Statistik Basics
Statistik Basics, Bsc Physiotherapy, Modul Wissenschaftliches Arbeiten 3
Statistik Basics, Bsc Physiotherapy, Modul Wissenschaftliches Arbeiten 3
-
- 1 / 40
-
Cartes-fiches
verschiedene Datentypen eines Merkmals
Qualitativ -> nicht messbar!
o Nominal: merkmalswerte können nicht natürlich geordnet werden, keine natürliche Codierung, Bsp: Geschlecht, Herkunft, Studienfach
o Ordinal: Merkmalswerte können natürlich geordnet werden, Bsp: Schmerzen (schwach, mittel, stark), Meinungsangaben (ja, vielleicht, nein)
Quantitativ -> messbar!
o Ordinal (mit quantitativer Bedeutung): Merkmalswerte können natürlich geordnet werden, Bsp: VAS, IQ
o Rationalskaliert: 0 ist ein absolute Wert (kann nicht negativ sein!) Bsp: Alter, Körpergrösse, Einkommen
o Intervallskaliert: 0 ist ein willkürlicher Wert, Bsp: Temperatur in °C oder ° F (0° ist icht überall gleich definiert)
Wie kann man qualitative Mermale darstellen?
- Häufigkeitstabelle
- Kuchendiagramm
- Balkendiagramm
Mittelwert
alle Werte zusammenzählen und durch Azahl Werte teilen
Median
teilt die Stichprobe in 2 Hälften, 50% der Daten sind kleiner oder grösser als der Median
Minimum - Maximum
kleinster & grösster Werz einer Stichprobe
unteres / erstes Quartil
oberes / drittes Quartil
25% liegen darunter, 75% darüber
75% liegen daruter, 25% darüber
Spannweite
Maximum minus Minimum (Differenz)
IQR (Interquartilsabstand)
Differenz des oberen und des unteren Quartils -> die extremsten Werte, die oberen und unteren 25% werden somit eliminiert!
Varianz
mittlere quadratische Abweichung der Daten zu ihrem Mittelwert
Standartfehler
se(x) = sd(x) / Wurzel von n
Standartabweichung
die Quadratwurzel der Varianz
Darstellung von quantitativen Daten
- empirische Verteilfunktion
- Boxplot
- Histogramm
empirische Verteilfuktion
Fn(x) ist der Anteil der Werte, die kleiner sind als x!
-> kann beim Abschätzen von Wahrscheinlichkeiten dienen: ca. 6% der Schüler sind 1.60m oder kleiner, gleichzeitig heisst es auch, dass die Wahrscheinlichkeit, dass eine zufällig ausgewählte Studentin kleiner als 160 ist, 6% beträgt.
-> die empirische Verteilungsfunktion schätzt die wahre Verteilungsfunktion F ab.
Histogramm
-> Anzahl Kategorien idealerweise zwischen 5 und 20
-> macht ab einer Stichprobengrösse von n=50 Sinn
-> in einem Histogramm wird zu jeder Kategorie ein Balken in der Höhe der absoluten oder relativen Kategorienhäufigkeit gezeichnet.
-> Unterschied zum Balkendiagramm = keine Lücken zwischen den Balken
-> die gleichen Daten mit unterschiedlicher Intervalleinteilung!
-> das Histogram schätzt die Dichtefunktion f ab.
Zusammenhang Verteilungs- & Dichtefunktion
Die Verteilungsfunktion an der Stelle t ist die Fläche unter der Dichtefunktion bis zur Stelle t. -> 2 verschiedene Darstellungen vom Gleichen.
