W13:類別資料分析——卡方檢定

心理教育統計 2026

授課教師:陳紹慶 | e-mail:

2026/05/25

本週學習目標

理解概念

  1. 理解觀測值 vs 預期值的概念
  2. 掌握適合度檢定獨立性檢定
  3. 解讀 Cramer’s V 效果量
  4. 區分 t 檢定(比平均)vs 卡方檢定(比比例)

jamovi操作

  1. 執行 Frequencies → N Outcomes(適合度)
  2. 執行 Frequencies → Contingency Tables(獨立性)
  3. 計算Expected Counts 與 Cramer’s V
  4. APA 格式的卡方檢定報告

對應教材

簡報示範資料

  • Randomness:花色選擇 200 次(適合度檢定)
  • Chapek9:物種 × 選擇偏好(獨立性檢定)

操作示範資料: - “Study2_copy.xls”, 前置處理操作錄影

作業資料:個人化 W13_Survey_[學號].csv

Part 1:觀測值與預期值🧠

從直覺到統計

日常直覺:擲硬幣 100 次

  • 預期:正面 50 次、反面 50 次
  • 實際:正面 70 次、反面 30 次
  • 問題:這個差距是「運氣」還是「硬幣不公平」?

卡方檢定的核心

\[\chi^2 = \sum \frac{(O - E)^2}{E}\]

  • \(O\):觀測值(Observed)— 實際看到的

  • \(E\):預期值(Expected)— 假設為真時的期望

  • 差距越大 → \(\chi^2\) 越大 → 越不像巧合

  • \(\chi^2\) 統計量的取樣分佈(H₀ 成立且預期次數 ≥5 時)近似卡方分佈

卡方分佈的特性

卡方分佈的關鍵特徵

特徵 說明
只有正值 \(\chi^2 \geq 0\)(平方後不可能為負)
右偏分佈 低 df 時明顯右偏,高 df 時趨近常態
df 決定形狀 df 越大 → 分佈越對稱、越往右移
平均值 = df \(E(\chi^2) = df\)

與 t 分佈不同之處:卡方沒有負值,且不對稱

Part 2:適合度檢定🧠

花色選擇是否均等?

情境:200 位參與者從 4 種花色中任選一個(clubs / diamonds / hearts / spades),結果如下:

200 次花色選擇:觀測值 vs 預期值
花色 觀測次數 預期次數
clubs 35 50
diamonds 51 50
hearts 64 50
spades 50 50
  • \(H_0\):花色選擇均等(選任何花色機率 = 1/4)
  • \(H_1\):花色選擇不均等(某花色被偏好)

觀測 vs 預期的視覺化

適合度檢定結果

\[\chi^2(3) = 8.44,\quad p = 0.038\]

\(p = 0.038 < .05\)拒絕 H₀:花色選擇非均等,有偏好

自由度\(df = k - 1 = 4 - 1 = 3\)(k 為類別數)

jamovi 操作:適合度檢定

步驟

  1. Frequencies → N Outcomes → \(\chi^2\) Goodness of fit
  2. 將類別變項拖入 Variable
  3. 選擇 Expected Proportions(預設均等)
  4. 查看結果表格中的 \(\chi^2\)、df、p

注意

  • 如果預期比例不均等,需手動設定每個類別的比例
  • 例如:預期 A:B:C = 2:1:1 → 輸入 0.5, 0.25, 0.25

jamovi 示範:隨機分派是否均等?

來源:Zhang et al. (2024) Study 2

64 位大學生隨機分派到三種教學條件:

條件 說明 實際人數
0 Static Slides(靜態投影片) 24
1 Drawing + Hand(顯手繪圖) 17
2 Drawing Only(無手繪圖) 23

研究問題:三組人數是否符合均等分配(預期各 \(\approx\) 21.3 人)?

運用適合度檢定:隨機分派是否成功讓三組人數接近均等?

