科学网—我所理解的统计思维 - 王伟的博文

美国著名的小说家Mark Twain（马克吐温）在1907年的自传里，引用了曾任英国首相的Benjamin Disraeli的一段话：

There are three kinds of lies: lies, damned lies, and statistics.

由于Mark Twain的高知名度，这句话因他说了之后，便广为流传了。

大家都学过多年数学，对于为什么要学数学，原因之一当然是生活上，及专业上，会用到一些数学，也就是数学可视为一种工具。而一个数学精通的人，则往往具有逻辑性强，计算精准等特征。那么统计学呢？

统计学现在一方面越来越重要，人们在做决策时，非有统计不可，把统计当护身符。同时也有像Mark Twain这样的对统计嗤之以鼻。即使在学术界，不少人也都认为统计不过就是数学的一部分而已；但更多的统计学家则认为并一再强调，统计与数学是完全不一样的。

我们可能比较容易感受到什么是具有经济头脑，什么是具有文学细胞，以及什么是具有音乐素养。那什么是具有统计头脑？统计细胞？以及统计素养呢？就不易讲得明白了。这篇文章就试图通过阐释统计思维的方式，来谈谈上述几个问题。

1、正确理解统计思维的重要性

让我们先来看一个例子。1985年11月，一位美国学者Gary Taylor在英国牛津大学的一图书馆找到了一首诗（姑且称为“Taylor诗”好了），引发了一场英美研究莎士比亚文学作品的学者们的口水大战，争论的焦点就是此诗是否为莎士比亚所作。

不少专家认为这首“Taylor诗”，不论是用字遣词，还是韵味风格，都迥异于莎士比亚其他作品。论战两个月后，1986年1月24日出版的Science 杂志刊登了一篇“莎士比亚的新诗：向统计学致敬”（Shakespeare's new poem: an ode to statistics）的文章，介绍两位统计学者Efron与Thisted如何以统计方法鉴定这首“Taylor诗”是否为莎士比亚所作的过程。

Efron与Thisted的方法是这样的：每个人都有其各自的用字习惯，特别是对于生僻字，每个作者使用的习惯差异可能更大。在莎士比亚已知的总作品中，***有884,647个字，其中有31,534个相异字。这些相异字中，有14,376个字从头到尾只出现过1次，有4,343个字只出现2次。出现几次的字都被计算出来。那些在总作品中, 出现频率较低的，就是莎士比亚的生僻字。依据这些数据，假设这首***429个字的“Taylor诗”为莎士比亚所写，他们估计会有几个字，在总作品中从未出现（也就是新字），只出现1次，2次, ……，一直到曾出现99次，都给出估计值。实际情况与估计非常吻合。

这样做还不够，会不会当时代的诗人用字习惯都差不多？于是，两人又找了三位大致与莎士比亚同时代的诗人，各取其一首诗，及另取四首莎士比亚的诗，与这首泰勒诗做比较。经过3种统计检定发现对前三首，若假设为莎士比亚的作品，罕用字出现次数之实际值与估计值皆不吻合。而所挑选的四首莎士比亚的诗，虽偶有不合，但总的来说是可接受的。Efron及Thisted说，他们的分析并无法完全证明“Taylor诗”为莎士比亚所写，但在罕用字之使用情况，如此与莎士比亚的总作品吻合，确实令人惊讶。

一场文学上的争论，经统计学家发声后迅速平息，难怪要向统计学致敬了。运用统计方法来做决策，反映的是一种客观及合理的思维。与其主观的争论风格相同否，还不如以客观的统计方法来判定。但如何才算已经够客观？除了只检验“Taylor诗”外，Efron和Thisted还拿了几位与莎士比亚同时代的诗人来比较，这样做就更保险了。免得万一莎士比亚那个时期的诗人，有如时尚般，生僻字之使用习惯类似，则此检定就没有什么参考价值了。

统计正如我们的思维，客观至上，否则便是自欺欺人。反之我们的思维若是统计式的，便是极客观的。

英国剑桥大学教授苏斯伦德（William J. Sutherland）等2013年在《自然》杂志上发表了一篇名为“解读科学观点时应该知道的20个事实”的文章，阅后发现其中提到的科学事实都与统计思维有关。

