4 Autres tests

Les tests précédents couvrent les situations les plus fréquentes, mais il existe d’autres cas importants : tenir compte d’un appariement, comparer des rangs, comparer une distribution observée à une distribution attendue, ou tester une corrélation entre deux variables quantitatives.

4.1 Tests pour échantillons appariés

Deux échantillons sont appariés lorsque les observations vont par paires : deux mesures chez le même sujet, ou deux sujets associés par construction (par exemple deux jumeaux, ou un cas et son témoin apparié). Dans ce cas, on ne doit pas analyser les deux séries comme deux groupes indépendants. Pour chaque test ici, on suppose que la donnée est appariée sur un même sujet, et que les paires sont indépendantes les unes des autres.

4.1.1 Comparaison de moyennes appariées

Lorsque deux mesures quantitatives sont prises chez les mêmes sujets, la bonne unité de comparaison devient la différence intra-sujet.

Pour chaque paire, on calcule : \[ D_i=\text{pression après traitement}-\text{pression avant traitement} \]

La question n’est plus de comparer deux groupes indépendants, mais de tester si la moyenne théorique des différences est compatible avec 0. Un test de Student apparié est donc un test de Student à un échantillon appliqué aux différences. Pour l’appliquer, il faut vérifier les conditions précédentes, et que les différences intra-sujet \(D_i\) soient approximativement normales (ou nombre de paires suffisamment grand).

Pour un test bilatéral, les hypothèses sont : \[ H_0:\mu_D=0 \;\text{contre}\; H_1:\mu_D\neq0, \] où \(\mu_D\) est la moyenne théorique des différences.

On note :

  • \(n\) le nombre de paires ;
  • \(\bar D\) la moyenne observée des différences ;
  • \(S_D\) l’écart-type empirique corrigé des différences.

La statistique de test est : \[ T=\frac{\bar D-0}{S_D/\sqrt n}\underset{H_0}{\overset{\mathrm{approx.}}{\sim}}\text{Student}_{n-1} \]

On l’a écrit comme ça, pour montrer qu’elle ressemble très grandement à la statistique de test pour un échantillon unique.

Au seuil \(\alpha\), pour un test bilatéral, la région critique est : \[ |T|>t_{1-\alpha/2,n-1} \]

NoteExemple

On mesure la pression artérielle systolique de 8 patients avant et après quatre semaines de traitement. Les résultats observés, ainsi que les différences, sont présentés ci-dessous :

Tableau 1: Pression artérielle systolique (mmHg) avant et après traitement.
Patient 1 2 3 4 5 6 7 8
Avant traitement 140 127 150 135 145 138 152 135
Après traitement 132 130 141 133 137 135 143 137
Différence \(D_i\) -8 +3 -9 -2 -8 -3 -9 +2

En moyenne, la pression systolique diminue de 4,25 mmHg après traitement (moyenne des différences), pour un écart-type empirique corrigé de : \[ S_D = \sqrt{\frac{(-8+4,25)^2+(3+4,25)^2+\dots+(-9+4,25)^2+(2+4,25)^2}{8-1}}\approx4,95 \]

En supposant la normalité des différences, la statistique observée vaut : \[ t=\frac{-4,25}{4,95/\sqrt8}\approx -2,43 \]

Sous \(H_0\), cette statistique suit une loi de Student à \(8-1=7\) degrés de liberté. Au seuil de 5 %, la valeur critique bilatérale est \(t_{0,975;7}\approx2,37\). Comme \(|t|=2,43>2,37\), on rejette \(H_0\) : dans cet échantillon, la pression systolique moyenne est significativement plus faible après traitement, de l’ordre de 4,25 mmHg.

4.1.2 Test de McNemar

Le test de McNemar est l’analogue du test du \(\chi^2\) pour deux mesures qualitatives binaires appariées - typiquement, quand on mesure quelque chose avant et après une intervention. En plus des conditions précédentes, il faut que le nombre de paires discordantes - c’est-à-dire le nombre de personnes qui changent de statut entre les deux mesures - soit suffisant pour que l’approximation par le \(\chi^2\) soit valable (typiquement, \(b+c\ge10\)).

Quinn McNemar a présenté cette méthode en 1947 pour comparer des proportions issues de données appariées (McNemar 1947).

