【統計検定2級】第一種の過誤と第二種の過誤について

今回は、統計検定2級で頻出の「第一種の過誤(type I error)と第二種の過誤(type II error)」について解説します。

仮説検定では、比較するモデル同士を帰無仮説と対立仮説に分けます。パラメーター数が少ないモデルが帰無仮説です。

そして、仮説検定には、以下の2種類の誤りがあります。

Type I error & Type II error

第1種の過誤：帰無仮説が正しいのに帰無仮説を棄却してしまう誤り。

つまり、第1種の過誤の確率αは有意水準と同値です。言い換えれば、棄却域内の確率の和です。

第2種の過誤：帰無仮説が誤りなのに、帰無仮説を棄却しない誤り。

第二種の過誤の確率βは、対立仮説の棄却域外における確率の和です。特徴としては、分散が大きいほど第2種の過誤は大きくなります。

基本的にαが大きくなるとβは小さくなるという負の相関があります。

求め方としては、

①対立仮説が正しいと仮定する

③棄却域を基に、分布表を見る。

ちなみに、1から第2種の過誤の確率βを除いたものは、「検出力」と言います。

検出力を上げるには、サンプルサイズを上げるなどの方法があります。

表にして表すとこの通りです。

帰無仮説	棄却する	棄却できない
真	type I error	○
偽	○	type II error

機械学習でも使う混合行列にも同じ考えを適用しています。

詳しくは、【多変量解析】ROC曲線とAUCによる判別分析|pythonをご覧ください。

【例題】

x	1	2	3	4	5	6
P(X=x)	0.1	0.1	0.1	0.15	0.25	0.3

x	1	2	3	4	5	6
P(X=x)	0.4	0.3	0.2	0.05	0.05	0

(1)棄却域をx<4とする。この時の第一種の過誤の確率と第二種の過誤の確率、検出力を求めてみましょう。

【解説】

離散確率分布を扱う問題でした。

第一種の過誤の確率は、帰無仮説の棄却域内における確率の和です。よって、

0.1+0.1+0.1=0.3です。

第二種の過誤の確率は、対立仮説の棄却域外における確率の和です。よって、

0.05+0.05+0=0.1です。

検出力は、1と第二種の過誤の差です。よって0.9になります。

＊注意

第一種の過誤の確率を下げたければ、棄却域の範囲を狭めたら良いです。

→棄却域の範囲を狭めると、棄却域外が大きくなり、第二種の過誤の確率は上がります。

→トレードオフの関係にあります。下のようなグラフを書けます。

最強力検定

2つの過誤の確率や検出力についての理解が深まった方に、いくつか検定方法をご紹介します。まずは、最強力検定です。

最強力検定とは、「有意水準が同一のもとで、ある検定Fとある検定Gの検出力1-βを比べた時、Fの方が大きい時」に、「FはGより強力」であると言います。

つまり検定として優れているということになります。

この考え方は、「一定以下のαで、検出力1-βが最大の区間」を一番良い区間として評価するという、ある種当たり前の考えを反映しています。

当然他の条件が正しく、有意水準が一定以下なら、検出力は高ければ高いほど良いです。

帰無仮説と対立仮説がどちらも単純仮説(パラメータが一つ)の時、検出力を最大にする最強力検定が存在します。

これを、ネイマン・ピアソンの補題と言います。

Neyman-Pearsonの仮説検定

ここまでの話で、第一種の過誤と第二種の過誤はトレードオフの関係にあることが理解できたと思います。

このことから、一般的な仮説検定では第一種の過誤の大きさにのみ注目します。どちらの過誤も避けるのは現実的に難しいからです。

この検定を、ネイマン・ピアソンの仮説検定と呼びます。

第一種の過誤の大きさに注目する以上、帰無仮説が棄却できない時には「結論が言えない」というデメリットがあります。例えば、帰無仮説が棄却できない時は、「帰無仮説が正しい」とは言えません。

あくまで、「現在設定した有意水準では、帰無仮説と対立仮説は正しいとも正しくないとも言えない」という結論にしかなりません。

ここまでの説明で、「ネイマンピアソンの仮説検定は、モデル同士を比較する多くの方法のうち一つでしかない」と理解いただけたかと思います。

他のモデルの比較に関しては、以下のコンテンツをご覧ください。

有意水準とp値について復習したい方はこちらをご覧ください。

【仮説検定】p値をゼロから解説(第一種の過誤,第二種の過誤,検出力)