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7/27/2019 Lectures on Biostatistics-ocr4.PDF 123
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S T A T 6 2 0 0 | I n t r o d u c t i o n t o B i o s t a t i s t i c s
L e c t u r e N o t e s
I n t r o d u c t i o n *
S t a t i s t i c s a n d B i o s t a t i s t i c s :
T h e e l d o f s t a t i s t i c s : T h e s t u d y a n d u s e o f t h e o r y a n d m e t h o d s f o r t h e
a n a l y s i s o f d a t a a r i s i n g f r o m r a n d o m p r o c e s s e s o r p h e n o m e n a . T h e s t u d y
o f h o w w e m a k e s e n s e o f d a t a .
T h e e l d o f s t a t i s t i c s p r o v i d e s s o m e o f t h e m o s t f u n d a m e n t a l t o o l s
a n d t e c h n i q u e s o f t h e s c i e n t i c m e t h o d :
{ f o r m i n g h y p o t h e s e s ,
{ d e s i g n i n g e x p e r i m e n t s a n d o b s e r v a t i o n a l s t u d i e s ,
{ g a t h e r i n g d a t a ,
{ s u m m a r i z i n g d a t a ,
{ d r a w i n g i n f e r e n c e s f r o m d a t a ( e . g . , t e s t i n g h y p o t h e s e s )
A s t a t i s t i c ( r a t h e r t h a n t h e e l d o f \ s t a t i s t i c s " ) a l s o r e f e r s t o a
n u m e r i c a l q u a n t i t y c o m p u t e d f r o m s a m p l e d a t a ( e . g . , t h e m e a n , t h e
m e d i a n , t h e m a x i m u m ) .
R o u g h l y s p e a k i n g , t h e e l d o f s t a t i s t i c s c a n b e d i v i d e d i n t o
M a t h e m a t i c a l S t a t i s t i c s : t h e s t u d y a n d d e v e l o p m e n t o f s t a t i s t i c a l
t h e o r y a n d m e t h o d s i n t h e a b s t r a c t a n d
A p p l i e d S t a t i s t i c s : t h e a p p l i c a t i o n o f s t a t i s t i c a l m e t h o d s t o s o l v e r e a l
p r o b l e m s i n v o l v i n g r a n d o m l y g e n e r a t e d d a t a , a n d t h e d e v e l o p m e n t
o f n e w s t a t i s t i c a l m e t h o d o l o g y m o t i v a t e d b y r e a l p r o b l e m s .
* R e a d C h . 1 o f o u r t e x t .
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B i o s t a t i s t i c s i s t h e b r a n c h o f a p p l i e d s t a t i s t i c s d i r e c t e d t o w a r d a p p l i c a -
t i o n s i n t h e h e a l t h s c i e n c e s a n d b i o l o g y .
B i o s t a t i s t i c s i s s o m e t i m e s d i s t i n g u i s h e d f r o m t h e e l d o f b i o m e t r y
b a s e d u p o n w h e t h e r a p p l i c a t i o n s a r e i n t h e h e a l t h s c i e n c e s ( b i o -
s t a t i s t i c s ) o r i n b r o a d e r b i o l o g y ( b i o m e t r y e . g . , a g r i c u l t u r e , e c o l o g y ,
w i l d l i f e b i o l o g y ) .
O t h e r b r a n c h e s o f ( a p p l i e d ) s t a t i s t i c s : p s y c h o m e t r i c s , e c o n o m e t r i c s ,
c h e m o m e t r i c s , a s t r o s t a t i s t i c s , e n v i r o n m e t r i c s , e t c .
W h y b i o s t a t i s t i c s ? W h a t ' s t h e d i e r e n c e ?
B e c a u s e s o m e s t a t i s t i c a l m e t h o d s a r e m o r e h e a v i l y u s e d i n h e a l t h
a p p l i c a t i o n s t h a n e l s e w h e r e ( e . g . , s u r v i v a l a n a l y s i s , l o n g i t u d i n a l d a t a
a n a l y s i s ) .
B e c a u s e e x a m p l e s a r e d r a w n f r o m h e a l t h s c i e n c e s .
{ M a k e s s u b j e c t m o r e a p p e a l i n g t o t h o s e i n t e r e s t e d i n h e a l t h .
{ I l l u s t r a t e s h o w t o a p p l y m e t h o d o l o g y t o s i m i l a r p r o b l e m s e n -
c o u n t e r e d i n r e a l l i f e .
W e w i l l e m p h a s i z e t h e m e t h o d s o f d a t a a n a l y s i s , b u t s o m e b a s i c t h e o r y
w i l l a l s o b e n e c e s s a r y t o e n h a n c e u n d e r s t a n d i n g o f t h e m e t h o d s a n d t o
a l l o w f u r t h e r c o u r s e w o r k .
M a t h e m a t i c a l n o t a t i o n a n d t e c h n i q u e s a r e n e c e s s a r y ! ( N o a p o l o g i e s . )
W e w i l l s t u d y w h a t t o d o a n d h o w t o d o i t , b u t a l s o v e r y i m p o r t a n t i s w h y
t h e m e t h o d s a r e a p p r o p r i a t e a n d w h a t a r e t h e c o n c e p t s j u s t i f y i n g t h o s e
m e t h o d s .
T h e l a t t e r ( t h e w h y ) w i l l g e t y o u f u r t h e r t h a n t h e f o r m e r ( t h e w h a t ) .
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D a t a *
D a t a T y p e s :
D a t a a r e o b s e r v a t i o n s o f r a n d o m v a r i a b l e s m a d e o n t h e e l e m e n t s o f a
p o p u l a t i o n o r s a m p l e .
D a t a a r e t h e q u a n t i t i e s ( n u m b e r s ) o r q u a l i t i e s ( a t t r i b u t e s ) m e a s u r e d
o r o b s e r v e d t h a t a r e t o b e c o l l e c t e d a n d / o r a n a l y z e d .
T h e w o r d \ d a t a " i s p l u r a l , \ d a t u m " i s s i n g u l a r !
A c o l l e c t i o n o f d a t a i s o f t e n c a l l e d a d a t a s e t ( s i n g u l a r ) .
E x a m p l e | L o w B i r t h W e i g h t I n f a n t D a t a
A p p e n d i x B o f o u r t e x t c o n t a i n s a d a t a s e t c a l l e d l o w b w t c o n t a i n -
i n g m e a s u r e m e n t s a n d o b s e r v e d a t t r i b u t e s o n 1 0 0 l o w b i r t h w e i g h t
i n f a n t s b o r n i n t w o t e a c h i n g h o s p i t a l s i n B o s t o n , M A .
T h e v a r i a b l e s m e a s u r e d h e r e a r e
s b p = s y s t o l i c b l o o d p r e s s u r e
s e x = g e n d e r ( 1 = m a l e , 0 = f e m a l e )
t o x = m a t e r n a l d i a g n o s i s o f t o x e m i a ( 1 = y e s , 0 = n o )
g r m h e m = w h e t h e r i n f a n t h a d a g e r m i n a l m a t r i x h e m o r r h a g e ( 1 = y e s , 0 = n o )
g e s t a g e = g e s t a t i o n a l a g e ( w e e k s )
a p g a r 5 = A p g a r s c o r e ( m e a s u r e s o x y g e n d e p r i v a t i o n ) a t 5 m i n u t e s a f t e r b i r t h
D a t a a r e r e p r o d u c e d o n t h e t o p o f t h e f o l l o w i n g p a g e .
* R e a d C h . 2 o f o u r t e x t .
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T h e r e a r e 6 v a r i a b l e s h e r e ( s b p , s e x , e t c . ) m e a s u r e d o n 1 0 0
u n i t s / e l e m e n t s / s u b j e c t s ( t h e i n f a n t s ) o f a r a n d o m s a m p l e o f s i z e 1 0 0 .
A n o b s e r v a t i o n c a n r e f e r t o t h e v a l u e o f a s i n g l e v a r i a b l e f o r a p a r -
t i c u l a r s u b j e c t , b u t m o r e c o m m o n l y i t r e f e r s t o t h e o b s e r v e d v a l u e s
o f a l l v a r i a b l e s m e a s u r e d o n a p a r t i c u l a r s u b j e c t .
{ T h e r e a r e 1 0 0 o b s e r v a t i o n s h e r e .
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T y p e s o f V a r i a b l e s :
V a r i a b l e t y p e s c a n b e d i s t i n g u i s h e d b a s e d o n t h e i r s c a l e . T y p i c a l l y , d i e r -
e n t s t a t i s t i c a l m e t h o d s a r e a p p r o p r i a t e f o r v a r i a b l e s o f d i e r e n t s c a l e s .
S c a l e C h a r a c t e r i s t i c Q u e s t i o n E x a m p l e s
N o m i n a l I s A d i e r e n t t h a n B ? M a r i t a l s t a t u s
E y e c o l o r
G e n d e r
R e l i g i o u s a l i a t i o n
R a c e
O r d i n a l I s A b i g g e r t h a n B ? S t a g e o f d i s e a s e
S e v e r i t y o f p a i n
L e v e l o f s a t i s f a c t i o n
I n t e r v a l B y h o w m a n y u n i t s d o A a n d B d i e r ? T e m p e r a t u r e
S A T s c o r e
R a t i o H o w m a n y t i m e s b i g g e r t h a n B i s A ? D i s t a n c e
L e n g t h
T i m e u n t i l d e a t h
W e i g h t
O p e r a t i o n s t h a t m a k e s e n s e f o r v a r i a b l e s o f d i e r e n t s c a l e s :
O p e r a t i o n s t h a t m a k e s e n s e
A d d i t i o n / M u l t i p l i c a t i o n /
S c a l e C o u n t i n g R a n k i n g S u b t r a c t i o n D i v i s i o n
N o m i n a l
p
O r d i n a l
p p
I n t e r v a l
p p p
R a t i o
p p p p
O f t e n , t h e d i s t i n c t i o n b e t w e e n i n t e r v a l a n d r a t i o s c a l e s c a n b e i g -
n o r e d i n s t a t i s t i c a l a n a l y s e s . D i s t i n c t i o n b e t w e e n t h e s e t w o t y p e s
a n d o r d i n a l a n d n o m i n a l a r e m o r e i m p o r t a n t .
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A n o t h e r w a y t o d i s t i n g u i s h b e t w e e n t y p e s o f v a r i a b l e s i s a s q u a n t i t a t i v e
o r q u a l i t a t i v e .
Q u a l i t a t i v e v a r i a b l e s h a v e v a l u e s t h a t a r e i n t r i n s i c a l l y n o n n u m e r i c
( c a t e g o r i c a l ) .
{ E . g . , C a u s e o f d e a t h , n a t i o n a l i t y , r a c e , g e n d e r , s e v e r i t y o f p a i n
( m i l d , m o d e r a t e , s e v e r e ) .
{ Q u a l i t a t i v e v a r i a b l e s g e n e r a l l y h a v e e i t h e r n o m i n a l o r o r d i n a l
s c a l e s .
{ Q u a l i t a t i v e v a r i a b l e s c a n b e r e a s s i g n e d n u m e r i c v a l u e s ( e . g . ,
m a l e = 0 , f e m a l e = 1 ) , b u t t h e y a r e s t i l l i n t r i n s i c a l l y q u a l i t a t i v e .
Q u a n t i t a t i v e v a r i a b l e s h a v e v a l u e s t h a t a r e i n t r i n s i c a l l y n u m e r i c .
{ E . g . , s u r v i v a l t i m e , s y s t o l i c b l o o d p r e s s u r e , n u m b e r o f c h i l d r e n
i n a f a m i l y , h e i g h t , a g e , b o d y m a s s i n d e x .
Q u a n t i t a t i v e v a r i a b l e s c a n b e f u r t h e r s u b d i v i d e d i n t o d i s c r e t e a n d c o n -
t i n u o u s v a r i a b l e s .
D i s c r e t e v a r i a b l e s h a v e a s e t o f p o s s i b l e v a l u e s t h a t i s e i t h e r n i t e o r
c o u n t a b l y i n n i t e .
{ E . g . , n u m b e r o f p r e g n a n c i e s , s h o e s i z e , n u m b e r o f m i s s i n g t e e t h .
