第2單元 描述統計

我們使用2010年芝加哥大學國家民意研究中心(NORC)公開的部分資料SPSS存檔(以下簡種gss2010;存檔下載網址在這個網頁,或者直接點此下載),做為這個單元的示範案例。JASP與jamovi都可以匯入SPSS存檔,圖2.1是開啟這份存檔之後的畫面1

以JASP開啟GSS 2010存檔資料。

圖 2.1: 以JASP開啟GSS 2010存檔資料。

讀者可以看到這份gss2010檔案有五個欄位,每個欄位名稱前面有個圖示,這個圖示標記尺度,決定處理一筆資料的方法。gss2010有名稱的資料欄位,統計實務稱為變項。決定好變項的尺度,我們才能知道要對這筆資料做什麼分析,才能取得我們想知道的資訊。

2.1 認識資料尺度

哈佛大學Stanley Stevens(1946)在Science發表的文章主張測量尺度可分為量化尺度(qunatitative scale)與質化尺度(qualitative scale),現在的統計實務也稱為連續尺度與間斷尺度。兩種主要尺度之下再細分等比(ratio)與等距(interval)尺度,以及序列(ordinal)及名義(nominal)尺度。尺度的定義已成為今日統計軟體程式設計師的編譯原則,也是資料分析者執行分析程序前要先做好的功課。

  • 連續尺度:當一筆資料內容都是數字,數值有小數點或有超過25種數值,程式都會判定為連續尺度。這類資料的數值之間的差異可以互相比較,例如gss2010的看電視時數(tvhours)以及人生第一胎年齡(AgeFirstBorn),心理學常見的智力商數(IQ)也是一種連續尺度。許多統計教科書會區分等距尺度與等比尺度,兩者的差別是等比尺度的資料有零點,就像gss2010的科學知識評分(ScientificKnowledge),這筆資料是受訪者答對問題的題數,註記為0代表沒有答對任何一題。儘管有此差別,兩種尺度的統計實務處理方法通常是一樣的,所以JASP與jamovi都沒有再做分類,JASP圖示是,jamovi圖示是

  • 間斷尺度(序列):一筆資料內容都是數字,但是沒有任何數值有小數點,而且在列的數值不超過25種,JASP與jamovi都會判斷為序列尺度(,)。數值表示資料之間的順序,數值的相加或相減沒有意義,例如全班學生某次考試的成績排名。如果序列尺度的變項是分析的目標,通常會計算各種數值的累積百分比。稍後我們會學習計算中位數,是處理序列尺度的主要方法。

  • 間斷尺度(名義):如果一筆資料的內容都是文字,例如受訪者的性別,居住的城鎮名稱等,JASP與jamovi都會判斷為名義尺度(,)。這類資料的數值只有名稱的區別,不能相加相減,也沒有排序的意義。有時我們丟進軟體的資料內容都是數字,但其實是做為名稱的編號,例如全班學生的學號、受訪者的郵遞區號、最經典的擲硬幣試驗結果。程式無法幫我們判斷這種資料,我們要手動改換尺度圖示為。稍後我們會學習計算眾數,是處理名義尺度的主要方法。

jamovi 0.9版增加資料型態(Data Type)選項,有Text(文字)、Integer(整數)、Decimal(帶小數點的實數);以及資料尺度IDID必須是TextContinuous必須是IntegerDecimalNomialOrdinal的資料型態絕對不能是Decimal

2.2 變項的種類

統計實務處理的資料通常不會只有一個變項,而且各種尺度的變項都會存在。變項越多的資料表示資料收集者希望解答的問題相當複雜,但是有統計思考的資料收集者只會在意那些與測試目標有關的變項。科學思考講究提出有效的證據支持或推翻假設,統計思考要使用合適的方法,確認資料是多有效的證據。了解資料裡每個變項是那種證據要素,才能知道要使用那些方法才適合現在的研究問題。不論你動用統計思考要解決什麼問題,首先要搞清楚那些變項是自變項,那些是依變項。手上資料進入統計思考,就會轉變成可以檢驗的命題。

我們用gss2010資料嘗試回答這個問題:在學校接受教育越多年的民眾,科學知識會不會越豐富?以問題的描述來看,能做證據的資料只有科學知識評分(ScientificKnowledge)與受教年數(YearsofEducation)兩個變項。這個問題可再轉化為分析程序的形式:受教年數能解釋科學知識評分多少程度的提高趨勢?前一種問題描述方式,是有受過中學教育的人們,都能理解的科學思考。後一種問題描述方式,指出分析方法要能顯示科學知識評分的變異趨勢,確實隨受教年數的數值次序提高。

統計思考的命題包含兩種證據要素:命題提及的測量對象可以轉換為統計量數,並且使用動詞與介係詞指示變項之間的關係。統計量數取決於變項的測量尺度,例如gss2010的科學知識評分。命題裡的動詞,或者變項之間的介係詞,都是指示變項之間的關係。例如前面提到gss2010的問題之中「科學知識會不會越豐富」,提示分析統計量數的方式。只要能將問題轉化為統計思考的命題,不論處理的資料有多少變項,資料規模不論大小,變項之間的關係都是根據一組自變項與依變項的對應關係,或者用一組自變項的標記架構依變項資料的分組。前一種變項關係在統計實務是從資料找出最有預測力的迴歸式,後一種變項關係在統計實務是檢驗因果關係的實驗設計。

