两独立样本率优效性检验
两样本率分别用 \(\hat{p}_1\) 和 \(\hat{p}_2\) 表示,优效界值用 \(\delta\) 表示。
对于高优指标(\(\delta > 0\)),统计学假设如下:
\[
\begin{align}
H_0 &: p_1 - p_2 \leqslant \delta \\
H_1 &: p_1 - p_2 \gt \delta
\end{align}
\]
对于低优指标(\(\delta < 0\)),统计学假设如下:
\[
\begin{align}
H_0 &: p_1 - p_2 \geqslant \delta \\
H_1 &: p_1 - p_2 \lt \delta
\end{align}
\]
以下推导过程在边界条件 \(p_1 - p_2 = \delta\) 下进行。
Z-Test Pooled
假设 \(\bar{p}\) 表示合并总体率,则:
\[
\bar{p} = \frac{n_1 \hat{p}_1 + n_2 \hat{p}_2}{n_1 + n_2}
\]
在 \(H_0\) 成立时,两样本的方差可以用 \(\bar{p}\) 来表示:
\[
\operatorname{Var}(\hat{p}_1 - \hat{p}_2) = \frac{\bar{p}(1-\bar{p})}{n_1} + \frac{\bar{p}(1-\bar{p})}{n_2} = \bar{p}(1-\bar{p}) \left(\frac{1}{n_1} + \frac{1}{n_2}\right)
\]
Warning
事实上,\(H_0\) 成立时,其边界条件 \(p_1 = p_2 + \delta\),两组总体率不相等,强行将两组率进行合并是不合适的,实际应用中建议使用 Z-test Unpooled。
可构建 \(z\) 统计量:
\[
z = \frac{\hat{p}_1 - \hat{p}_2 - \delta}{\sqrt{\bar{p}(1-\bar{p}) \left(\frac{1}{n_1} + \frac{1}{n_2}\right)}} \sim N(0,1)
\]
在 \(H_1\) 成立时,两样本率差的方差如下:
\[
\operatorname{Var}(\hat{p}_1 - \hat{p}_2) = \frac{p_1(1-p_1)}{n_1} + \frac{p_2(1-p_2)}{n_2}
\]
可构建 \(z'\) 统计量:
\[
z' = \frac{\hat{p}_1 - \hat{p}_2 - \delta}{\sqrt{\bar{p}(1-\bar{p}) \left(\frac{1}{n_1} + \frac{1}{n_2}\right)}}
\sim N\left(\frac{p_1 - p_2 - \delta}
{\sqrt{\bar{p}(1-\bar{p}) \left(\frac{1}{n_1} + \frac{1}{n_2}\right)}}, \
\frac{\frac{p_1(1-p_1)}{n_1} + \frac{p_2(1-p_2)}{n_2}}
{\bar{p}(1-\bar{p}) \left(\frac{1}{n_1} + \frac{1}{n_2}\right)}
\right)
\]
样本量公式推导
根据标准正态分布分位数的定义:
\[
\frac{z_{1-\alpha} \sqrt{\bar{p}(1-\bar{p}) \left(\frac{1}{n_1} + \frac{1}{n_2}\right)} \pm (p_1-p_2-\delta)}{\sqrt{\frac{p_1(1-p_1)}{n_1} + \frac{p_2(1-p_2)}{n_2}}} = z_\beta
\]
设 \(n_1 = kn_2\),由上式可解出
\[
n_2 = \frac{\left(z_{1-\alpha} \sqrt{\bar{p}(1-\bar{p})(1/k+1)} + z_{1-\beta} \sqrt{p_1(1-p_1)/k + p_2(1-p_2)}\right)^2}{(p_1-p_2-\delta)^2}
\]
\[
n_1 = k n_2
\]
Z-Test Pooled with Continuity Correction
在 Z-Test Pooled 的基础上,添加校正项。
定义:
\[