{ F o r a d i s c r e t e v a r i a b l e t h e r e a r e g a p s b e t w e e n i t s p o s s i b l e v a l -
u e s . D i s c r e t e v a l u e s o f t e n t a k e i n t e g e r ( w h o l e n u m b e r s ) v a l u e s
( e . g . , c o u n t s ) , b u t s o m e d i s c r e t e v a r i a b l e s c a n t a k e n o n - i n t e g e r
v a l u e s .
A c o n t i n u o u s v a r i a b l e h a s a s e t o f p o s s i b l e v a l u e s i n c l u d i n g a l l v a l u e s
i n a n i n t e r v a l o f t h e r e a l l i n e .
{ E . g . , d u r a t i o n o f a s e i z u r e , b o d y m a s s i n d e x , h e i g h t .
{ N o g a p s b e t w e e n p o s s i b l e v a l u e s .
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S u p p o s e t h a t i n t h e c o n t r o l g r o u p o n l y 1 m o u s e d e v e l o p s a t u m o r . I s t h i s
e v i d e n c e o f a c a r c i n o g e n i c e e c t ?
M a y b e , b u t t h e r e ' s s t i l l a p r o b l e m :
W h a t i f t h e m i c e i n t h e 2 g r o u p s d i e r s y s t e m a t i c a l l y ? E . g . , g r o u p
1 f r o m g e n e t i c s t r a i n 1 , g r o u p 2 f r o m g e n e t i c s t r a i n 2 .
H e r e , w e d o n ' t k n o w w h e t h e r s a c c h a r i n e i s c a r c i n o g e n i c , o r i f g e n e t i c s t r a i n
1 i s s i m p l y m o r e s u s c e p t i b l e t o t u m o r s .
W e s a y t h a t t h e e e c t s o f g e n e t i c s t r a i n a n d s a c c h a r i n e a r e c o n -
f o u n d e d ( m i x e d u p ) .
S o l u t i o n : S t a r t i n g w i t h 5 0 r e l a t i v e l y h o m o g e n e o u s ( s i m i l a r ) m i c e , r a n -
d o m l y a s s i g n 2 5 t o t h e s a c c h a r i n e t r e a t m e n t , a n d 2 5 t o t h e c o n t r o l t r e a t -
m e n t .
R a n d o m i z a t i o n a n e x t r e m e l y i m p o r t a n t a s p e c t o f e x p e r i m e n t a l d e -
s i g n .
{ I n t h e s a c c h a r i n e e x a m p l e , w e s h o u l d s t a r t o u t w i t h 5 0 h o m o g e -
n e o u s m i c e , b u t o f c o u r s e t h e y w i l l d i e r s o m e . R a n d o m i z a t i o n
e n s u r e s t h a t t h e t w o e x p e r i m e n t a l g r o u p s w i l l b e p r o b a b i l i s t i -
c a l l y a l i k e w i t h r e s p e c t t o a l l n u i s a n c e v a r i a b l e s ( p o t e n t i a l
c o n f o u n d e r s ) . E . g . , t h e d i s t r i b u t i o n o f b o d y w e i g h t s s h o u l d b e
a b o u t t h e s a m e i n t h e t w o g r o u p s .
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A n o t h e r i m p o r t a n t c o n c e p t , e s p e c i a l l y i n h u m a n e x p e r i m e n t a t i o n , i s b l i n d -
i n g .
A n e x p e r i m e n t i s b l i n d i f t h e s u b j e c t s d o n ' t k n o w w h i c h t r e a t m e n t
t h e y r e c e i v e .
E . g . , s u p p o s e w e r a n d o m i z e 2 5 o f 5 0 m i g r a i n e s u e r e r s t o a n a c t i v e
d r u g a n d t h e r e m a i n i n g 2 5 t o a p l a c e b o c o n t r o l t r e a t m e n t .
{ E x p e r i m e n t i s b l i n d i f p i l l s i n t h e t w o t r e a t m e n t g r o u p s l o o k
a n d t a s t e i d e n t i c a l a n d s u b j e c t s a r e n o t t o l d w h i c h t r e a t m e n t
t h e y r e c e i v e .
{ T h i s g u a r d s a g a i n s t t h e p l a c e b o e e c t .
A n e x p e r i m e n t i s d o u b l e - b l i n d i f t h e r e s e a r c h e r w h o a d m i n i s t e r s
t h e t r e a t m e n t s a n d m e a s u r e s t h e r e s p o n s e d o e s n o t k n o w w h i c h t r e a t -
m e n t i s a s s i g n e d .
{ G u a r d s a g a i n s t e x p e r i m e n t e r e e c t s . ( E x p e r i m e n t e r m a y
b e h a v e d i e r e n t l y t o w a r d t h e s u b j e c t s i n t h e t w o g r o u p s , o r
m e a s u r e t h e r e s p o n s e d i e r e n t l y i n t h e t w o g r o u p s . )
E x p e r i m e n t s a r e t o b e c o n t r a s t e d w i t h o b s e r v a t i o n a l s t u d i e s .
N o i n t e r v e n t i o n .
D a t a c o l l e c t e d o n a n e x i s t i n g s y s t e m .
{ L e s s e x p e n s i v e .
{ E a s i e r l o g i s t i c a l l y .
{ M o r e o f t e n e t h i c a l l y p r a c t i c a l .
{ I n t e r v e n t i o n s o f t e n n o t p o s s i b l e .
E x p e r i m e n t s h a v e m a n y a d v a n t a g e s a n d a r e s t r o n g l y p r e f e r r e d w h e n
p o s s i b l e . H o w e v e r , e x p e r i m e n t s a r e r a r e l y f e a s i b l e i n p u b l i c h e a l t h / e p i d e m i o
{ I n h e a l t h s c i e n c e s / m e d i c i n e , e x p e r i m e n t s i n v o l v i n g h u m a n s a r e
c a l l e d c l i n i c a l t r i a l s .
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T y p e s o f O b s e r v a t i o n a l S t u d i e s :
1 . C a s e s t u d i e s o r c a s e s e r i e s .
{ A d e s c r i p t i v e a c c o u n t o f i n t e r e s t i n g c h a r a c t e r i s t i c s ( e . g . , s y m p -
t o m s ) o b s e r v e d i n a s i n g l e c a s e ( s u b j e c t w i t h d i s e a s e ) o r i n a
s a m p l e o f c a s e s .
{ T y p i c a l l y a r e u n p l a n n e d a n d d o n ' t i n v o l v e a n y r e s e a r c h h y -
p o t h e s e s . N o c o m p a r i s o n g r o u p .
{ P o o r d e s i g n , b u t c a n g e n e r a t e r e s e a r c h h y p o t h e s e s f o r s u b s e -
q u e n t i n v e s t i g a t i o n .
2 . C a s e - c o n t r o l s t u d y .
{ C o n d u c t e d r e t r o s p e c t i v e l y ( b y l o o k i n g i n t o p a s t ) .
{ T w o t y p e s o f s u b j e c t s i n c l u d e d :
c a s e s = s u b j e c t s w i t h t h e d i s e a s e / o u t c o m e o f i n t e r e s t
c o n t r o l s = s u b j e c t s w i t h o u t t h e d i s e a s e / o u t c o m e
{ H i s t o r y o f t w o g r o u p s i s e x a m i n e d t o d e t e r m i n e w h i c h s u b j e c t s
w e r e e x p o s e d t o , o r o t h e r w i s e p o s s e s s e d , a p r i o r c h a r a c t e r i s t i c .
A s s o c i a t i o n b e t w e e n e x p o s u r e a n d d i s e a s e t h e n q u a n t i e d .
{ C o n t r o l s a r e o f t e n m a t c h e d t o c a s e s b a s e d o n s i m i l a r c h a r a c -
t e r i s t i c s .
A d v a n t a g e s :
{ U s e f u l f o r s t u d y i n g r a r e d i s e a s e .
{ U s e f u l f o r s t u d y i n g d i s e a s e s w i t h l o n g l a t e n c y p e r i o d s .
{ C a n e x p l o r e s e v e r a l p o t e n t i a l r i s k f a c t o r s ( e x p o s u r e s ) f o r d i s -
e a s e s i m u l t a n e o u s l y .
{ C a n u s e e x i s t i n g d a t a s o u r c e s - c h e a p , q u i c k , e a s y t o c o n d u c t .
D i s a d v a n t a g e s :
{ P r o n e t o m e t h o d o l o g i c a l e r r o r s a n d b i a s e s .
{ D e p e n d e n t o n h i g h q u a l i t y r e c o r d s .
{ D i c u l t t o s e l e c t a n a p p r o p r i a t e c o n t r o l g r o u p .
{ M o r e d i c u l t s t a t i s t i c a l m e t h o d s r e q u i r e d f o r p r o p e r a n a l y s i s .
1 0
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3 . C r o s s - s e c t i o n a l S t u d i e s .
C o l l e c t d a t a f r o m a g r o u p o f s u b j e c t s a t o n e p o i n t i n t i m e .
S o m e t i m e s c a l l e d p r e v a l e n c e s t u d i e s , d u e t o t h e i r f o c u s o n a s i n g l e
p o i n t i n t i m e .
A d v a n t a g e s :
{ O f t e n b a s e d o n a s a m p l e o f t h e g e n e r a l p o p u l a t i o n , n o t j u s t
p e o p l e s e e k i n g m e d i c a l c a r e .
{ C a n b e c a r r i e d o u t o v e r a r e l a t i v e l y s h o r t p e r i o d o f t i m e .
D i s a d v a n t a g e s :
{ D i c u l t t o s e p a r a t e c a u s e a n d e e c t b e c a u s e m e a s u r e m e n t o f
e x p o s u r e a n d d i s e a s e a r e m a d e a t o n e p o i n t i n t i m e , s o i t m a y
n o t b e p o s s i b l e t o d e t e r m i n e w h i c h c a m e r s t .
{ A r e b i a s e d t o w a r d d e t e c t i n g c a s e s w i t h d i s e a s e o f l o n g d u r a t i o n
a n d c a n i n v o l v e m i s c l a s s i c a t i o n s o f c a s e s i n r e m i s s i o n o r u n d e r
e e c t i v e m e d i c a l t r e a t m e n t .
{ S n a p s h o t i n t i m e c a n b e m i s l e a d i n g i n a v a r i e t y o f o t h e r w a y s .
1 1
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4 . C o h o r t S t u d i e s .
{ U s u a l l y c o n d u c t e d p r o s p e c t i v e l y ( f o r w a r d i n t i m e ) .
{ A c o h o r t i s a g r o u p o f p e o p l e w h o h a v e s o m e t h i n g i n c o m m o n
a t a p a r t i c u l a r p o i n t i n t i m e a n d w h o r e m a i n p a r t o f t h e g r o u p
t h r o u g h t i m e .
{ A c o h o r t o f d i s e a s e - f r e e s u b j e c t s a r e s e l e c t e d a n d t h e i r e x p o s u r e
s t a t u s e v a l u a t e d a t t h e s t a r t o f t h e s t u d y .
{ T h e y a r e t h e n f o l l o w e d t h r o u g h t i m e i n o r d e r t o o b s e r v e w h o
d e v e l o p s d i s e a s e . A s s o c i a t i o n b e t w e e n e x p o s u r e s ( r i s k f a c t o r s )
a n d d i s e a s e a r e t h e n q u a n t i e d .
A d v a n t a g e s :
{ U s e f u l w h e n e x p o s u r e o f i n t e r e s t i s r a r e .
{ C a n e x a m i n e m u l t i p l e e e c t s ( e . g . , d i s e a s e s ) o f a s i n g l e e x p o -
s u r e .
{ C a n e l u c i d a t e t e m p o r a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n e x p o s u r e a n d d i s -
e a s e , t h e r e b y g e t t i n g c l o s e r t o c a u s a t i o n .
{ A l l o w s d i r e c t m e a s u r e m e n t o f i n c i d e n c e o f d i s e a s e .
{ M i n i m i z e s b i a s i n a s c e r t a i n m e n t o f e x p o s u r e .
D i s a d v a n t a g e s :
{ I n e c i e n t f o r s t u d y i n g r a r e d i s e a s e s .
{ G e n e r a l l y r e q u i r e s a l a r g e n u m b e r o f s u b j e c t s .
{ E x p e n s i v e a n d t i m e - c o n s u m i n g .
{ S u b j e c t s c a n b e l o s t t o f o l l o w - u p ( d r o p o u t o f s t u d y ) l e a d i n g
t o b i a s .
