Testes de hipóteses
Hipóteses sobre parâmetros, estatísticas de teste, caudas, valor-p e ligação aos intervalos.
Uma máquina deve produzir peças com comprimento médio de 100 mm. Uma amostra de 16 peças tem média de 98,5 mm. A diferença pode resultar da variação amostral ou indicar uma média populacional diferente. O teste avalia a compatibilidade dos dados com uma hipótese, usando um modelo e uma regra de decisão previamente escolhidos.
Formular as hipóteses
é a hipótese nula e é a alternativa; são afirmações sobre parâmetros, não sobre a média já observada.
| Pergunta | de referência | |
|---|---|---|
| A média difere de 100? | ||
| A média é inferior a 100? | ||
| A média é superior a 100? |
Em testes unilaterais pode escrever-se a nula composta ou , respetivamente; para a calibração habitual da estatística normal ou t usa-se a fronteira . A alternativa deve representar a pergunta inicial, pelo que não a escolhes unilateral depois de veres que lado parece favorecer a rejeição.
Estatística e distribuição sob a nula
Para uma média normal com conhecido,
Com desvio desconhecido e população normal,
O valor observado z ou t mede a distância à hipótese em unidades de erro padrão; o sinal conserva a direção. Para duas médias, o mesmo raciocínio aplica-se com o erro padrão e os graus de liberdade de comparar médias, na página seguinte.
Com população não normal e n grande, a estatística com erro padrão estimado pode ser aproximadamente normal. Para amostras pequenas, o teste t requer a condição de normalidade adequada e atenção a extremos.
Valor-p e região crítica
O valor-p é a probabilidade, calculada sob , de resultados pelo menos tão extremos como o observado, segundo a alternativa. Para uma distribuição contínua simétrica de referência com acumulada G,
| Alternativa | Valor-p para estatística observada t |
|---|---|
| Bilateral | |
| À direita | |
| À esquerda |
Fixado o nível , rejeitamos se o valor-p é não superior a . Equivalentemente, para um teste t, rejeita-se quando
- bilateral: ;
- à direita: ;
- à esquerda: .
Numa tabela de caudas direitas, compara com os quantis para enquadrar a área. Se , o valor-p bilateral está entre 0,02 e 0,05. No teste unilateral, usa a cauda no sentido de , não metade do valor bilateral sem olhar para o sinal.
Teste bilateral do comprimento médio
Uma máquina deve produzir peças com comprimento médio 100 mm. Medem-se 16 peças independentes de uma população normal: e . A pergunta é se a média difere de 100, a 5%.
- e .
- é desconhecido, logo usamos t com 15 graus de liberdade.
- e .
- O valor crítico bilateral é . Como , rejeitamos.
- O valor-p é aproximadamente 0,0090. Há evidência, a 5%, de que a média populacional difere de 100 mm; a estimativa observada é inferior em 1,5 mm.
Se a alternativa previamente escolhida fosse , o valor-p seria cerca de 0,0045. Se fosse , seria cerca de 0,9955. Uma estatística negativa não apoia um aumento.
Não rejeitar e relevância prática
Estatística, valor-p e nível de significância
Num teste t bilateral com graus de liberdade fixos, o valor-p depende de . Passar de para aumenta a estatística, mas aproxima-a de zero e aumenta o valor-p. Passar de para também aumenta a estatística, mas afasta-a de zero e reduz o valor-p. Por isso, «a estatística aumenta, logo o valor-p diminui» não é uma regra bilateral.
Mantendo os dados, o modelo e a alternativa, mudar não altera o valor-p. Com , rejeitamos a níveis 0,05 e 0,03, mas não a 0,02 ou 0,01. Mudou o limiar da decisão, não a evidência calculada a partir dos dados. Numa comparação com graus de liberdade diferentes, nem sequer basta comparar os valores absolutos das estatísticas: mudou a distribuição de referência.
Com valor-p 0,08 e , não rejeitamos , ou seja, a evidência é insuficiente para a alternativa neste teste e a igualdade não fica demonstrada. Uma amostra pouco precisa pode deixar diferenças importantes por detetar.
Também não basta escrever «significativo»: apresenta a estimativa e a sua unidade. Uma diferença minúscula pode tornar-se estatisticamente significativa numa amostra enorme. Uma diferença útil pode não ser detetada numa amostra pequena. Causalidade depende do desenho, não do valor-p.
Relação com o intervalo de confiança
Para um teste bilateral e o intervalo construído a partir do mesmo modelo e estatística, rejeitar a 5% equivale a o valor nulo estar fora do intervalo de 95%.
