Python数据科学：正态分布与t检验

妖狐艹你老母 2022-02-02 09:17 431阅读 0赞

昨天介绍了两连续变量的相关分析，今天来说说连续变量与分类变量(二分)之间的检验。

通俗的来讲，就是去发现变量间的关系。

连续变量数量为一个，分类变量数量为两个。

总体：包含所有研究个体的集合。

样本：经过抽样总体中的部分个体。

均值：变量的数值之和除以变量的个数。

极差：变量的最大值与最小值之差。

**方差**，**标准差**反映数据的离散程度，其值越大，数据波动越大。

**/ 01 / 正态分布**

在实际情况里，总体的信息往往难以获取，所以需要抽样，通过样本来估计总体。

点估计和区间估计是通过样本来估计总体的两种方法。

那么样本是否能够代表总体就是关键点，样本需要具有代表性。

**点估计**：用样本统计量去估计总体参数。

**区间估计**：不同于点估计，能够提供待估计参数的置信区间和置信度。

区间估计用到了**中心极限定理**，表现为如果抽样多次，每次抽样都有一个均值，产生的多个均值服从正态分布。

就可以利用正态分布的性质，推断出样本均值出现在某区间范围的概率。

**正态分布：**关于均值左右对称的，呈钟形。且均值和标准差具有代表性。均值=中位数=众数。

在现实生活中，男女身高(性别有影响需区分开)、体重、考试成绩都是属于正态分布。

影响它们的变量都是独立互不影响的。

接下来对豆瓣电影TOP250里的电影评分进行分析。

![1545126038462233.png][]

首先读取数据。

import matplotlib.pyplot as plt  
from scipy import stats  
import seaborn as sns  
import pandas as pd  
  
\# 读取文件  
df = pd.read\_csv('douban.csv', header=0, names=\["quote", "score", "info", "title", "people"\])  
dom1 = \[\]  
\# 清洗数据,获取国家列,1为中国,2为外国  
for i in df\['info'\]:  
    country = i.split('/')\[1\].split(' ')\[0\].strip()  
    if country in \['中国大陆', '台湾', '香港'\]:  
        dom1.append(1)  
    else:  
        dom1.append(0)  
df\['country'\] = dom1

生成电影评分直方图，观察其是否符合正态分布。

\# distplot:集合功能,kde:显示核密度估计图,fit:控制拟合的参数分布图形,本次为拟合正态分布  
sns.distplot(df.score, kde=True, fit=stats.norm)  
plt.show()

运行代码后得到下图，发现电影评分分布近似正态分布。

![1545126039761397.png][]

生成电影评分QQ图，观察电影评分与正态分布的接近程度。

\# qqplot检验数据是否服从正态分布  
sm.qqplot(df.score, fit=True, line='45')  
plt.show()

运行代码后得到下图，其中样本点越靠近红色线说明变量越趋近正态分布，结论显而易见。

![1545126039749712.png][]

区间估计，计算95%保证程度下的区间估计范围。

\# 标准差  
se = df.score.std() / len(df) \*\* 0.5  
\# 均值下限  
LB = df.score.mean() - 1.98 \* se  
\# 均值上限  
UB = df.score.mean() + 1.98 \* se  
print(LB, UB)  
\# 得到的结果  
8.782710866637895 8.849289133362106

即在95%的置信度下，电影评分的总体均值位于区间「8.7827-8.8492」内。

定义函数，计算不同置信度下的置信区间。

def confint(x, alpha=0.05):  
    """计算不同置信度下的置信区间"""  
    n = len(x)  
    xb = x.mean()  
    df = n - 1  
    tmp = (x.std() / n \*\* 0.5) \* stats.t.ppf(1-alpha/2, df)  
    return \{'Mean': xb, 'Degree of Freedom': df, 'LB': xb-tmp, 'UB': xb+tmp\}  
  
result = confint(df.score, 0.05)  
print(result)  
\# 得到的结果  
\{'LB': 8.782886780076549, 'UB': 8.849113219923453, 'Degree of Freedom': 249, 'Mean': 8.816\}