C o h o r t s t u d i e s c a n a l s o b e c o n d u c t e d r e t r o s p e c t i v e l y b y i d e n t i f y i n g
a c o h o r t i n p r e s e n t , d e t e r m i n i n g e x p o s u r e s t a t u s i n p a s t , a n d t h e n
d e t e r m i n i n g s u b s e q u e n t d i s e a s e o c c u r r e n c e b e t w e e n t i m e o f e x p o s u r e
a n d p r e s e n t t h r o u g h h i s t o r i c a l r e c o r d s .
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I n t h i s e x a m p l e w e h a v e a l s o t a b u l a t e d t h e c u m u l a t i v e f r e q u e n c y a n d
t h e c u m u l a t i v e r e l a t i v e f r e q u e n c y . T h e c u m u l a t i v e f r e q u e n c y s i m p l y
c o u n t s t h e n u m b e r o f o b s e r v a t i o n s t h e c u r r e n t v a l u e ( o r c u r r e n t
b i n i f t h e d a t a a r e b i n n e d ) .
{ T h e c u m u l a t i v e r e l a t i v e f r e q u e n c y e x p r e s s e s t h e s a m e i n f o r m a -
t i o n a s a p e r c e n t b y m u l t i p l y i n g b y
1 0 0 %
n
.
G r a p h s :
F r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n s c a n o f t e n b e d i s p l a y e d e e c t i v e l y u s i n g g r a p h i c a l
m e a n s s u c h a s t h e b a r c h a r t , p i e c h a r t , o r h i s t o g r a m .
P i e c h a r t s a r e u s e f u l f o r d i s p l a y i n g t h e r e l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n
o f a n o m i a n l v a r i a b l e . H e r e i s a n e x a m p l e c r e a t e d i n M i n i t a b o f t h e
r e l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n o f t h e s c h o o l a l i a t i o n o f s t u d e n t s i n
t h i s c l a s s .
A l e g e n d , o r k e y i s i m p o r t a n t i n m a n y d i e r e n t g r a p h t y p e s , b u t i s
e s p e c i a l l y c r u c i a l i n a p i e c h a r t .
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A o n e - w a y s c a t t e r p l o t i s j u s t a p l o t o f t h e r e a l l i n e w i t h t i c k m a r k s , o r
s o m e t i m e s d o t s , a t e a c h o b s e r v e d v a l u e o f t h e v a r i a b l e . H e r e i s a o n e - w a y
s c a t t e r p l o t , o r d o t p l o t , f o r t h e S I D S d a t a
A n o t h e r p l o t u s e f u l f o r s u m m a r i z i n g t h e d i s t r i b u t i o n o f a s i n g l e v a r i a b l e
i s t h e b o x p l o t .
A b o x p l o t s u m m a r i z e s t h e d i s t r i b u t i o n o f a v a r i a b l e b y l o c a t i n g t h e 2 5 t h ,
5 0 t h a n d 7 5 t h p e r c e n t i l e s o f t h e d a t a , p l u s t w o a d j a c e n t v a l u e s .
A p
t h
p e r c e n t i l e o f a d a t a s e t i s a n u m b e r s u c h t h a t a t l e a s t p % o f
t h e d a t a a r e t h i s v a l u e a n d a t l e a s t 1 0 0 ; p % o f t h e v a l u e s a r e
t h i s v a l u e .
{ T h e m e d i a n i s t h e 5 0
t h
p e r c e n t i l e .
{ T h e 2 5
t h
, 5 0
t h
a n d 7 5
t h
p e r c e n t i l e s a r e s o m e t i m e s c a l l e d t h e
r s t , s e c o n d , a n d t h i r d q u a r t i l e s o f t h e d a t a .
T h e b o x i n a b o x p l o t e x t e n d s f r o m t h e 2 5 t h t o t h e 7 5 t h p e r c e n t i l e s
o f t h e d a t a . T h e l i n e i n t h e b o x l o c a t e s t h e m e d i a n .
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H e r e i s a b o x p l o t f o r t h e S I D S d a t a . T h i s b o x p l o t a l s o i n c l u d e s a o n e - w a y
s c a t t e r p l o t o f t h e d a t a .
T h e l i n e s e x t e n d i n g o n e i t h e r s i d e o f t h e b o x a r e c a l l e d w h i s k e r s .
T h e y i n d i c a t e r o u g h l y t h e e x t e n t o f t h e d a t a .
{ T h e w h i s k e r s s o m e t i m e s e x t e n d t o t h e 1 0 t h a n d 9 0 t h p e r -
c e n t i l e s .
{ I n M i n i t a b ' s i m p l e m e n t a t i o n o f a b o x p l o t , h o w e v e r , t h e w h i s k e r s
e x t e n d t o t h e a d j a c t e n t v a l u e s , w h i c h a r e d e n e d t o b e t h e m o s t
e x t r e m e v a l u e s i n t h e d a t a s e t t h a t a r e n o t m o r e t h a n 1 . 5 t i m e s
t h e w i d t h o f t h e b o x b e y o n d e i t h e r q u a r t i l e .
{ T h e w i d t h o f t h e b o x i s t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e r s t a n d t h i r d
q u a r t i l e . T h i s d i s t a n c e i s c a l l e d t h e i n t e r q u a r t i l e r a n g e .
T h e t e r m o u t l i e r i s u s e d t o r e f e r t o d a t a p o i n t s t h a t a r e n o t t y p i c a l
o f t h e r e s t o f t h e v a l u e s . E x a c t l y w h a t c o n s t i t u t e s \ n o t t y p i c a l " i s
s o m e w h a t c o n t r o v e r s i a l , b u t o n e w a y t o d e n e a n o u t l i e r i s a s a p o i n t
b e y o n d t h e a d j a c e n t v a l u e s .
{ B a s e d o n t h i s d e n i t i o n t h e r e a r e f o u r l a r g e o u t l i e r s i n t h e S I D S
d a t a ( m a r k e d b y * ' s ) a n d n o s m a l l o u t l i e r s .
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F o r d i s p l a y i n g t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n a q u a n t i t a t i v e v a r i a b l e a n d a q u a l -
i t a t i v e v a r i a b l e , s i d e - b y - s i d e b o x p l o t s o r s u p e r i m p o s e d f r e q u e n c y p o l y g o n s
c a n b e u s e f u l .
T h e m o s t u s e f u l g r a p h i c a l t o o l f o r d i s p l a y i n g t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t w o
q u a n t i t a t i v e v a r i a b l e s i s a t w o - w a y s c a t t e r p l o t . H e r e i s o n e t h a t d i s p l a y s
s y s t o l i c b l o o d p r e s s u r e v s . g e s t a t i o n a l a g e f o r t h e l o w b i r t h w e i g h t d a t a .
L i n e g r a p h s a r e u s e f u l w h e n a v a r i a b l e i s m e a s u r e d a t e a c h o f m a n y c o n -
s e c u t i v e p o i n t s i n t i m e ( o r s o m e o t h e r d i m e n s i o n l i k e d e p t h o f t h e o c e a n ) .
I n s u c h a s i t u a t i o n i t i s u s e f u l t o c o n s t r u c t a s c a t t e r p l o t w i t h t h e m e a s u r e d
v a r i a b l e o n t h e v e r t i c a l a x i s a n d t i m e o n t h e h o r i z o n t a l . C o n n e c t i n g t h e
p o i n t s g i v e s a s e n s e o f t h e t i m e t r e n d a n d a n y o t h e r t e m p o r a l p a t t e r n ( e . g . ,
s e a s o n a l i t y ) .
A b o v e i s a l i n e g r a p h d i s p l a y i n g U S L i f e E x p e c t a n c i e s o v e r t i m e .
M a l e a n d f e m a l e l i f e e x p e c t a n c i e s a r e p l o t t e d o n t h e s a m e g r a p h
h e r e .
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M e a s u r e s o f L o c a t i o n :
M e a n : T h e s a m p l e m e a n m e a s u r e s t h e l o c a t i o n o r c e n t r a l t e n d e n c y
o f t h e o b s e r v a t i o n s i n t h e s a m p l e . F o r a s a m p l e x
1
: : : x
n
, t h e m e a n i s
d e n o t e d b y x a n d i s c o m p u t e d v i a t h e f o r m u l a
x =
1
n
( x
1
+ x
2
+ + x
n
) =
1
n
n
X
i = 1
x
i
:
T h e m e a n g i v e s t h e p o i n t o f b a l a n c e f o r a h i s t o g r a m o f t h e s a m p l e
v a l u e s a n d i s a e c t e d b y e v e r y v a l u e i n t h e s a m p l e .
S a m p l e m e a n f o r a g e a t d e a t h , S I D S c a s e s :
x =
1
7 8
7 8
X
i = 1
x
i
=
1
7 8
( 2 2 5 + 1 7 4 + + 4 4 ) = 9 9 : 2 9
T h e p o p u l a t i o n m e a n i s t h e s a m e q u a n t i t y c o m p u t e d o n a l l t h e e l e -
m e n t s i n t h e p o p u l a t i o n .
{ I n t h e S I D S e x a m p l e , t h e p o p u l a t i o n i s n o t c l e a r l y d e n e d . W e
m a y t h i n k o f t h e S I D S c a s e s i n 1 9 7 6 { 7 7 i n K i n g C o . W a s h i n g -
t o n a s r e p r e s e n t a t i v e o f t h e e n t i r e U S o r o f s i m i l a r m e t r o p o l i t a n
a r e a s i n t h e U S a t t h a t p o i n t i n t i m e , o r a s r e p r e s e n t a t i v e o f
K i n g C o u n t y a t p o i n t s i n t i m e o t h e r t h a n 1 9 7 6 { 7 7 .
T h e m e a n i s n o t a n a p p r o p r i a t e m e a s u r e f o r o r d i n a l o r n o m i a n l v a r i -
a b l e s .
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M e d i a n : O n e f e a t u r e o f t h e m e a n t h a t i s s o m e t i m e s u n d e s i r a b l e i s t h a t
i t i s a e c t e d b y e v e r y v a l u e i n t h e d a t a s e t . I n p a r t i c u l a r , t h i s m e a n s t h a t
i t i s s e n s i t i v e t o e x t r e m e v a l u e s , w h i c h a t t i m e s m a y n o t b e t y p i c a l o f t h e
d a t a s e t a s a w h o l e .
T h e m e d i a n d o e s n o t h a v e t h i s f e a t u r e , a n d i s t h e r e f o r e s o m e t i m e s
m o r e a p p r o p r i a t e f o r c o n v e y i n g t h e \ t y p i c a l " v a l u e i n a d a t a s e t .
T h e m e d i a n i s d e n e d a s t h e 5 0
t h
p e r c e n t i l e o r m i d d l e v a l u e o f a d a t a s e t .
T h a t i s , t h e m e d i a n i s a v a l u e s u c h t h a t a t l e a s t h a l f o f t h e d a t a a r e g r e a t e r
t h a n o r e q u a l t o i t a n d a t l e a s t h a l f a r e l e s s t h a n o r e q u a l t o i t .
I f n i s o d d , t h i s d e n i t i o n l e a d s t o a u n i q u e m e d i a n w h i c h i s a n
o b s e r v e d v a l u e i n t h e d a t a s e t .
E . g . , 9 h e a l t h i n s u r a n c e c l a i m s ( d o l l a r a m o u n t s ) :
d a t a : 1 1 0 0 1 9 0 0 6 0 0 8 9 0 6 9 0 8 9 0 0 0 0 3 8 0 1 2 0 0 1 0 5 0
s o r t e d d a t a : 3 8 0 6 0 0 6 9 0 8 9 0 1 0 5 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 9 0 0 8 9 0 0 0 0
) m e d i a n = 1 0 5 0 w h e r e a s t h e m e a n = 9 9 7 5 6 : 6 7
I f n i s e v e n , t h e r e a r e t w o \ m i d d l e v a l u e s " a n d e i t h e r m i d d l e v a l u e o r
a n y n u m b e r i n b e t w e e n w o u l d s a t i s f y t h e d e n i t i o n . B y c o n v e n t i o n
w e t a k e t h e a v e r a g e o f t h e t w o m i d d l e v a l u e s .
s o r t e d d a t a : 6 0 0 6 9 0 8 9 0 1 0 5 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 9 0 0 8 9 0 0 0 0
) m e d i a n = ( 1 0 5 0 + 1 1 0 0 ) = 2 = 1 0 7 5
N o t i c e t h a t t h e m e d i a n i s u n a e c t e d b y t h e s i z e o f t h e l a r g e s t c l a i m .
