Jak działa test Q-Dixona?
Po co w ogóle to sprawdzać?
W każdej serii pomiarowej zdarza się czasem wynik wyraźnie odbiegający od reszty —
efekt pomyłki przy odczycie, zanieczyszczonej próbki, chwilowej usterki aparatury.
Test Q-Dixona to prosta metoda statystyczna, szczególnie popularna przy
małych liczebnościach próby (typowo n = 3–30), która sprawdza,
czy najbardziej „podejrzany” wynik w serii jest na tyle daleko od pozostałych,
że z dużym prawdopodobieństwem nie pochodzi z tego samego rozkładu co reszta
danych — odpowiada więc na pytanie czy można go statystycznie potraktować jako wartość odstającą
(outlier).
Idea w skrócie
Test porządkuje wszystkie wyniki serii rosnąco, a następnie patrzy na
sprawdzaną wartość skrajną (najmniejszą lub największą) i mierzy, jak duża jest
„luka” między nią a najbliższym sąsiadem, w porównaniu z całym rozstępem danych.
Im większy udział tej luki w całym rozstępie, tym silniejsza przesłanka, że
sprawdzana wartość jest odstająca.
Wzór
Q =
| xpodejrzana − xnajbliższa |
(xmax − xmin)
gdzie:
- xpodejrzana — sprawdzana wartość skrajna (najmniejsza lub
największa w uporządkowanej serii),
- xnajbliższa — wartość sąsiadująca z nią w uporządkowanym
zbiorze (czyli druga najmniejsza lub druga największa),
- xmax − xmin — rozstęp, czyli różnica między
największą a najmniejszą wartością w całej serii.
Tak obliczoną wartość Q porównuje się z wartością krytyczną
Qcrit, odczytywaną z tablic (Dixon, 1951; Rorabacher, 1991)
dla danej liczebności próby n i przyjętego poziomu istotności
α.
Statystyka zależna od liczebności serii (r10, r11, r21, r22)
Wzór powyżej to najprostsza postać testu (Dixon nazwał ją r10). Ma jedną
słabość: jeśli w serii są dwie wartości odstające, mogą się wzajemnie
„zasłaniać” (maskowanie) – druga zawyża rozstęp w mianowniku albo, stojąc tuż obok
pierwszej, zmniejsza lukę w liczniku. Dlatego Dixon (1951) i Rorabacher (1991) zalecają
dla większych serii odmiany, które pomijają kilka skrajnych wyników. Program sam wybiera
odmianę według liczby wyników n i nazwę użytej statystyki podaje w raporcie:
Wzory dla sprawdzanej wartości największej
(x(1) ≤ x(2) ≤ … ≤ x(n) – wyniki uporządkowane rosnąco;
dla wartości najmniejszej wzory są lustrzane):
| n |
Statystyka |
Wzór |
Co się zmienia względem r10 |
| 3–7 |
r10 |
(x(n) − x(n−1)) / (x(n) − x(1)) |
luka do sąsiada / cały rozstęp – podstawowe „Q” |
| 8–10 |
r11 |
(x(n) − x(n−1)) / (x(n) − x(2)) |
w mianowniku pominięta skrajna wartość po drugiej stronie |
| 11–13 |
r21 |
(x(n) − x(n−2)) / (x(n) − x(2)) |
dodatkowo licznik sięga do drugiego sąsiada |
| 14–30 |
r22 |
(x(n) − x(n−2)) / (x(n) − x(3)) |
pominięte po dwie wartości z drugiej strony i od strony sprawdzanej |
Jeżeli Q > Qcrit — wynik uznaje się za odstający.
W przeciwnym razie nie ma podstaw, by odrzucić dany pomiar.
Dlaczego tylko trzy poziomy istotności?
W odróżnieniu od testu Grubbsa, test Q-Dixona nie ma prostego wzoru
analitycznego na wartość krytyczną — opiera się wyłącznie na tablicach
wyznaczonych empirycznie dla konkretnych poziomów ufności (90 %, 95 %, 99 %).
Dopuszczenie dowolnej, „własnej” wartości α wymagałoby interpolacji
między tabelarycznymi wartościami krytycznymi, co dawałoby jedynie wynik
przybliżony. W tym arkuszu świadomie z tego zrezygnowano na rzecz trzech
ściśle tablicowych wartości — to jedyny sposób, by wynik testu pozostał
w pełni zgodny ze źródłową publikacją.
Iteracje — co oznaczają w tym arkuszu?
Ten arkusz pozwala włączyć opcję „Iteracje: Tak”. Oznacza to, że po odrzuceniu
pierwszej wartości odstającej test Q-Dixona jest uruchamiany ponownie
na pozostałych danych (czyli na serii pomniejszonej o odrzucony punkt) — i tak
dalej, aż do wykorzystania ustawionej liczby iteracji (maksymalnie 5) lub do
momentu, w którym test przestaje znajdować kolejną wartość odstającą (zależy co następuje
wcześniej). Po wykorzystaniu limitu test jest wykonywany jeszcze raz: jeśli
nadal wykazuje wartość odstającą, dostaje ona status „Odstająca” (pozostaje w
obliczeniach), a raport informuje, że limit iteracji został wyczerpany.
Dlaczego trzeba tu zachować ostrożność: każda kolejna iteracja
zmniejsza liczebność próby (n), a przy małych próbach (typowych dla
tego testu) wpływ pojedynczego usuniętego punktu na rozstęp i kolejny wynik Q jest
proporcjonalnie duży. W praktyce laboratoryjnej rzadko uzasadnione jest wykonywanie
więcej niż 1–2 iteracji dla jednej serii — jeśli test sugeruje więcej, warto to
potraktować jako sygnał do przyjrzenia się danym „ręcznie”, a nie automatycznego
zaakceptowania wszystkich kolejnych odrzuceń.
Ograniczenie, o którym warto wiedzieć
Test Q-Dixona (podobnie jak test Grubbsa) jest zaprojektowany do wykrywania
pojedynczej wartości odstającej na raz i zakłada, że pozostałe dane
pochodzą z rozkładu zbliżonego do normalnego. Statystyki r11–r22
ograniczają efekt maskowania, ale przy małych seriach (n ≤ 7, statystyka r10)
dwie odstające wartości po tej samej stronie mogą się nadal nawzajem „maskować” —
warto wtedy wspomóc się oceną wzrokową danych.
Źródła
Dixon, W.J. (1951). Ratios Involving Extreme Values. Annals of
Mathematical Statistics, 22(1), 68–78.
Rorabacher, D.B. (1991). Statistical Treatment for Rejection of Deviant
Values: Critical Values of Dixon's „Q” Parameter and Related Subrange Ratios
at the 95% Confidence Level. Analytical Chemistry, 63(2), 139–146.