形式陈述
两组独立样本是否来自同一总体?设 , 独立同分布于连续分布 , 独立同分布于连续分布 ,且两组相互独立。Wilcoxon–Mann–Whitney 检验的基本原假设是
本页采用“ 胜过 ”的计数约定:
将 个观测合并,按从小到大排序公理库顺序统计量Order statistic有限样本按键排序后第 k 个位置的值,保留重复出现的次数。赋秩 。若 是 组秩和,则
原假设下,给定合并后的有序值, 种 标签位置等可能;这正是一个标签置换检验公理库置换检验Permutation test · Randomization test利用零假设下数据对一组变换的分布不变性,构造有限样本精确检验。。预先规定单侧或双侧的极端方向后,可以枚举这些位置得到精确 值。
在无并列的共同连续分布下,
本页双侧检验以 为极端程度;对离散统计量,双侧规则应明确写出。
直觉
把一个 与一个 放在一起比较,若 较大,就给它一分。 场比较的总分反映两组数值的相对位置。它只依赖次序,不会让一个极端大的观测凭数值大小获得无限权重。
共同分布假设下,组标签不应能从合并后的数值位置中辨认出来。因此保持数值不动、重新分配标签,就能构造“原假设为真时本来可能看到什么”。这里交换的是独立两组的标签,配对数据则应保留每一对的关系:Wilcoxon 符号秩检验公理库Wilcoxon 符号秩检验Wilcoxon signed-rank test · Signed-rank test在独立且关于零对称的差值模型下,固定绝对值秩并翻转公平符号,得到配对或单样本位置检验的精确分布。在差值独立对称的假设下翻转差值符号,使用的是另一种参考机制。
秩和与胜出次数是同一信息的两种记账方式。用秩和方便计算,用成对胜出率方便理解效应;但检验的原假设与效应量的某个数值仍须区分。
例子与边界
六个观测的精确枚举
取 、。三个 分别胜过 个 ,所以 。 的合并秩为 ,秩和 ,也给出 。
原假设下共有 种标签分配。 的分配数依次是
预先指定的“ 倾向更大”单侧 值为 。双侧距离规则给出
样本胜出率 很高,但只有三对三的独立观测,原假设下仍不算很罕见。九场比较共享六个观测,不能当成九次独立 Bernoulli 试验。
相同中位数仍可产生不同胜出率
令 为 上均匀分布。令 以一半概率均匀落在 ,另一半概率均匀落在 。两者都连续且唯一中位数为零,但
第一项来自 ,后两项来自两者都负或都正。因此秩和差异不能一般地解释成中位数差异。只有在共同形状的位置平移模型等额外条件下,才可把位置方向对应到中位数平移。
反过来, 也不强迫 ,例如两个都关于零对称但尺度不同的连续分布。共同分布下的方差和置换校准,不能不加修改就用于更弱的“胜出率等于一半”原假设。
并列值与相关数据
若数据有并列,可给相同数值平均秩,并把比较定义为胜出一分、打平半分:
在共同总体且观测独立的原假设下,条件标签置换仍然有效;只是精确分布依赖实际并列结构,不能照搬无并列的表。若数据来自重复测量、家庭簇或配对设计,任意标签交换通常不再合法,必须保留设计允许的交换结构。
推论与应用
秩和为什么等于胜出次数加常数
把 组内部也排序。第 小的 在合并样本中的秩,等于排在它前面的 个数加上 。对 求和,内部秩合计为 ,其余正好是所有 比较的个数。使用平均秩后,同一个恒等式对半分处理的 仍成立。
共享观测怎样产生方差
令 。共同连续分布下,每个指标的期望公理库期望Expectation · Expected value实值或复值随机变量关于概率测度的 Lebesgue 积分,概括加权平均与总体质量平衡。为 ,方差公理库方差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。为 。不共享观测的两个指标独立;共享同一个 时,两个 都超过它的概率为 ,因为三个同分布观测中 最小的概率为 。所以协方差公理库协方差Covariance两个随机变量中心化乘积的期望,衡量线性共同变化。为 。共享同一个 时同理。
方差展开中,共享 的有序指标对有 个,共享 的有 个。因此
漏掉这些协方差,会严重低估不确定性。
并列修正与可报告的效应
若合并数据各并列组大小为 ,则条件置换方差为
其来源是平均秩降低了有限总体的秩平方和:每个长度 的连续秩块被平均后,中心化平方和减少 。再使用从 个固定秩中无放回抽 个的方差,即得该式。小样本时仍优先按实际秩枚举,而不是只靠方差作正态近似。
不论 是否等于 ,线性期望都给出 ;带并列时对应 。这个效应量可以与检验结果一起报告,并明确方向为“ 大于 ”。有的软件报告相反方向的 ,两者在无并列时相加为 ,比较结果前应先核对约定。
参考资料