Teorie e Tecniche di
Psicometria
Roberto Bolzani & Mariagrazia Benassi
Programma del Corso
Introduzione
• Legge statistica e legge deterministica
• Le principali definizioni di probabilità
• Proprietà della probabilità
Programma del Corso
Parametri statistici
•
•
•
•
Parametri descrittivi
Distribuzioni di probabilità
Densità di probabilità
Le principali distribuzioni di probabilità
Programma del Corso
Il test statistico
•
•
•
•
•
Logica del test statistico
L’ipotesi nulla
Significatività
Potenza del test
Numerosità del campione
Programma del Corso
Test parametrici
•
•
•
•
•
•
Il t-test
Analisi della varianza
Analisi della regressione
Analisi per prove ripetute
Analisi multivariata
Il modello lineare generale
Programma del Corso
Test non-parametrici
• Confronto fra variabili qualitative
• Le tavole di contingenza
• La regressione logistica
Bibliografia
Bolzani R., Canestrari R. (1994) Logica del test
statistico. Milano, Casa Editrice Ambrosiana.
Bolzani R. (1999) Problemi di statistica. Milano, Casa
Editrice Ambrosiana.
Bolzani R., Benassi M. (2003) Tecniche Psicometriche.
Roma, Carocci
Introduzione
• Legge deterministica: corrispondenza
univoca fra due eventi, causa ed effetto.
• Legge probabilistica: corrispondenza fra
un evento e un insieme di possibili eventi
Finalità della Ricerca
Scientifica
• Dimostrazione di leggi scientifiche su base
sperimentale
• Interpretazione dei dati sperimentali
Definizioni di probabilità
• Classica. Dato un insieme di eventi
equiprobabili la probabilità di un evento è
data da
numero di eventi favorevoli
numero di casi possibili
• Frequentista. La probabilità di un evento è
la frequenza con cui esso si presenta in un
numero molto elevato di prove.
Definizioni di probabilità
• Assiomatica. La probabilità è definita dalle
condizioni:
• Ad ogni evento A corrisponde un valore p(A)
maggiore o uguale a zero
• La probabilità di tutti gli eventi possibili è uno
• La probabilità che si verifichi A o B, essendo A e B
mutuamente escludenti, è data dalla somma della
probabilità di A e della probabilità di B
In formule:
• p(A) 0
• p() = 1
• p(A o B) = p(A) + p(B)
se p(A&B)=0
Definizioni di probabilità
• Soggettiva. La probabilità di un evento E è
la misura del grado di fiducia che un
individuo coerente attribuisce, secondo le
sue informazioni, all’avverarsi di E.
• coerenza
• informazione
Il Paradosso di Bertrand
Problema: Calcolare la probabilità di trovare
una corda casuale di una circonferenza più
lunga del lato del triangolo equilatero
iscritto.
Il Paradosso di Bertrand
1a Soluzione:
Scegliere un punto
interno alla
circonferenza
inscritta
p=1/4
Il Paradosso di Bertrand
2a Soluzione:
Scegliamo il punto
d’origine della corda
nell’apice del triangolo
p=1/3
Il Paradosso di Bertrand
3a Soluzione:
Scegliere un punto
casuale su un raggio
della
circonferenza
p=1/2
Proprietà della Probabilità
La probabilità di un evento impossibile è
zero.
Non vale la proposizione inversa. Se la probabilità
è zero l'evento non è necessariamente impossibile.
• Es. La probabilità di ottenere 7 nel lancio di un dado a
sei facce è zero. La probabilità di avere su infiniti
lanci di una moneta nemmeno un risultato 'testa' è zero
ma l'evento non è impossibile.
Proprietà della Probabilità
La probabilità di un evento certo è uno.
Non vale la proposizione inversa.
Es.
La probabilità di ottenere un numero
compreso fra uno e sei in un lancio di un dado
è uno.
La probabilità di avere su infiniti lanci di una
moneta almeno un risultato 'testa' è uno pur
non essendo l'evento certo.
Proprietà della Probabilità
Probabilità condizionata:
p(A|B) = probabilità che avvenga A essendo
avvenuto B.
Es. probabilità di ottenere 12 in due lanci di un
dado sapendo che nel primo lancio è risultato
6.
Proprietà della Probabilità
Eventi indipendenti:
A e B sono
indipendenti quando l’avverarsi di uno non
influenza l’avverarsi dell’altro.
Cioè p(A|B) = p(A)
Es. la probabilità di avere testa nel primo
lancio e croce nel secondo
Proprietà della Probabilità
Eventi disgiunti: A e B sono eventi disgiunti
se il verificarsi dell'uno esclude il verificarsi
dell'altro.
