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方法Method

Rosenbaum 配对敏感性分析

Rosenbaum matched-pair sensitivity analysis · Gamma sensitivity bounds · 配对隐蔽偏差界

对独立匹配对的未知处理概率施加Gamma限制,证明非负固定权重单侧尾的可达最坏界,构造有效p值和精确卷积,并分清双侧与恒定效应反演的责任。

形式陈述 ​

把“也许有遗漏变量”变成一个可计算的问题 ​

观察研究中,两人即使年龄、职业等已测条件相似,也未必有相同的处理机会。若较容易出现高结果的人更可能接受处理,正差就可能来自选择。敏感性分析不宣称找到这个遗漏变量,而是问:允许处理机会偏离公平分配到什么程度,原来的证据还保得住?

固定I个不重叠匹配对,每对恰有一人处理。所有潜在结果和匹配名册固定,无干扰,概率只来自处理分配。检验逐人无效应的尖锐假设,因此每个人在两种处理下的结果都相同,可以从观察补全。

对第i对,令Zi=1表示名册中的第一人处理。假定不同对的Zi独立,且给定完整潜在表与协变量后,其未知概率πi满足

(1)1Γ≤πi1−πi≤Γ,Γ≥1.

等价地,πi∈[l,h],其中l=1/(1+Γ)、h=Γ/(1+Γ)。这里每对已限定恰有一人处理,πi/(1−πi)是“第一人处理”相对于“第二人处理”的概率比,不是再对两人的条件odds作一次比值。

令di为实际处理者减对照者的差。对非零差取Bi=1{di>0};零差的权重规定为零。统计量为

(2)T=∑i=1IqiBi,qi≥0.

权重可以是事前常数,或由全部绝对差决定的规则,但必须在尖锐假设下对每种对内交换保持不变。符号计数取qi=1,符号秩取非零绝对差的秩,并列可用平均秩。

由于哪个人有较高固定结果也固定,Bi是成功概率仍在[l,h]内的独立Bernoulli变量。对观察值t,定义

pΓ−(t)=P{∑iqiVi−≥t},Vi−∼iidBernoulli(l),(3)pΓ+(t)=P{∑iqiVi+≥t},Vi+∼iidBernoulli(h).

则允许模型中实际单侧尾概率的最小、最大值恰为这两端。尤其pΓ+(T)是对全部允许分配律都有效的p值上界,按pΓ+≤α拒绝的错误概率至多α。

直觉

同一组均匀数把所有分配放到一起 ​

设Ui是独立Uniform(0,1)。在同一概率空间上构造

Vi−=1{Ui≤l},Bi=1{Ui≤ρi},Vi+=1{Ui≤h},l≤ρi≤h.

逐项有Vi−≤Bi≤Vi+。非负权重使两个和也保持这个次序,故对每个阈值t都有式(3)的尾界。这是共同概率空间的耦合:不是只比较均值,而是让每一份实现都被上下夹住。

端点可以达到。令每对较高固定结果者都以概率h接受处理,并使各对独立,便得到上端分配;全用l得到下端。模型没有另外限制隐藏协变量与潜在结果的关系,因此不能排除这种最不利排列。若另加限制,界可能收窄,但那已是更小的模型。

为什么最坏尾仍是有效p值 ​

对某一真实允许概率向量ρ,其真实尾函数记为pρ(t)。旧Fisher页的离散尾部论证给出

Pρ{pρ(T)≤α}≤α.

又因对每个t都有pΓ+(t)≥pρ(t),事件{pΓ+(T)≤α}包含于{pρ(T)≤α},有效性随之成立。并列仍全部计入“≥”,没有把一半并列质量删掉。

下端pΓ−表示“最乐观的允许尾”,通常不能用于保证对全部模型有效的拒绝规则。报告一段尾概率范围时,应清楚指出稳健拒绝使用的是哪一端。

Gamma限制的是分配,不是效应大小 ​

一种产生式(1)的模型是:匹配前两人的处理指示独立,处理odds为exp⁡(λi+γuij),其中0≤uij≤1、γ=log⁡Γ。条件于每对恰好一人处理后,第一人相对第二人的概率比为

exp⁡{γ(ui1−ui2)}∈[1/Γ,Γ].

共同的λi消去。因此Γ=2在这里允许一人的处理机会是另一人的两倍,条件概率最多为2/3;它不表示处理效应放大两倍,也不是“存在混杂的概率”。实际匹配程序是否支持条件独立模型仍需论证,匹配动作本身不会自动生成式(1)。

例子与边界

六个正差能承受多大的偏差 ​

六对非零差全部为正,使用符号计数,观察T=6。达到至少六只能是六次全成功,所以

pΓ+=(Γ1+Γ)6.

