Erros e potência de um teste

Erros de tipo I e II, região de não rejeição e cálculo da potência numa alternativa concreta.

TLDR

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Uma regra de teste pode rejeitar uma média correta ou deixar passar uma alteração real. As probabilidades desses erros descrevem o comportamento do procedimento entre repetições do estudo. Não são probabilidades atribuídas à decisão já observada.

Dois erros diferentes

Situação realRejeitar H0H_0Não rejeitar H0H_0
H0H_0 verdadeiraErro de tipo IDecisão correta
Alternativa verdadeiraDecisão corretaErro de tipo II

O nível de significância α\alpha controla a probabilidade de rejeitar uma nula verdadeira; para uma nula composta, o nível é um limite superior dessa probabilidade dentro da nula. Para uma alternativa concreta θ1\theta_1, β(θ1)\beta(\theta_1) é a probabilidade de não rejeitar quando esse valor é o verdadeiro, e a potência é 1−β(θ1)1-\beta(\theta_1).

Não existe um único valor de β\beta para todas as alternativas, porque detetar uma mudança pequena é mais difícil do que detetar uma grande. O valor-p observado também não fornece diretamente β\beta.

A região é escolhida sob a nula

Considera uma amostra normal, σ=8\sigma=8, n=64n=64, e o teste H0:μ=100H_0:\mu=100 contra H1:μ>100H_1:\mu>100, com α=0,05\alpha=0,05. O erro padrão é 1. Rejeitamos quando

Xˉ>100+z0,05(1)≈101,6449.\bar X>100+z_{0,05}(1)\approx101,6449.

O limite foi escolhido para dar 5% de rejeições quando μ=100\mu=100; para calcular a potência noutra média, conservamos a região e mudamos a distribuição usada na probabilidade.

Potência na média alternativa

Se a verdadeira média for 102, Xˉ∼N(102,1)\bar X\sim N(102,1). O erro de tipo II é cair na região de não rejeição:

β(102)=Pμ=102(Xˉ≤101,6449)=Φ(101,6449−102)≈0,3612.\beta(102)=P_{\mu=102}(\bar X\le101,6449) =\Phi(101,6449-102)\approx0,3612.

A potência é aproximadamente 0,63880,6388. A nula é falsa nessa alternativa, mas cerca de 36% das repetições não a rejeitariam.

Se n passar a 256, o erro padrão cai para 0,5. Mantendo α=0,05\alpha=0,05, o novo limite é 100+1,6449(0,5)=100,8224100+1,6449(0,5)=100,8224. Em μ=102\mu=102,

β(102)=Φ(100,8224−1020,5)≈0,0093.\beta(102)=\Phi\left(\frac{100,8224-102}{0,5}\right)\approx0,0093.

A potência sobe para aproximadamente 0,9907. O limite de rejeição mudou para conservar α\alpha; manter o limite antigo seria um procedimento diferente.

Teste bilateral

Se a região de não rejeição for [L,U][L,U], numa alternativa normal de média μ1\mu_1,

β(μ1)=Φ(U−μ1σ/n)−Φ(L−μ1σ/n).\beta(\mu_1)=\Phi\left(\frac{U-\mu_1}{\sigma/\sqrt n}\right)-\Phi\left(\frac{L-\mu_1}{\sigma/\sqrt n}\right).

Usa ambos os limites. Com a nula e amostra anteriores, mas alternativa bilateral, L=98,04L=98,04 e U=101,96U=101,96. Em μ1=102\mu_1=102, β≈0,4840\beta\approx0,4840 e a potência é aproximadamente 0,5160. Em palavras, β\beta é a área da distribuição centrada em μ1\mu_1 que cai dentro de [L,U][L,U], e a potência é a área restante fora desse intervalo. Distribuir α\alpha pelas duas caudas torna mais difícil detetar este aumento do que no teste unilateral previamente justificado.

O que altera a potência

Mantendo o resto, aumentar n ou a dimensão real do efeito aumenta a potência, enquanto reduzir α\alpha exige uma região de rejeição mais extrema e geralmente reduz a potência. Não se pode prometer simultaneamente menos erros de ambos os tipos sem recolher mais informação ou mudar condições do estudo.