On représente ceci dans le tableau de contingence suivant :

Tableau 2: Structure d’un tableau pour le test de McNemar.
Après : Positif Après : Négatif Total
Avant : Positif \(a\) \(b\) \(a+b\)
Avant : Négatif \(c\) \(d\) \(c+d\)
Total \(a+c\) \(b+d\) \(n\)

On appelle “positif” et “négatif” les deux catégories possibles pour chaque mesure. Ç’aurait pu être “oui” et “non”, ou “malade” et “sain”, etc.

Les cellules \(a\) et \(d\) sont les paires concordantes : elles ne changent pas de statut. Le test porte uniquement sur les paires discordantes : \(b\) correspond aux sujets positifs avant et négatifs après, tandis que \(c\) correspond aux sujets négatifs avant et positifs après.

Les hypothèses sont : \[ H_0:\pi_{+-}=\pi_{-+} \;\text{contre}\; H_1:\pi_{+-}\neq\pi_{-+} \] où \(\pi_{+-}\) est la probabilité de passer de positif à négatif, et \(\pi_{-+}\) la probabilité de passer de négatif à positif.

La statistique de test est : \[ \chi^2_{\mathrm{McNemar}}=\frac{(b-c)^2}{b+c}\underset{H_0}{\overset{\mathrm{approx.}}{\sim}}\chi^2_1 \]

Au seuil \(\alpha\), la région critique est : \[ \chi^2_{\mathrm{McNemar}}>\chi^2_{1-\alpha,1} \]

NoteExemple

On intervient auprès de 100 patients pour essayer de les faire arrêter de fumer. On a demandé leur statut de fumeur avant l’intervention, puis 2 semaines après. On obtient le tableau de contingence suivant :

Tableau 3: Tableau de contingence portant sur l’arrêt du tabac.
Après : Fumeur Après : Non-fumeur Total
Avant : Fumeur 18 6 24
Avant : Non-fumeur 20 56 76
Total 38 62 100

Ici, \(b=6\) patients sont passés de fumeur à non-fumeur, et \(c=20\) patients sont passés de non-fumeur à fumeur. Comme le nombre de paires discordantes \(b+c=26 > 10\), l’approximation par le \(\chi^2\) est valable. La statistique vaut : \[ \chi^2_{\mathrm{McNemar}}=\frac{(6-20)^2}{6+20}\approx7,54 \]

Au seuil de 5 %, la valeur critique d’une loi du \(\chi^2\) à 1 degré de liberté est environ 3,84. Comme \(7,54>3,84\), on rejette \(H_0\) : la proportion de fumeurs n’est pas la même avant et après l’intervention. Ici, elle est plus élevée après l’intervention, car il y a davantage de passages non-fumeur \(\rightarrow\) fumeur que de passages fumeur \(\rightarrow\) non-fumeur. Il faudrait que ces chercheurs arrêtent d’influencer les gens à stopper la cigarette …

4.2 Test de Wilcoxon-Mann-Whitney

Un test de comparaison de moyennes n’est pas adapté si la question porte surtout sur une distribution très asymétrique ou des rangs par exemple. Dans ce cas, un test comme Wilcoxon-Mann-Whitney peut être plus pertinent.

Frank Wilcoxon a proposé un test de rangs en 1945 (Wilcoxon 1945). Henry Mann et Donald Whitney en ont développé une formulation équivalente en 1947 (Mann et Whitney 1947).

Ce test compare deux groupes indépendants au travers de leur distribution. De plus, c’est un test non paramétrique : il n’impose aucune hypothèse pour l’utiliser, si ce n’est l’indépendance des observations. Il est souvent présenté comme une alternative au test de Student si \(n<30\) et l’hypothèse de normalité n’est pas vérifiée, mais il ne teste pas la même chose !

Mise en garde

Sur internet ou en demandant à des modèles de langage, on peut lire que le test de Wilcoxon-Mann-Whitney est “un test des médianes”. C’est FAUX ! C’est un test portant sur la distribution (ou de “domination stochastique” si on veut se la péter). Cependant, sous certaines conditions, il peut s’interpréter comme un test de médianes.

Une manière assez simple (mais forte) de formuler les hypothèses est : \[ H_0:\text{les deux distributions sont identiques} \;\text{ vs. }\; H_1:\text{les deux distributions diffèrent.} \]

Le principe du test est alors le suivant :

  1. on mélange les valeurs des deux groupes ;
  2. on les classe de la plus petite à la plus grande ;
  3. on attribue un rang à chaque valeur, avec des rangs moyens en cas d’égalité ;

Avec ces rangs, on va se demander si les rangs du groupe 1 sont plus petits que ceux du groupe 2 (ou inversement) : c’est ça, comparer deux distributions.

