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定义Definition

静态 e 值与期望证据

e-value · e-variable · E-value · 期望证据

以每个零假设分布下的均值不超过一校准非负证据,构造似然比及复合均值检验,并区分静态保证与可选停止。

一次实验把证据记为一个非负数。若零假设成立,它的平均值不能超过一;但在与零假设不协调的数据上,它可以很大。这样的数称为 e 值。它把“罕见的大证据”约束成一个期望预算,因此特别适合平均、拆分和多重发现。

先看一个硬币实验。预先约定抛四次,检验公平硬币,把“更偏向正面”的成功率 3/4 作为比较模型。每次正面记乘数 3/2,每次反面记乘数 1/2。四个正面给出的乘积为 (3/2)4=81/16,三个正面一个反面给 27/16。我们没有把乘积解释成概率;它比较两种模型对同一数据支付的权重。

形式陈述 ​

定义中的三个条件 ​

设零假设 H0 是一族可能的数据分布。统计量 E=E(X) 是这一零假设的 e 随机变量,如果

E≥0,supP∈H0EPE≤1.

严格区分时,随机函数叫 e-variable,它在观察数据后取得的数叫 e-value;本页和常见文献一样,也用“e 值”指前者。允许在零假设概率为零的观测上取 +∞。在任何零分布下,有限均值保证它几乎必然有限。

非负性防止靠巨大的负值补贴任意多的错误拒绝。期望是针对预先确定的数据取得和计算规则取的。上确界要求每个零模型都守住预算;只在其中一个参数值下算到一,并不能认证整个复合零假设。

给定 0<α<1,在 E≥1/α 时拒绝。Markov 不等式立即给出

P(E≥1/α)≤αEPE≤α(P∈H0).

例如 E=25 足以通过水平 0.05 的阈值 20,也给出保守 p 值 1/25=0.04。这不表示零假设有 4% 概率为真。转换 pE=min{1,1/E} 时约定 1/0=+∞、1/∞=0;由上式可逐个阈值验证它是有效 p 值。

直觉

似然比为什么符合预算 ​

简单零假设有密度 p,事先选定比较密度 q,二者相对于同一参考测度。取似然比

E(x)=q(x)/p(x)(p(x)>0).

在 p=0<q 处设为无穷大,在 p=q=0 处设为零。这些取值不影响零模型下的积分:

EPE=∫{p>0}qppdμ=∫{p>0}qdμ≤1.

若比较分布没有跑到零分布支撑之外,等号成立。这个证明只用密度积分,不需要大样本极限、正态近似或可微参数模型。对 n 个独立观测,联合密度之比就是逐点比值的乘积。

硬币例中,设 S 为正面次数,在公平零模型下

E=(3/2)S(1/2)4−S,E0E=[1232+1212]4=1.

当 α=0.2 时阈值为五,只有四个正面越界,错误率为 1/16≤0.2。预算可以保守;Markov 阈值不承诺用尽全部允许错误概率。

例子与边界

复合均值零假设的直接构造 ​

设只知道 X∈[0,1],检验 EPX≤1/2。这个零假设允许离散、连续和混合分布。定义

E=1+λ(X−1/2),0≤λ≤2.

范围保证 E≥1−λ/2≥0,均值条件保证 EPE≤1。取 λ=2 时就是 E=2X。这里只有一个有界观测,所以证据最多为二,不可能达到 5% 检验的二十倍阈值。有效性和有足够功效是两件需要分别检查的事。

若错误允许 λ<0,零假设内的常数 X=0 会给 E>1;若允许 λ>2,X=0 时证据为负。两个方向的限制分别承担均值预算与非负性,不能省略。

选择和停止为什么需要另一个接口 ​

两个合法证据取最大值通常失效。令公平二元结果 X 取零或一,构造 E1=2X、E2=2(1−X)。它们的均值都是一,最大值却恒为二。先看结果再选“最支持结论的那个分析”,把均值预算翻了一倍。固定平均 (E1+E2)/2=1 则仍有效。

把同一个证据重复相乘也不能假装收到了新数据。若 E=2X,则 EE2=2,虽然每个副本单独都是 e 值。e 值合并会逐一说明什么时候可以平均或相乘。

静态定义也不准许任意停止后读取。让 Et 每次独立等概率取零或二,每个固定时刻都有均值一,但等到第一次出现二再报告,得到的证据恒为二。e-process对合法停时直接要求均值预算,承担的是更强的保证;这个序贯概念需要滤过和停时,本页的固定样本结论不以那些概念为前置。

推论与应用

怎样交付一份可检查的证据 ​

计算前写下零模型、样本规则和证据函数;计算后报告观察到的值、使用的阈值以及上述均值证明。联合密度比常用对数计算:将各项 log⁡q(Xi)−log⁡p(Xi) 相加,再与 log⁡(1/α) 比较,避免连乘下溢。计算 n 项需要 O(n) 次密度评价和 O(1) 累积空间,密度评价本身的费用另计。

要把有限样本 e 值用于多假设发现,可读e-BH;要让比较密度由数据学习,可读分割似然比。这两条后继分别改变决策规则和证据构造,均保留“每个真零模型下均值不超过一”这个接口。

自测。 令 E 以概率 1/30 取三十,其余取零。它的均值是一。在水平 0.05 时错误率为 1/30;若把每个输出都乘二,均值成为二,新统计量就不再是原定义下的 e 值。观察到六十本身无法修复校准。

参考资料
关系图谱12 个相邻概念 · 2 类关系

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