Part 3:獨立性檢定🧠

Chapek9 資料集

情境:異星球入境旅客族群(human、robot)的回答偏好(data、flower 或 puppy)

Species × Choice 列聯表
data flower puppy Sum
human 65 13 15 93
robot 44 30 13 87
Sum 109 43 28 180

問題:旅客族群與回答偏好之間有關聯嗎?

  • \(H_0\):species 與 choice 獨立(無關聯)
  • \(H_1\):species 與 choice 不獨立(有關聯)

百分比堆疊條形圖

如果三組回答比例相同 → 獨立;比例不同 → 有關聯

獨立性檢定的預期值

預期值計算

\[E_{ij} = \frac{R_i \times C_j}{N}\]

預期次數(假設 H₀ 為真)
data flower puppy
human 56.3 22.2 14.5
robot 52.7 20.8 13.5

預期值 = 「如果物種與選擇無關,各格子應該有多少人?」

獨立性檢定結果

\[\chi^2(2) = 10.72,\quad p = 0.005,\quad V = 0.24\]

\(p = 0.005 < .05\)拒絕 H₀:物種與選擇有關聯

\(V = 0.24\)(小效果)

解讀列聯表的百分比

行百分比(Row %)

  • 每一列加總 = 100%
  • 回答:「在 robot 中,選 puppy 的比例是多少?」
  • 用於比較不同物種的選擇模式

列百分比(Column %)

  • 每一欄加總 = 100%
  • 回答:「在選 puppy 的人中,robot 佔多少?」
  • 用於比較不同選擇的物種組成

jamovi 中可在 Contingency Tables 勾選 Row / Column percentages

jamovi 操作:獨立性檢定

步驟

  1. Frequencies → Contingency Tables → Independent Samples - \(\chi^2\) test of association

  2. 將一個類別變項拖入 Rows,另一個拖入 Columns

  3. 勾選 Statistics → \(\chi^2\)

  4. 勾選 Statistics → Cramer’s V(效果量)

  5. 勾選 Cells → Expected counts

jamovi 示範:性別分配是否均衡?

來源:Zhang et al. (2024) Study 2

隨機分派後,三組的性別組成如下:

條件 Female Male
Static Slides (0) 13 11
Drawing + Hand (1) 14 3
Drawing Only (2) 19 4

研究問題:教學條件(condition)與性別(Sex)是否獨立?

運用獨立性檢定:隨機分派是否讓三組參與者的性別組成均衡

Part 4:效果量與適用條件🧠

Cramer’s V:關聯強度

\[V = \sqrt{\frac{\chi^2}{N \times (k - 1)}}\]

\(k = \min(\text{列數}, \text{欄數})\)

Cramer’s V 關聯強度
.10
.30
.50

V 的範圍:0(完全獨立)到 1(完全關聯)

適用條件:預期次數 ≥ 5

規則:每個細格的預期次數 \(E_{ij} \geq 5\)

Chapek9 的預期次數
data flower puppy
human 56.3 22.2 14.5
robot 52.7 20.8 13.5
  • 預期次數 < 5 的細格數:0

所有預期次數 ≥ 5,卡方檢定適用 ✓

Fisher’s Exact Test

何時使用

  • 預期次數 < 5 的細格超過 20%
  • 或任何一格預期次數 < 1

Fisher’s Exact Test(續)

jamovi 操作

  • Contingency Tables → Statistics → 勾選 Fisher’s exact test

差異

卡方檢定 Fisher’s Exact
原理 近似法(大樣本) 精確機率計算
適用 預期次數都 ≥ 5 小樣本或稀疏表格
結果 \(\chi^2\), df, p 僅 p 值

Part 5:t vs \(\chi^2\) 使用時機🧠

判斷流程

你的依變項是什麼尺度?
         │
    ┌────┴────┐
    │         │
 連續       名義、次序
(分數、時間)(是/否、選擇)
    │         │
  t 檢定     卡方檢定
    │         │
    │         │
  效果量    效果量
    d         V

核心原則:比平均數 → t,比比例/次數\(\chi^2\)