NoteExemple

On demande si les hommes fumeurs sont plus jeunes que les anciens fumeurs. Dans un petit échantillon, on observe 9 fumeurs et 12 anciens fumeurs. Les âges des fumeurs sont 24, 31, 31, 33, 33, 34, 38, 40 et 48 ans. Les âges des anciens fumeurs sont 26, 32, 39, 41, 41, 42, 48, 50, 50, 53, 56 et 63 ans.

Comme les échantillons sont petits et que la distribution de l’âge n’est pas connue, on peut éviter un test de moyenne. Le test de Wilcoxon-Mann-Whitney classe les 21 âges, calcule les rangs, puis évalue si les fumeurs ont tendance à avoir des rangs plus faibles. Dans cet exemple, les anciens fumeurs tendent à être plus âgés.

Dans cet exemple, les égalités d’âge reçoivent des rangs moyens : les deux valeurs 31 ans reçoivent chacune le rang 3,5, les deux valeurs 33 ans le rang 6,5, et les deux valeurs 48 ans le rang 15,5. En classant tous les âges par ordre croissant (en orange les fumeurs, en bleu les anciens fumeurs) :

Tableau 4: Classement des âges des fumeurs et anciens fumeurs (prenez votre loupe).
Âge 24 26 31 31 32 33 33 34 38 39 40 41 41 42 48 48 50 50 53 56 63
Rang “logique” 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Rang “ex aequo” 1 2 3,5 3,5 5 6,5 6,5 8 9 10 11 12,5 12,5 14 15,5 15,5 17,5 17,5 19 20 21

Le calcul de la variance de la statistique est adapté lorsqu’il existe des ex æquo (des valeurs identiques recevant le même rang moyen). Nous ne trouvons pas intéressant de présenter ces formules ici ni de les utiliser à la main. À la place, voici comment interpréter le résultat d’un logiciel statistique, ainsi qu’une représentation graphique de la situation.

NoteExemple

La question ayant été formulée dans le sens “les fumeurs sont-ils plus jeunes ?”, on utilise ici un test unilatéral à gauche. Avec notre logiciel préféré, la statistique vaut \(W=19,5\) et la p-valeur asymptotique unilatérale, corrigée pour les ex æquo, est d’environ \(0,0078\) : on rejette donc \(H_0\) au seuil de 5 %. Dans cet échantillon, les fumeurs tendent à avoir des âges plus faibles que les anciens fumeurs. Pour le test bilatéral correspondant aux hypothèses écrites plus haut, la p-valeur serait environ \(0,0155\) ; la conclusion au seuil de 5 % resterait la même.

Figure 1: Distribution de l’âge chez les fumeurs et les anciens fumeurs. Pour chaque groupe, le demi-violon représente la densité estimée, la boîte résume les quartiles et la médiane, et les points montrent les observations individuelles.

Le graphe précédent s’appelle un “raincloud plot” : il combine un demi-violon (la densité estimée), une boîte (les quartiles et la médiane) et les points (les observations individuelles). En plus, c’est plutôt mignon.

4.3 Test du \(\chi^2\) d’ajustement

Le test du \(\chi^2\) d’ajustement ne compare pas deux variables qualitatives. Il compare la distribution observée d’une seule variable qualitative à une distribution théorique ou de référence fixée à l’avance. Pour l’utiliser, il faut aussi que les effectifs attendus soient suffisants (typiquement, au moins 5 par modalité).

ImportantDéfinition

Le test du \(\chi^2\) d’ajustement teste si la distribution observée d’une variable qualitative à \(k\) modalités est compatible avec une distribution de référence.

Les hypothèses sont : \[ H_0:P(Y=1)=p_1,\ldots,P(Y=k)=p_k \] contre \[ H_1:\text{au moins une proportion diffère de la distribution de référence.} \]

Si les probabilités de référence sont \(p_1,\ldots,p_k\) et que l’effectif total est \(n\), les effectifs attendus sont : \[ E_j=np_j. \]

La statistique repose ensuite sur la même idée que le \(\chi^2\) d’indépendance : \[ \chi^2=\sum_{j=1}^k\frac{(O_j-E_j)^2}{E_j} \underset{H_0}{\overset{\mathrm{approx.}}{\sim}}\chi^2_{k-1} \] où \(O_j\) est l’effectif observé et \(E_j\) l’effectif attendu dans la modalité \(j\). Le nombre de degrés de liberté est \(k-1\).