Stichprobe
:-> ein Teil der Population
Einfache Stichprobe: man erhält sie indem man zufällig einige Personen aus einer Population auswählt
Geschichtete Stichprobe: wenn die Population inhomogen ist (verschiedene Altersgruppen, Geschlechter, soziale Schichten, usw.) muss die Population in Untergruppen aufgeteilt werden und aus jeder Untergruppe eine einfache Stichprobe gezogen werden.
o Proportional: die richtigen Proportionen einer Population werden gewahrt, eine solche Stichprobe ist repräsentativ für die Population
o Disproportional: aus jeder Schicht wird die gleiche Anzahl Elemente ausgewählt. Diese Methode erleichtert den Vergleich zwischen den verschieden Schichten.
prospektiv vs, retrospektiv
Prospektiv: die Behandlung liegt in der Gegenwart oder der Zukunft
Retrospektiv: die Behandlung liegt in der Vergangenheit
Bias
Resultate und Folgerungen sind verfälscht (biased): 3 Kategorien von Bias-Fehlern:
- Bias durch die Auswahl der Probanden in einer Stichprobe
- Bias durch die Vermengung, wenn wichtige Faktoren nicht berücksichtigt werden
- Bias durch falsche Informationen
Randomisierung & Stratifikation
Randomisierung: die Gruppenzuteilung der Probanden einer Studie erfolgt zufällig
Stratifikation: wenn bei der Randomisierung bestimmte Faktoren mit einbezogen werden, die die Zielgrösse stark beeinflussen können.
Normalverteilung
- Mittelwerte von genügend vielen unabhängigen Zufallsexperimenten sind annäherungsweise normalverteilt
- Zufällige Messfehler sind bei einigen Versuchen annäherungsweise normalverteilt
- Einige quantitative Merkmale sind normalverteilt
- Die Normalverteilung ist symmetrisch!
Wenn eine Normalverteilung herrscht, dann liegt zwischen dem Mittelwert +/- der Standartabweichung ca. 1/3 der gesamten Stichprobe:
QQ-Plot
Zur Beurteilung ob Daten normalverteilt sind, benutzt man das Quantil-Quantil-Diagramm (QQ-Plot). Wenn die Daten normalverteilt sind, sollten die Punkte auf einer Geraden liegen.
-> kann erst ab einer Stichprobengrösse von mindestens n=30 eingesetzt werden.
(wenn man nicht berechnen kann ob eine Stichprobe normalverteilt ist oder nicht, geht man davon aus, dass sie NICHT normalverteilt ist!)
Rote Hilfslinien: nicht mehr als 5% aller Punkte dürfen ausserhalb dieser Linien liegen
Punktschätzung
Man möchte den Populationsmittelwert herausfinden, dies geschieht auf einfache Weise mit dem empirischen Mittelwert geschätzt werden. Dabei entsteht ein einziger Wert, welcher aber sehr ungenau sein kann!
Vertrauensintervall
Dabei wird eine untere und eine obere Grenze angegeben, zwischen denen der wahre Wert mit einer Vertrauenswahrscheinlichkeit von 95% liegt. Das heisst das Vertrauensintervall erlaubt 5% Fehlerquote. (wenn wir ein Experiment 100x Wiederholen, dann liegt der wahre Wert 95x im Vertrauensintervall drin)
zweiseitig: eine untere und obere Grenze wird geschätzt.
einseitig: es wird nur eine Grenze geschätzt, die andere wird auf - oder gesetzt
das Vertrauensintervall wird schmaler falls:
- der Stichprobenumfang grösser wird
- die Streuung der Daten kleiner wird
- die Vertrauenswahrscheinlichkeit kleiner wird
Interpretation Vertrauensintervall
wenn 0 nicht im Vertrauensintervall ist, gibt es einen signifikanten Unterschied zwischen den zwei Gruppen (zu 95%)
abhängige / unabhängige Gruppen
Wenn wir Populationsmittelwerte zweier Gruppen miteinander vergleichen möchten, müssen wir zuerst bestimmen, ob die beiden Gruppen abhängig (verbunden, gepaart) oder unabhängig (unverbunden, ungepaart)
dieselben Messungen an den gleichen Personen -> abhängig
dieselben Messungen an unterschiedlichen Personen -> unabhängig
statistische Hypothesen
Nullhypothese: darunter versteht man die Behauptung, die man ablehnen / widerlegen möchte. Sie enthält im Normalfall de Gleichheit. Bsp: die Mittelwerte der Messungen der Gruppe 1 sind gleich gross wie die Mittelwerte der Messungen der Gruppe 2.