Es. testa e croce
Proprietà della Probabilità
Evento prodotto: Evento in cui si verifica sia
A che B:
p(A&B) = p(A) p(B|A).
Se A e B sono indipendenti:
p(A&B)= p(A) p(B)
Proprietà della Probabilità
Evento somma: Evento in cui si verifica A o
B o, se non sono disgiunti, entrambi:
p(A+B) = p(A) + p(B) - p(A&B)
Es. Nel lancio di un dado:
P(pari)=1/2 P(<4)= 1/2
P(pari e <4) = 1/6
P(pari o <4)= 1/2+1/2-1/6 = 5/6
Proprietà della Probabilità
Evento complementare: Evento in cui non si
verifica A: p(Ã)=1 - p(A).
Es. il complementare del risultato 6 è il risultato 1 o
2 o 3 o 4 o 5.
Parametri descrittivi
Variabili
Qualitative
Quantitative
Discrete
Continue
• Frequenza di un evento: Numero di volte in cui si
verifica un evento diviso per il numero totale delle
occorrenze.
Parametri descrittivi
• Media: somma di tutti i valori di una variabile divisa per il
numero totale dei valori.
n
x=
1
xi
n
• Varianza: somma dei quadrati degli scarti dei singoli
valori dalla media divisa per i gradi di libertà.
n
s =
2
xi x 2
n1
1
• Deviazione standard: radice quadrata della varianza
Parametri descrittivi
• Valore atteso (Expected value)
– caso discreto
n
E ( x) = xi p( xi )
1
– caso continuo
E ( x) =
x
f ( x ) dx
• Varianza: valore atteso degli scarti al quadrato
VAR( x) = E[( x E ( x)) 2 ]
Parametri descrittivi
• Legge dei grandi numeri: Al crescere del
numero delle prove
P(| pE - f E |< ) 1
dove pE è la probabilità dell'evento E, fE la
sua frequenza, una costante qualsiasi > 0.
Parametri descrittivi
• Percentile: ordinando i casi secondo il valore di una
variabile, l'n-esimo percentile è il limite al di sotto
del quale si trova l'n% dei casi.
• Mediana: punto che divide la popolazione in due
parti di uguale numerosità. Corrisponde al 50
percentile.
• Moda: valore per cui si ha un picco di frequenza.
Caratterizza la distribuzione, che risulta unimodale,
bimodale etc. a seconda dei picchi presenti.
Distribuzioni di Probabilità
Insieme dei valori di probabilità che competono
a ciascun valore della variabile.
Funzione di distribuzione: funzione che
rappresenta per ogni x la probabilità di
ottenere un valore minore o uguale a x.
Distribuzioni di Probabilità
• Se la variabile è discreta abbiamo una probabilità
per ogni valore x discreto della variabile.
• La funzione di distribuzione si ottiene sommando
le probabilità di tutti i casi aventi un valore
inferiore ad X.
Distribuzioni di Probabilità
• Se la variabile è continua la probabilità di un
singolo valore della variabile è nulla essendo la
probabilità di un valore su infiniti valori possibili.
La funzione di distribuzione viene allora definita
da
X
F(X) = p(x < X) =
f(x)dx
-
• La funzione f(x) è la densità di probabilità e
rappresenta la probabilità che il valore di x sia
compreso in un intervallo infinitesimo, diviso per
l’ampiezza dell’intervallo.
Distribuzioni di Probabilità
DISTRIBUZIONE UNIFORME
Distribuzione relativa ad una variabile discreta
o continua avente uguale probabilità per
ciascun suo valore.
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Distribuzioni di Probabilità
Distribuzione Binomiale
Se il risultato di una prova può essere il
successo S o l'insuccesso I con uguale
probabilità p=q=1/2, i risultati possibili di
due prove sono
SS SI IS II
ciascuno con probabilità 1/4.
Distribuzione Binomiale
In generale su n prove la probabilità di s successi è data da:
1 n
p(s) = n
2 s
dove
n
n!
=
s s! (n - s)!
