Poder estatístico

Um estudo que não encontra efeito pode estar dizendo que o efeito não existe, ou que a amostra não tinha tamanho para enxergá-lo. O exercício calcula o poder de um teste, mostra o menor efeito que cada desenho detecta e simula milhares de estudos em que o efeito existe por construção.
Comparação entre dois desenhos de estudo simulados com o mesmo efeito verdadeiro, em que o desenho pequeno deixa de detectar o efeito na maioria das repetições

Uma avaliação compara dois grupos, encontra p-valor de 0,32 e conclui que o programa não teve efeito. A conclusão não decorre do resultado. Neste artigo mostramos por que um teste pode falhar em detectar um efeito que existe, e como calcular a chance que ele tinha de encontrá-lo.

Essa chance é o poder estatístico, e sem ela um resultado não significante fica sem interpretação. Ele pode indicar que o efeito não existe, ou que o estudo não tinha tamanho para enxergá-lo.

Comparação entre dois desenhos de estudo simulados com o mesmo efeito verdadeiro, em que o desenho pequeno deixa de detectar o efeito na maioria das repetições
Milhares de estudos simulados em que o efeito existe em todos eles. Elaboração: Análise Macro.

As duas colunas vêm de estudos em que o efeito existe por construção, com o mesmo tamanho. O que muda entre elas é apenas o número de observações por grupo.

No desenho menor, a maioria dos estudos conclui pela ausência de efeito. Quem lesse esses resultados sem considerar o poder diria que o efeito não existe, enquanto ele aparece na quase totalidade dos estudos do desenho maior.

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Os dois erros possíveis

Um teste de hipóteses pode errar de duas maneiras, e elas recebem tratamento diferente.

O erro do tipo I é acusar um efeito que não existe. A probabilidade dele é o nível de significância, fixado pelo pesquisador, em geral em 5%.

O erro do tipo II é deixar passar um efeito que existe. A probabilidade dele não é escolhida: resulta do desenho do estudo, e costuma não ser calculada.

O poder é o complemento do erro do tipo II.

poder = 1 − β = P(rejeitar H0 | H0 é falsa)

Aqui β é a probabilidade do erro do tipo II e H0 é a hipótese nula, a de que não existe efeito.

Um poder de 80% significa que, se o efeito tiver o tamanho suposto, o teste o encontrará em 80% das repetições do estudo. Nos outros 20%, o mesmo efeito passará despercebido.

De que depende o poder

Três quantidades determinam o poder de um teste de comparação entre duas médias. A primeira é o tamanho do efeito, a diferença entre os grupos medida em desvios-padrão.

d = μ1 − μ0σ

As duas médias dos grupos aparecem no numerador e o desvio-padrão comum no denominador. Padronizar dessa forma permite comparar estudos de variáveis diferentes.

As outras duas são o tamanho da amostra, que entra pela raiz quadrada, e o nível de significância, já que um corte mais exigente reduz o poder.

Quanto custa procurar um efeito pequeno

Três curvas de poder por tamanho de amostra, uma para cada tamanho de efeito, com linha tracejada na convenção de oitenta por cento
Poder do teste por tamanho de grupo e de efeito. Elaboração: Análise Macro.

As três curvas sobem com o tamanho da amostra e se achatam perto de cem por cento. A distância horizontal entre elas é o custo de procurar efeitos menores.

A linha tracejada marca a convenção de 80%. Para um efeito grande, ela é cruzada com poucas dezenas de observações por grupo; para um efeito pequeno, são necessárias várias centenas.

Gráfico de barras com a amostra mínima por grupo necessária para oitenta por cento de poder, muito maior para efeitos pequenos
Observações por grupo necessárias para 80% de poder. Elaboração: Análise Macro.

Reduzir o efeito procurado pela metade exige aproximadamente quadruplicar a amostra, porque o tamanho da amostra entra na fórmula pela raiz quadrada.

É essa relação que torna caro estudar efeitos pequenos, e que explica por que avaliações com amostra modesta raramente conseguem distinguir um efeito pequeno de nenhum efeito.

O efeito mínimo detectável

Com a amostra já definida, a pergunta útil muda: qual o menor efeito que esse estudo conseguiria encontrar com segurança razoável.

