同一批人重新抽签,处理组与对照组的均值差会改变。Neyman 方差回答这种改变有多大:无需先假定每个人的效应相同,却必须把两栏潜在结果和互补的分组同时放进计算。
形式陈述
固定表与完全随机分配
取 个单位,固定有限实数潜在结果理路潜在结果框架Potential outcomes framework · Rubin causal model用同一单位在各个明确干预下的潜在结果定义因果效应,并把观测机制与科学目标分离。 。预先固定 ,令 ;所有大小为 的处理组等概率。这是不放回设计理路有限总体抽样设计Finite population sampling design把有限总体数值固定、样本集合随机,区分一阶纳入机会与决定方差的联合抽取结构。,两组的单位索引互为补集。
记 、、,并定义有限总体量
观测均值差为
对分配取期望和方差理路方差Variance随机变量相对其均值的平方偏差期望,也是最佳常数平方预测的剩余误差。,有精确恒等式
当两臂人数都至少为二,令 为该臂已观测结果、分母为 的样本方差。通常使用
这里“保守”说的是重复分配的平均值。它不是每份数据上 都大于真实方差,也不单独保证正态置信区间具有有限样本覆盖。
直觉
两组互补产生哪一项协方差
由设计对称性,。令 ,对 有
负协方差来自固定总人数:选中一个单位,会稍微减少另一个被选中的机会。对任何固定数列 ,用协方差双线性展开理路协方差Covariance两个随机变量中心化乘积的期望,衡量线性共同变化。可得
把估计量写成
后项固定。取 ,得到
其中 。再用 ,便得到形式陈述中的公式。不能把两臂当作独立抽样,直接遗漏最后的异质项。
为什么样本方差能估计各栏,却补不回异质项
每个处理组是 这一固定栏的简单随机样本,对照组同理。用成对差恒等式
以及同臂成对纳入概率 ,取期望得到 。两项相加即证明保守期望公式。
需要每个人的两栏结果;一个实验不能同时观察它们。因此在不增加效应结构时,不能照公式把该项直接代入估计。恒定个体效应使 ,此时 无偏;异质性通常只支持保守性,而非精确恢复方差。
例子与边界
四个单位的全部六次抽签
令 、,两人处理、两人对照。目标 ,总体方差为 、、,所以真实分配方差为 。
| 处理组 |
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| 1、2 |
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| 1、3 |
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| 1、4 |
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| 2、3 |
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| 2、4 |
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| 3、4 |
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六个估计量平均为 ,对该均值的平方偏差平均为 。六个方差估计平均为 ,超出真实方差 。但第一行的 明显小于 ,已经否定逐次保守的解释。
公式适用的设计与目标
若处理人数随机变化、各单位分配机会不等,或只接受某些平衡分配,上述 协方差就改变了。不能只将实际人数填进完全随机公式。分层设计应使用块内方差加权理路分层随机实验Blocked randomized experiment · Stratified randomized experiment · Randomized block design先按处理前资料固定区组,再在各块独立随机分配,以单位数权重合并块内效应,推导设计方差并检查不同处理比例与小块的估计边界。;配对设计理路配对随机实验Matched-pairs randomized experiment · Paired randomized design在每对独立抛币分配一人处理,以符号表示两种潜在组间差,推导精确设计方差和跨对保守估计,并保留随机分配与观测配对的边界。每臂每块只有一人,更不能使用未定义的块内样本方差。
即使误差分布看起来接近正态, 也只是需要另外条件的近似程序。有限总体中心极限定理通常要求没有少数单位主导波动;这里的精确均值、方差恒等式本身没有给出这样的尾部结论。
推论与应用
一次计算和一份完整解释
实际数据只需分别累计各臂人数、结果和及平方偏差,计算 。使用稳定的在线中心化递推可避免“大平方和减去大均值平方”的相消;时间 、额外空间 。完整潜在结果表只存在于教学例或模拟中,此时才能枚举 次分配核对真实方差。
报告应写明目标是当前 人的平均效应,随机性来自完全随机分配,以及方差估计的保守含义。若还想推断另一个总体,需要抽样或外推假设;随机抽签没有自动把这批单位变成总体的代表样本。
迁移核对。 将例中每个人的处理结果改为 ,异质项消失,,真实方差变为 ,而非零。每人效应相同不等于每次组均值差都相同:两组原本的水平仍可能不平衡。
参考资料