Distribuzione Binomiale
• Se p=q=1/2
1 n
p = n
2 s
La distribuzione sarà simmetrica
Distribuzione Binomiale con p=0.5
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
1
2
3
4
5
6
numero di successi
7
8
9
10
Distribuzione Binomiale
Funzione di Distribuzione (Distribuzione Cumulativa)
Distribuzione Binomiale con p=0.5
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
1
2
3
4
5
6
numero di successi
7
8
9
10
Distribuzione Binomiale
Se la probabilità di successo p è diversa
dalla probabilità di insuccesso q=1-p allora
la probabilità di s successi è data da
n
p(s) = p q
s
s
i
Distribuzione Binomiale
Se
pq
n
p = p q
s
La distribuzione sarà asimmetrica
s
i
Distribuzione Binomiale con p=0.25
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
1
2
3
4
5
6
numero successi
7
8
9
10
Distribuzione Binomiale
Funzione di Distribuzione (Distribuzione Cumulativa)
Distribuzione Binomiale con p=0.25
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
1
2
3
4
5
6
numero successi
7
8
9
10
Test con la distribuzione binomiale
Binomiale 5 prove
0.350
0.313
0.313
0.300
probabilità
0.250
0.200
0.156
0.156
0.150
0.100
0.050
0.031
0.031
0.000
0
1
2
3
successi
4
5
Test con la distribuzione binomiale
Binomiale 6 prove
0.350
0.313
0.300
0.234
probabilità
0.250
0.234
0.200
0.150
0.094
0.100
0.094
0.050
0.016
0.016
0.000
0
1
2
3
successi
4
5
6
Test con la distribuzione binomiale
Binomiale 12 prove
0.250
0.226
0.193
probabilità
0.200
0.193
0.150
0.121
0.121
0.100
0.054
0.054
0.050
0.016
0.016
0.000 0.003
0.003 0.000
0.000
0
1
2
3
4
5
6
successi
7
8
9
10
11
12
Distribuzioni di Probabilità
DISTRIBUZIONE NORMALE
(GAUSSIANA)
• Limite della distribuzione binomiale.
• Curva degli errori.
• Distribuzione a massima entropia.
DISTRIBUZIONE NORMALE
(GAUSSIANA)
Limite della distribuzione binomiale.
Al crescere di n la distribuzione binomiale tende
ad una distribuzione normale con media np e
varianza npq.
DISTRIBUZIONE NORMALE
(GAUSSIANA)
Curva degli errori.
Condizioni:
• un errore è la somma di molte componenti di uguale ampiezza
• le diverse componenti sono fra loro indipendenti
• ciascuna componente è positiva o negativa con uguale probabilità
allora l'ampiezza dell'errore ha una distribuzione normale.
DISTRIBUZIONE NORMALE
(GAUSSIANA)
Distribuzione a massima entropia.
La distribuzione normale è la distribuzione di
probabilità con la massima entropia per una variabile
compresa fra - e + ed avente un data media e
varianza. È quindi la distribuzione meno strutturata,
la più casuale.
DISTRIBUZIONE NORMALE
(GAUSSIANA)
Una generica variabile normale con media e
varianza ² è indicata con N(,²) e la sua densità di
probabilità è
f(x)=
1
2
(x- )2
2 2
e
2
DISTRIBUZIONE NORMALE
(GAUSSIANA)
Essendo la
distribuzione di una
variabile continua il suo
valore per un dato x
corrisponde alla densità
di probabilità per quel
valore.
DISTRIBUZIONE NORMALE
(GAUSSIANA)
Distribuzione Cumulativa Normale
1
0,9
0,8
probabilità
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
-5
-4
-3
-2
-1
0
valori z
1
2
3
4
5
DISTRIBUZIONE NORMALE
(GAUSSIANA)
• Posizione massima
(giace sulla media)
• Altezza del massimo
(tanto più è grande la varianza
tanto più la curva è allargata)
DISTRIBUZIONE NORMALE
(GAUSSIANA)
Una variabile normale a media zero e varianza unitaria è detta
variabile z o standard, si indica con N(0,1) e la sua densità
di probabilità è data da
f(z) =
2
z
1
e 2
2
dove z e x sono legati dalla relazione
z
x
;
x z
Distribuzioni di Probabilità
DISTRIBUZIONE 2
Essendo la distribuzione di una variabile continua il
suo valore per un dato x corrisponde alla densità di
probabilità per quel valore.
