3 Inférence statistique

3.1 Intervalle de confiance

La formule est similaire à celle présenté en section 1.3. Pour un coefficient \(\beta_j\), on a : \[ IC_{100(1-\alpha) \%}(\beta_j) = \widehat\beta_j \pm t_{1-\alpha/2\, ; \,n-p-1}\times SE(\widehat\beta_j) \]

Pareillement, pour un test bilatéral au risque \(\alpha = 5\%\), si l’IC 95 % d’un coefficient contient 0, alors le test correspondant n’est pas significatif au seuil de 5 %.

3.2 Tests d’hypothèse

3.2.1 Test t (un coefficient)

C’est le même test que celui présenté à la section 1.4 : on teste si un coefficient est significativement différent de zéro, conditionnellement aux autres covariables du modèle. On pose : \[ H_0:\beta_j=0 \;\text{vs.}\; H_1^{\text{bilatéral}}:\beta_j\neq0 \] avec \(\beta_j\) le coefficient associé à la covariable \(X_j\). La statistique de test est : \[ T=\frac{\widehat\beta_j}{SE(\widehat\beta_j)} \underset{H_0}{\sim} \text{Student}_{n-p-1} \] où \(p\) est le nombre de covariables dans le modèle.

Retenez que le nombre de degrés de liberté = nombre d’observations - nombre de \(\beta\) estimés

On conclut au rejet de \(H_0\) si la statistique de test est dans la région critique, soit si \[ |T| > t_{0{,}975\, ; \,n-p-1} \] pour un test bilatéral au risque \(\alpha=5\%\).

NoteExemple

La colonne \(t\) du tableau 1 de la section 2 correspond à la statistique de test t pour chaque coefficient. Par exemple, pour le poids maternel, on a : \[ T=\frac{4{,}02}{1{,}72}=2{,}34 \] La valeur critique à 5 % est \(t_{0{,}975\, ; \,185}\approx 1{,}97\). Comme \(|T|=2{,}34>1{,}97\), on rejette \(H_0\) : le poids maternel est significativement associé au poids de naissance à âge et tabagisme identiques.

Pour tester un seul coefficient, on peut aussi utiliser le test de Wald, qui est basé sur la statistique \(W=\frac{\widehat\beta_j^2}{SE(\widehat\beta_j)^2} = T^2\) et \(W\sim\chi^2_1\) asymptotiquement sous \(H_0\). Nous voulions au moins vous le mentionner, car il est relativement fréquent.

3.2.2 Test global du modèle (tous les coefficients)

Le test F global évalue : \[ H_0:\beta_1=\cdots=\beta_p=0 \text{ vs. } H_1:\text{au moins un coefficient non nul} \]

Le test global se demande si au moins une covariable est significativement associée à \(Y\). Notez qu’on ne teste pas l’intercept ici !

Pour tester cela, on décompose la variabilité totale (comme fait en section “ANOVA pour trois moyennes ou plus” du chapitre Tests statistiques) : \[ SCT=\sum_{i=1}^n(y_i-\bar y)^2,\quad SCE=\sum_{i=1}^n(\widehat y_i-\bar y)^2,\quad SCR=\sum_{i=1}^n(y_i-\widehat y_i)^2, \] avec \(SCT=SCR + SCE\).

Pour rappel, SCT est la somme des carrés totale, SCE est la somme des carrés expliquée par le modèle, et SCR est la somme des carrés résiduelle.

La statistique de test est : \[ F=\frac{SCE/p}{SCR/(n-p-1)} \underset{H_0}{\sim} F_{p,n-p-1} \] On rejette \(H_0\) si \(F>f_{1-\alpha,p,n-p-1}\) pour un test global au risque \(\alpha\).

Note

En français, on note “SCT”, “SCR” et “SCE”. Si vous venez à lire des articles / cours en anglais, vous rencontrerez d’autres choses. Voici donc les équivalences anglais-français :

  • SCT : SST ou TSS
  • SCE : SSR ou ESS
  • SCR : SSE ou RSS
NoteExemple

Dans le modèle défini par l’équation 1 de la section 2, on a \(n=189\) observations et \(p=3\) covariables. Les sommes des carrés sont les suivantes :

  • \(SCT = 99\,917\,053\)
  • \(SCE = 6\,981\,830\)
  • \(SCR = 92\,935\,223\)

Avec ça, on peut construire le tableau d’ANOVA et calculer notre statistique de test F :

Tableau 1: Analyse de variance globale du modèle BWT ~ AGE + LWT + SMOKE.
Source Somme des carrés ddl Carré moyen F
Régression SCE = 6 981 830 3 CME = 2 327 276,7 \(F = \frac{CME}{CMR}= 4{,}63\)
Résidus SCR = 92 935 223 185 CMR = 502 352,6
Total SCT = 99 917 053 188

La valeur critique est d’environ 2,65. Comme \(F=4{,}63 > 2{,}65\), on rejette \(H_0\) : au moins une covariable apporte de l’information sur le poids moyen de naissance.

3.2.3 Test F partiel (un sous-ensemble de coefficients)

Souvent, on souhaite plutôt tester si certaines covariables (uniquement, pas toutes) sont associées à notre variable réponse \(Y\). On peut aussi vouloir tester si une variable avec 3 modalités ou plus apporte de l’information au modèle. Aucun des deux tests vus ne permet de le faire.