c = \frac{1}{2}\left(\frac{1}{n_1}+\frac{1}{n_2}\right)
\]
校正项的符号由检验方向决定,左侧检验时,校正项为 \(+c\),右侧检验时,校正项为 \(-c\)。
在 \(H_0\) 成立时,可构建 \(z\) 统计量:
\[
z = \frac{\hat{p}_1 - \hat{p}_2 - \delta \pm c}{\sqrt{\bar{p}(1-\bar{p}) \left(\frac{1}{n_1} + \frac{1}{n_2}\right)}} \sim N(0,1)
\]
在 \(H_1\) 成立时,可构建 \(z'\) 统计量:
\[
z' = \frac{\hat{p}_1 - \hat{p}_2 - \delta \pm c}{\sqrt{\bar{p}(1-\bar{p}) \left(\frac{1}{n_1} + \frac{1}{n_2}\right)}}
\sim N\left(\frac{p_1 - p_2 - \delta \pm c}{\sqrt{\bar{p}(1-\bar{p})\left(\frac{1}{n_1} + \frac{1}{n_2}\right)}},
\frac{\frac{p_1(1-p_1)}{n_1} + \frac{p_2(1-p_2)}{n_2}}{\bar{p}(1-\bar{p})\left(\frac{1}{n_1} + \frac{1}{n_2}\right)}
\right)
\]
Z-Test Unpooled
在 \(H_0\) 成立时,可构建 \(z\) 统计量:
\[
z = \frac{\hat{p}_1 - \hat{p}_2 - \delta}{\sqrt{\frac{p_1(1-p_1)}{n_1} + \frac{p_2(1-p_2)}{n_2}}} \sim N(0,1)
\]
在 \(H_1\) 成立时,可构建 \(z'\) 统计量:
\[
z' = \frac{\hat{p}_1 - \hat{p}_2 - \delta}{\sqrt{\frac{p_1(1-p_1)}{n_1} + \frac{p_2(1-p_2)}{n_2}}} \sim N\left(\frac{p_1 - p_2 - \delta}{\sqrt{\frac{p_1(1-p_1)}{n_1} + \frac{p_2(1-p_2)}{n_2}}}, \ 1\right)
\]
样本量公式推导
根据标准正态分布分位数的定义:
\[
z_{1-\alpha} \pm \frac{(p_1 - p_2 - \delta)}{\sqrt{\frac{p_1(1-p_1)}{n_1} + \frac{p_2(1-p_2)}{n_2}}} = z_\beta
\]
设 \(n_1 = kn_2\),由上式可解出:
\[
n_2 = \frac{\left(z_{1-\alpha} + z_{1-\beta}\right)^2 \left[ p_1(1-p_1)/k + p_2(1-p_2) \right]}{(p_1-p_2-\delta)^2}
\]
\[
n_1 = k n_2
\]
Z-Test Unpooled with Continuity Correction
在 Z-Test Unpooled 的基础上,添加校正项。
定义:
\[
c = \frac{1}{2}\left(\frac{1}{n_1}+\frac{1}{n_2}\right)
\]
校正项的符号由检验方向决定,左侧检验时,校正项为 \(+c\),右侧检验时,校正项为 \(-c\)。
在 \(H_0\) 成立时,可构建 \(z\) 统计量:
\[
z = \frac{\hat{p}_1 - \hat{p}_2 - \delta \pm c}{\sqrt{\frac{p_1(1-p_1)}{n_1} + \frac{p_2(1-p_2)}{n_2}}} \sim N(0,1)
\]
在 \(H_1\) 成立时,可构建 \(z'\) 统计量:
\[
z' = \frac{\hat{p}_1 - \hat{p}_2 - \delta \pm c}{\sqrt{\frac{p_1(1-p_1)}{n_1} + \frac{p_2(1-p_2)}{n_2}}} \sim N\left(\frac{p_1 - p_2 - \delta + c}{\sqrt{\frac{p_1(1-p_1)}{n_1} + \frac{p_2(1-p_2)}{n_2}}}, \ 1\right)
\]