不管當下的問題要探究的是那一種關係,依變項是可化為統計量數的資料集合,自變項規範呈現統計量數的形式–包括文字與圖表。以gss2010範例問題來說,受教年數是自變項,科學知識評分是依變項。我們有很多方式呈現科學知識評分隨受教年數增加改變的趨勢,其中一種是畫出兩個變項的散佈圖(scatter plot),因為自變項與依變項的定位,散佈圖的x軸是受教年數,y軸是科學知識評分。圖2.2是JASP與jamovi的操作成果。

分析2010年美國一般社會調查,受教年數與科學知識評分的共變散佈圖。左:JASP分析結果;右:jamovi分析結果

圖 2.2: 分析2010年美國一般社會調查,受教年數與科學知識評分的共變散佈圖。左:JASP分析結果;右:jamovi分析結果

你可以看到jamovi輸出比JASP更多的資訊,但是兩套散佈圖都有一條直線,代表每個受教年數的受訪民眾的科學知識評分預測值。預測值明顯隨受教年數增加,表示這筆資料支持在學校接受教育越多年的民眾,科學知識越豐富的看法。這條直線是迴歸線(regression line),我們將在第8單元學習迴歸線的統計實務。

2.3 統計量數

接下來介紹各種統計實務必定會處理的統計量數,同時示範JASP描述統計模組的基本操作。jamovi的描述統計模組介面設計與操作,和JASP大同小異,所以本章不做另外示範。最常遇到的統計量數有集中趨勢(Central Tendency)變異趨勢(Dispersion)兩類,在操作示範畫面2.32.42.5,可以看到模組的功能選單標記這兩類統計量數。這兩種統計量數如何幫助我們解讀資料,請看以下說明。

2.3.1 名義尺度的集中趨勢:眾數

因為前面示範的gss2010沒有精確的名義尺度資料,我們從研究中心網站下載原始gss2010的SPSS存檔,取其中的性別(sex)變項,配合這段示範演練。這個變項資料只有兩種數值:1與2,分別代表男性與女性。從圖2.3的JASP操作與輸出畫面,你可以注意到變項圖示是,表示以數字代表性別,因此報表裡的眾數是2,表示2010年調查的受訪者超過一半是女性。

JASP與jamovi都提供編輯數值標籤(Lable)的,所以我們能另外命名MALE與FEMALE,在長條圖標示每一個長條代表的對象2

使用JASP計算名義尺度變項的眾數與繪製長條圖。

圖 2.3: 使用JASP計算名義尺度變項的眾數與繪製長條圖。

因為眾數(Mode)指示資料之中累積次數最多的數值,所以連續尺度的資料也可以使用眾數分析,但是並非最佳呈現集中趨勢統計量數。

2.3.2 序列尺度的集中趨勢:百分位數與中位數

序列尺度資料的可排序性,構成機率事件可以累加,也可以累積事件的百分比。這種特性讓我們能在實務面計算資料的百分位數(percentile)中位數(median),而中位數集中趨勢的一種。這裡使用gss2010受訪者的受教年數資料做示範,圖2.4示範如何讓JASP輸出三個百分位數(25%,50%,75%)與中位數,以及次數表(frequency table)

使用JASP計算序列尺度變項的中位數、百分位數與繪製長條圖。

圖 2.4: 使用JASP計算序列尺度變項的中位數、百分位數與繪製長條圖。

2.4之中的中位數與50%的百分位數是同一個,對照次數表的資訊,讀者可進一步發現為何是如此:留意靠著次數表右邊的三個欄位PercentValid PercentCumulative PercentPercentValid Percent都是指示這個數值在這筆資料所佔的百分比,差異是Percent有計算沒有資料的遺漏值(missing value)所佔百分比,Valid Percent是排除遺漏值的計算結果。至於JASP的Cumulative Percent是依數值次序,累加Valid Percent。檢視Cumulative Percent的資訊,你會發現25%百分位數(12)的累進百分比(44.3%)超過前一個數值的累積百分比(17%),但未到達到50%。50%與75%百分位數的累進百分比同樣如此,而且累進到50%,表示若隨機挑出其中的資料,約50%是小於或等於13的數值,其餘是大於13。所以50%又稱為中位數。

名義尺度與序列尺度資料都可以製作次數表,但是只有序列尺度資料才能計算累積百分比,才能計算中位數與百分位數。序列尺度資料也能計算眾數,讀者可以想想這筆受教年數資料的眾數(12)與中位數(13),為何會不一樣?