Au seuil \(\alpha\), la région critique est : \[ \chi^2>\chi^2_{1-\alpha,k-1} \]

NoteExemple

Dans la population adulte générale de l’île Maurice, on suppose que la répartition par sexe est 52 % de femmes et 48 % d’hommes. Dans l’enquête HTA, on observe 241 femmes et 161 hommes parmi 402 personnes, soit environ 60 % et 40 %.

Les hypothèses sont : \[ H_0:p_{\mathrm{femmes}}=0,52\;\text{ et }\;p_{\mathrm{hommes}}=0,48 \] contre \[ H_1:\text{la répartition par sexe ne suit pas cette distribution de référence.} \]

Sous la distribution de référence, les effectifs théoriques seraient de \(402\times0,52\approx209,04\) femmes et \(402\times0,48\approx192,96\) hommes. On résume tout cela dans le tableau suivant :

Hommes Femmes Total
Sur l’île 48 % 52 % 100 %
Observé 161 241 402
Théorique \(402 \times 0,48 \approx 192,96\) \(402 \times 0,52 \approx 209,04\) 402

La statistique du \(\chi^2\) d’ajustement vaut alors : \[ \chi^2=\frac{(241-209,04)^2}{209,04}+\frac{(161-192,96)^2}{192,96}\approx10,18 \]

Comme il y a \(k=2\) modalités, le nombre de degrés de liberté est \(k-1=1\). Au seuil de 5 %, la valeur critique d’une loi du \(\chi^2\) à 1 degré de liberté est environ 3,84. Comme \(10,18>3,84\), on rejette \(H_0\) : dans l’enquête HTA, la répartition par sexe observée n’est pas compatible avec la distribution de référence 52 % / 48 %. Les femmes sont surreprésentées dans l’échantillon.

4.4 Test de corrélation entre deux variables quantitatives

On a vu dans le chapitre sur la représentation des données qu’un coefficient de corrélation résume la force et le sens d’une association entre deux variables quantitatives. Mais observer un coefficient différent de 0 dans un échantillon ne suffit pas pour conclure : les fluctuations d’échantillonnage peuvent aussi produire une corrélation. C’est là qu’intervient le test.

4.4.1 Test de corrélation de Pearson

ImportantDéfinition

Le test de corrélation de Pearson teste si le coefficient de corrélation linéaire entre deux variables quantitatives est nul dans la population.

Karl Pearson développe la théorie de la corrélation linéaire dans ses travaux de 1896 (Pearson 1896). On retrouve donc son nom ici, comme pour le \(\chi^2\), mais les deux tests ne répondent pas à la même question !

On mesure deux variables \(X\) et \(Y\) chez \(n\) individus. On note \(r\) le coefficient de corrélation observé dans l’échantillon et \(\rho\) (la lettre grecque “rhô”) celui de la population. Pour un test bilatéral, les hypothèses sont : \[ H_0:\rho=0 \;\text{contre}\; H_1:\rho\neq0 \]

Autrement dit, on cherche à savoir s’il existe une association linéaire entre \(X\) et \(Y\) dans la population, dans un sens ou dans l’autre.

Avant de calculer quoi que ce soit, on commence par regarder le nuage de points. Si les points dessinent autre chose qu’une tendance qui peut se résumer via une droite (p. ex., une courbe en U), ce coefficient ne résume probablement pas bien la situation.

Pour le test présenté ici, on suppose que :

  • les individus sont indépendants les uns des autres. Chaque individu fournit un couple de mesures \((X_i,Y_i)\) : ce sont les couples qui doivent être indépendants, pas les deux variables à l’intérieur d’un couple ;
  • les couples \((X,Y)\) suivent une loi normale bivariée. Sans entrer dans les détails, on cherche à vérifier si le nuage de points a une forme globalement elliptique (vérifier séparément que \(X\) et \(Y\) ont chacun une distribution normale n’est donc pas utile !).

Cette hypothèse de normalité sert à justifier la loi du test ci-dessous. On peut calculer un coefficient de Pearson sans elle, mais cela ne rend pas automatiquement sa p-valeur valide.

