Python卡方检验方法及实例解析

有志者，事竟成！如果你在学习文章，那么本文《Python如何做卡方检验？》，就很适合你！文章讲解的知识点主要包括，若是你对本文感兴趣，或者是想搞懂其中某个知识点，就请你继续往下看吧~

要使用Python实现卡方检验，核心步骤是构建列联表并调用scipy.stats.chi2_contingency函数。1. 首先确保数据为分类变量，并整理为列联表形式；2. 使用pandas的crosstab函数生成列联表；3. 将列联表传入chi2_contingency函数，获取卡方统计量、P值、自由度和期望频率；4. 通过比较P值与显著性水平（如0.05）判断变量是否独立；5. 若P值小于显著性水平，则拒绝原假设，表明变量间存在显著关联，否则无法拒绝原假设。此外，scipy.stats.chisquare适用于拟合优度检验，而Pandas、statsmodels及可视化工具可辅助数据处理与分析。

Python中实现卡方检验，通常会用到scipy.stats模块里的chi2_contingency函数，它能帮你快速评估分类变量间是否存在显著的关联性。这个函数处理列联表数据非常方便，是统计分析里判断两个分类变量是否独立的一个利器。

解决方案

要用Python实现数据的卡方检验，核心是构建一个列联表（或称频率表），然后将其传入scipy.stats.chi2_contingency函数。这个函数会返回卡方统计量、P值、自由度和期望频率。

首先，你需要确保你的数据是分类变量，并且已经整理成了列联表的形式。如果你的原始数据是扁平化的（比如DataFrame的两列），你可以用Pandas的crosstab函数来生成列联表。

这里是一个简单的例子：假设我们想看看性别（男/女）和对某产品A的购买意愿（会买/不会买）之间有没有关联。

import pandas as pd
from scipy.stats import chi2_contingency
import numpy as np

# 模拟一些数据
data = {
    '性别': ['男', '女', '男', '女', '男', '女', '男', '女', '男', '女', '男', '女', '男', '女', '男', '女', '男', '女', '男', '女'],
    '购买意愿': ['会买', '不会买', '会买', '会买', '不会买', '会买', '会买', '不会买', '会买', '会买', '会买', '不会买', '会买', '会买', '不会买', '会买', '会买', '不会买', '会买', '会买']
}
df = pd.DataFrame(data)

# 使用pandas的crosstab生成列联表
# 这步很关键，它把你的原始数据转换成chi2_contingency需要的格式
contingency_table = pd.crosstab(df['性别'], df['购买意愿'])
print("生成的列联表：")
print(contingency_table)

# 执行卡方检验
chi2, p_value, dof, expected_freq = chi2_contingency(contingency_table)

print(f"\n卡方统计量 (Chi-square statistic): {chi2:.4f}")
print(f"P值 (P-value): {p_value:.4f}")
print(f"自由度 (Degrees of freedom): {dof}")
print("期望频率 (Expected frequencies):\n", expected_freq)

# 解读P值
alpha = 0.05 # 显著性水平，常用的有0.05或0.01

if p_value < alpha:
    print(f"\n由于P值 ({p_value:.4f}) 小于显著性水平 ({alpha})，我们拒绝原假设。")
    print("这意味着性别和购买意愿之间存在显著的关联。")
else:
    print(f"\n由于P值 ({p_value:.4f}) 大于或等于显著性水平 ({alpha})，我们无法拒绝原假设。")
    print("这意味着没有足够的证据表明性别和购买意愿之间存在显著关联。")

这段代码首先用pd.crosstab把原始的性别和购买意愿数据转换成一个列联表，这个表直观地展示了每个分类组合的频数。然后，chi2_contingency函数接收这个列联表，并返回我们所需的所有统计量。其中，P值是重中之重，它告诉我们观察到的这种关联性有多大概率是随机发生的。

卡方检验适用于哪些数据类型和场景？

卡方检验，顾名思义，是处理“类别”数据的好手。它主要适用于分析两个或多个分类变量之间的关系。这里的“分类变量”可以是名义型（如性别、血型、颜色）或序数型（如教育程度、满意度等级），但它们的数据形式必须是离散的、可计数的类别。

具体来说，卡方检验最常见的应用场景有两种：

1. 独立性检验（Test of Independence）：这也是scipy.stats.chi2_contingency函数主要解决的问题。你想知道两个分类变量之间是否存在统计学上的显著关联。比如，吸烟习惯和肺癌发病率是否独立？某个广告策略对不同年龄段人群的吸引力是否一致？这就是我们上面例子里展示的场景。它回答的是“这两个变量之间是不是有关系？”这个问题。

2. 拟合优度检验（Goodness-of-Fit Test）：这个场景是用来检验一个观察到的频数分布是否与某个理论分布（或期望分布）显著不同。比如，你抛一枚硬币100次，得到55次正面，你想知道这枚硬币是不是均匀的（即正面和反面出现的概率都是0.5）。这时，你不是比较两个变量，而是比较一个变量的实际观察值和你的理论预期值。Python里，scipy.stats.chisquare函数更适合处理这类问题。

当然，卡方检验也有一些前提假设，比如样本量要足够大，每个单元格的期望频率不能太小（通常建议不低于5）。如果期望频率过小，检验结果的可靠性可能会受影响，这时候可能需要考虑费舍尔精确检验（Fisher's Exact Test）等替代方法。但在日常的数据分析中，对于大部分中等以上规模的数据集，卡方检验是一个非常实用且直观的选择。