No exemplo, o intervalo t é ; não contém 100, coerente com a rejeição. Um intervalo bilateral de 95% não é o intervalo correspondente a um teste unilateral de 5%, e esta equivalência exige métodos compatíveis: um intervalo de proporção com erro padrão estimado ou ajustamento não é automaticamente a inversão do teste que usa o erro padrão sob a nula.
Exercícios
A direção muda o valor-p
Num teste normal à direita, a estatística observada é z=−1,5. Calcula o valor-p.
Pista
Usa a cauda à direita do valor observado, mesmo sendo negativo.
Solução
O valor-p é aproximadamente 0,933193. Um resultado negativo não fornece evidência de aumento. O valor bilateral seria cerca de 0,133614.
Erros frequentes
Não usar metade do valor bilateral ignorando o sinal e a alternativa.
Três níveis de significância
Um teste bilateral tem valor-p=0,024. Indica a decisão para α igual a 0,01, 0,02 e 0,05. Explica o que a não rejeição não permite afirmar.
Pista
Compara o mesmo valor-p com cada α.
Solução
Não rejeitamos a 1% ou 2%; rejeitamos a 5%. O nível mais permissivo aceita maior risco de tipo I. Não rejeitar significa que a evidência é insuficiente naquele nível, ou seja, a igualdade não fica demonstrada.
Confere a tua resposta:
- Não rejeita a 1% nem a 2%.
- Rejeita a 5%.
- Não interpreta a não rejeição como prova de H0.
Erros frequentes
Não dizer que a probabilidade de H0 ser verdadeira é 0,024.
Intervalo e teste bilateral
Um IC t de 95% para μ1−μ2 é [−4;−1]. Para o teste bilateral compatível H0:μ1−μ2=0, qual a decisão a 5% e a 10%? Pode dizer-se que a diferença é positiva?
Pista
Usa a correspondência entre teste e intervalo do mesmo procedimento.
Solução
Rejeitamos a 5% e também a 10%. O intervalo aponta para μ1 inferior a μ2. Não apoia uma diferença positiva. A correspondência exige teste bilateral e o mesmo procedimento de inferência.
Confere a tua resposta:
- Rejeita a 5% porque zero está fora do intervalo.
- Também rejeita a 10%.
- Interpreta a diferença como negativa, segundo a ordem μ1−μ2.
Erros frequentes
Não aplicar esta equivalência automaticamente a um teste unilateral ou a outro método de intervalo.
Hipótese bilateral e aumento da amostra
Uma máquina deve produzir peças com média 100 mm. Dezasseis peças independentes de população normal dão média 98,5 mm e desvio amostral 4 mm. Testa contra a 5%, usando e valor-p 0,1544. Num segundo estudo independente com 64 peças, obtêm-se a mesma média e o mesmo desvio. Usa e valor-p 0,0039. Compara as decisões e a dimensão estimada da diferença.
Pista
Compara erros padrão antes dos valores-p.
Solução
No primeiro estudo, e . Como e , não rejeitamos. No segundo, e . Agora e , pelo que rejeitamos. A diferença estimada continua a ser mm; mudou a precisão, não o tamanho observado do efeito. A não rejeição no primeiro estudo não demonstrava igualdade.
Confere a tua resposta:
- Calculei erros padrão 1 e 0,5.
- Obtive t=−1,5 e t=−3 com os graus correspondentes.
- Não rejeitei no primeiro estudo e rejeitei no segundo.
- Mantive a diferença estimada de −1,5 mm nos dois estudos.
A estatística aumentou dos dois lados
Dois pares de resultados de testes t bilaterais usam sempre 20 graus de liberdade. No primeiro par, a estatística passa de −3 para −1; no segundo, de 1 para 3. Em ambos, o seu valor numérico aumentou. O que acontece ao valor-p em cada par? Para um resultado já calculado, mudar o nível de significância de 5% para 1% também muda o valor-p?
Pista
Compara valores absolutos com os mesmos graus; separa o limiar da decisão da evidência calculada.
Solução
No primeiro par, desce de 3 para 1: a área das duas caudas além de aumenta, logo p aumenta. No segundo, sobe de 1 para 3 e p diminui. Por simetria, −3 e 3 dão o mesmo p bilateral, tal como −1 e 1, com os mesmos graus. O sinal sozinho não ordena a extremidade bilateral.
Mudar o nível de significância só altera o limiar com que se compara p. Mantendo dados, modelo e alternativa, o valor-p continua igual. Já mudar a alternativa para unilateral altera quais resultados contamos como extremos e constitui outro teste.
Confere a tua resposta:
- Compara os valores absolutos mantendo os graus de liberdade.
- Conclui que p aumenta de −3 para −1 e diminui de 1 para 3.
- Separa a mudança de α da mudança de dados ou do teste.