Tag Archives: discrimination

Want to say one thing and the exact oppositive with strong confidence ?

No need to do politics. Just take a statistical course. And I do not talk about misinterpretation of statistics, but I talk about the mathematical foundations of statistical tests.
Consider the following parametric test, with a one-dimensional parameter: http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-01.gif versus http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-02.gif, for some (fixed) http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-03.gif. A standard way of doing such a test is to consider an rejection region http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-05.gif. The test works as follows: consider a sample http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-06.gif,

  • if http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-07.gif, then we accept http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-H0.gif
  • if http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-09.gif, the we reject http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-H0.gif

For instance, consider the case of a Bernoulli sample, with probability http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-62.gif. The standard idea is to define

http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-13.gif

The rejection region is then based on statistic http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-210.gif,

  • if http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-25.gif, then we accept http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-H0.gif
  • if http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-22.gif, the we reject http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-H0.gif

where threshold http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-26.gif is taken so that the probability to make a first type error is http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-28.gif(say 5%) using the Gaussian approximation for z. Here

http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-30.gif

Thus, the acceptation region is then the green area below, while the rejection region is the red one, for http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-210.gif.

Consider now the exact opposite test (with the same http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-03.gif), http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-51.gifversus http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-52.gif. Here, we use the same statistics, and the test is

  • if http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-22.gif, then we accept http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-H0.gif
  • if http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-25.gif, the we reject http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-H0.gif

where now

http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-50.gif

Thus, now, the acceptation region is then the green area below, while the rejection region is the red one.

So if we summarize what we just said,

  • in the region on the left below, both test agree that http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-55.gif
  • in the region on the right below, both test agree that http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-57.gif
  • and in the region in blue, in the middle, the two tests disagree (one claims that http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-55.gif, and the other one that http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-57.gif)

Here is the evolution of the region as a function of http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-56.gif (the size of the sample) when the sample frequency is 20%. With a small sample size, we can hardly say anything.

n=seq(1,100)
p=0.2
x1=p+qnorm(.95)*sqrt(p*(1-p)/n)
x2=p+qnorm(.05)*sqrt(p*(1-p)/n)
plot(n,x1,type="l",ylim=c(0,1))
polygon(c(n,rev(n)),c(x1,rev(x2)),col="light blue",border=NA)
lines(n,x1,lwd=2,col="red")
lines(n,x2,lwd=2,col="red")

One might say that those bounds are based on a Gaussian approximation which is not correct when http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-56.gif is too small. So we can compute exact bounds,
y1=qbinom(.95,size=n,prob=p)/n
y2=qbinom(.05,size=n,prob=p)/n
polygon(c(n,rev(n)),c(y1,rev(y2)),col="blue",border=NA)
lines(n,y1,lwd=2,col="red")
lines(n,y2,lwd=2,col="red")

and we get

This is what we can observe if we use R statistical procedures, either the asymptotic one,

> prop.test(2,10,.5,alternative="less")
 
1-sample proportions test with continuity correction
 
data:  2 out of 10, null probability 0.5
X-squared = 2.5, df = 1, p-value = 0.05692
alternative hypothesis: true p is less than 0.5
95 percent confidence interval:
0.0000000 0.5100219
sample estimates:
p
0.2
 
> prop.test(2,10,.5,alternative="greater")
 
1-sample proportions test with continuity correction
 
data:  2 out of 10, null probability 0.5
X-squared = 2.5, df = 1, p-value = 0.943
alternative hypothesis: true p is greater than 0.5
95 percent confidence interval:
0.04368507 1.00000000
sample estimates:
p
0.2

or a more accurate one

> binom.test(2,10,.5,alternative="less")
 
Exact binomial test
 
data:  2 and 10
number of successes = 2, number of trials = 10, p-value = 0.05469
alternative hypothesis: true probability of success is less than 0.5
95 percent confidence interval:
0.0000000 0.5069013
sample estimates:
probability of success
0.2
 
> binom.test(2,10,.5,alternative="greater")
 
Exact binomial test
 
data:  2 and 10
number of successes = 2, number of trials = 10, p-value = 0.9893
alternative hypothesis: true probability of success is greater than 0.5
95 percent confidence interval:
0.03677144 1.00000000
sample estimates:
probability of success
0.2

Here, when the sample frequency is 20% and http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-56.gif is equal to 10, we accept at the same time that theta is higher than 50% and lower than 50%.
And obviously it is not only a theoretical problem: it has obviously some strong implications. This morning, a good friend mentioned a post published some months ago, online here, about discrimination, and the lack of women with academic positions in mathematics, in France. As claimed by the author of the post“A Paris VI, meilleure université française selon son président, sur 11 postes de maitres de conférences, 5 filles classées premières. Il y a donc des filles excellentes ? A Toulouse, sur 4 postes, 2 filles premières. Parité parfaite. Mais à côté de cela, Bordeaux, 4 postes, 0 fille première. Littoral, 3 postes, 0 fille, Nice, 5 postes, 0 fille, Rennes, 7 postes, 0 fille…”.
Consider the latter one: in Rennes, out of 7 people hired last year, no woman. So in some sense, it looks obvious that there is some kind of discrimination ! Zero out of seven ! Well, if we consider the fact that around 30% of PhD thesis in mathematics were defended by women those years, we can also try to see is there if no “positive discrimination“, i.e. test http://freakonometrics.blog.free.fr/public/perso2/test-lies-60.gif where theta is the probability to hire a woman (just to be a little bit provocative).

