BIOSTATISTIKA
L02
Vztahy dvou proměnných a vizualizace
Ilustrace vytvořená pomocí AI.
Naše biologická otázka Mají tučňáci s delší ploutví také vyšší tělesnou hmotnost?
Ilustrace: Allison Horst
Odpovězte samostatně na tři krátké otázky. Na telefonu neuvidíte odpovědi ostatních; společné výsledky otevřeme až po hlasování.
Výsledky nelze vložit při otevření prezentace přímo ze souboru.
Spusťte prezentaci přes místní webový server nebo použijte odkaz níže.
Správná odpověď: Owl monkey
Porovnáme hodnoty ve sloupci Spánek za den (h). Nejvyšší hodnota je 17.0 h v řádku Owl monkey.
Správná odpověď: 8–10 h
Nejvyšší sloupec stojí nad intervalem 8–10 h. Poloha sloupce na vodorovné ose určuje interval spánku; jeho výška vyjadřuje počet druhů v tomto intervalu.
Správná odpověď: 7.611111 h
Průměr vypočítává funkce mean(), která vrací 7.611111 h. Funkce median() vrací 8.4 h; hodnoty 4.0 h a 9.1 h jsou jednotlivá pozorování ve vektoru.
Po absolvování této přednášky budete schopni:
V minulé lekci jsme četli jednu proměnnou
Z tabulky, histogramu nebo číselného souhrnu jsme zjišťovali, jak vypadají hodnoty jedné proměnné.
Dvojice musí zůstat spolu
Dva oddělené histogramy neukážou, které dvě hodnoty patří stejnému tučňákovi.
Ilustrační obraz vytvořen AI.
Dvojice měření musí zůstat spojena se stejným pozorováním.
Naše biologická otázka Mají tučňáci s delší ploutví také vyšší tělesnou hmotnost?
Jak by podle vás mohl vypadat graf pro zodpovězení této otázky?
30 s přemýšlení — pak sdílejte svůj odhad se sousedem.
| Druh | Délka ploutve (mm) | Hmotnost (g) |
|---|---|---|
| Adelie | 181 | 3750 |
| Adelie | 186 | 3800 |
| Adelie | 195 | 3250 |
Jeden řádek = jeden tučňák
Které dvě hodnoty z jednoho řádku vytvoří jeden bod grafu?
Data: palmerpenguins 0.1.1, CC0. Celkem 344 řádků.
data_puvodni <-
read.csv(
file = "data/palmer_penguins.csv",
na.strings = ""
)
vec_uplne <-
complete.cases(
data_puvodni$flipper_length_mm,
data_puvodni$body_mass_g
)
data_pary <- data_puvodni[vec_uplne, ]
data_tucnaci <-
data.frame(
druh_tucnaka = data_pary$species,
ostrov = data_pary$island,
delka_ploutve_mm = data_pary$flipper_length_mm,
hmotnost_g = data_pary$body_mass_g
)344 řádků
2 řádky bez obou měření
342 úplných dvojic
Neúplný řádek vynecháme celý, aby se dvojice měření nerozpojila.
CSV Palmer Penguins: uložte do složky data ve svém projektu v R.
Změnil se vztah mezi délkou ploutve a hmotností, když jsme osy prohodili?
Oblak se jen zrcadlově převrátí podle úhlopříčky. Směr ani těsnost vztahu se nezmění; tytéž dvojice měření zůstávají spojené.
Podobná délka ploutve, různá hmotnost
Podobná hmotnost, různá délka ploutve
Když čteme bodový graf, díváme se současně na směr vztahu i na to, jak široký oblak zůstává v obou směrech.
Co už můžeme tvrdit? Která formulace je v této chvíli nejlepší?
A
V grafu je vidět vztah, takže jsme prokázali příčinu.
B
V datech je vidět biologicky smysluplný vzor, který chceme popsat přesněji.
C
Protože body neleží na jedné přímce, mezi proměnnými žádný vztah není.
Než hlasujeme: přesvědčte souseda, proč jste vybrali svoji možnost.
Mají tučňáci s delší ploutví také vyšší tělesnou hmotnost?
Signál
Delší ploutve bývají spojeny s vyšší hmotností.
Rozptýlení
Vztah není dokonale těsný.
POZOR Graf popisuje asociaci; její příčinu ani nejistotu z tohoto obrázku neurčíme.
Biologická logika platí i po obarvení podle druhu
Co by takové číslo muselo umět?