T h e m e d i a n i s a p p r o p r i a t e f o r o r d i n a l q u a l i t a t i v e d a t a a s w e l l a s
q u a n t i t a t i v e d a t a .
2 8
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R a n g e : T h e r a n g e i s s i m p l e t h e m a x i m u m v a l u e m i n u s t h e m i n i m u m
v a l u e i n t h e d a t a s e t :
r a n g e = m a x ; m i n :
T h e r a n g e o f t h e 9 i n s u r a n c e c l a i m s w a s 8 9 0 0 0 0 ; 3 8 0 = 8 8 9 6 2 0 .
I n t e r - q u a r t i l e R a n g e : T h e r a n g e o n l y d e p e n d s u p o n t h e m i n i m u m a n d
m a x i m u m , s o i t i s h e a v i l y i n u e n c e d b y t h e e x t r e m e s .
T h a t i s , t h e r a n g e m a y n o t r e e c t t h e s p r e a d i n m o s t o f t h e d a t a .
T h e i n t e r - q u a r t i l e r a n g e i s t h e d i e r e n c e b e t w e e n t h e t h i r d q u a r t i l e ( 7 5 t h
% ' i l e ) a n d t h e r s t q u a r t i l e ( 2 5 t h % ' i l e ) . T h a t i s ,
I Q R = Q
3
;Q
1
:
F o r t h e i n s u r a n c e c l a i m d a t a , w e c o m p u t e d t h e 7 5 t h % ' i l e a s Q
3
=
1 2 0 0 . T o g e t t h e 2 5 t h p e r c e n t i l e , i = p n = 1 0 0 = 2 5 9 = 1 0 0 = 2 : 2 5 .
R o u n d i n g u p , w e t a k e t h e t h i r d s m a l l e s t v a l u e , o r Q
1
= 6 9 0 . T h u s
I Q R = $ 1 2 0 0 ; $ 6 9 0 = $ 5 1 0 :
3 2
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O n e w a y t o m e a s u r e s p r e a d i s t o c a l c u l a t e t h e m e a n a n d t h e n d e t e r m i n e
h o w f a r e a c h o b s e r v a t i o n i s f r o m t h e m e a n .
M e a n : x =
1
n
9
X
i = 1
x
i
=
1
9
( 1 1 0 0 + 1 9 0 0 + + 1 0 5 0 ) = 9 9 7 5 6 : 6 7 :
H o w f a r a n o b s e r v a t i o n i s f r o m t h e m e a n i s q u a n t i e d b y t h e d i e r e n c e
b e t w e e n t h a t o b s e r v a t i o n a n d t h e m e a n : x
i
; x . I n t h e e n t i r e d a t a s e t , w e
h a v e 9 o f t h e s e :
x
1
; x x
2
; x : : : x
9
; x :
O n e i d e a i s t o c o m p u t e t h e a v e r a g e o f t h e s e d e v i a t i o n s f r o m t h e m e a n .
T h a t i s , c o m p u t e
1
9
f ( x
1
; x ) + ( x
2
; x ) + + ( x
9
; x ) g =
1
9
9
X
i = 1
( x
i
; x ) :
P r o b l e m :
P
n
i = 1
( x
i
; x ) = 0 ( a l w a y s ! ) .
D e v i a t i o n s f r o m t h e m e a n a l w a y s n e c e s s a r i l y s u m t o z e r o . T h e p o s -
i t i v e a n d n e g a t i v e v a l u e s c a n c e l e a c h o t h e r o u t .
S o l u t i o n : M a k e a l l o f t h e d e v i a t i o n s f r o m t h e m e a n p o s i t i v e b y s q u a r i n g
t h e m b e f o r e a v e r a g i n g .
T h a t i s , c o m p u t e
( x
1
; x )
2
( x
2
; x )
2
: : : ( x
9
; x )
2
a n d t h e n a v e r a g e . T h i s g i v e s t h e q u a n t i t y
1
9
9
X
i = 1
( x
i
; x )
2
= 7 8 0 6 0 7 3 3 5 7 8 :
3 4
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I f x
1
x
2
: : : x
9
i s t h e e n t i r e p o p u l a t i o n , t h e n x = , t h e p o p u l a t i o n m e a n ,
a n d t h e p o p u l a t i o n s i z e i s N = 9 . I n t h i s c a s e , o u r f o r m u l a b e c o m e s
1
N
N
X
i = 1
( x
i
; )
2
w h i c h i s c a l l e d t h e p o p u l a t i o n v a r i a n c e o f x
1
: : : x
N
, a n d i s u s u a l l y
d e n o t e d b y
2
.
W h y i s t h i s c a l l e d
2
r a t h e r t h a n ? W h y t h e 2 e x p o n e n t ?
B e c a u s e t h i s i s t h e a v e r a g e s q u a r e d d e v i a t i o n f r o m t h e m e a n ( i n t h e c l a i m s
d a t a e x a m p l e , t h e u n i t s o f t h i s q u a n t i t y a r e s q u a r e d d o l l a r s ) .
T o p u t t h e v a r i a n c e o n t h e s a m e s c a l e a s t h e o r i g i n a l d a t a , w e s o m e -
t i m e s p r e f e r t o w o r k w i t h t h e p o p u l a t i o n s t a n d a r d d e v i a t i o n
w h i c h i s d e n o t e d a s a n d i s j u s t t h e s q u a r e r o o t o f t h e p o p u l a t i o n
v a r i a n c e
2
:
p o p u l a t i o n s t a n d a r d d e v i a t i o n : =
p
2
=
v
u
u
t
1
N
N
X
i = 1
( x
i
; )
2
:
S u p p o s e n o w t h a t x
1
: : : x
n
a r e s a m p l e v a l u e s .
H o w d o w e c o m p u t e a s a m p l e v a r i a n c e t o e s t i m a t e t h e p o p u l a t i o n
v a r i a n c e ,
2
?
W e c o u l d s i m p l y u s e
1
n
P
n
i = 1
( x
i
;x )
2
. H o w e v e r , f o r r e a s o n s w e ' l l d i s c u s s
l a t e r , i t t u r n s o u t t h a t i t i s b e t t e r t o d e n e t h e s a m p l e v a r i a n c e a s
s a m p l e v a r i a n c e : s
2
=
1
n ; 1
n
X
i = 1
( x
i
; x )
2
T h e s a m p l e s t a n d a r d d e v i a t i o n i s s i m p l y t h e s q u a r e r o o t o f t h i s q u a n -
t i t y :
s a m p l e s t a n d a r d d e v i a t i o n : s =
p
s
2
=
v
u
u
t
1
n ; 1
n
X
i = 1
( x
i
; x )
2
:
3 5
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M e a n a n d V a r i a n c e ( o r S D ) f o r G r o u p e d D a t a :
E x a m p l e { L e a d C o n t e n t i n B o s t o n D r i n k i n g W a t e r
C o n s i d e r t h e f o l l o w i n g d a t a o n t h e l e a d c o n t e n t ( m g / l i t e r ) i n 1 2
s a m p l e s o f d r i n k i n g w a t e r i n t h e c i t y o f B o s t o n , M A .
d a t a : : 0 3 5 : 0 6 0 : 0 5 5 : 0 3 5 : 0 3 1 : 0 3 9 : 0 3 8 : 0 4 9 : 0 7 3 : 0 4 7 : 0 3 1 : 0 1 6
s o r t e d d a t a : : 0 1 6 : 0 3 1 : 0 3 1 : 0 3 5 : 0 3 5 : 0 3 8 : 0 3 9 : 0 4 7 : 0 4 9 : 0 5 5 : 0 6 0 : 0 7 3
N o t i c e t h a t t h e r e a r e s o m e v a l u e s h e r e t h a t o c c u r m o r e t h a n o n c e .
C o n s i d e r h o w t h e m e a n i s c a l c u l a t e d i n s u c h a s i t u a t i o n :
x =
: 0 1 6 + : 0 3 1 + : 0 3 1 + : 0 3 5 + : 0 3 5 + : 0 3 8 + + : 0 7 3
1 2
= : 0 4 2
=
: 0 1 6 ( 1 ) + : 0 3 1 ( 2 ) + : 0 3 5 ( 2 ) + : 0 3 8 ( 1 ) + + : 0 7 3 ( 1 )
( 1 ) + ( 2 ) + ( 2 ) + ( 1 ) +
+ ( 1 )
=
P
k
i = 1
m
i
f
i
P
k
i = 1
f
i
w h e r e
k = t h e n u m b e r o f d i s t i n c t v a l u e s i n t h e d a t a
m
i
= t h e i
t h
d i s t i n c t v a l u e
f
i
= t h e f r e q u e n c y w i t h w h i c h m
i
o c c u r s
S i m i l a r l y , c o n s i d e r t h e s a m p l e v a r i a n c e :
s
2
=
( : 0 1 6 ; : 0 4 2 )
2
+ ( : 0 3 1 ; : 0 4 2 )
2
+ ( : 0 3 1 ; : 0 4 2 )
2
+ ( : 0 3 5 ; : 0 4 2 )
2
+ ( : 0 3 5 ; : 0 4 2 )
2
+
+ ( : 0 7 3 ; : 0 4 2 )
2
= ( 1 2 ; 1 ) = : 0 1 5
=
( : 0 1 6 ; : 0 4 2 )
2
( 1 ) + ( : 0 3 1 ; : 0 4 2 )
2
( 2 ) + ( : 0 3 5 ; : 0 4 2 )
2
( 2 ) + + ( : 0 7 3 ; : 0 4 2 )
2
( 1 )
( 1 ) + ( 2 ) + ( 2 ) + + ( 1 ) ] ; 1
=
P
k
i = 1
( m
i
; x )
2
f
i
P
k
i = 1
f
i
] ; 1
3 8
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A n o t h e r E x a m p l e : A p g a r S c o r e s o f L o w B i r t h w e i g h t I n f a n t s
H e r e i s a f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n o f t h e A p g a r s c o r e s f o r 1 0 0 l o w
b i r t h w e i g h t i n f a n t s i n d a t a s e t l o w b w t .
A p g a r S c o r e F r e q u e n c y
0 6
1 1
2 3
3 4
4 5
5 1 0
6 1 1
7 2 3
8 2 4
9 1 3
T o t a l = 1 0 0
U s i n g t h e f o r m u l a f o r t h e m e a n f o r g r o u p e d d a t a w e h a v e
x =
P
k
i = 1
m
i
f
i
P
k
i = 1
f
i
=
0 ( 6 ) + 1 ( 1 ) + 2 ( 3 ) +
+ 9 ( 1 3 )
1 0 0
= 6 : 2 5
w h i c h a g r e e s w i t h t h e v a l u e w e r e p o r t e d p r e v i o u s l y f o r t h e s e d a t a .
S i m i l a r l y , t h e s a m p l e S D i s
s =
v
u
u
t
P
k
i = 1
( m
i
; x )
2
f
i
P
k
i = 1
f
i
] ; 1
=
r
( 0
;6 : 2 5 )
2
( 6 ) + ( 1
;6 : 2 6 )
2
( 1 ) + ( 2
;6 : 2 5 )
2
( 3 ) +
+ ( 9
;6 : 2 5 )
2
( 1 3 )
1 0 0 ; 1
= 2 : 4 3
3 9
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T h e z - s c o r e g i v e s u s t h i s k i n d o f i n f o r m a t i o n .
z
i
=
x
i
; x
s
w h e r e
x
i
= v a l u e o f t h e v a r i a b l e o f i n t e r e s t f o r s u b j e c t i ,
x = s a m p l e m e a n
s = s a m p l e s t a n d a r d d e v i a t i o n
C a s e 1 : z =
2 5 ; 1 9 : 8 3
1 0
= : 5 1 7 . F r e d ' s B M I i s . 5 1 7 S D ' s a b o v e t h e m e a n .
C a s e 2 : z =
2 5 ; 1 9 : 8 3
2
= 2 : 5 8 5 . F r e d ' s B M I i s 2 . 5 8 5 S D ' s a b o v e t h e m e a n .
F r o m N C H S d a t a , t h e t r u e S D f o r 1 5 y e a r o l d b o y s i s s = 3 : 4 3 . S o ,
F r e d ' s B M I i s z =
2 5 ; 1 9 : 8 3
3 : 4 3
= 1 : 5 1 S D ' s a b o v e t h e m e a n .