Sous ces hypothèses, la statistique de test est : \[ T=r\sqrt{\frac{n-2}{1-r^2}}\underset{H_0}{\sim}\text{Student}_{n-2} \]

On retrouve une loi de Student, cette fois avec \(n-2\) degrés de liberté. Au seuil \(\alpha\), pour un test bilatéral, la région critique est : \[ |T|>t_{1-\alpha/2,n-2} \]

NoteExemple

On mesure l’âge et la pression artérielle systolique de 30 adultes indépendants. On observe un coefficient de Pearson \(r=0,60\) : dans l’échantillon, les personnes plus âgées tendent à avoir une pression systolique plus élevée. On suppose ici que les conditions du test sont satisfaites.

On souhaite tester \(H_0:\rho=0\) contre \(H_1:\rho\neq0\), au seuil de 5 %. La statistique observée vaut : \[ t=0,60\sqrt{\frac{30-2}{1-0,60^2}}\approx3,97 \]

Sous \(H_0\), la statistique suit une loi de Student à \(30-2=28\) degrés de liberté. La valeur critique bilatérale est \(t_{0,975;28}\approx2,05\). Comme \(|t|=3,97>2,05\), on rejette \(H_0\) ; la p-valeur bilatérale vaut environ \(0,00046\).

On met donc en évidence une association linéaire positive entre l’âge et la pression artérielle systolique dans la population étudiée. Cela ne signifie pas que chaque personne plus âgée a nécessairement une pression plus élevée, ni que ce test démontre un lien causal.

AvertissementUne corrélation significative n’est pas forcément une forte corrélation

La p-valeur dépend à la fois du coefficient observé et de l’effectif. Avec beaucoup de sujets, une corrélation très faible peut être significative ; avec peu de sujets, une corrélation plus marquée peut ne pas l’être. On rapporte donc le coefficient, et pas seulement la p-valeur, ainsi que l’effectif et, si possible, un intervalle de confiance.

Et si le test n’est pas significatif, on ne conclut pas que les variables sont indépendantes : on n’a pas mis en évidence de corrélation linéaire. Une relation d’une autre forme peut parfaitement exister.

4.4.2 Et si la relation n’est pas linéaire ?

Si la relation est monotone, c’est-à-dire globalement croissante ou décroissante (sans forcément suivre une droite), on peut utiliser le test de corrélation de Spearman. Son coefficient correspond à une corrélation de Pearson calculée sur les rangs des valeurs. En cas d’ex æquo, on attribue des rangs moyens (comme ce qu’on a fait avec Wilcoxon-Mann-Whitney).

Charles Spearman a proposé cette approche par les rangs en 1904 (Spearman 1904).

On note \(r_s\) le coefficient observé et \(\rho_s\) celui de la population. Le test bilatéral porte alors sur : \[ H_0:\rho_s=0 \;\text{contre}\; H_1:\rho_s\neq0 \]

Ce test ne nécessite pas l’hypothèse de normalité bivariée, mais les individus doivent toujours être indépendants.

NoteRemarque

Spearman ne détecte pas toutes les relations non linéaires ! Si la relation est en U, elle descend puis remonte : elle n’est pas monotone, et les deux coefficients peuvent être proches de 0. Le nuage de points reste donc indispensable pour choisir ce que l’on veut mesurer :)

Les références

Mann, Henry B., et Donald R. Whitney. 1947. « On a Test of Whether One of Two Random Variables Is Stochastically Larger than the Other ». The Annals of Mathematical Statistics 18 (1): 50‑60. https://doi.org/10.1214/aoms/1177730491.
McNemar, Quinn. 1947. « Note on the Sampling Error of the Difference between Correlated Proportions or Percentages ». Psychometrika 12 (2): 153‑57. https://doi.org/10.1007/BF02295996.
Pearson, Karl. 1896. « Mathematical Contributions to the Theory of Evolution. III. Regression, Heredity, and Panmixia ». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A 187: 253‑318. https://doi.org/10.1098/rsta.1896.0007.
Spearman, Charles. 1904. « The Proof and Measurement of Association between Two Things ». The American Journal of Psychology 15 (1): 72‑101. https://doi.org/10.2307/1412159.
Wilcoxon, Frank. 1945. « Individual Comparisons by Ranking Methods ». Biometrics Bulletin 1 (6): 80‑83. https://doi.org/10.2307/3001968.