Wielkie odkrycie 1951 — Simpson

Paradoks Simpsona

Rozszerzenie tematu statystyki i interpretacji danych. Trend widoczny w każdej podgrupie może się odwrócić po połączeniu (zagregowaniu) danych — przez ukrytą zmienną zakłócającą i różne liczebności podgrup. Zjawisko opisał Edward Simpson w 1951 r. (wcześniej zauważyli je Pearson i Yule). Ostrzega przed pochopną interpretacją zbiorczych statystyk.

Paradoks Simpsona
Matematyka · Prawdopodobieństwo · Paradoks Simpsona (1951)
Jak patrzysz na te same dane?A wygrywa w obu
Metoda A ma wyższą skuteczność w każdej podgrupie. Po połączeniu wszystkich danych ta przewaga:
A vs B — małe
93% : 87%
A vs B — duże
73% : 69%
A vs B — łącznie
78% : 83%
trend po agregacji
odwrócony
🎯 Wyzwanie: prawda czy fałsz?
seria: 0

Zadam zdanie o tych samych danych (Charig i in., 1986) — oceń, czy jest prawdziwe. Uważaj na pułapkę agregacji.

Co się właśnie stało?

Metoda A leczy skuteczniej w obu podgrupach — małe kamienie (93,1% vs 86,7%) i duże kamienie (73,0% vs 68,8%). Mimo to po połączeniu wszystkich pacjentów wyższą ogólną skuteczność ma metoda B (82,6% vs 78,0%). Trend odwrócił się przy samej zmianie sposobu patrzenia na te same dane. To paradoks Simpsona.

Porównanie proporcji — podgrupy vs całość:

8187>234270oraz192263>5580ale81+19287+263<234+55270+80\tfrac{81}{87}>\tfrac{234}{270}\quad\text{oraz}\quad\tfrac{192}{263}>\tfrac{55}{80}\qquad\text{ale}\qquad\tfrac{81+192}{87+263}<\tfrac{234+55}{270+80}

czyli w procentach: 93,1%>86,7%93{,}1\% > 86{,}7\% i 73,0%>68,8%73{,}0\% > 68{,}8\%, a jednak 78,0%<82,6%78{,}0\% < 82{,}6\%. Nierówność ułamków nie przenosi się na ich „sumę licznikami i mianownikami": ab>cd\tfrac{a}{b}>\tfrac{c}{d} oraz pq>rs\tfrac{p}{q}>\tfrac{r}{s} nie gwarantuje, że a+pb+q>c+rd+s\tfrac{a+p}{b+q}>\tfrac{c+r}{d+s}.

Dlaczego to działa? (niezmiennik)

Agregacja danych może odwrócić trend, gdy podgrupy różnią się liczebnością i rozkładem ukrytej zmiennej zakłócającej. Tutaj ukrytą zmienną jest trudność przypadku: metodę A stosowano głównie do trudnych (dużych) kamieni — 263 z 350 pacjentów (75%), a metodę B głównie do łatwych (małych) — 270 z 350 (77%). Duże kamienie są trudniejsze do wyleczenia bez względu na metodę, więc łączny wynik A „ciągną w dół" właśnie te trudne przypadki. Panel składu grup po prawej stronie pokazuje tę dysproporcję.

Historia paradoksu

Zjawisko opisał Edward H. Simpson w 1951 r., choć zauważyli je wcześniej Karl Pearson (ok. 1899) i George Yule (1903) — stąd też nazwa „efekt Yule'a–Simpsona". Ma ogromne znaczenie praktyczne: ostrzega przed pochopną interpretacją zagregowanych statystyk w medycynie, socjologii, ekonomii i analizie danych. To samo zestawienie liczb potrafi „udowodnić" przeciwstawne wnioski — w zależności od tego, czy patrzymy na całość, czy na podgrupy.

Po co Ci to na maturze:

To lekcja krytycznego myślenia o danych i o proporcjach. Zapamiętaj, że nierówności ułamków nie wolno dodawać „licznik do licznika, mianownik do mianownika". Przy każdej statystyce zbiorczej pytaj: czy nie ukrywa ona istotnego podziału na podgrupy o różnej liczebności?

Zapamiętaj: przewaga widoczna w każdej podgrupie może zniknąć lub odwrócić się po połączeniu danych — winna jest ukryta zmienna zakłócająca i różne liczebności grup. Zawsze pytaj, co kryje zagregowana średnia.

Model poglądowy · Dane: Charig i in., 1986 · Wirtualne laboratorium NexTutor

Spodobał Ci się eksperyment? Udostępnij go.

Jest darmowy — podeślij znajomym ze szkoły.

Teoria i wzory

Treść

Trend obecny w każdej podgrupie może się odwrócić po połączeniu (agregacji) danych.

Mechanizm

Winne są ukryta zmienna zakłócająca oraz różne liczebności łączonych podgrup. Sumowanie liczników i mianowników nie zachowuje nierówności ułamków: a1b1>c1d1  i  a2b2>c2d2 ⇏ a1+a2b1+b2>c1+c2d1+d2\frac{a_1}{b_1}>\frac{c_1}{d_1}\ \text{ i }\ \frac{a_2}{b_2}>\frac{c_2}{d_2}\ \not\Rightarrow\ \frac{a_1+a_2}{b_1+b_2}>\frac{c_1+c_2}{d_1+d_2}

Wniosek

Zbiorcza statystyka bywa myląca — trzeba patrzeć na podgrupy (np. w medycynie czy analizie danych).

Oznaczenia: ułamki ab\tfrac{a}{b} to odsetki (np. skuteczność) w poszczególnych podgrupach.

Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.

Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.

Uczysz w klasie albo korepetujesz? Prowadź uczniów w NexTutor →

Najczęstsze pytania

›

Czy trend z podgrup utrzymuje się po połączeniu danych?

Nie zawsze — może się odwrócić, gdy podgrupy różnią się liczebnością i rozkładem ukrytej zmiennej.

›

Co powoduje paradoks Simpsona?

Ukryta zmienna zakłócająca oraz różne liczebności łączonych podgrup.

›

Dlaczego paradoks Simpsona jest ważny?

Ostrzega przed pochopną interpretacją zagregowanych statystyk w medycynie, socjologii i analizie danych.