现代科学研究中统计学是最重要的工具之一，英国著名生物学家高尔顿曾说过：“统计学具有处理复杂问题的非凡能力，当科学的探索者在前进的过程中荆棘载途时，唯有统计学可以帮助他们打开一条通道。”运用科学研究结论辅助现实决策时，须具备良好的统计思维，才能对科学结论保持清晰认识，更准确地解读结论背后的科学真相。

大数据时代从信息不足转变为信息泛滥，信息匮乏的危机让位给信息甄别的困难，如此背景下科学方法成为每个人的必修课。在日益依赖数据的今天，树立正确的统计思维，才能有效地开展数据处理与分析。当今世界正步入信息爆炸的大数据时代，统计越显重要，验证了英国科幻小说作家H·G·威尔斯的预言：“统计思维总有一天会像读写一样，成为一个有效率公民的必备能力。”

统计学被广泛应用于各门学科之中，从自然科学到人文社会科学，甚至是工商业及政府的情报决策。作为认识自然、社会的工具和手段，统计研究客观现象的数量关系，帮助政策制定者理解科研证据对决策的作用。正如现代统计学的奠基人费歇尔所讲：“给20世纪带来了人类进步的独特方面是统计学，统计学的普遍存在以及在开拓新知识领域方面的应用已远远超过20世纪内的任何技术或科学发明。”

马寅初曾说：“学者不能离开统计而究学，实业家不能离开统计而执业，政治家不能离开统计而施政。”统计思维是在获取数据、从数据中提取信息、论证结论可靠性等过程中表现出来的一种思维模式，对于人类提高认知起到巨大的作用。无论是解开自然奥秘的科学调查，或是考查早期匿名文学作品的作者、给出考古文物的时间年表，或是解决法庭争端以及做出最佳决策等，统计思维都起到不可替代的重要作用。

统计学是一种由经验到理性的认识，是一种运用偶然发现规律的科学。它不只是一种方法或技术，还含有世界观的成分——看待世界上万千事物的一种方法，人们常讲某事从统计角度看如何，指的就是这个意思。统计思维的养成不但需要学习一些具体的指示，还要能够从发展的眼光，把这些指示连缀成一个有机的、清晰的图景，获得一种历史的厚重感。正如德国的斯勒兹曾讲道“统计是动态的历史，历史是静态的统计。”

从统计学的角度看，人们从经验或实验中所获取的知识是含有不确定性的，统计关注的是这种知识当中所含不确定性的度量问题，一旦能得到不确定性的量度，人们的知识就得到扩充，对世界的认知就朝前跨越，这个过程在人类知识积累的进程中不断重复。难怪有人总结道：

在终极的分析中，一切知识都是历史： 我们现在拥有的知识都是对过去发现的事物的归纳总结以及衍生；

在抽象的意义下，一切科学都是数学： 所有的知识都可以归纳为对数学的推理和运算；

在理性的基础上，所有的判断都源于统计学： 所有的判断都是对过去的规律总结，也就是说，根据过往的数据简历概率模型，判断未来的趋势。

2、什么是统计思维及其常见方式

首先我们来看看，统计学究竟在做些什么？

从随机性中寻找规律性 ，是统计的基本思想，也是统计的魅力所在。

简单来说，统计学里所表达的两个核心理念就是：

我们在中学里面所学到的知识探讨的多半是必然性的问题。当它说1就是1，不会有任何误差。而一个命题一旦被证明是对的，问题就会一直对下去，不会有例外，除非你能找出证明的漏洞。而在统计学里面，则是处处存在随机性问题。它允许有误差，没有误差反令人怀疑其中有假。统计也会对一个问题拍胸脯保证，但它的保证都是基于概率形式的。而且所能保证的概率，不但不是百分之百，而且还附有误差。统计里则处处是“说不准”。例如，宣称某饮料的容量有百分之九十五的概率介于425毫升至431毫升之间，就是一典型的统计上的保证。统计代表了一种我们看待这个世界的方式。