2 = z12+ z22+ z32+…..+ zn2
n
2
2 n-1 - 1 2
2
( ) e
2
f( ) =
n
( )
2
2
-
z: N(0,1)
Distribuzioni di Probabilità
Distribuzione χ²
0.20
0.18
χ² 4 gl
0.16
0.14
0.12
0.10
χ² 10 gl
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0
5
10
15
20
25
30
Distribuzioni di Probabilità
DISTRIBUZIONE t
Distribuzione di una variabile rapporto fra una
variabile N(0,1) e la radice quadrata di una variabile
2 divisa per i gradi di libertà.È simmetrica e tende
alla normale. Ha espressione
n+1
(
)
1
2
f(t) =
2 n+1
n
t
n( ) (1 + ) 2
2
n
Distribuzioni di Probabilità
DISTRIBUZIONE F
Distribuzione di una variabile rapporto di due
variabili 2 divise per i rispettivi gradi di
libertà. Ha espressione
n
1 + n2
(
)
-n1+n2
n1
n1-2
n
n
1
1
2
f(F) =
( ) 2 F 2 (1 + F ) 2
n2
( n1 ) ( n2 ) n2
2
2
Statistica descrittiva
Rappresentazione sintetica dei diversi valori
relativi ai soggetti di un determinato gruppo
(media, frequenza, percentuale etc.)
Riguarda esclusivamente i soggetti esaminati.
RACCOLTA
DATI
DESCRIZIONE
DATI
IDEA
GENERALE
Statistica inferenziale
-Saggia l'influenza di alcuni fattori sui parametri
-Classifica soggetti in vari gruppi
-Prevede l'andamento di certi parametri.
Riguarda concetti generali e quindi tutti i possibili
soggetti che rispondono a certe caratteristiche.
Statistica inferenziale
Procedimento
Idea Generale
Ipotesi Sperimentale
Formulazione Ho
Scelta Campione
casuale e idoneo
Raccolta Dati e
Descrizione Variabili
Test Statistico
(stima del parametro)
falsifico l'ipotesi nulla
non falsifico l'ipotesi nulla
Statistica inferenziale
Procedimento
Ipotesi
Sperimentale
Ipotesi
Nulla Ho
Ipotesi la cui accettazione renderebbe
falsa l'idea da verificare.
Viene in genere indicata con H0.
Statistica inferenziale
Procedimento
Ipotesi
Sperimentale
Ipotesi
Nulla Ho
Scelta del Campione
Campione
• Idoneo a confermare l'idea.
• Rappresentativo dell'intera popolazione
(casuale, sufficientemente ampio)
• Conforme alle richieste del test che si intende utilizzare
(distribuzione, indipendenza)
Statistica inferenziale
Procedimento
Ipotesi
Sperimentale
Ipotesi
Nulla Ho
Scelta del
Campione
Test Statistico
TEST
• Creati per essere applicati in modo indipendente.
• Richiedono che i dati sperimentali abbiano determinate
distribuzioni teoriche (continuità, normalità ..)
• In grado di falsificare tipi determinati di ipotesi nulle
Statistica inferenziale
Procedimento
Ipotesi
Sperimentale
Ipotesi
Nulla Ho
Scelta del
Campione
Significatività
p
Test
Statistico
SIGNIFICATIVITÀ: Probabilità di respingere l'ipotesi nulla
pur essendo questa vera.
Si stabilisce a priori quale probabilità di errore consideriamo
accettabile per la verifica
(livello di significatività normalmente 0.05 o 0.01).
Statistica inferenziale
Procedimento
Ipotesi
Sperimentale
Ipotesi
Nulla Ho
Scelta del
Campione
Test
Statistico
Respingo Ho
Significatività
p
Non respingo Ho
Processi Decisionali
Statistica inferenziale
Falsificazione Ho
Errori di Decisione
H0 vera
H0 falsa
H1 falsa
H1 vera
Respingo H0
errore I tipo corretto
Non respingo H0 corretto
errore II tipo
Statistica inferenziale
Falsificazione Ho
POTENZA DI UN TEST
Probabilità di respingere H0 quando H0 è
falsa. È dato da 1-. Dipende :
da H0 e da H1
dalla numerosità del campione
dalla minima differenza apprezzabile
dalla varianza casuale
Statistica inferenziale
Falsificazione Ho
Distribuzione di Ho e H1
H0
H1
-4
-3
-2
-1
0
1
2
x
3
4
5
6
7
Statistica inferenziale
Falsificazione Ho
Non falsificazione di H0:
l'ipotesi nulla è “vera”
scarsa potenza del test:
il campione ha varianza elevata
scarsa numerosità del campione
il campione non soddisfa le condizioni relative
alla distribuzione
il campione non è rappresentativo dell'intera
popolazione
non sufficiente separazione fra H0 e H1
Statistica inferenziale
Falsificazione Ho
INTERVALLO DI CONFIDENZA:
rappresenta la zona, attorno al parametro stimato
sperimentalmente, in cui potrebbe cadere il valore
vero del parametro con una probabilità 1-. Ha la
stessa estensione dell'intervallo attorno all'ipotesi
nulla. Se nell'intervallo di confidenza cade il valore di
H0 non si può respingere l'ipotesi nulla.