H o w e x t r e m e i s a z s c o r e o f 2 ? 3 ? - 1 . 5 ?
A n e x a c t a n s w e r t o t h i s q u e s t i o n d e p e n d s u p o n t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e
v a r i a b l e y o u a r e i n t e r e s t e d i n .
H o w e v e r , a p a r t i a l a n s w e r t h a t a p p l i e s t o a n y v a r i a b l e i s p r o v i d e d b y
C h e b y c h e v ' s i n e q u a l i t y .
4 1
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C h e b y c h e v ' s T h e o r e m : A t l e a s t
;
1 ;
1
k
2
1 0 0 % o f t h e v a l u e s o f a n y v a r i -
a b l e m u s t b e w i t h i n k S D s o f t h e m e a n , f o r a n y k > 1 .
T h i s r e s u l t s i m p l i e s ( f o r e x a m p l e ) :
A t l e a s t 7 5 % o f t h e o b s e r v a t i o n s m u s t b e w i t h i n 2 S D s , s i n c e f o r
k = 2
1 ;
1
k
2
1 0 0 % =
1 ;
1
2
2
1 0 0 % =
1 ;
1
4
1 0 0 % = 7 5 % :
{ F o r t h e B M I e x a m p l e , w e ' d e x p e c t a t l e a s t 7 5 % o f 1 5 y e a r o l d
m a l e s t o h a v e B M I s b e t w e e n x ; 2 s = 1 9 : 8 3 ; 2 ( 3 : 4 3 ) = 1 2 : 9 7
a n d x + 2 s = 1 9 : 8 3 + 2 ( 3 : 4 3 ) = 2 6 : 6 9 .
A t l e a s t 8 9 % o f t h e o b s e r v a t i o n s m u s t b e w i t h i n 3 S D s , s i n c e f o r
k = 3
1 ;
1
k
2
1 0 0 % =
1 ;
1
3
2
1 0 0 % =
1 ;
1
9
1 0 0 % = 8 9 % :
{ F o r t h e B M I e x a m p l e , w e ' d e x p e c t a t l e a s t 8 9 % o f 1 5 y e a r o l d
m a l e s t o h a v e B M I s b e t w e e n x ; 3 s = 1 9 : 8 3 ; 3 ( 3 : 4 3 ) = 9 : 5 4
a n d x + 3 s = 1 9 : 8 3 + 3 ( 3 : 4 3 ) = 3 0 : 1 2 .
N o t e t h a t C h e b y c h e v ' s T h m j u s t g i v e s a l o w e r b o u n d o n t h e p e r -
c e n t a g e f a l l i n g w i t h i n k S D s o f t h e m e a n . A t l e a s t 7 5 % s h o u l d f a l l
w i t h i n 2 S D s , b u t p e r h a p s m o r e .
{ S i n c e i t o n l y g i v e s a b o u n d a n d n o t a m o r e e x a c t s t a t e m e n t
a b o u t a d i s t r i b u t i o n , C h e b y c h e v ' s T h m i s o f l i m i t e d p r a c t i c a l
v a l u e .
4 2
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W e c a n m a k e a m u c h m o r e p r e c i s e s t a t e m e n t i f w e k n o w t h a t t h e d i s t r i b u -
t i o n o f t h e v a r i a b l e i n w h i c h w e ' r e i n t e r e s t i s b e l l - s h a p e d . T h a t i s , s h a p e d
r o u g h l y l i k e t h i s :
A bell-shaped distribution for X, say
x=value of X
Frequen
cydensity
ofx
-2 0 2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
Another bell-shaped distribution for Y, say
y=value of Y
Frequen
cydensity
ofy
-2 0 2
0.1
0.2
0.3
T h i n k o f t h e a b o v e p i c t u r e s a s i d e a l i z e d h i s t o g r a m s a s t h e s a m p l e
s i z e g r o w s t o w a r d i n n i t y .
O n e p a r t i c u l a r b e l l - s h a p e d d i s t r i b u t i o n i s t h e n o r m a l d i s t r i b u t i o n ,
w h i c h i s a l s o k n o w n a s t h e G a u s s i a n d i s t r i b u t i o n .
{ T h e n o r m a l d i s t r i b u t i o n i s p a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t i n s t a t i s t i c s ,
b u t i t i s n o t t h e o n l y p o s s i b l e b e l l - s h a p e d d i s t r i b u t i o n . T h e
d i s t r i b u t i o n a b o v e l e f t i s n o r m a l , t h e o n e a b o v e r i g h t i s s i m i l a r ,
b u t n o t e x a c t l y n o r m a l ( n o t i c e d i e r e n c e i n t h e t a i l s ) .
4 3
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F o r d a t a t h a t f o l l o w t h e n o r m a l d i s t r i b u t i o n , t h e f o l l o w i n g p r e c i s e s t a t e -
m e n t s c a n b e m a d e :
E x c a t l y 6 8 % o f t h e o b s e r v a t i o n s l i e w i t h i n 1 S D o f t h e m e a n .
E x a c t l y 9 5 % o f t h e o b s e r v a t i o n s l i e w i t h i n 2 S D s o f t h e m e a n .
E x a c t l y 9 9 . 7 % o f t h e o b s e r v a t i o n s l i e w i t h i n 3 S D s o f t h e m e a n .
I n f a c t , f o r n o r m a l l y d i s t r i b u t e d d a t a w e c a n c a l c u l a t e t h e p e r c e n t a g e o f
t h e o b s e r v a t i o n s t h a t f a l l i n a n y r a n g e w h a t s o e v e r .
T h i s i s v e r y h e l p f u l i f w e k n o w o u r d a t a a r e n o r m a l l y d i s t r i b u t e d .
H o w e v e r , e v e n i f t h e d a t a a r e n ' t k n o w n t o b e e x a c t l y n o r m a l , b u t a r e
k n o w n t o b e b e l l - s h a p e d , t h e n t h e e x a c t r e s u l t s s t a t e d a b o v e w i l l b e a p -
p r o x i m a t e l y t r u e . T h i s i s k n o w n a s t h e e m p i r i c a l r u l e .
E m p i r i c a l r u l e : f o r d a t a f o l l o w i n g a b e l l - s h a p e d d i s t r i b u t i o n :
A p p r o x i m a t e l y 6 8 % o f t h e o b s e r v a t i o n s w i l l f a l l w i t h 1 S D o f t h e
m e a n .
A p p r o x i m a t e l y 9 5 % o f t h e o b s e r v a t i o n s w i l l f a l l w i t h 2 S D s o f t h e
m e a n .
N e a r l y a l l o f t h e o b s e r v a t i o n s w i l l f a l l w i t h 3 S D s o f t h e m e a n .
4 4
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B M I s o f 1 5 Y e a r - o l d B o y s :
A t a g e 1 5 , s u p p o s e t h a t B M I f o l l o w s a n a p p r o x i m a t e l y b e l l - s h a p e d
d i s t r i b u t i o n .
{ T h e n w e w o u l d e x p e c t a p p r o x i m a t e l y 6 8 % o f 1 5 y e a r o l d b o y s
t o h a v e B M I s f a l l i n g i n t h e i n t e r v a l ( 1 6 : 4 0 2 3 : 2 6 ) = x 1 s .
F r e d ' s B M I w a s 2 5 , s o h i s B M I i s m o r e e x t r e m e t h a n t w o - t h i r d s
o f b o y s h i s a g e .
{ W e w o u l d e x p e c t 9 5 % o f 1 5 y e a r - o l d b o y s t o h a v e B M I s f a l l i n g
i n t h e i n t e r v a l ( 1 2 : 9 7 2 6 : 6 9 ) = x 2 s a n d n e a r l y a l l t o f a l l i n
t h e i n t e r v a l ( 9 : 5 4 3 0 : 1 2 ) = x
3 s . ( C o m p a r e t h e s e r e s u l t s w i t h
t h e C h e b y c h e v b o u n d s ) .
I n f a c t , B M I i s p r o b a b l y n o t q u i t e b e l l - s h a p e d f o r 1 5 y e a r o l d s . I t
m a y b e f o r 5 y e a r o l d s , b u t b y a g e 1 5 , t h e r e a r e m a n y o b e s e c h i l d r e n
w h o p r o b a b l y s k e w t h e d i s t r i b u t i o n t o t h e r i g h t ( l o t s o f l a r g e v a l u e s
i n t h e r i g h t t a i l ) . T h e r e f o r e , t h e e m p i r i c a l r u l e m a y b e s o m e w h a t
i n a c c u r a t e f o r t h i s v a r i a b l e .
4 5
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I n t r o d u c t i o n t o P r o b a b i l i t y *
N o t e : w e ' r e g o i n g t o s k i p c h . s 4 & 5 f o r n o w , b u t w e ' l l c o m e b a c k t o
t h e m l a t e r .
W e a l l h a v e a n i n t u i t i v e n o t i o n o f p r o b a b i l i t y .
\ T h e r e ' s a 7 5 % c h a n c e o f r a i n t o d a y . "
\ T h e o d d s o f S m a r t y J o n e s w i n n i n g t h e K e n t u c k y D e r b y a r e 2 t o 1 . "
\ T h e c h a n c e s o f w i n n i n g t h e P i c k - 5 L o t t e r y g a m e a r e 1 i n 2 . 3 m i l -
l i o n . "
\ T h e p r o b a b i l i t y o f b e i n g d e a l t f o u r o f a k i n d i n a 5 c a r d p o k e r h a n d
i s 1 = 4 1 6 4 . "
A l l o f t h e s e s t a t e m e n t s a r e e x a m p l e s o f q u a n t i f y i n g t h e u n c e r t a i n t y i n a
r a n d o m p h e n o m e n o n . W e ' l l r e f e r t o t h e r a n d o m p h e n o m e n o n o f i n t e r e s t
a s t h e e x p e r i m e n t , b u t d o n ' t c o n f u s e t h i s u s e w i t h a n e x p e r i m e n t a s a t y p e
o f r e s e a r c h s t u d y .
T h e e x p e r i m e n t s i n t h e e x a m p l e s a b o v e a r e
{ A n o b s e r v a t i o n o f t o d a y ' s w e a t h e r
{ T h e r e s u l t s o f t h e K e n t u c k y D e r b y
{ A s i n g l e p l a y o f t h e P i c k - 5 L o t t e r y g a m e
{ T h e r a n k o f a 5 - c a r d p o k e r h a n d d e a l t f r o m a s h u e d d e c k o f
c a r d s
* R e a d C h . 6 o f o u r t e x t .
4 6
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A n e x p e r i m e n t g e n e r a t e s a n o u t c o m e t h r o u g h s o m e r a n d o m p r o c e s s .
E x p e r i m e n t O u t c o m e
W e a t h e r R a i n s , D o e s n o t r a i n
K e n t u c k y D e r b y S m a r t y J o n e s w i n s , p l a c e s , s h o w s , . . . , d o e s n o t n i s h
L o t t e r y W i n , L o s e
P o k e r H a n d R o y a l F l u s h , S t r a i g h t F l u s h , F o u r - o f - a - k i n d , . . .
S e t o f o u t c o m e s i s c a l l e d t h e s a m p l e s p a c e a n d s h o u l d c o n s i s t o f
m u t u a l l y e x c l u s i v e , e x h a u s t i v e s e t o f o u t c o m e s .
A n e v e n t i s s o m e d e s c r i p t i o n o f t h e o u t c o m e o f a n e x p e r i m e n t w h o s e
p r o b a b i l i t y i s o f i n t e r e s t .
A v a r i e t y o f e v e n t s c a n b e d e n e d b a s e d o n t h e o u t c o m e o f a g i v e n
e x p e r i m e n t :
E . g . , E v e n t s t h a t c o u l d b e d e n e d r e g a r d i n g t h e o u t c o m e o f t h e
K e n t u c k y D e r b y :
{ S m a r t y J o n e s n i s h e s
{ S m a r t y J o n e s n i s h e s t h i r d o r b e t t e r ( w i n s , p l a c e s , o r s h o w s )
{ S m a r t y J o n e s w i n s .
E v e n t s o f i n t e r e s t n e e d n o t b e m u t u a l l y e x c l u s i v e o r e x h a u s t i v e .