NoteExemple

On souhaite modéliser l’association entre le poids de naissance et l’origine maternelle (codée en trois catégories dans le jeu de données : “Caucasienne”, “Afro-américaine” et “Autre”), après ajustement sur l’âge de la mère, son poids avant la grossesse et sa consommation de tabac. Le modèle s’écrit : \[ \begin{aligned} \mathbb{E}(\mathrm{BWT}\mid \mathrm{ORIGINE}, \mathrm{AGE}, \mathrm{LWT}, \mathrm{SMOKE})=\beta_0&+\beta_1\mathbb{1}(\mathrm{ORIGINE}=\text{Afro-am.})+\beta_2\mathbb{1}(\mathrm{ORIGINE}=\text{Autre}) \\ &+ \beta_3\mathrm{AGE}+\beta_4\mathrm{LWT}+\beta_5\mathrm{SMOKE} \end{aligned} \] Pour voir si l’origine de la mère est associée au poids de naissance, on teste : \[ H_0:\beta_1=\beta_2=0 \text{ vs. } H_1:\text{au moins un coefficient non nul} \]

Un test F partiel compare deux modèles emboîtés :

  • un modèle réduit \(\mathcal M_R\) avec \(p_R\) variables explicatives ;
  • un modèle complet \(\mathcal M_C\) comprenant les \(p_R\) covariables du modèle réduit plus un bloc de \(q=p_C-p_R\) variables supplémentaires.

Sans perte de généralité, on peut supposer que ces \(q\) variables supplémentaires sont les dernières du modèle complet. Le modèle complet s’écrit donc : \[ \mathcal M_C \; : \; Y_i = \beta_0 + \beta_1 X_{i1} + \cdots + \beta_{p_R} X_{i,p_R} + \overbrace{\beta_{p_R+1} X_{i,p_R+1} + \cdots + \beta_{p_C} X_{i,p_C}}^{\text{$q=p_C-p_R$ variables testées}} + \varepsilon_i \]

On teste alors : \[ H_0:\beta_{p_R+1}=\cdots=\beta_{p_C}=0 \text{ vs. } H_1:\text{au moins un coefficient non nul} \]

La statistique est : \[ F=\frac{(SCR_R-SCR_C)/q}{SCR_C/(n-p_C-1)} \underset{H_0}{\sim} F_{q,n-p_C-1}, \] où \(q\) est le nombre de coefficients testés et \(p_C\) le nombre de coefficients hors intercept (car on fait déjà “-1”) dans le modèle complet.

NoteExemple

Pour tester si l’origine maternelle ORIGINE apporte de l’information au modèle déjà ajusté sur AGE, LWT et SMOKE, on compare : \[ \begin{aligned} \mathcal M_C: \mathbb{E}(\mathrm{BWT}\mid \mathrm{ORIGINE}, \mathrm{AGE}, \mathrm{LWT}, \mathrm{SMOKE})=\beta_0&+\beta_1\mathbb{1}(\mathrm{ORIGINE}=\text{Afro-am.})\\ &+\beta_2\mathbb{1}(\mathrm{ORIGINE}=\text{Autre}) + \beta_3\mathrm{AGE}+\beta_4\mathrm{LWT}\\ &+\beta_5\mathrm{SMOKE} \end{aligned} \] et \[ \mathcal M_R:\mathbb{E}(\mathrm{BWT}\mid \mathrm{AGE},\mathrm{LWT},\mathrm{SMOKE}) = \beta_0+\beta_1\mathrm{AGE}+\beta_2\mathrm{LWT}+\beta_3\mathrm{SMOKE} \] Comme ORIGINE a trois modalités, son ajout coûte deux degrés de liberté.

Tableau 2: Test F partiel évaluant l’ajout de l’origine maternelle au modèle ajusté.
Modèle ddl résiduels SCR F p-valeur
Réduit : AGE + LWT + SMOKE 185 92 935 223
Complet : réduit + origine maternelle 183 85 091 158 8,43 < 0,001

La statistique de test vaut \(F=8{,}43\) avec \(q=2\) et \(n-p_C-1=183\) degrés de liberté. Comme la valeur critique est \(F_{0{,}95\, ; \,2\, ; \,183}\approx 3{,}05\) et que \(F > 3{,}05\), on rejette \(H_0\) : l’origine maternelle apporte de l’information sur le poids de naissance après ajustement sur l’âge maternel, le poids maternel et le tabagisme.

Note

Grâce au \(SCE\) et au \(SCT\), on peut calculer la proportion de variance expliquée par le modèle. On appelle cette proportion coefficient de détermination, qu’on note \(R^2\), dont la formule est : \[ R^2 = \frac{SCE}{SCT} = 1 - \frac{SCR}{SCT} \] Dans l’exemple précédent, on a \(R^2 = 6\,981\,830 / 99\,917\,053 \approx 0{,}07\). Ainsi, le modèle explique environ 7 % de la variabilité du poids de naissance.

Pour les deux sections suivantes (section 4 et section 5), on s’intéresse au cas où on étudie une association entre (au moins) une exposition et la variable réponse.