卡方检验的结果如何解读，P值意味着什么？

卡方检验的结果主要看P值，但理解P值之前，我们需要先明白卡方统计量本身以及检验的假设。

卡方统计量 (Chi-square statistic)： 这个值衡量的是观察到的频率与期望频率之间的差异程度。期望频率是指在假设两个变量完全独立的情况下，每个单元格应该出现的频数。如果观察到的频率与期望频率相差越大，卡方值就越大，这通常意味着两个变量之间越可能存在关联。但卡方值本身没有直接的解释意义，它需要结合自由度来计算P值。

自由度 (Degrees of Freedom, dof)： 在列联表中，自由度通常计算为 (行数 - 1) * (列数 - 1)。它反映了在计算卡方值时，有多少个数据点是“自由”变化的，而不是被其他数据点或总和所限制的。自由度是确定P值的重要参数。

P值 (P-value)： P值是卡方检验结果中最关键的部分。它回答了一个核心问题：“如果原假设（即两个变量之间没有关联，它们是独立的）是真实的，那么我们观察到当前这样的卡方统计量，或者比它更极端的卡方统计量的概率是多少？”

• 原假设 (H0)：两个分类变量是相互独立的，它们之间没有显著关联。
• 备择假设 (H1)：两个分类变量不是相互独立的，它们之间存在显著关联。

P值的解读：

1. 设定显著性水平 (Alpha, α)：在进行检验之前，我们通常会设定一个显著性水平，比如0.05（或5%）。这个值代表了我们愿意接受犯“第一类错误”（即在原假设为真时却拒绝了原假设）的最大概率。
2. 比较P值与显著性水平：
   • 如果 P值 < α：这意味着在原假设成立的情况下，我们观察到当前这种关联性的概率非常小。因此，我们有充分的理由拒绝原假设。结论是：两个变量之间存在统计学上的显著关联。你可以说，它们不是独立的。
   • 如果 P值 ≥ α：这意味着在原假设成立的情况下，我们观察到当前这种关联性的概率相对较高。我们没有足够的证据来拒绝原假设。结论是：没有充分证据表明两个变量之间存在显著关联。这不代表它们一定独立，只是现有数据不足以证明它们不独立。

举个例子，如果你的P值是0.001，远小于0.05，你就会非常自信地说性别和购买意愿之间有显著关联。但如果P值是0.25，远大于0.05，你就不能下这个结论。

理解P值时，要避免一个常见误区：P值小不代表关联性强。P值只说明了关联是否显著，也就是它是否可能是随机发生的。关联的强度需要通过其他指标来衡量，比如Cramer's V系数，那又是另一个话题了。

除了scipy.stats.chi2_contingency，还有哪些相关的Python工具或方法？

虽然scipy.stats.chi2_contingency是进行独立性卡方检验的主力，但在Python的数据科学生态中，还有一些其他工具和方法能辅助或完成相关的任务，让你的分析更加全面。

1. scipy.stats.chisquare (拟合优度检验)： 正如前面提到的，如果你想检验一个观察到的频数分布是否符合某个理论分布，chisquare函数是首选。它接收观察频数和可选的期望频数。

   from scipy.stats import chisquare
   
   # 假设你抛硬币100次，得到正面55次，反面45次
   observed_frequencies = [55, 45]
   # 期望如果是均匀硬币，正面和反面各50次
   expected_frequencies = [50, 50]
   
   chi2_gof, p_value_gof = chisquare(f_obs=observed_frequencies, f_exp=expected_frequencies)
   
   print(f"\n拟合优度检验 - 卡方统计量: {chi2_gof:.4f}")
   print(f"拟合优度检验 - P值: {p_value_gof:.4f}")
   # 解读方式与独立性检验类似

   这个函数在处理单个分类变量的分布符合性时非常有用。

2. Pandas的crosstab函数： 虽然它不是一个统计检验函数，但它是构建列联表的核心工具。在进行卡方检验之前，你几乎总会用到它来将原始的扁平数据转换为chi2_contingency所需的矩阵格式。它的灵活性很高，可以轻松处理多列，甚至计算百分比。

   # 示例在解决方案部分已展示，这里不再重复
   # contingency_table = pd.crosstab(df['变量1'], df['变量2'])

3. statsmodels库： 对于更复杂的统计建模和假设检验，statsmodels是一个非常强大的库。它提供了更丰富的统计模型，包括广义线性模型（GLM），可以用来处理分类响应变量。虽然直接用它来做简单的卡方检验可能有点“杀鸡用牛刀”，但如果你后续需要进行更深入的分析，比如控制其他变量的影响，或者构建预测模型，statsmodels会是你的得力助手。例如，它能让你构建Logit回归模型来分析分类变量间的关系。

4. 可视化工具 (Matplotlib, Seaborn)： 虽然不是直接的统计检验工具，但它们在卡方检验的前期探索和结果展示中扮演着不可或缺的角色。通过条形图、堆叠条形图或马赛克图，你可以直观地看到分类变量之间的频率分布和潜在关联，这有助于你形成假设并更好地理解卡方检验的结果。

   import seaborn as sns
   import matplotlib.pyplot as plt
   
   # 假设 df 是你的原始DataFrame
   plt.figure(figsize=(8, 6))
   sns.countplot(data=df, x='性别', hue='购买意愿')
   plt.title('性别与购买意愿分布')
   plt.xlabel('性别')
   plt.ylabel('数量')
   plt.show()

   可视化能让你在跑检验之前，对数据有个直观的感受，也方便你向他人解释检验结果。

这些工具共同构成了一个强大的分析流程：从数据清洗和预处理（Pandas），到统计检验（SciPy），再到更高级的模型构建（Statsmodels），以及结果的可视化（Matplotlib/Seaborn）。在实际工作中，它们往往是配合使用的。

本篇关于《Python卡方检验方法及实例解析》的介绍就到此结束啦，但是学无止境，想要了解学习更多关于文章的相关知识，请关注golang学习网公众号！