T h e t e r m s \ c h a n c e ( s ) " , \ l i k e l i h o o d " , a n d \ p r o b a b i l i t y " a r e b a s i c a l l y
s y n o n y m o u s w a y s t o d e s c r i b e t h e p r o b a b i l i t y o f a n e v e n t . W e d e n o t e
t h e p r o b a b i l i t y o f a n e v e n t A b y
P ( A )
{ T h e o d d s o f a n e v e n t d e s c r i b e s p r o b a b i l i t y t o o , b u t i s a b i t
d i e r e n t . T h e o d d s o f a n e v e n t A a r e d e n e d a s
o d d s ( A ) =
P ( A )
P ( A
c
)
w h e r e A
c
d e n o t e s t h e e v e n t t h a t A d o e s n o t o c c u r , w h i c h i s
k n o w n a s t h e c o m p l e m e n t o f A .
4 7
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T h e c l a s s i c a l m e t h o d i s r e a l l y a s p e c i a l c a s e o f t h e m o r e g e n e r a l R e l a t i v e
F r e q u e n c y M e t h o d . T h e p r o b a b i l i t y o f a n e v e n t i s t h e r e l a t i v e f r e q u e n c y
w i t h w h i c h t h a t e v e n t o c c u r s i f w e w e r e t o r e p e a t t h e e x p e r i m e n t a v e r y
l a r g e n u m b e r o f t i m e s u n d e r i d e n t i c a l c i r c u m s t a n c e s .
I . e . , i f t h e e v e n t A o c c u r s m t i m e s i n n i d e n t i c a l r e p l i c a t i o n s o f a n
e x p e r i m e n t , t h e n
P ( A ) =
m
n
w h e n n
! 1.
S u p p o s e t h a t t h e g e n d e r r a t i o a t b i r t h i s 5 0 : 5 0 . T h a t i s , s u p p o s e
t h a t g i v i n g b i r t h t o a b o y a n d g i v i n g b i r t h t o a g i r l a r e e q u a l y l i k e l y
e v e n t s . T h e n b y t h e c l a s i c a l m e t h o d
P ( G i r l ) =
1
2
:
T h i s i s a l s o t h e l o n g r u n r e l a t i v e f r e q u e n c y . A s n ! 1 w e s h o u l d
e x p e c t t h a t
n u m b e r o f g i r l s
n u m b e r o f b i r t h s
!
1
2
:
T h e r e a r e s e v e r a l r u l e s o f p r o b a b i l i t y a s s o c i a t e d w i t h t h e u n i o n , i n t e r s e c -
t i o n , a n d c o m p l e m e n t o p e r a t i o n s o n e v e n t s .
A d d i t i o n R u l e : F o r t w o e v e n t s A a n d B
P ( A B ) = P ( A ) + P ( B ) ; P ( A \ B ) :
V e n n D i a g r a m :
5 0
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C o n d i t i o n a l P r o b a b i l i t y :
F o r s o m e e v e n t s , w h e t h e r o r n o t o n e e v e n t h a s o c c u r r e d i s c l e a r l y r e l e v a n t
t o t h e p r o b a b i l i t y t h a t a s e c o n d e v e n t w i l l o c c u r .
W e j u s t c o m p u t e d t h a t t h e p r o b a b i l i t y o f h a v i n g a t l e a s t o n e g i r l i n
t w o b i r t h s a s
3
4
.
N o w s u p p o s e I k n o w t h a t m y r s t c h i l d w a s a b o y .
C l e a r l y , k n o w i n g t h a t I ' v e h a d a b o y a e c t s t h e c h a n c e s o f h a v i n g a t
l e a s t o n e g i r l ( i t d e c r e a s e s t h e m ) . S u c h a p r o b a b i l i t y i s k n o w n a s a
c o n d i t i o n a l p r o b a b i l i t y .
T h e c o n d i t i o n a l p r o a b a b i l i t y o f a n e v e n t A g i v e n t h a t a n o t h e r e v e n t B h a s
o c c u r r e d i s d e n o t e d P ( A j B ) w h e r e j i s r e a d a s \ g i v e n " .
I n d e p e n d e n c e o f E v e n t s T w o e v e n t s A a n d B a r e i n d e p e n d e n t i f k n o w -
i n g t h a t B h a s o c c u r r e d g i v e s n o i n f o r m a t i o n r e l e v a n t t o w h e t h e r o r n o t
A w i l l o c c u r ( a n d v i c e v e r s a ) . I n s y m b o l s A a n d B a r e i n d e p e n d e n t i f
P ( A j B ) = P ( A ) :
M u l t i p l i c a t i o n R u l e : T h e j o i n t p r o b a b i l i t y o f t w o e v e n t s P ( A \ B ) i s
g i v e n b y
P ( A \ B ) = P ( A j B ) P ( B )
o r s i n c e t h e A a n d B c a n s w i t c h p l a c e s
P ( A \ B ) = P ( B \ A ) = P ( B j A ) P ( A )
N o t e t h a t t h i s r e l a t i o n s h i p c a n a l s o b e w r i t t e n a s
P ( A j B ) =
P ( A \ B )
P ( B )
a s l o n g a s P ( B ) 6= 0 , o r
P ( B j A ) =
P ( B
\A )
P ( A )
=
P ( A
\B )
P ( A )
a s l o n g a s P ( A ) 6= 0 .
5 3
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E x a m p l e : A g a i n , t h e p r o b a b i l i t y o f h a v i n g a t l e a s t o n e g i r l i n t w o b i r t h s
i s
3
4
. N o w s u p p o s e t h e r s t c h i l d i s k n o w n t o b e a b o y , a n d t h e s e c o n d
c h i l d ' s g e n d e r i s u n k n o w n .
W h a t i s t h e c o n d i t i o n a l p r o b a b i l i t y o f a t l e a s t o n e g i r l g i v e n t h a t t h e
r s t c h i l d i s a b o y ?
A g a i n , l e t
A = e v e n t t h a t r s t c h i l d i s a g i r l
B = e v e n t t h a t s e c o n d c h i l d i s a g i r l
T h e n w e a r e i n t e r e s t e d h e r e i n P ( A B j A
c
) .
B y t h e m u l t i p l i c a t i o n r u l e
P ( A B j A
c
) =
P f ( A B ) \ A
c
g
P ( A
c
)
:
W e k n o w n t h a t t h e p r o b a b i l i t y t h a t t h e r s t c h i l d i s a g i r l i s P ( A ) =
1
2
,
s o
P ( A
c
) = 1 ; P ( A ) = 1 ;
1
2
=
1
2
:
I n a d d i t i o n , t h e p r o b a b i l i t y i n t h e n u m e r a t o r , P f ( A B ) \ A
c
g , i s t h e
p r o b a b i l i t y t h a t a t l e a s t o n e c h i l d i s a g i r l ( t h e e v e n t A
B ) a n d t h e r s t
c h i l d i s a b o y ( t h e e v e n t A
c
) .
B o t h o f t h e s e e v e n t s c a n h a p p e n s i m u l t a n e o u s l y o n l y i f t h e r s t c h i l d i s
a b o y a n d t h e s e c o n d c h i l d i s a g i r l . T h a t i s , o n l y i f t h e o u t c o m e o f t h e
e x p e r i m e n t i s f ( M F ) g . T h u s ,
P f ( A B ) \ A
c
g = P ( A
c
\ B ) = P f ( M F ) g =
1
4
:
T h e r e f o r e , t h e c o n d i t i o n a l p r o b a b i l i t y o f a t l e a s t o n e g i r l g i v e n t h a t t h e
r s t c h i l d i s a b o y i s
P ( A B j A
c
) =
P f ( A B ) \ A
c
g
P ( A
c
)
=
1 = 4
1 = 2
=
1
2
:
5 4
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A n o t h e r E x a m p l e :
S u p p o s e t h a t a m o n g U S a d u l t s , 1 i n 3 o b e s e i n d i v i d u a l s h a s h i g h b l o o d
p r e s s u r e , w h i l e 1 i n 7 n o r m a l w e i g h t i n d i v i d u a l s h a s h i g h b l o o d p r e s s u r e .
S u p p o s e a l s o t h a t t h e p e r c e n t a g e o f U S a d u l t s w h o a r e o b e s e , o r p r e v a -
l e n c e o f o b e s i t y , i s 2 0 % .
W h a t i s t h e p r o b a b i l i t y t h a t a r a n d o m l y s e l e c t e d U S a d u l t i s o b e s e
a n d h a s h i g h b l o o d p r e s s u r e ?
L e t
A = e v e n t t h a t a r a n d o m l y s e l e c t e d U S a d u l t i s o b e s e
B = e v e n t t h a t a r a n d o m l y s e l e c t e d U S a d u l t h a s h i g h b . p .
T h e n t h e i n f o r m a t i o n g i v e n a b o v e i s
P ( A ) =
1
5
P ( B j A ) =
1
3
P ( B j A
c
) =
1
7
:
B y t h e m u l t i p l i c a t i o n r u l e , t h e p r o b a b i l i t y t h a t a r a n d o m l y s e l e c t e d U S
a d u l t i s o b e s e a n d h a s h i g h b l o o d p r e s s u r e i s
P ( A \ B ) = P ( B \ A ) = P ( B j A ) P ( A ) =
1
3
1
5
=
1
1 5
:
5 5
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N o t e t h a t i n g e n e r a l g i v e n t h a t a n e v e n t A h a s o c c u r r e d , e i t h e r B o c c u r s , o r
B
c
m u s t o c c u r , s o t h e c o m p l e m e n t r u l e a p p l i e s t o c o n d i t i o n a l p r o b a b i l i t i e s
t o o :
P ( B
c
j A ) = 1 ; P ( B j A ) :
W i t h t h i s i n s i g h t i n h a n d , w e c a n c o m p u t e a l l o t h e r j o i n t p r o b a b i l i t i e s
r e l a t i n g t o o b e s i t y a n d h i g h b l o o d p r e s s u r e :
T h e p r o b a b i l i t y t h a t a r a n d o m l y s e l e c t e d U S a d u l t i s o b e s e a n d d o e s
n o t h a v e h i g h b l o o d p r e s s u r e i s
P ( A \ B
c
) = P ( B
c
\ A ) = P ( B
c
j A ) P ( A ) = 1 ; P ( B j A ) ] P ( A ) =
2
3
1
5
=
2
1 5
:
T h e p r o b a b i l i t y t h a t a r a n d o m l y s e l e c t e d U S a d u l t i s n o t o b e s e a n d
d o e s h a v e h i g h b l o o d p r e s s u r e i s
P ( A
c
\B ) = P ( B
\A
c
) = P ( B
jA
c
) P ( A
c
) = P ( B
jA
c
) 1
;P ( A ) ] =
1
7
4
5
=
4
3 5
T h e p r o b a b i l i t y t h a t a r a n d o m l y s e l e c t e d U S a d u l t i s n o t o b e s e a n d
d o e s n o t h a v e h i g h b l o o d p r e s s u r e i s
P ( A
c
\ B
c
) = P ( B
c
\ A
c
) = P ( B
c
j A
c
) P ( A
c
) = 1 ; P ( B j A
c
) ] 1 ; P ( A ) ] =
6
7
4
5
=
2 4
3 5
T h e s e r e s u l t s c a n b e s u m m a r i z e d i n a t a b l e o f j o i n t p r o b a b i l i t i e s :
H i g h B . P .
O b e s e
Y e s ( e v e n t A ) N o ( e v e n t ( A
c
)
Y e s ( e v e n t B )
1
1 5
4
3 5
1 9
1 0 5
N o ( e v e n t B
c
)
2
1 5
2 4
3 5
8 6
1 0 5
3
1 5
=
1
5
2 8
3 5
=
4
5
1
5 6
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I n d e p e n d e n c e : T w o e v e n t s A a n d B a r e s a i d t o b e i n d e p e n d e n t i f
k n o w i n g w h e t h e r o r n o t A h a s o c c u r r e d t e l l s u s n o t h i n g a b o u t w h e t h e r o r
n o t B h a s o r w i l l o c c u r a n d v i c e v e r s a .