在Γ=1,3/2,2时,它依次为

164,72915625,64729.

前两者不超过0.05,第三者超过。临界偏差可以精确写为

(4)Γ∗=(1/20)1/61−(1/20)1/6.

按“p不超过0.05就拒绝”的约定,Γ=Γ∗处仍拒绝。这个数描述当前统计量、当前资料与指定模型的稳健程度,不估计真实偏差,也不说明所有同样大小的研究都如此。

不等权重与并列仍可精确计算 ​

取固定权重(1,2,2,3),观察前三个中的第一项为负,其余为正,所以T=7、总权重八。尾事件T≥7必须包含权重二、二、三,权重一可取可不取。因此

(5)pΓ+(7)=h3,pΓ−(7)=l3.

在Γ=2,范围为[1/27,8/27]。重复权重二是两对不同单位,不能合并成一次硬币;只有卷积后相同总和的概率才能相加。

如果先看哪些差为正,再给正差大权重,就破坏了“交换标签后权重不变”。此时把观察权重固定再翻转符号,计算的是一个没有证明的检验。

对间独立和单侧单调性都不能省略 ​

让六个符号完全相同,且以一半概率全正、一半概率全负。每个符号边缘上都是公平币,符合单个概率的Γ=1限制,但全正概率为1/2,而非1/64。对间独立是联合概率模型的一部分,不由每个边缘界推出。

同样,非负权重保证尾事件逐坐标单调;若直接允许负权重,不能统一把所有成功概率调到h。可以先翻转负权重对应的符号并加入常数,将统计量化为非负权重形式,但必须明确这个变换。

双侧有效不等于双侧最锐 ​

对预先规定的两种相反单侧排序分别计算有效上界pright+,pleft+。由并集界,

(6)ptwo=min{1,2min(pright+,pleft+)}

是有效双侧p值。两端的最不利分配可能不同,所以不要将它称为某一个共同分配下的精确双侧尾。

例如q=(1,2)、观察T=3,预先按|T−3/2|排序,尾事件为T∈{0,3}。在Γ=2下,其最大概率为

maxρ1,ρ2∈[1/3,2/3]{(1−ρ1)(1−ρ2)+ρ1ρ2}=59.

目标分别对每个概率为仿射函数,最大值可在四个矩形顶点找;同向顶点给5/9,反向顶点给4/9。式(6)在同一观察上给8/9,仍有效,但更保守。单侧耦合的答案不能未经推导就搬到非单调的双侧事件。

推论与应用

用卷积得到完整分布 ​

非负整数权重时,令fj(s)为前j个权重和等于s的概率,f0(0)=1,其他位置为零。给定成功率h,有

(7)fj(s)=(1−h)fj−1(s)+hfj−1(s−qj).

越界下标视为零。此动态规划每次读取上一行,保留两个数组即可。设Q=∑qi,则需O(I(Q+1))次算术、O(Q+1)概率槽;这是关于权重数值的伪多项式界,不是关于二进制输入长度的多项式界。平均秩为半整数时,可把全部权重和阈值乘二。一般实权重可用完整2I符号枚举,不能擅自四舍五入并列。

对有理Γ使用分数算术可得到精确尾值;分子分母增长的位成本另算。零权重可以直接跳过,因为两条分支落回同一个和,概率相加仍为一。全零时上尾p值为一。

对恒定效应候选重新建立权重 ​

若另假定每个人的效应是同一个常数δ∗,对候选δ先计算调整差di−δ。在该尖锐假设下,调整后的两人基线差只会随标签交换而变号,绝对值及其秩才是固定的。每个候选都要重新确定零差、并列与权重,随后用同一个Γ模型计算有效p值。

按检验反演保留pδ>α的候选,即得覆盖至少1−α的接受集合,前提是恒定效应模型和真实分配的Γ限制都成立。只在真实候选处使用一次错误率,所以无须因为检查许多候选而额外Bonferroni。若效应异质,不能把这个集合改名为总体平均效应区间。

对于符号计数,候选经过某个di时会产生或移除零项,需在断点单独核算。秩权重还会在|di−δ|=|dj−δ|处改变。任意有限网格可以演示,却不能独立证明完整接受集合或端点开闭。

参考资料
关系图谱13 个相邻概念 · 2 类关系

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