即在99%的置信度下，电影评分的总体均值位于区间「8.7828-8.8491」内。

**/ 02 / t检验**

**01 假设检验**

在研究变量时，对分布的性质进行一定的假设，然后通过抽样来检验假设是否成立。

这似乎与我们中学时代的反证法有点类似，假设需要证明的东西成立，然后去反推。

其中实际抽样结果与假设的差异程度可以用概率值表示，为「p-value」。

概率值越大意味着越无差异，越接近。

人为设定一个「p-value」的阈值将差异程度判断为「有差异」或「无差异」，这个阈值就是「显著性水平」。

目前接触的原假设都是设置为**等值假设**，本次假设电影评分均值为8.8。

显著性水平的设置根据样本容量，本次取显著性水平为0.05。

最后的结论就是「p-value」值小于显著性水平时，差异明显，有理由拒绝原假设。

「p-value」值大于显著性水平时，差异较小，那么就不能拒绝原假设。

这里书本没有对「p-value」如何查表取值详细解说，需要百度查询。

**02 单样本t检验**

单样本t检验是最基础的假设检验，其利用来自总体的样本数据，推断总体均值是否与假设的检验值之间存在显著差异。

P值大于显著性水平，则无法拒绝原假设。

P值小于显著性水平，则拒绝原假设。

下面在Python中进行单样本t检验，使用电影评分数据，假设均值为8.8分。

\# stas:列联表  
d1 = sm.stats.DescrStatsW(df.score)  
print('t-statistic=%6.4f, p-value=%6.4f, df=%s' %d1.ttest\_mean(8.8))  
\# 得到的结果  
t-statistic=-2.0223, p-value=0.3422, df=249.0

P值为0.3422，如果规定显著性水平为0.05，那么就无法拒绝原假设。

即电影评分均值为8.8分的原假设成立。

**03 双样本t检验**

双样本t检验是检验两个样本均值的差异是否显著。

常用于检验某二分类变量区分下的某连续变量是否有显著差异。

本次使用豆瓣电影TOP250中**中外国家电影评分**数据。

研究电影评分受国家的影响是否显著(之前分析的结论是没什么影响)。

\# 对数据分组汇总  
print(df\['score'\].groupby(df\['country'\]).describe())

得到结果如下，发现均值还是有一点点差异的。

![1545126039317896.png][]

接下来用双样本t检验来看这种差异是否显著。

在进行双样本t检验前，有三个基本条件需要考虑。

①观测之间独立(本次满足)

②两组均服从正态分布(本次满足)

①两组样本的方差是否相同(需检验)

上面的结果已经包含了样本评分均值的方差了，可是书里却说还需要进行方差齐性分析。

这一点不是很理解，就当多学点东西吧。

方差齐性检验的原假设为两组数据方差相同。

\# levene:方差齐性检验  
country0 = df\[df\['country'\] == 0\]\['score'\]  
country1 = df\[df\['country'\] == 1\]\['score'\]  
leveneTestRes = stats.levene(country0, country1, center='median')  
print('w-value=%6.4f, p-value=%6.4f' %leveneTestRes)  
\# 得到的结果  
w-value=0.5855, p-value=0.4449

P值为0.4449，若以0.05为显著性水平，则无法拒绝原假设。

即中国电影评分和外国电影评分的**方差是相同的**。

因此进行方差齐性的双样本t检验。

\# equal\_var=True:两组数据方差齐性  
print(stats.stats.ttest\_ind(country0, country1, equal\_var=True))  
\# 得到的结果  
Ttest\_indResult(statistic=0.9331710237657628, pvalue=0.3516393015610625)

P值为0.35，若以0.05为显著性水平，则无法拒绝原假设。

说明中国电影评分和外国电影评分**无显著差异**。

**/ 03 / 总结**

学习这一部分内容，最大的困惑就是「p-value」的取值。

书上没讲明白如何用公式确定其值，只是通过Pyhton直接结算得出结果。

网上查取的资料也是零零散散，解释的不够全面。

[1545126038462233.png]: https://www.itcodemonkey.com/data/upload/portal/20181218/1545126038462233.png
[1545126039761397.png]: https://www.itcodemonkey.com/data/upload/portal/20181218/1545126039761397.png
[1545126039749712.png]: https://www.itcodemonkey.com/data/upload/portal/20181218/1545126039749712.png
[1545126039317896.png]: https://www.itcodemonkey.com/data/upload/portal/20181218/1545126039317896.png