I n s y m b o l s , A a n d B a r e i n d e p e n d e n t i f
P ( A
jB ) = P ( A ) a n d P ( B
jA ) = P ( B ) :
N o t e t h a t u n d e r i n d e p e n d e n c e o f A a n d B , t h e m u l t i p l i c a t i o n r u l e
b e c o m e s
P ( A \ B ) = P ( A j B ) P ( B ) = P ( A ) P ( B )
a n d t h e a d d i t i o n r u l e b e c o m e s
P ( A B ) = P ( A ) + P ( B ) ; P ( A \ B ) = P ( A ) + P ( B ) ; P ( A ) P ( B ) :
N o t e a l s o t h a t t h e t e r m s m u t u a l l y e x c l u s i v e a n d i n d e p e n d e n t a r e
o f t e n c o n f u s e d , b u t t h e y m e a n d i e r e n t t h i n g s .
{ M u t u a l l y e x c l u s i v e e v e n t s A a n d B a r e e v e n t s t h a t c a n ' t h a p -
p e n s i m u l t a n e o u s l y . T h e r e f o r e , i f I k n o w A h a s o c c u r r e d , t h a t
t e l l s m e s o m e t h i n g a b o u t B n a m e l y , t h a t B c a n ' t h a v e o c -
c u r r e d . S o m u t u a l l y e x c l u s i v e e v e n t s a r e n e c e s s a r i l y d e p e n -
d e n t ( n o t i n d e p e n d e n t ) .
O b e s i t y a n d H i g h B l o o d P r e s s u r e E x a m p l e : T h e f a c t t h a t o b e s i t y a n d
h i g h b . p . a r e n o t i n d e p e n d e n t c a n b e v e r i e d b y c h e c k i n g t h a t
1
3
= P ( B j A ) 6= P ( B ) =
1 9
1 0 5
:
A l t e r n a t i v e l y , w e c a n c h e c k i n d e p e n d e n c e b y c h e c k i n g w h e t h e r P ( A \ B ) =
P ( A ) P ( B ) . I n t h i s e x a m p l e ,
0 : 0 6 6 7 =
1
1 5
= P ( A \ B ) 6= P ( A ) P ( B ) =
1
5
1 9
1 0 5
= 0 : 0 3 6 2
5 7
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B a y e s ' T h e o r e m :
W e h a v e s e e n t h a t w h e n t w o e v e n t s A a n d B a r e d e p e n d e n t , t h e n P ( A j B ) 6=
P ( A ) .
T h a t i s , t h e i n f o r m a t i o n t h a t B h a s o c c u r r e d a e c t s t h e p r o b a b i l i t y
t h a t A w i l l o c c u r .
B a y e s ' T h e o r e m p r o v i d e s a w a y t o u s e n e w i n f o r m a t i o n ( e v e n t B h a s o c -
c u r r e d ) t o g o f r o m o u r p r o b a b i l i t y b e f o r e t h e n e w i n f o r m a t i o n w a s a v a i l a b l e
( P ( A ) , w h i c h i s c a l l e d t h e p r i o r p r o b a b i l i t y ) t o a p r o b a b i l i t y t h a t t a k e s
t h e n e w i n f o r m a t i o n i n t o a c c o u n t ( P ( A j B ) , w h i c h i s c a l l e d t h e p o s t e r i o r
p r o b a b i l i t y ) .
B a y e s ' T h e o r e m a l l o w s u s t o t a k e t h e i n f o r m a t i o n a b o u t P ( A ) a n d
P ( B j A ) a n d c o m p u t e P ( A j B ) .
O b e s i t y a n d H i g h B . P . E x a m p l e :
R e c a l l
A = e v e n t t h a t a r a n d o m l y s e l e c t e d U S a d u l t i s o b e s e
B = e v e n t t h a t a r a n d o m l y s e l e c t e d U S a d u l t h a s h i g h b . p .
a n d
P ( A ) =
1
5
P ( B j A ) =
1
3
P ( B j A
c
) =
1
7
:
S u p p o s e t h a t I a m a d o c t o r s e e i n g t h e c h a r t o f a p a t i e n t , a n d t h e o n l y
i n f o r m a t i o n c o n t a i n e d t h e r e i s t h a t t h e p a t i e n t h a s h i g h b . p .
A s s u m i n g t h i s p a t i e n t i s r a n d o m l y s e l e c t e d f r o m t h e U S a d u l t p o p -
u l a t i o n , w h a t i s t h e p r o b a b i l i t y t h a t t h e p a t i e n t i s o b e s e ?
T h a t i s , w h a t i s P ( A j B ) ?
5 8
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B y t h e m u l t i p l i c a t i o n r u l e , w e k n o w t h a t
P ( A j B ) =
P ( A \ B )
P ( B )
: ( )
L e t ' s e x a m i n e t h e n u m e r a t o r a n d d e n o m i n a t o r o f t h i s e x p r e s s i o n a n d s e e
i f w e c a n u s e t h e i n f o r m a t i o n a v a i l a b l e t o c o m p u t e t h e s e q u a n t i t i e s .
F i r s t , n o t i c e t h a t t h e d e n o m i n a t o r i s P ( B ) , t h e p r o b a b i l i t y o f h i g h b l o o d
p r e s s u r e . I f a r a n d o m s u b j e c t h a s h i g h b . p . , t h e n t h e s u b j e c t e i t h e r
a . h a s h i g h b . p . a n d i s o b e s e , o r
b . h a s h i g h b . p . a n d i s n o t o b e s e .
T h a t i s ,
B = ( B \ A ) ( B \ A
c
)
s o , b y t h e a d d i t i o n r u l e
P ( B ) = P ( B \ A ) + P ( B \ A
c
) ; P f ( B \ A ) \ ( B \ A
c
) g
| { z }
= 0
T h e r e f o r e ,
P ( B ) = P ( B \ A ) + P ( B \ A
c
) :
T h i s r e l a t i o n s h i p i s s o m e t i m e s c a l l e d t h e l a w o f t o t a l p r o b a b i l i t y , a n d
i s j u s t b a s e d o n t h e i d e a t h a t i f B o c c u r s , i t h a s t o o c c u r w i t h e i t h e r
A o r A
c
.
S o , n o w ( * ) b e c o m e s
P ( A j B ) =
P ( A \ B )
P ( B \ A ) + P ( B \ A
c
)
: ( )
5 9
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N o w c o n s i d e r t h e n u m e r a t o r , P ( A \ B ) . B y t h e m u l t i p l i c a t i o n r u l e a n d
u s i n g t h e f a c t t h a t ( A \ B ) = ( B \ A ) , w e h a v e
P ( A \ B ) = P ( B \ A ) = P ( B j A ) P ( A )
w h i c h i s u s e u l b e c a u s e w e k n o w t h e s e q u a n t i t i e s .
A p p l y i n g t h e s a m e l o g i c t o t h e t w o j o i n t p r o b a b i l i t i e s i n t h e d e n o m i n a t o r
o f ( * * ) , w e h a v e t h a t
P ( B \ A ) = P ( B j A ) P ( A ) a n d P ( B \ A
c
) = P ( B j A
c
) P ( A
c
) :
T h e r e f o r e , ( * * ) b e c o m e s
P ( A j B ) =
P ( B j A ) P ( A )
P ( B j A ) P ( A ) + P ( B j A
c
) P ( A
c
)
: ( y )
E q u a t i o n ( y ) i s k n o w n a s B a y e s ' T h e o r e m .
I n t h e e x a m p l e , B a y e s ' T h e o r e m t e l l s u s t h a t t h e p r o b a b i l i t y t h a t t h e h i g h
b . p . p a t i e n t i s o b e s e i s
P ( A j B ) =
P ( B j A ) P ( A )
P ( B j A ) P ( A ) + P ( B j A
c
) P ( A
c
)
=
( 1 = 3 ) ( 1 = 5 )
( 1 = 3 ) ( 1 = 5 ) + ( 1 = 7 ) ( 4 = 5 )
=
1 = 1 5
1 9 = 1 0 5
= 0 : 3 6 8
6 0
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I n t h e e x a m p l e a b o v e , w e u s e d t h e l a w o f t o t a l p r o b a b i l i t y t o c o m p u t e
P ( B ) a s
P ( B ) = P ( B \ A ) + P ( B \ A
c
) = P ( B j A ) P ( A ) + P ( B j A
c
) P ( A
c
)
w h e r e A a n d A
c
w e r e m u t u a l l y e x c l u s i v e , e x h a u s t i v e e v e n t s .
B a y e s ' T h e o r e m g e n e r a l i z e s t o a p p l y t o t h e s i t u a t i o n i n w h i c h w e
h a v e s e v e r a l m u t u a l l y e x c l u s i v e , e x h a u s t i v e e v e n t s .
L e t A
1
A
2
: : : A
k
b e k m u t u a l l y e x c l u s i v e , e x h a u s t i v e e v e n t s . T h e n f o r
a n y o f t h e e v e n t s A
i
, i = 1 : : : k , B a y e s ' T h e o r e m b e c o m e s :
P ( A
i
j B ) =
P ( B j A
i
) P ( A
i
)
P ( B j A
1
) P ( A
1
) + P ( B j A
2
) P ( A
2
) + P ( B j A
k
) P ( A
k
)
:
6 1
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A n o t h e r E x a m p l e | O b e s i t y a n d S m o k i n g S t a t u s :
L e t
B = e v e n t t h a t a r a n d o m l y s e l e c t e d U S a d u l t i s o b e s e
A
1
= e v e n t t h a t a r a n d o m l y s e l e c t e d U S a d u l t h a s n e v e r s m o k e d
A
2
= e v e n t t h a t a r a n d o m l y s e l e c t e d U S a d u l t i s a n e x - s m o k e r
A
3
= e v e n t t h a t a r a n d o m l y s e l e c t e d U S a d u l t i s a c u r r e n t s m o k e r
a n d s u p p o s e
P ( B ) = : 2 0 9 P ( B j A
1
) = : 2 0 8 P ( B j A
2
) = : 2 3 9 P ( B j A
3
) = : 1 7 8
P ( A
1
) = 0 : 5 2 0 P ( A
2
) = 0 : 2 5 0 P ( A
3
) = 0 : 2 3 0 :
G i v e n t h a t a r a n d o m l y s e l e c t e d U S a d u l t i s o b e s e , w h a t ' s t h e p r o b -
a b i l i t y t h a t h e / s h e i s a f o r m e r s m o k e r ?
B y B a y e s ' T h e o r e m
P ( A
2
j B ) =
P ( B j A
2
) P ( A
2
)
P ( B j A
1
) P ( A
1
) + P ( B j A
2
) P ( A
2
) + P ( B j A
3
) P ( A
3
)
=
( : 2 3 9 ) ( : 2 5 0 )
( : 2 0 8 ) ( : 5 2 0 ) + ( : 2 3 9 ) ( : 2 5 0 ) + ( : 1 7 8 ) ( : 2 3 0 )
= : 2 8 6
N o t e t h a t t h e d e n o m i n a t o r i s j u s t P ( B ) , s o s i n c e w e h a p p e n t o k n o w
P ( B ) h e r e , w e c o u l d h a v e s i m p l i e d o u r c a l c u l a t i o n s a s
P ( A
2
j B ) =
P ( B j A
2
) P ( A
2
)
P ( B )
=
( : 2 3 9 ) ( : 2 5 0 )
: 2 0 9
= : 2 8 6
6 2
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D i a g n o s t i c T e s t s
O n e i m p o r t a n t a p p l i c a t i o n o f B a y e s ' T h e o r e m i s t o d i a g n o s t i c o r s c r e e n i n g
t e s t s .
S c r e e n i n g i s t h e a p p l i c a t i o n o f a t e s t t o i n d i v i d u a l s w h o h a v e n o t
y e t e x h i b i t e d a n y c l i n i c a l s y m p t o m s i n o r d e r t o c l a s s i f y t h e m w i t h
r e s p e c t t o t h e i r p r o b a b i l i t y o f h a v i n g a p a r t i c u l a r d i s e a s e .
{ E x a m p l e s : M a m m o g r a m s f o r b r e a s t c a n c e r , P a p s m e a r s f o r c e r -
v i c a l c a n c e r , P r o s t a t e - S p e c i c A n t i g e n ( P S A ) T e s t f o r p r o s t a t e
c a n c e r , e x e r c i s e s t r e s s t e s t f o r c o r o n a r y h e a r t d i s e a s e , e t c .
C o n s i d e r t h e p r o b l e m o f d e t e c t i n g t h e p r e s e n c e o r a b s e n c e o f a p a r t i c u l a r
d i s e a s e o r c o n d i t i o n .
S u p p o s e t h e r e i s a \ g o l d s t a n d a r d " m e t h o d t h a t i s a l w a y s c o r r e c t .