Gráfico de barras com o menor efeito detectável a oitenta por cento de poder, decrescente conforme o tamanho da amostra aumenta
Menor efeito detectável por desenho de estudo. Elaboração: Análise Macro.

As barras caem conforme a amostra cresce, e a queda desacelera. Dobrar a amostra não dobra a capacidade de detectar efeitos pequenos.

Esse cálculo quase nunca aparece nas leituras de um resultado não significante. Ele responde o que o estudo era capaz de enxergar, antes de qualquer discussão sobre o que ele encontrou.

Um estudo com poucas dezenas de observações por grupo que não encontra efeito pequeno estava, desde o início, com pouca chance de encontrá-lo. O resultado informa pouco sobre o mundo e muito sobre o desenho do estudo.

Os limites do que o exercício mostra

🎯

Exige supor o efeito
O poder é calculado para um efeito hipotético, vindo da literatura, de um piloto ou do menor efeito com relevância prática.
⏮️

Poder calculado depois é função do p-valor
Usar o efeito estimado na própria amostra devolve uma função do p-valor. O cálculo útil é o do efeito mínimo detectável.
📈

Amostra grande tem o oposto
Com amostra muito grande, efeitos irrelevantes viram significantes, e é preciso um limiar de relevância prática definido antes.

O exercício trata do teste de comparação entre duas médias. Desenhos com múltiplos grupos, dados em painel ou desfechos binários têm fórmulas próprias, embora a lógica das três quantidades permaneça.

O roteiro para ler um resultado não significante

Passo O que verificar
1 Qual o tamanho da amostra em cada grupo?
2 Qual o menor efeito que esse desenho detectaria com 80% de poder?
3 O efeito de interesse prático é menor que esse mínimo? Se for, o estudo não podia encontrá-lo.
4 O intervalo de confiança inclui efeitos relevantes? Se inclui, nada foi descartado.
5 Reporte o efeito estimado com o intervalo de confiança, que mostra a faixa compatível com os dados.

O quarto passo é o mais direto na prática. Um intervalo de confiança largo, que vai de um efeito negativo relevante a um positivo relevante, diz com clareza que o estudo não tinha precisão para separar as hipóteses.

Considerações finais

O poder estatístico é decidido antes da coleta e cobrado depois dela. Quem planeja o estudo escolhe o tamanho da amostra sabendo qual efeito quer ser capaz de detectar; quem lê o estudo pronto precisa refazer essa conta ao contrário.

Em Python o cálculo é curto, e cabe tanto no planejamento quanto na leitura crítica de um resultado alheio.

  • Analista de dados: dimensiona um teste A/B antes de rodá-lo, em vez de descobrir no fim que a amostra não bastava.
  • Economista: lê avaliação de política pública verificando o efeito mínimo detectável antes de aceitar a conclusão de ausência de efeito.
  • Gestor de risco: entende por que um backtest curto não distingue uma estratégia mediana de uma sem valor.
  • Pesquisador: justifica o tamanho da amostra no desenho do estudo, e não depois do resultado.
  • Atuária: avalia se a base de sinistros tem tamanho para detectar a diferença de risco entre perfis.

A pergunta que organiza todos esses casos é a mesma: o que este desenho era capaz de enxergar?

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Referências

BUTTON, K. S. et al. Power failure: why small sample size undermines the reliability of neuroscience. Nature Reviews Neuroscience, v. 14, n. 5, p. 365-376, 2013.

COHEN, J. Statistical Power Analysis for the Behavioral Sciences. 2. ed. Hillsdale: Lawrence Erlbaum Associates, 1988.

GELMAN, A.; CARLIN, J. Beyond Power Calculations: Assessing Type S (Sign) and Type M (Magnitude) Errors. Perspectives on Psychological Science, v. 9, n. 6, p. 641-651, 2014.

HOENIG, J. M.; HEISEY, D. M. The Abuse of Power. The American Statistician, v. 55, n. 1, p. 19-24, 2001.

WASSERSTEIN, R. L.; LAZAR, N. A. The ASA Statement on p-Values: Context, Process, and Purpose. The American Statistician, v. 70, n. 2, p. 129-133, 2016.

Leia também: Testes múltiplos e p-hacking

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