Test (statistique)

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En statistiques, un test d'hypothèse est une démarche consistant à rejeter ou à ne pas rejeter (rarement accepter) une hypothèse statistique, appelée hypothèse nulle, en fonction d'un jeu de données (échantillon). Il s’agit de statistique inférentielle : à partir de calculs réalisés sur des données observées, nous émettons des conclusions sur la population, en leur rattachant des risques de se tromper.

Catégories des tests

Les tests peuvent être classés selon leur finalité, le type et le nombre des variables d’intérêt, l’existence d’hypothèses a priori sur les distributions des données, le mode de constitution des échantillons.

Les tests selon leur finalité

La finalité définit l’objectif du test, les hypothèses que l’on veut opposer, l’information que l’on souhaite extraire des données.

Le test de conformité consiste à confronter un paramètre calculé sur l’ échantillon à une valeur pré-établie. On parle alors de test de conformité à un standard. Les plus connus sont certainement les tests portant sur la moyenne ou sur les proportions. Par exemple, dans un jeu de dés à six faces, on sait que la face 3 a une probabilité de 1/6 d’apparaître. On demande à un joueur de lancer (sans précautions particulières) 100 fois le dé, on teste alors si la fréquence d’apparition de la face 3 est compatible avec la probabilité 1/6. Si ce n’est pas le cas, on peut se poser des questions sur l’intégrité du dé.

Le test d’adéquation (ou d'ajustement) consiste à vérifier la compatibilité des données avec une distribution choisie a priori. Le test le plus utilisé dans cette optique est le test d’adéquation à la loi normale. On peut également tester la compatibilité des données avec une famille (paramétrée) de lois.

Le test d’homogénéité (ou de comparaison) consiste à vérifier que K (K >= 2) échantillons (groupes) proviennent de la même population ou, cela revient à la même chose, que la distribution de la variable d’intérêt est la même dans les K échantillons.

Le test d’association (ou d’indépendance) consiste à éprouver l’existence d’une liaison entre deux variables. Les techniques utilisées diffèrent selon que les variables sont qualitatives nominales, ordinales ou quantitatives.

Les tests selon le type et le nombre de variables

On distingue généralement trois principaux types de variables. Une variable qualitative nominale prend un nombre restreint de valeurs (modalités), il n’y a pas d’ordre entre ces valeurs, l’exemple le plus connu est le sexe, il y a deux valeurs possibles, homme et femme. Une variable qualitative ordinale prend un nombre restreint de valeurs, il y a un ordre entre les valeurs. Un exemple naturel est la préférence ou la satisfaction : peu satisfait, satisfait, très satisfait. Il y a un ordre naturel entre les valeurs, mais nous ne pouvons pas quantifier les écarts. Enfin, une variable quantitative prend théoriquement un nombre infini de valeurs, l’écart entre deux valeurs a un sens. Un exemple simple serait le poids, la différence de poids entre deux personnes est quantifiable, on sait l’interpréter.

Le type de données joue un rôle très important. Il circonscrit le cadre d’application des techniques. Pour un même objectif, selon le type de données, nous serons amenés à mettre en œuvre des tests différents. Par exemple, pour mesurer l’association entre deux variables : si elles sont quantitatives, nous utiliserons plutôt le coefficient de corrélation de Pearson ; si elles sont qualitatives nominales, ce coefficient de corrélation n’a pas de sens, on utilisera plutôt le coefficient de corrélation de Spearman, ou des mesures telles que le V de Cramer ou le t de Tschuprow.

Principalement concernant les tests de conformité et d’homogénéité, on dit que le test est univarié s’il ne porte que sur une variable d’intérêt (ex. comparer la consommation de véhicules selon le type de carburant utilisé), il est multivarié s’il met en jeu simultanément plusieurs variables (ex. la comparaison porte sur la consommation, la quantité de CO2 émise, la quantité de particules émises, etc.).

Tests paramétriques et tests non paramétriques

On parle de tests paramétriques lorsque l’on stipule que les données sont issues d’une distribution paramétrée. Dans ce cas, les caractéristiques des données peuvent être résumées à l’aide de paramètres estimés sur l’échantillon, la procédure de test subséquente ne porte alors que sur ces paramètres. L’hypothèse de normalité sous jacente des données est le plus souvent utilisée, la moyenne et la variance suffisent pour caractériser complètement la distribution. Concernant les tests d’homogénéité par exemple, pour éprouver l’égalité des distributions, il suffira de comparer les moyennes et/ou les variances.

Les tests non paramétriques ne font aucune hypothèse sur la distribution sous-jacente des données. On les qualifie souvent de tests distribution free. L’étape préalable consistant à estimer les paramètres des distributions avant de procéder au test d’hypothèse proprement dit n’est plus nécessaire.

Lorsque les données sont quantitatives, les tests non paramétriques transforment les valeurs en rangs. L’appellation tests de rangs est souvent rencontrée. Lorsque les données sont qualitatives, seuls les tests non paramétriques sont utilisables.

La distinction paramétrique – non paramétrique est essentielle. Elle est systématiquement mise en avant dans la littérature. Les tests non paramétriques, en ne faisant aucune hypothèse sur les distributions des données, élargissent le champ d’application des procédures statistiques. En contrepartie, ils sont moins puissants lorsque ces hypothèses sont compatibles avec les données.

Constitution des échantillons

Ce point est surtout associé aux tests de comparaison. On parle d’échantillons indépendants lorsque les observations sont indépendantes à l’intérieur des groupes et d’un groupe à l’autre. C’est le cas lorsque l’échantillon provient d’un échantillonnage simple dans la population globale.

Les échantillons appariés en revanche reposent sur un schéma différent. D’un groupe à l’autre, les individus sont liés. C’est le cas lorsque nous procédons à des mesures répétées sur les mêmes sujets. Par exemple, on mesure la fièvre d’un patient avant et après la prise d’un médicament. L’appariement est une procédure complexe qui va au-delà des mesures répétées (ex. les blocs aléatoires complets), elle vise à améliorer la puissance des tests en réduisant l’influence des fluctuations d’échantillonnage.

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