在随机的世界中，真相往往难以大白，一切都是假设，就看你愿意接受哪一个。而接受的含义，就如同在婚礼上，当新娘点头说“我愿意”，并不表示这位新郎就真正是最适合她的。只不过是“目前她愿意接受”。同样地，在统计里接受不表示为真，拒绝也不表示为伪。统计学家的判定，都会给出误差，是一种允许误差下的统计推断。

概率和误差，构成了统计思维的两大支柱。并发展出统计学里几乎所着的关键要点。

统计学里的方法，和人们的思维方式有一定的对应关系。下面我们就来列举下统计学中常见的思维方式。

（1）要有善于利用数据的思维

“ Data! Data!Data! ” he cried impatiently. “ I can’t make bricks without clay. ” 这是著名小说中福尔摩斯（Sherlock Holmes）说过的一句话。

没有规矩不成方圆，没有黏土不成砖墙，没有数据则无法决策。

福尔摩斯可以依命案现场的一些蛛丝马迹，推测凶嫌可能惯用左手，或可能经过一片果园。算命看相者，所仰赖的也是资料。收集很多不同的面相及八字等的命运，当“阅人多矣”后，自然容易依据人的面相等，分析其前程。那些善于看透人性者，不也是阅人多矣吗？做决策要有数据，每一项数据，都可能是有用的信息。统计学家的本事要能发挥，就得善用信息。因此对于统计学家，数据有如老鼠所爱之大米。

（2）要有善于捕捉不确定性的思维

宇宙的运转，有必然性与随机性交错着进行。例如，我们知道哈雷慧星每76年接近地球一次（这是必然性）。虽然我们能知道76年后的事，但明天会不会下雨？就不是那么确定了（随机性）。又如，将手上的硬币松开，在中学物理课程里学过，如果忽略空气阻力，则在高度固定下，硬币落地所需时间，是个定值。但落地后那一面朝上？就无法预知了。这就是不确定性。

人们对未来，知道大致会发生哪些事，以及何发生，但又不能完全掌握。在随机世界里，必然性使人们愿意事先好好准备，而不确定性则使人们对未来，充满着盼望或者恐惧。光有必然性的世界，亳无变化，则对未来缺乏盼望，会让人们丧失努力的动力。而光有随机性的世界，只靠运气，将让人失去积极认真向上的决心。三分天注定，五分靠打拼，两分靠运气。这是造物者伟大的设计。

由于不确定性的存在，我们所能做的，就是要了解它，很多时候还要设法减少这些不确定性。因此，我们的先辈针对随机的世界，总结了一些所谓的法则来应对这样的不确定性。例如，大数法则（law of large numbers），另一个重要的随机法则就是中心极限定理（central limit theorem）。

在统计里做预测和估计，本质上是在做以偏概全的事。虽偏却能概全，这是统计学家的本领。

（3）要有相信概率的思维

数学家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）曾说过“大部分生活中最重要的疑问, 都只是概率的问题”。在随机世界里, 概率一词大家琅琅上口, 但真正理解概率含义的人却不多。

概率的意义究竟是什么呢？在诸如投掷骰子, 或抽签时, 我们通常以“相同的可能性”来解释概率。即骰子的6个面, 每个面出现机率皆认为是6分之1。该解释在日常生活中还是比较适用的。当没有其他信息时，常假设每一可能的结果发生之机率都一样。

第二种方式，是以相对频率来解释概率。例如，如果一位职业篮球选手，过去的投篮命中率是0.527，表示该选手在接下来投篮的时候，命中率大抵就是0.527。这种常见的对概率的解释也算比较客观的。其背后之理论基础就是大数法则。针对的现象, 则是可以重复观测的。

最后一种方式是主观概率。例如，世界杯足球赛巴西队最后夺冠的概率，追上某一女孩的概率等等就是主观概率，这些事件无法重复观测，是一次性的。

上述三种对概率的解释有时会交错使用，或彼此相验证。

还有小概率事件。原先你以为不可能的事情，只要观测次数够多, 就一定会发生。有人称此为law of truly large numbers。当小机率遇上大样本，其发生就不会太令人惊讶了。在随机的世界里，要相信概率，而不是要挑战概率。