2.3.3 連續尺度的集中與變異趨勢:平均數、變異數與標準差

我們用gss2010的連續尺度資料:人生第一胎年齡(AgeFirstBorn)示範平均數(Mean)、變異數(Variance)與標準差(Std. Deviation)等統計量數。圖2.5示範除了輸出統計量數應勾選的選項,只要勾選distribution plot,就會繪製直方圖(histogram)。如果讀者夠細心的話,會發現前面示範性別(sex)(圖2.3)也是勾選distribution plot,怎麼繪製出來的是長條圖?這兩個示範的差異顯示JASP與jamovi能根據變項尺度,繪製合理的統計圖。所以分析資料之前,確認每個變項的尺度,是負責分析的人要先做好的工作直方圖長條圖都是表現資料內每項數值的對應機率,JASP畫出的直方圖與長條圖都是固定的總面積,再根據資料的累積次數比例切分。只是間斷尺度的累積是不連續的,連續尺度的累積是可連續的。在第3單元,我們會更詳細地認識其中的原理。

使用JASP計算連續尺度變項的平均數、變異數、標準差與繪製直方圖。

圖 2.5: 使用JASP計算連續尺度變項的平均數、變異數、標準差與繪製直方圖。

長條圖裡有一條曲線,曲線之下的面積與長條的面積總合相等,這條曲線是根據JASP計算的機率密度函數(probability density function)所繪,統計實務都用機率密度函數表現連續尺度資料的偏態峰度,圖2.5的機率密度函數呈現正偏態:越高的數值密度低,所以平均數是三種集中趨勢量數的最大值。而中位數是三種量數的中間值,也是這筆資料沒有偏態時,位於中心的集中量數。

只要在報告中呈現平均數與標準差,有經驗的讀者能理解一筆資料的分配情況。當一筆資料用來推測有沒有不等於某個數值的效應,或者比較多筆資料的差異,平均數與標準差是相當實用的資訊。然而,很多時候我們手上的資料不會是對稱的,最簡單的判斷方法是看平均數、中位數、眾數是不是同一個數值。如果有三種量數有差異,最好要判斷偏態的狀況。在第4單元,我們會學到如何呈現機率密度函數的圖形,以及解讀方法,聰明地運用這些圖形,可以確保推測的正確性。

變異數是標準差的平方(s2),在分析單一變項資料的實務通常不會報告。然而統計學還沒完全離開數學獨立發展的時代,首先發現的是變異數,接著才是標準差,這在相關與迴歸的單元我們會再談到。最後我們看一個藏在JASP的操作裡的證據,在分析人生第一胎年齡的資料操作,只要勾選Display correlation plot,你會看到JASP輸出和圖2.5一樣的直方圖

許多處理連續尺度資料的實務裡,我們會將一筆資料的原始數值轉換為標準分數z。方法很簡單:資料裡的每個數值減去平均數,再除以標準差。使用標準分數z有許多好處:首先如果你使用一種尺度,測得好幾筆資料,每筆資料有各自的平均數與標準差,轉換為標準分數就能看出各筆資料之間的差異。推論統計也需要先將原始數值轉換為標準分數,才能運用符合資料特性的機率函數,估計每一筆資料被觀測到的可能性。在推論統計的單元,我們會發現許多推論統計方法要計算的統計數,與標準分數的計算公式非常相似。

2.4 統計圖表使用指南

如何使用合適的統計圖表,表現資料之中的資訊,是計算統計量數之外,另一項描述統計重要功課。選擇適合的統計圖表,原則與選擇合適的推論統計方法一致。我將讀者在各單元範例遇見或製作的統計圖表,與章節連結整理於下表:

依變項為類別變項 依變項為連續變項
無獨變項 圓餅圖(Pie Chart);長條圖(Bar Chart)( 單元5 ) 直方圖(Histograms);密度函數(Density Plot)( 單元5 )
獨變項為相依樣本 疊加式長條圖;附趨勢線柱狀圖 ( 單元6 ) 次數分配表;附誤差區間折線圖(Line chart)(單元6)
獨變項為獨立樣本 疊加式長條圖;附趨勢線柱狀圖 (單元7) 次數分配表;附誤差區間柱狀圖(Bar plot) (單元7)
單一自變項為連續變數 散佈圖(scattor plot)(單元8)
單一獨變項有三組以上獨立樣本 附誤差區間折線圖(Line chart)(單元9.1)
單一獨變項有三組以上相依樣本 附誤差區間折線圖(Line chart)(單元??)

2.5 總結

  • 資料尺度決定處置每一筆觀察值的方法。
  • 變項賦予每一筆觀察值在統計分析裡的角色。
  • 符合特定尺度的資料能用相對的統計量數計算總成,表現集中趨勢與變異趨勢。
  • 要使用圖表呈現資料,各種尺度有對應的呈現形式,熟悉統計的讀者能判讀資料之中的意義。

2.6 習題

  1. 使用jamovi匯入gss2010資料,製作這個單元的JASP示範圖表。

  2. TBA

References

Stevens, S. S. 1946. “On the Theory of Scales of Measurement.” Science 103 (2684): 677–80. https://doi.org/10.1126/science.103.2684.677.


  1. JASP示範檔案下載網址 ~ https://osf.io/r2fqt/

  2. 完整檔案的JASP示範 ~ https://osf.io/gtsrw/