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方法Method

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。

形式陈述 ​

一组配对前后差值是否围绕零对称?设 n≥1,D1,…,Dn 独立同分布、连续,原假设为

H0:Di=d−Di.

配对情形取 Di=Yi−Xi;检验指定中心 θ0 时取 Di=Xi−θ0。假设各差值独立,连续性使零差值与绝对值并列的概率为零。将 |Di| 从小到大排序,令 Ri 为其秩,定义正秩和

W+=∑i=1nRi1{Di>0}.

原假设下,给定所有绝对值,正负符号是独立公平硬币。因此精确参考分布为

W+=d∑r=1nrBr,Br∼iidBernoulli(1/2).

这是对固定绝对值作符号翻转的群随机化检验,其变换群为 {−1,1}n。本页双侧极端程度取 |W+−n(n+1)/4|;单侧则预先选择正秩和偏大或偏小。

直觉

只数正负号,会把很小的正差和很大的正差看成同样的一票。符号秩检验让绝对差较大的观测获得较大的秩权重,但仍不使用原始差值的数值大小。因此一个差值从 10 变为 106,只要次序不变,它的权重也不变。

对称性提供关键保证:知道某个差值离零多远之后,仍不能猜出它更可能在零的哪边。于是固定全部距离,只重新抛正负硬币,就能模拟原假设下正秩和的变化。

若正侧尾巴比负侧长,绝对值本身就可能透露符号。此时中位数即使为零,也不足以支持公平翻转校准。

例子与边界

四个差值的十六种符号 ​

取差值 (−1,2,−4,7)。绝对值秩为 1,2,3,4,所以 W+=2+4=6,中心为 4⋅5/4=5。

原假设的 24=16 种符号等可能。正秩和 0,1,…,10 对应的符号组合数为

1,1,1,2,2,2,2,2,1,1,1.

因此正向单侧 p 值为 P0(W+≥6)=7/16,双侧值为

P0(|W+−5|≥1)=1416=0.875.

虽然正差的原始总和 9 大于负差绝对值总和 5,符号秩检验衡量的却是另一种、事先规定的统计量。这组数据并未给出强证据。

中位数为零不是对称性 ​

令 D 以一半概率均匀落在 (−1,0),另一半概率均匀落在 (0,3)。它的唯一中位数为零,但只要知道 |D|>1,就知道符号一定为正。符号不再独立于绝对值,精确参考分布失效。

甚至 n=2 时也能看到偏差。每个正观测贡献一分,再在另一个绝对值更小时多一分,所以

EW+=2P(D>0)+2P(D1>0,|D2|<D1)=1+23=53,

而对称原假设给出 EW+=3/2。其中第二个概率由在 0<d<1 和 1<d<3 上分别积分得到 1/3。只关心连续总体中位数而不愿假设对称时,应使用基于正负计数的二项校准等适合该原假设的方法。

零差值、并列与配对结构 ​

实际测量可能有零差值。一个明确的约定是先删除零差值,再对剩余绝对值排名;并列绝对值使用平均秩。条件于这些非零绝对值,只要各差值仍满足独立对称的原假设,所有符号翻转依旧等可能,可直接枚举加权和。若采用其他零值处理约定,必须相应改变统计量和参考分布。

所有差值都为零时,没有可供翻转的非零信息,不能硬算标准化统计量。配对之间需要独立,但同一对内 Xi,Yi 可以相关;正因为保留了配对,才应先作差,Mann–Whitney 秩和检验则以两个独立组的共同分布为零假设,重新分配组标签;拆散原有配对后使用它,会改变校准所依据的设计。

推论与应用

对称性如何给出条件公平符号 ​

对任意正半轴 Borel 集 A,对称性意味着

P(D∈A)=P(D∈−A)=12P(|D|∈A).

这正说明符号与绝对值独立、符号两侧各占一半。各差值独立又让整组符号条件独立。排序只改变符号的标签,不改变这些公平 Bernoulli 变量的联合分布。

所以在无并列时,概率生成函数为

E0zW+=2−n∏r=1n(1+zr).

展开后 zw 的系数就是 P0(W+=w)。例如 n=4 的十一项系数给出上面的精确表。也可逐个加入秩,用“当前不取或取该秩”递推计算系数,而无须列出所有符号字符串。

均值、方差与大样本近似 ​

独立加权硬币给出

E0W+=12∑r=1nr=n(n+1)4,Var0(W+)=14∑r=1nr2=n(n+1)(2n+1)24.

若使用平均秩 r1,…,rk,应直接用条件均值 12∑ri 和条件方差 14∑ri2,而非把无并列表中的 n 换个数就结束。

无并列且 n→∞ 时,令 sn2=14∑r=1nr2。加权项相互独立,却不同分布;可直接用特征函数证明正态极限。中心化标准和的特征函数为

φn(t)=∏r=1ncos(tr2sn).

对固定 t,最大余弦自变量为 O(n−1/2)。当 n 足够大,各因子为正,使用 log⁡cos⁡u=−u2/2+O(u4),以及 ∑r2/(4sn2)=1、∑r4/sn4=O(n−1),便得 log⁡φn(t)=−t2/2+O(n−1)。由 Lévy 连续性定理,

W+−n(n+1)/4n(n+1)(2n+1)/24⇒N(0,1).

正态近似是大样本结果;小样本的离散性应通过精确翻转分布处理。报告时还应说明零值规则、并列规则、单侧方向及是否使用连续性修正。

参考资料
关系图谱14 个相邻概念 · 4 类关系

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