> prop.test(0,7,.3,alternative="less")
 
1-sample proportions test with continuity correction
 
data:  0 out of 7, null probability 0.3
X-squared = 1.7415, df = 1, p-value = 0.09347
alternative hypothesis: true p is less than 0.3
95 percent confidence interval:
0.0000000 0.3719021
sample estimates:
p
0
 
Warning message:
In prop.test(0, 7, 0.3, alternative = "less") :
Chi-squared approximation may be incorrect
> binom.test(0,7,.3,alternative="less")
 
Exact binomial test
 
data:  0 and 7
number of successes = 0, number of trials = 7, p-value = 0.08235
alternative hypothesis: true probability of success is less than 0.3
95 percent confidence interval:
0.0000000 0.3481637
sample estimates:
probability of success
0

With no woman hired that year, we can still pretend that there was some kind of “positive discrimination“. An note that we do accept – with more confidence – the assumption of “positive discrimination” if we look at all universities together,

> prop.test(5+2,11+4+4+3+5+7,.3,alternative="less")
 
1-sample proportions test with continuity correction
 
data:  5 + 2 out of 11 + 4 + 4 + 3 + 5 + 7, null probability 0.3
X-squared = 1.021, df = 1, p-value = 0.1561
alternative hypothesis: true p is less than 0.3
95 percent confidence interval:
0.0000000 0.3556254
sample estimates:
p
0.2058824
 
> binom.test(5+2,11+4+4+3+5+7,.3,alternative="less")
 
Exact binomial test
 
data:  5 + 2 and 11 + 4 + 4 + 3 + 5 + 7
number of successes = 7, number of trials = 34, p-value = 0.1558
alternative hypothesis: true probability of success is less than 0.3
95 percent confidence interval:
0.0000000 0.3521612
sample estimates:
probability of success
0.2058824

So obviously, with small sample, almost anything can be claimed !

De la qualité d’un score de classification

Un petit mot sur les courbes dites ROC, pour Receiver Operating Characteristic. Pour cela, on suppose que l’on dispose d’un prédicteur d’un variable prenant des valeurs 0 et 1 (pour simplifier), ou mieux encore “positif” et “négatif”. Peu importe le prédicteur, on peut considérer une régression logistique, une analyse discriminante, un classificateur nonparamétrique…. Bref, pour l’ensemble de nos observations, on a une valeur observée https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/ROC-01.png et une valeur prédite https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/ROC-02.png. En fait, comme je l’expliquais ici, on dispose plus précisément d’un score https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/ROC-03.png. La règle d’affectation est alors simple: on se fixe un seuil https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/ROC-04.png, et

  • si https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/ROC-05.png, alors  https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/ROC-02.png est “positif”
  • si https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/ROC-06.png, alors  https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/ROC-02.png est “négatif”

On peut alors construire une matrice dite de confusion, qui est simplement un table de contingence,

                valeur observée https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/ROC-01.png
valeur prédite
 https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/ROC-02.png
“positif” “négatif”
“positif” TP FP
“négatif” FN TN

où TP désigne les vrais positifs (true positive), TN  les vrais négatifs (true negative),FP désigne les faux positifs (false positive) ou erreur de type I (dans une terminologie de théorie de la décision, ou de théorie des tests), et FN désigne les faux négatifs (false negative) ou erreur de type II.
On peut alors définir toute une batterie d’indicateurs permettant de juger de la qualité de notre prédicteur (ou plutôt de notre score),

  • TPR = TP / P = TP / (TP + FN) appelé sensibilité, correspondant au taux de vrais positifs (true positive rate)
  • FPR = FP / N = FP / (FP + TN) correspondant au taux de faux positifs (false positive rate)
  • ACC = (TP + TN) / (P + N) appelé précision ou accuracy,
  • SPC = TN / N = TN / (FP + TN) = 1 − FPR appelé spécificité ou taux de vrais négatifs (True Negative Rate)
  • PPV = TP / (TP + FP) le taux de positifs prédits (positive predictive value)
  • NPV = TN / (TN + FN) le taux de négatifs prédits (negative predictive value)
  • FDR = FP / (FP + TP) correspondant au false discovery rate

Bref, on convertit cette matrice en probabilités conditionnelles, et beaucoup de notions peuvent être définie en changeant le conditionnement.
On peut aussi essayer de visualiser ces quantités. La représentation graphique la plus connue est probablement la courbe ROC, Receiver Operating Characteristic. L’idée est simple: il s’agit de juger du modèle, indépendmment du seuil s choisi. Ou plutôt de se donner un outils permettant de choisir le seuil s. On définie alors la fonction de sensibilité

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/ROC-07.png

et la fonction de spécificité

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/ROC-08.png

La courbe ROC est alors la courbe

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/ROC-09.pngSi cette courbe coïncide avec la diagonale, c’est que le modèle n’est pas plus performant qu’un modèle aléatoire (où on attribue la classe au hasard). Plus la courbe ROC s’approche du coin supérieur gauche, meilleur est le modèle, car il permet de capturer le plus possible de vrais positifs avec le moins possible de faux positifs. Notons que de part sa construction, la courbe ROC est invariante par toute transformation monotone croissante de la fonction de score (ce qui peut être particulièrement intéressant si on s’amuse à “normaliser” la fonction de score).
De plus, on notera que l’aire sous la courbe ROC doit pouvoir être vu comme une mesure de la qualité de l’ajustement. Le dessin ci-dessous montre la construction de la courbe ROC pour un échantillon discriminé de manière assez simple, par analyse discriminante.

Si on regarde une relecture probabiliste, on obtient la courbe suivante,

Il existe une autre courbe relativement classique, appelée courbe de lift. Cette dernière correspond à la courbe de Lorenz (que j’avais évoquée ici). On pose alors

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/ROC-10.png

et la courbe de lift est alors la courbe https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/ROC-11.png. Là aussi, un calcul d’aire donne un indicateur de la qualité, et on retrouve l’indice de Gini.