Para planeamento de um teste unilateral à direita com σ\sigma conhecido, diferença positiva Δ=μ1−μ0\Delta=\mu_1-\mu_0 e potência pretendida 1−β1-\beta, a potência pretendida exige β(μ1)≤β\beta(\mu_1)\le\beta. Como β(μ1)=Φ(zα−Δn/σ)\beta(\mu_1)=\Phi(z_\alpha-\Delta\sqrt n/\sigma) e o quantil de cauda esquerda β\beta é −zβ-z_\beta, precisamos de

zα−Δnσ≤−zβ.z_\alpha-\frac{\Delta\sqrt n}{\sigma}\le-z_\beta.

Isolando n, obtemos

n≥(σ(zα+zβ)Δ)2.n\ge\left(\frac{\sigma(z_\alpha+z_\beta)}{\Delta}\right)^2.

Por exemplo, para detetar um aumento de 2, com σ=8\sigma=8, α=0,05\alpha=0,05 e potência 80%, z0,2≈0,8416z_{0,2}\approx0,8416. Exige-se n≥98,92n\ge98,92, logo 99 unidades. É um cálculo para esse efeito e esse modelo, não para qualquer alternativa.

Na figura, conserva a média alternativa 102 e compara a área de não rejeição sob essa distribuição. Os dois painéis usam a mesma escala horizontal: aumentar n concentra ambas as distribuições e aproxima o limite de rejeição da média nula.

n = 64; β ≈ 0,36129698100102104106Média amostraln = 256; β ≈ 0,00939698100102104106Média amostral
Traço contínuo: nula de média 100; tracejado: alternativa de média 102. A zona sombreada sob a alternativa representa beta. O limite é recalculado em cada n para manter alfa em 0,05.

Exercícios

Calibrar alfa e calcular potência

A média amostral tem distribuição normal e desvio 1. Um teste de H0:μ=10H_0:\mu=10 contra H1:μ>10H_1:\mu>10 rejeita quando Xˉ>12\bar X>12. Calcula a probabilidade de erro de tipo I sob a nula, o erro de tipo II na alternativa μ=13\mu=13 e a potência nessa alternativa. Usa Φ(2)=0,97725\Phi(2)=0,97725 e Φ(−1)=0,158655\Phi(-1)=0,158655.

Pista

Conserva a região de decisão e muda a média usada na probabilidade.

Solução

Sob a nula, α=P10(Xˉ>12)=1−Φ(2)=0,02275\alpha=P_{10}(\bar X>12)=1-\Phi(2)=0,02275. Na alternativa, não rejeitar significa Xˉ≤12\bar X\le12, logo β(13)=Φ((12−13)/1)=0,158655\beta(13)=\Phi((12-13)/1)=0,158655. A potência é 1−β=0,8413451-\beta=0,841345. O mesmo limite 12 é usado nas duas probabilidades; muda o centro da distribuição. Alfa mede rejeições indevidas sob a nula, beta mede alterações que o teste não deteta nesta alternativa.

Confere a tua resposta:

  • Obtive alfa 0,02275 sob média 10.
  • Obtive beta 0,158655 sob média 13.
  • Obtive potência 0,841345 e distingui os dois erros.
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Mais dados mantendo α

Num teste normal à direita para a média com σ conhecido, alternativa fixa μ1>μ0\mu_1>\mu_0 e α fixo, ao aumentar n explica o que acontece ao erro padrão, ao limite de rejeição em unidades da média e à potência.

Pista

O quantil padronizado conserva-se, mas a escala muda.

Mais uma pista

O limite à direita aproxima-se de μ0.

Solução

O erro padrão diminui. Num teste à direita, o limite aproxima-se de μ0 para manter α fixo. Sob uma média alternativa positiva fixa, uma parcela maior da distribuição cai acima desse limite, aumentando a potência. Conservar o antigo limite alteraria α.

Confere a tua resposta:

  • Explica a redução de σ/√n.
  • Recalcula o limite μ0+zασ/√n num teste à direita.
  • Explica o aumento da potência na alternativa positiva fixa.

Erros frequentes

Não dizer que aumentar n reduz α quando o teste foi recalibrado para o manter.

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