Alternativhypothese: sie wird der Nullhypothese gegenüber gestellt, sie enthält also die Motivation unseres Experimentes. Sie kann sowohl einseitig, wie auch zweiseitig formuliert werden.
Bsp zweiseitig: die Mittelwerte der Messungen der Gruppe 1 sind nicht gleich gross, wie die Mittelwerte der Messungen der Gruppe 2.
Bsp einseitig: die Mittelwerte der Messungen der Gruppe 1 sind grösser als die Mittelwerte der Messungen der Gruppe 2.
p-Wert
die Wahrscheinlichkeit, dass der beobachtete Wert der Teststatistik unter der Nullhypothese vorkommen kann.
Ist diese Wahrscheinlichkeit genügend klein, so ist die Nullhypothese nicht plausibel. Als übliche Grenze (sogenanntes Signifikanzniveau) nimmt man meistens 5%. Je kleiner der p-Wert (normalerweise Grenze von 5%, als Dezimalzahl 0.05), desto unwahrscheinlicher, dass die Nullhypothese stimmt (das was wir wollen!)
Interpretation:
<0.05 man entscheidet zugunsten der Alternativhypothese
<0.05 man kann die Alternativhypothese nicht beweisen, heisst aber nicht, dass sie falsch ist
Korrelationskoeffizient nach Pearson
= r
-> beschreibt den linearen Zusammenhang zweier Variablen
-> ist NICHT robust gegenüber Ausreissern!
Interpretation Korrelationskoeffizient nach Pearson
- kein Zusamenhang r = 0
- positiver Wert = positive Steigung, negativer Wert = negative Steigung
- starker linearer Zusammenhang r=/> 0.7
- mittlerer linearer Zusammenhang r= 0.3-0.7
- schwacher linearer Zusammenhang r < 0.3
Rangkorrelationskoeffizient nach Spearman
=rs
-> beschrebt den monotoen Zusammenhang zweier Variablen
-> ist robust gegnüber Ausreissern
-> dieselbe Interpretation wie beim Korrelationskoeffizient nach Pearson
Bezeichnung der Variablen
abhängige oder erklärte Varieble: y-Achse
unabhängige oder erkärende Variable: x-Achse
Bsp: welche Faktoren haben einen starken Einfluss auf den Blutdruck? BD wäre die abhängige Variable und der Rest sind die erklärenden Variablen.
Regressionsgerade
y = a + b * x
- Die Gleichung erlaubt nun eine Vorhersage. -> man kann einfach die erhaltene Zahl x in die Gleichung einsetzen, ist bei einem mittleren linearen Zusammenhang sehr ungenau!
- Die Regressionsgerade wird so berechnet, dass die Summe aller Abweichungen dieser Gerade möglichst klein ist. Und dass sich diese nicht aufheben, werden die Werte quadriert.
- Die Regressionsgerade verläuft durch den so genannten Schwerpunkt (y:x) der Daten.
Residuenanalyse
Residuen = Abweichungen der Regressionsgerade zu den y Werten
-> sind sie normalverteilt?
-> haben sie eine konstante nicht von x abhängige Variabilität? (also keinen linearen / monotonen Zusammenhan!)
Bestimmtheitsmass
- bestimmt die Stärke des Zusammenhangs zwischen abhängiger und erklärender Variable.
- In der einfachen linearen Regression entspricht das Bestimmtheitsmass dem Korrelationskoeffizienten nach Pearson im Quadrat.
- Ist R2 < 0.5 spricht man von einem starken Zusammenhang.