情境練習

# 情境 應使用
1 比較男女生的考試分數 t 檢定
2 比較男女生選文組/理組的人數 卡方檢定
3 比較治療前後的焦慮量表分數 相依 t
4 調查不同年齡層偏好的飲料類型 卡方檢定

判斷的關鍵問句

問自己兩個問題:

  1. 依變項是數字(連續)還是類別(名義、次序)?
    • 數字 → t(或 ANOVA)
    • 類別 → \(\chi^2\)
  2. 自變項(獨變項)有幾組?
    • 1 組 vs 理論值 → 適合度 / 單一樣本 t
    • 2 組以上 → 獨立性 / 獨立樣本 t

Part 6:本週作業

作業內容

資料:個人化 W13_Survey_[學號].csv

你的資料包含:

變項 類型 說明
Member_Type Nominal 會員類型(Regular / Premium / VIP)
Store_Preference Nominal 商店偏好(A / B / C / D)
Satisfaction Nominal 滿意度(Satisfied / Neutral / Dissatisfied)

任務 1:適合度檢定

操作:檢驗 Store_Preference 是否均等分佈

  1. Frequencies → N Outcomes
  2. 檢視 \(\chi^2\)、df、p 值
  3. 記錄觀測次數與預期次數

任務 2:獨立性檢定

操作:檢驗 Member_TypeSatisfaction 之間是否有關聯

  1. Frequencies → Contingency Tables
  2. 勾選 \(\chi^2\) + Cramer’s V
  3. 勾選 Expected counts
  4. 記錄列聯表與預期次數
  5. 判斷是否有預期次數 < 5 的情況

任務 3:APA 寫作 + 觀念辨析

APA 寫作(2 段):

  1. 適合度檢定:\(\chi^2(df) = \dots,\ p = \dots\)
  2. 獨立性檢定:\(\chi^2(df) = \dots,\ p = \dots,\ V = \dots\)

觀念辨析(3 題):

  1. Q1:請說明以下情境應使用 t 檢定還是卡方檢定,並解釋原因:
  1. 比較男生和女生的考試成績平均分數

  2. 調查中學生與大學生使用的社群軟體(IG/FB/TikTok)人數比例

  3. 檢驗某家餐廳在google地圖評分在不同月份獲得的評等是否一致

  1. Q2:為什麼預期次數太小(< 5)會導致卡方檢定不準確?此時應如何處理?

  2. Q3:Cramer’s V = 0.15 與 V = 0.45 分別代表什麼?以卡法分佈的特性來說,為什麼光看 p 值是不夠的?

繳交要求

檔案 1:學號_姓名_W13_Lab.omv

  • 含適合度檢定(Store_Preference)
  • 含獨立性檢定(Member_Type × Satisfaction)
  • 勾選 Expected Counts 與 Cramer’s V

檔案 2:學號_姓名_W13_Report.docx

  • 適合度檢定結果
  • 獨立性檢定結果 + 預期次數診斷
  • 2 段 APA 格式報告
  • 3 題觀念辨析

繳交期限:本週上課結束前

小結與展望

本週核心概念

  1. 觀測 vs 預期\(\chi^2 = \sum (O-E)^2 / E\)
  2. 適合度檢定:一個變項的分佈是否符合預期
  3. 獨立性檢定:兩個類別變項是否有關聯
  4. 效果量:Cramer’s V(.1 小 / .3 中 / .5 大)
  5. 適用條件:預期次數 ≥ 5,否則用 Fisher’s Exact
  6. t vs \(\chi^2\):連續 → t,類別 → \(\chi^2\)

下週預告

下週問題

  • 兩個連續變項之間的關係?
  • 什麼是相關係數
  • 相關 ≠ 因果到底是什麼意思?

課後資源

電子書第 10 章:類別資料分析

關鍵術語對照

中文 英文 符號
卡方檢定 Chi-square test \(\chi^2\)
適合度檢定 Goodness-of-fit test
獨立性檢定 Test of independence
列聯表 Contingency table
預期次數 Expected frequency \(E\)
觀測次數 Observed frequency \(O\)
克拉瑪 V Cramer’s V \(V\)

Q & A