E . g . , s u r g e r y , b i o p s y , a u t o p s y , o r o t h e r e x p e n s i v e , t i m e - c o n s u m i n g
a n d / o r u n p l e a s a n t m e t h o d .
S u p p o s e t h e r e i s a l s o a q u i c k , i n e x p e n s i v e s c r e e n i n g t e s t .
I d e a l l y , t h e t e s t s h o u l d c o r r e c t l y c l a s s i f y i n d i v i d u a l s a s p o s i t i v e o r
n e g a t i v e f o r t h e d i s e a s e . I n p r a c t i c e , h o w e v e r , t e s t s a r e s u b j e c t t o
m i s c l a s s i c a t i o n e r r o r s .
6 3
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D e n i t i o n s :
A t e s t r e s u l t i s a t r u e p o s i t i v e i f i t i s p o s i t i v e a n d t h e i n d i v i d u a l
h a s t h e d i s e a s e .
A t e s t r e s u l t i s a t r u e n e g a t i v e i f i t i s n e g a t i v e a n d t h e i n d i v i d u a l
d o e s n o t h a v e t h e d i s e a s e .
A t e s t r e s u l t i s a f a l s e p o s i t i v e i f i t i s p o s i t i v e a n d t h e i n d i v i d u a l
d o e s n o t h a v e t h e d i s e a s e .
A t e s t r e s u l t i s a f a l s e n e g a t i v e i f i t i s n e g a t i v e a n d t h e i n d i v i d u a l
d o e s h a v e t h e d i s e a s e .
T h e s e n s i t i v i t y o f a t e s t i s t h e c o n d i t i o n a l p r o b a b i l i t y t h a t t h e t e s t
i s p o s i t i v e , g i v e n t h a t t h e i n d i v i d u a l h a s t h e d i s e a s e .
T h e s p e c i c i t y o f a t e s t i s t h e c o n d i t i o n a l p r o b a b i l i t y t h a t t h e t e s t
i s n e g a t i v e , g i v e n t h a t t h e i n d i v i d u a l d o e s n o t h a v e t h e d i s e a s e .
T h e p r e d i c t i v e v a l u e o f a p o s i t i v e t e s t i s t h e c o n d i t i o n a l p r o b -
a b i l i t y t h a t a n i n d i v i d u a l h a s t h e d i s e a s e , g i v e n t h a t t h e t e s t i s p o s -
i t i v e .
T h e p r e d i c t i v e v a l u e o f a n e g a t i v e t e s t i s t h e c o n d i t i o n a l p r o b -
a b i l i t y t h a t a n i n d i v i d u a l d o e s n o t h a v e t h e d i s e a s e , g i v e n t h a t t h e
t e s t i s n e g a t i v e .
N o t a t i o n : L e t
A = e v e n t t h a t a r a n d o m i n d i v i d u a l ' s t e s t i s p o s i t i v e
B = e v e n t t h a t a r a n d o m i n d i v i d u a l h a s t h e d i s e a s e
T h e n
s e n s i t i v i t y = p r e d i c t i v e v a l u e p o s i t i v e =
s p e c i c i t y = p r e d i c i t v e v a l u e n e g a t i v e =
6 4
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65/100
E s t i m a t i n g t h e P r o p e r t i e s o f a S c r e e n i n g T e s t :
S u p p o s e d a t a a r e o b t a i n e d t o e v a l u a t e a s c r e e n i n g t e s t w h e r e t h e t r u e
d i s e a s e s t a t u s o f e a c h p a t i e n t i s k n o w n . S u c h d a t a m a y b e d i s p l a y e d a s
f o l l o w s :
T e s t R e s u l t
T r u t h
D i s e a s e d ( e v e n t B ) N o t D i s e a s e d ( e v e n t B
c
)
+ ( e v e n t A ) a b n
; ( e v e n t A
c
) c d n
n
1
n
2
W h a t p r o p e r t i e s o f t h e s c r e e n i n g t e s t c a n b e e s t i m a t e d i f t h e d a t a
a r e o b t a i n e d :
1 . f r o m a r a n d o m s a m p l e o f n s u b j e c t s ?
2 . f r o m r a n d o m s a m p l e s o f n
1
d i s e a s e d a n d n
2
n o n d i s e a s e d s u b j e c t s ?
3 . f r o m r a n d o m s a m p l e s o f n
1
s u b j e c t s w i t h p o s i t i v e t e s t r e s u l t s a n d
n
2
s u b j e c t s w i t h n e g a t i v e r e s u l t s ?
6 5
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66/100
1 . S u p p o s e a r a n d o m s a m p l e o f n s u b j e c t s i s o b t a i n e d , a n d e a c h s u b j e c t
i s t e s t e d v i a b o t h t h e s c r e e n i n g t e s t a n d t h e g o l d s t a n d a r d .
I n t h i s c a s e ,
e s t i m a t e d s e n s i t i v i t y =
e s t i m a t e d s p e c i c i t y =
e s t i m a t e d p r e d i c t i v e v a l u e p o s i t i v e =
e s t i m a t e d p r e d i c t i v e v a l u e n e g a t i v e =
2 . S u p p o s e t h a t r a n d o m s a m p l e s o f n
1
d i s e a s e d a n d n
2
n o n d i s e a s e d
s u b j e c t s a r e o b t a i n e d , a n d e a c h s u b j e c t i s t e s t e d w i t h t h e s c r e e n i n g
t e s t .
I n t h i s c a s e ,
e s t i m a t e d s e n s i t i v i t y =
e s t i m a t e d s p e c i c i t y =
b u t p r e d i c t i v e v a l u e p o s i t i v e a n d n e g a t i v e c a n n o t b e e s t i m a t e d d i -
r e c t l y w i t h o u t a d d i t i o n a l i n f o r m a t i o n a b o u t t h e p r o b a b i l i t y ( p r e v a -
l e n c e ) o f d i s e a s e .
3 . S u p p o s e n o w t h a t r a n d o m s a m p l e s o f n
1
s u b j e c t s w i t h p o s i t i v e
s c r e e n i n g t e s t r e s u l t s a n d n
2
s u b j e c t s w i t h n e g a t i v e s c r e e n i n g t e s t
r e s u l t s a r e o b t a i n e d . E a c h s u b j e c t i s t h e n t e s t e d w i t h t h e g o l d s t a n -
d a r d a p p r o a c h .
I n t h i s c a s e ,
e s t i m a t e d p r e d i c t i v e v a l u e p o s i t i v e =
e s t i m a t e d p r e d i c t i v e v a l u e n e g a t i v e =
b u t s e n s i t i v i t y a n d s p e c i c i t y c a n n o t b e e s t i m a t e d d i r e c t l y w i t h o u t
a d d i t i o n a l i n f o r m a t i o n a b o u t t h e p r o b a b i l i t y o f a p o s i t i v e t e s t r e s u l t .
6 6
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N o t i c e t h a t o n l y i n c a s e 1 i s i t p o s s i b l e t o o b t a i n e s t i m a t e s o f a l l f o u r
q u a n t i t i e s f r o m s i m p l e p r o p o r t i o n s i n t h e c o n t i n g e n c y t a b l e .
H o w e v e r , t h i s a p p r o a c h i s n o t p a r t i c u l a r l y q u i c k , e a s y o r e c i e n t b e -
c a u s e , f o r a r a r e d i s e a s e , i t w i l l r e q u i r e a l a r g e n t o o b t a i n a s u c i e n t
s a m p l e o f t r u l y d i s e a s e d s u b j e c t s .
A p p r o a c h 2 i s g e n e r a l l y e a s i e s t , a n d p r e d i c t i v e v a l u e s c a n b e c o m -
p u t e d f r o m t h i s a p p r o a c h u s i n g B a y e s ' T h e o r e m i f t h e p r e v a l e n c e o f
t h e d i s e a s e i s k n o w n a s w e l l .
S u p p o s e w e t a k e a p p r o a c h 2 . A s b e f o r e , l e t
A = e v e n t t h a t a r a n d o m i n d i v i d u a l ' s t e s t i s p o s i t i v e
B = e v e n t t h a t a r a n d o m i n d i v i d u a l h a s t h e d i s e a s e
S u p p o s e P ( B ) , t h e p r e v a l e n c e o f d i s e a s e , i s k n o w n . I n a d d i t i o n , s u p p o s e
t h e s e n s i t i v i t y P ( A
jB ) a n d s p e c i c i t y P ( A
c
jB
c
) a r e k n o w n ( o r h a v e b e e n
e s t i m a t e d a s o n t h e p r e v i o u s p a g e ) .
T h e n , a c c o r d i n g t o B a y e s ' T h e o r e m , P ( B j A ) , t h e p r e d i c t i v e v a l u e o f a
p o s i t i v e t e s t r e s u l t , i s g i v e n b y
P ( B j A ) =
P ( A j B ) P ( B )
P ( A j B ) P ( B ) + P ( A j B
c
) P ( B
c
)
S i m i l a r l y , P ( B
c
j A
c
) , t h e p r e d i c t i v e v a l u e o f a n e g a t i v e t e s t r e s u l t , i s g i v e n
b y
P ( B
c
j A
c
) =
P ( A
c
j B
c
) P ( B
c
)
P ( A
c
j B
c
) P ( B
c
) + P ( A
c
j B ) P ( B )
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S u p p o s e t h a t a n e w s c r e e n i n g t e s t f o r d i a b e t e s h a s b e e n d e v e l o p e d . T o
e s t a b l i s h i t s p r o p e r t i e s , n
1
= 1 0 0 k n o w n d i a b e t i c s a n d n
2
= 1 0 0 k n o w n
n o n - d i a b e t i c s w e r e t e s t e d w i t h t h e s c r e e n i n g t e s t . T h e f o l l o w i n g d a t a w e r e
o b t a i n e d :
T e s t R e s u l t
T r u t h
D i a b e t i c ( e v e n t B ) N o n d i a b e t i c ( e v e n t B
c
)
+ ( e v e n t A ) 8 0 1 0
; ( e v e n t A
c
) 2 0 9 0
1 0 0 1 0 0
S u p p o s e t h a t i t i s k n o w n t h a t t h e p r e v a l e n c e o f d i a b e t e s i s P ( B ) =
: 0 7 ( 7 % ) .
T h e s e n s i t i v i t y P ( A j B ) h e r e i s e s t i m a t e d t o b e 8 0 = 1 0 0 = : 8 .
T h e s p e c i c i t y P ( A
c
j B
c
) h e r e i s e s t i m a t e d t o b e 9 0 = 1 0 0 = : 9 .
F r o m t h e p r e v i o u s p a g e , t h e p r e d i c t i v e v a l u e p o s i t i v e i s
P ( B j A ) =
P ( A
jB ) P ( B )
P ( A j B ) P ( B ) + P ( A j B
c
) P ( B
c
)
:
T h e r e f o r e , t h e e s t i m a t e d p r e d i c t i v e v a l u e p o s i t i v e i s
e s t i m a t e d P ( B j A ) =
( : 8 ) ( : 0 7 )
( : 8 ) ( : 0 7 ) + ( 1 ; : 9 ) ( 1 ; : 0 7 )
= : 3 7 6
T h i s r e s u l t s a y s t h a t i f y o u ' v e t e s t e d p o s i t i v e w i t h t h i s t e s t , t h e n
t h e r e ' s a n e s t i m a t e d c h a n c e o f 3 7 . 6 % t h a t y o u h a v e d i a b e t e s .
6 8
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R O C C u r v e s :
T h e r e i s a n i n h e r e n t t r a d e - o b e t w e e n s e n s i t i v i t y a n d s p e c i c i t y .
E x a m p l e | C T S c a n s T h e f o l l o w i n g d a t a a r e r a t i n g s o f c o m p u t e d
t o m o g r a p h y ( C T ) s c a n s b y a s i n g l e r a d i o l o g i s t i n a s a m p l e o f 1 0 9 s u b j e c t s
w i t h p o s s i b l e n e u r o l o g i c a l p r o b l e m s . T h e t r u e s t a t u s o f t h e s e p a t i e n t s i s
a l s o k n o w n .
R a d i o l o g i s t ' s R a t i n g
T r u e D i s e a s e
S t a t u s
N o r m a l A b n o r m a l
1 3 3 3 3 6
2 6 2 8
3 6 2 8
4 1 1 1 1 2 2
5 2 3 3 3 5
5 8 5 1 1 0 9
H