Řekněte sousedovi aspoň jednu vlastnost
30 s každý — pak porovnejte, co jste vymysleli.
Zachytit směr a těsnost vztahu a nezáviset na tom, v jakých jednotkách měříme.
Střed grafu určíme dvěma průměry: délka 200.9 mm, hmotnost 4202 g.
Bod nad průměrem v obou proměnných
Obě odchylky jsou kladné → jejich součin je také kladný.
I. a III. kvadrant
Vpravo nahoře a vlevo dole.
II. a IV. kvadrant
Vlevo nahoře a vpravo dole.
Všechny čtyři stejně
Na poloze vůči středu nezáleží.
Než hlasujeme: vysvětlete sousedovi znaménka obou odchylek v jedné možnosti.
Průměry:
Délka ploutve: 188,75 mm
Hmotnost: 4050 g
| Délka | Hmotnost | Délka odch. | Hmotnost odch. |
|---|---|---|---|
| 181 | 3750 | -7,75 | -300 |
| 186 | 3800 | -2,75 | -250 |
| 190 | 4250 | 1,25 | 200 |
| 198 | 4400 | 9,25 | 350 |
kovariance = součet součinů odchylek / (počet pozorování − 1)
Kovariance sčítá součiny odchylek. Rozhoduje znaménko i velikost každého součinu, nikoli samotný počet bodů v kvadrantech.
| Délka odch. | Hmotnost odch. | Součin |
|---|---|---|
| -7,75 | -300 | 2325 |
| -2,75 | -250 | 687,5 |
| 1,25 | 200 | 250 |
| 9,25 | 350 | 3237,5 |
součet součinů odchylek = 6500
počet pozorování − 1 = 3
kovariance = 6500 / 3 ≈ 2166,67 mm·g
Každý součin patří jednomu ze stejných čtyř pozorovaných tučňáků.
cov()Co se stane s kovariancí, když délku ploutve přepočteme na centimetry a hmotnost na kilogramy?
Stejní tučňáci: všech 342 úplných dvojic.
V milimetrech a gramech
Kovariance: 9 824 (mm·g)
V centimetrech a kilogramech
Kovariance: 0,982 (cm·kg)
Směr vztahu se nezměnil, ale číslo ano. Proto chceme bezrozměrný souhrn: korelaci.
Pearsonova korelace
r = kovariance / (SD délky ploutve × SD hmotnosti)
Jednotky v čitateli i jmenovateli se vykrátí.
cor()r je doplněk ke grafu, ne jeho náhrada.
Seřaďte grafy A–D od nejslabšího po nejtěsnější vztah. Jaké r odhadujete pro nejtěsnější z nich?
Čím těsněji body leží podél přímky, tím blíž je r k 1.
Zkonstruované výukové příklady; popisky uvádějí korelaci spočtenou ze zobrazených bodů.
Záporné r = -0,89: s vyšší nadmořskou výškou průměrná teplota klesá.
Zkonstruovaný výukový příklad nadmořské výšky a teploty; nejde o terénní měření.
[1] 0.8712018
r ≈ 0,87: silný rostoucí vztah — a přesto při stejné délce ploutve zůstává rozptýlení hmotnosti.
Spearmanova korelace
Hodnoty nahradí jejich pořadím (nejkratší ploutev = 1, druhá nejkratší = 2, …) a korelaci spočítá z pořadí.
U tučňáků vychází podobně jako Pearson (0,87 a 0,84): oblak roste zhruba po přímce.
Který z těchto tří grafů podle vás povede k největšímu rozdílu mezi oběma koeficienty?
Největší rozdíl: C. Pořadí roste, ale vztah není přímka: Pearson 0,82, Spearman 1,00.
Zkonstruované výukové příklady; nejde o měření tučňáků.
Stejný typ vztahu jako v grafu C, tentokrát s rozptýlenými body. Pearson 0,82, Spearman 0,99: pořadí hodnot roste téměř dokonale, ale body neleží na přímce.
Zkonstruovaný výukový příklad; nejde o měření tučňáků.
| Soubor | Průměr x | Průměr y | Rozptyl x | Rozptyl y | r |
|---|---|---|---|---|---|
| A | 9,00 | 7,50 | 11,00 | 4,13 | 0,82 |
| B | 9,00 | 7,50 | 11,00 | 4,13 | 0,82 |
| C | 9,00 | 7,50 | 11,00 | 4,12 | 0,82 |
| D | 9,00 | 7,50 | 11,00 | 4,12 | 0,82 |
Mají všechny čtyři soubory stejný vztah mezi x a y?
