な」結果を提供する能力を持っています。

  3. サンプルサイズの制約: 従来の統計的手法は、特定のサンプルサイズや分布の前提に基づいています。これに対して、フィッシャーの正確確率検定は、小さなサンプルサイズや期待度数が低いセルでも、確度の高い結果を得ることができる特性を持っています。

フィッシャーの正確確率検定の手順

1. 2x2のクロス表の作成

検討している2つのカテゴリカル変数に基づいて2x2のクロス表を作成します。

カテゴリAのイベント発生カテゴリAのイベント非発生
カテゴリBのイベント発生ab
カテゴリBのイベント非発生cd

ここで、a, b, c, dは、それぞれのセルの観測度数です。

2. 確率の計算

観測されたテーブルに対する確率を計算します。この確率は以下の式に基づいています

ここで、nは全体のサンプルサイズ(= a + b + c + d)です。

3. 全ての可能なテーブルに対する確率の計算

観測されたテーブルと同じマージン合計を持つ全ての2x2テーブルの確率を計算します。

4. p値の計算

観測されたテーブルの確率と、それよりも極端なテーブルの確率を合計してp値を得ます。これにより、観測データが偶然によって得られたものである確率を評価します。

5. 結果の解釈

得られたp値を用いて統計的仮説を評価します。一般的に、p値が特定の有意水準(例えば0.05)を下回る場合、2つのカテゴリ変数間には有意な関連性があると結論されます。

4. 実際の例で理解しよう

問題設定

新しい治療法を開発し、その有効性を既存の治療法と比較して評価したいとします。このために、治療を受けた小さなサンプル群の中で、どちらの治療法がより効果的であるかを調査しました。

新しい治療法既存の治療法
効果があった51
効果がなかった24

この表を基に、新しい治療法が既存の治療法よりも効果的であるかどうかをフィッシャーの正確確率検定を使って評価します。

手順

  1. 上記の表から、各セルの観測度数を取得します。

    • a (新しい治療法で効果があった) = 5
    • b (既存の治療法で効果があった) = 1
    • c (新しい治療法で効果がなかった) = 2
    • d (既存の治療法で効果がなかった) = 4
  2. これらの値を元に、フィッシャーの正確確率検定の式を用いてp値を計算します。

  3. 得られたp値を評価します。もしp値が0.05よりも小さければ、新しい治療法と既存の治療法の間には統計的に有意な差があると解釈できます。

結果: この仮想的な例では、具体的なp値は示していませんが、もしp値が0.05より小さければ、新しい治療法が既存の治療法よりも効果的である可能性が高いという結論になります。

まとめ

フィッシャーの正確確率検定は、小さなサンプルサイズの2x2のクロス表のデータに対して、2つのカテゴリーが関連しているかどうかを調べるための便利なツールです。統計学の奥深さを感じることができる検定方法の一つなので、ぜひ覚えておいてくださいね!

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