（4）要有合理估计的思维

从前有一个卖油条的小孩，他一向把卖得的钱都放在盛油条的篮子里。某日由于尿急，于是把篮子放在一块大石头上，然后去厕所了。过一会儿回来，晴天霹雳，篮子里的钱全都不见了。他哭着跑去告诉县官。县官听了后, 叫人把石头抬来审问。虽一再恫吓, 石头一句话也不说。县官气了，叫人拿棍子来打石头。只是即使打到棍子断了，石头仍不说话。一旁看热闹的人都笑了起来。县官更生气，罚围观者每人拿两个铜钱，扔进一个盛满水的盆子里。突然，县官指着一个人说“偷钱的人就是你。”那人大呼冤枉，众人也不解。县官解释说：“那小孩是卖油条的，他的钱上都沾着油。别人的钱扔进水里都没有油浮上来，只有这个人扔钱进水后，有油浮上来, 可见钱是这人偷的。”那人俯首认罪，众人皆心服。

这种县官判案式的智慧，与教室玻璃破了，老师先从平常最调皮的学生问起的原理类似：当从几个可能性里做挑选时，优先挑最可能的情况。会不会出现错误？当然也是会的。凭口袋里的钱有油，就认定他偷了卖油条小孩的钱？如果有人收到卖油条者找的钱，不也就沾着油吗？

但是，这种人们在做选择时常采用的方法却又是有效的。从统计思维的角度看，就是著名的最大概似法（method of maximum likelihood），该方法就是依据发生概率最大者来确定估计值的。这个方法有很多好的性质，而且常常能得到不错的估计量。

美国NBA 职业篮球赛，各球队互有胜负，很难说那一球队才是最强。在常规比赛里，每支球队要赛82场，各区胜率最高的8队可打季后赛。所谓胜率，就是赢的场次除以比赛场次。为了维持比赛之可看性，NBA有一套选秀机制，使各队实力不会很悬殊。有时全季排名第一者，胜率还不到6成。以一个球季多场比赛后的胜率，决定谁是今年较强者，得以参加季后赛，是职业球赛经常采的作法。再例如，估计某项手术的成功概率，估计生三胞胎的的概率等，也是常采用这种以相对频率来估计的想法。

随着统计学的发展，种估计方法百各家争鸣。这些有道理的估计方法，往往有各自的优点，并且适用于某些场合，不会有哪种方法永远是最佳的。例如，有时我们觉得给个范围能更清楚的描述，这就是著名的置信区间（Confidence interval）估计方法。

（5）要有疑罪从无的假设检验思维

人们常求公平或公正。以简单的两人分蛋糕为例,，若双方皆不愿拿得比较小，那有什么好方法来分？你切我选应该是一个令两人都不觉得吃亏的办法。最好是连由谁切，都以抽签的方式。以免选方感觉他所得大于一半，而切方感觉他所得只有一半。

而疑罪从无推定原则便类似你切我选，属于能令检察官与被告，皆感到较公正的一种判决法。

1933年，波兰人Neyman及英国人Pearson给出著名的Neyman-Pearson引理，奠定了统计学里的无罪推定原则，这就是假设检验（Hypothesis testing）。

英文中的假设hypothesis,是由古希腊文hypotithenai 演变而来, 科学上的假说（或称假设学说）也是这个字。在数学里, 我们常在证明一命题是真或伪。但在随机世界中，很多现象都只能视为假设，就看更愿意接受哪一个。接受不表示就完全相信该假设为真，拒绝也不表该假设为伪。统计里的假设，经检定后，不论接受那一个假设，都无法让该假设成为定律，假设永远是假设。

3、结束语

陈希孺先生在其《数理统计学简史》的序中说道：“统计学不止是一种方法或技术，还含有世界观的成分——它是看待世界上万事万物的一种方法。我们常讲某事从统计观点看如何如何，指的就是这个意思。但统计思想也有一个发展过程。因此统计思想（或观点）的养成，不单需要学习一些具体的知识，还有能够从发展的眼光，把这些知识连缀成一个有机的、清晰的途径，获得一种历史的厚重感。”

建立起统计思维不是一朝一夕之功，要说有什么诀窍，那就是学习、实践，再学习、再实践，持续学习、持续实践。

参考文献：