Načrtněte sousedovi, jak by mohl vypadat bodový graf jednoho z nich.
Anscombův kvartet (Anscombe 1973); data anscombe jsou součástí R.
A rozptýlená přímka
B křivka
C přímka a jeden vzdálený bod
D jediný bod vytváří „vztah“
Stejné průměry, rozptyly i r mohou popisovat úplně jiné vztahy. Proto se nejdřív díváme na graf.
Anscombův kvartet (Anscombe 1973); data anscombe jsou součástí R.
Mají tučňáci s delší ploutví také vyšší tělesnou hmotnost?
Pearson i Spearman vyšly podobně
Pearson: 0,87, Spearman: 0,84.
Graf ukázal rostoucí oblak. Oba koeficienty shrnují celkovou asociaci; vztahy uvnitř druhů mohou být jiné.
Korelace neřekne, odkud vztah pochází
Část vztahu může souviset s druhem nebo celkovou velikostí těla.
Společná změna dvou proměnných
Korelace popisuje, zda se dvě proměnné mění společně.
Sama neoddělí příčinu
Korelace sama neodliší přímý efekt od sdílené příčiny.
Fotografie: internetový mem, autor neuveden.
Délka ploutve × hmotnost
Druh tučňáka × hmotnost
Druh tučňáka × ostrov
Skupinka 3–4 · 2 min
Ke každé dvojici navrhněte první graf a jednou větou zdůvodněte, co z něj chcete přečíst.
Numerická × numerická: obě proměnné mají číselnou osu
Každý tučňák je jeden bod: první volba pro dvě numerické proměnné.
Barva nepřidá osu, ale novou otázku: je vztah stejný ve všech skupinách?
Hustota odpovídá na jinou otázku: kde je dat nejvíc? Jednotlivé body ale zmizí.
Kategoriální × numerická: jedna proměnná vytváří skupiny, druhá je číslo
Body ve skupinách nic neskrývají: vidíme každého tučňáka.
Boxplot dá rychlý souhrn, ale samotná krabice by skryla tvar dat.
Violin ukáže tvar rozložení; krabice uvnitř dá rychlý souhrn.
Histogram ukáže skutečné počty tučňáků v intervalech hmotnosti.
Skládaná hustota neukazuje počty. Ukazuje relativní složení druhů podél hmotnosti.
Otázka: liší se tělesná hmotnost mezi druhy a jak moc se druhy překrývají?
Body ve skupinách
Vidíme každého tučňáka.
Boxplot + body
Rychleji čteme typickou hodnotu a rozptýlení.
Violin / histogram
Lépe čteme tvar nebo počty v intervalech.
Kategoriální × kategoriální: čteme počty nebo podíly v kombinacích kategorií
Waffle plot ukáže počty jako jednotky: vidíme složení i velikost skupin najednou.
Skupinové sloupce porovnají absolutní počty mezi ostrovy.
Skládané podíly ukážou složení ostrova, ale skryjí, kolik tučňáků tam bylo.
Bubliny jsou efektní, ale porovnávání ploch je pro oko těžší než porovnávání délek sloupců.
Počty
Kdy potřebujeme vědět, kolik pozorování opravdu máme?
Podíly
Kdy nás zajímá složení skupiny bez ohledu na její velikost?
| Typy proměnných | Dobrý první graf | Co v něm čteme |
|---|---|---|
| numerická × numerická | bodový graf | směr, tvar, rozptýlení, odlehlá pozorování |
| kategoriální × numerická | body ve skupinách; boxplot + body | rozdíly mezi skupinami, překryv, rozptýlení uvnitř skupin |
| kategoriální × kategoriální | tabulka četností; sloupce počtů nebo podílů | složení kombinací, počty vs. podíly |
Typy proměnných zúží možnosti. Biologická otázka rozhodne, co má graf zvýraznit.
Co nesmíme skrýt?
Boxplot skryje tvar dat, podíly skryjí počty.
Přímka popíše vztah v původních jednotkách: o kolik gramů se typicky mění hmotnost na každý 1 mm délky ploutve? To bude téma následující lekce.
Jaké tři otázky položíte autorovi, který vám ukáže jen r = 0,87 bez grafu?
Řekněte sousedovi jednou větou
Kterou z otázek byste položili jako první, a proč?