【Python】比例类数据的差异性检验与AB测试的终止点

• Z时代
• 2024-01-10
• 分类：技术分享

在实际业务中，我们经常会遇到频率类事件的假设检验，这类数据包括：留存率、点击率、转化率。我们甚至可以把大多数AB测试类的场景都理解为「频率的假设检验」。本文试图创建一个一般性的频率假设检验工具的EXCEL实现，并介绍其工作原理。文件参考这里(https://github.com/threecifanggen/data-science-tools/blob/master/excel/%E4%BA%8C%E9%A1%B9%E5%88%86%E5%B8%83%E6%A3%80%E9%AA%8C.xlsx)。

定义问题

其实，在具体工作中，我们都会遇到比例数据来作为指标衡量一个数据，可以大致将这些指标抽象成三类数据：正事件触发次数/用户数，触发正事件的人数/人数，正事件触发次数/总事件发生次数。我们在文章中将以「平均发生次数」(Average Count)、「转化率」(Transfer Rate)、「发生率」(Positive Rate)来表述这三类指标。

问题抽象

事实上，我们单纯从数学抽象上说，上面的比例数据，事实上可以抽象为两类问题，一个是「每个用户具有一个观测量」，比例事实上反应的是这个观测量的平均值；另一类则是「频率」，反应的是一个事件发生的概率（只是这个频率的维度是以事件为主还是用户为主）。我们本文就限定在「频率」这个抽象问题的范围内，考虑如何比较两组频率的差异。理解了这个抽象，我们可以同时分析次留、转化率、AB测试的数据。特别的，我们采用的统计工具在以下场合，会比直接比较两组的频率更有效：

1. 当抽样数据过小时或极度不平衡时。譬如在产品仅在冷启动时期，这时候的流量相对较小，单纯比较频率容易有抽样误差；
2. 快速决策的时候，特别地，需要决定何时终止比较的时候。譬如，在每单位时间成本极大的时候，如果进行AB测试，需要很快得到结果，终止测试。如果使用直接比较频率，我们往往无法做出何时终止测试的判断，下面的方法（特别是基于贝叶斯的方法）可以很快地在验证成功之后终止测试。

数学工具

首先，我们可以假设一个事件的发生频率为

$$f = X/N$$

其中，$X$为正例发生次数，$N$则为事件发生总次数。譬如，在留存率（次留）中，$X$表示第二日使用产品的用户数，$N$表示计算当日的注册用户数。

我们很容易地可以做出假设：$X$属于二项分布，即：

$X \sim B(N, p)$

我们现在可以将其转化为两组二项数据的比较。

方案一：假设检验

这是最简单可以想到的方案。我们假设两组数据其参数分别为$p_1$，$p_2$。则可以建立如下假设：

• H0: $p_1 = p_2$

• H1: $p_1 \ne p_2$

则统计量$z$ 满足

$$z = \frac{\hat{p_1} - \hat{p_2}}{\sqrt{\hat{p}(1 - \hat{p})(\frac{1}{N_1} + \frac{1}{N_2})}}$$

其中，$\hat{p} = \frac{N_1\hat{p_1} + N_2\hat{p_2}}{N_1 + N_2}$

因为$z \sim N(0, 1)$，我们就可以基于这个计算出相应的显著性值并进行比较。

可以在Excel的这部分看到结果，其中显著性大小我们这里分为0，， ， *，***，****， *****五档，可以基于不同的数据量调整判断标准。

方案二： 贝叶斯估计

在大多数场合下，特别是指数分布族内的分布中，我们一般会使用$Beta(\alpha, \beta)$分布作为先验分布，当然这么选择会有很多好处，首先：

1. 当$\alpha$，$\beta$足够大时，$Beta(\alpha, \beta) \rightarrow B(\alpha + \beta, \frac{\alpha}{\alpha + \beta})$。这样我们就可以刻画出以二项分布扩展的任何分布。
2. 其次，当先验分布为$Beta(\alpha, \beta)$，且新的观察量$N$中，有$k$个正例。则其后验分布可以算出为$Beta(\alpha + k, \alpha + N - k)$，计算非常简单。
3. $Beta(1, 1)$为均匀分布，非常方便的可以作为无信息的先验分布。

接下来，我们可以基于两组数据，来求出两个$Beta$分布，然后基于这两个$Beta$分布进行抽样，抽样的具体结果在Excel的这个位置：

然后抽样结果的汇总数据，包括，每个例子的值还有分布，展示在这里：

最后我们可以在这里看结果，这里提供以下指标，就是两个比例的抽样均值，还有就是给出两组数据之间差值正负的比例（$P(A>B)$、$P(B \ge A)$这两项），差值的相关信息（包括平均数、方差、中位数）。基于这些量，我们就能很容易做出两组数据何者更好的

AB测试的一个动态推广

AB测试的时候，我们很想很快知道测试结果，因为某些测试本身可能会影响到功能、收入等情况，这时候，我们就需要知道何时终止测试。而上面的贝叶斯的方案，可以给我们提供一个解决这一问题的发想。

首先，我们要把AB测试的数据结果看成两（或多）组时间序列数据，在快速测试时，我们可能使用按分钟的维度来监控这两组数据。譬如我们现在要测试两个按钮设计的点击率，则需要统计每一分组内，每个按钮点击次数和未点击次数，譬如生成下列数据，一个是0.62概率一个0.65，我们生成100个时间段的数据，且故意让两个数据很接近而且抽样非常不平均。

python">import numpy as np
from scipy.stats import binom, beta
from plotnine import *
from itertools import accumulate
import pandas as pd
n1, p1 = 10000, 0.62
n2, p2 = 10000, 0.65
seed_a = binom.rvs(1, p1, size=2000)
seed_b = binom.rvs(1, p2, size=10000)
np.random.shuffle(a)
np.random.shuffle(b)
a = [(sum(i==1), sum(i==0)) for i in np.array_split(seed_a, 100)]
b = [(sum(i==1), sum(i==0)) for i in np.array_split(seed_b, 100)]

然后，我们主要通过$max(P(p_a > p_b), P(p_a \le p_b))$，来判断是不是具有显著的差异。显然，当这个值越接近于1，表示这抽样数据里面两个组的数据有差别的可能性越大，我们就可以基于此来判断是否可以终止实验。核心的抽样算法实现如下，其中beta.rvs(a, b, size=n)就表示生成n个beta分布的数据。然后我们可以应用贝叶斯的方法，很快地随着每批数据进来快速地产生新的后验概率并基于此抽样。

def gennerate_avg(n=100000):
def helper(row):
res = np.sum(
beta.rvs(row['a_x'] + 1, row['a_y'] + 1, size=n) >
beta.rvs(row['b_x'] + 1, row['b_y'] + 1, size=n)
) / n
return res if res >= 1 - res else 1 - res
return helper

最后，我们就可以实时地展示两幅图，来动态判断是不是有把握可以终止实验，做出判断了。第一幅是两个点击率随数据进来后，渐渐趋于稳定的比较图，这张图主要展示，此时a、b组点击率的变化。只有当a、b组点击率不发生明显波动时，我们才能做出判断。这个是防止我们过早地终止实验。其次，这张图也一定程度直观告诉我们，两个点击率哪个大哪个小。

第二幅图则是$max(P(p_a > p_b), P(p_a \le p_b))$的演化图，它衡量的是两组数具有差异的可能性。我们可以添加我们能容忍错误的可能性，比如下图的绿线表示我们的容忍底线0.999，即我们保证抽样的99.9%的数据都显示出有一组大于另一组的差异时，我们就可以终止实验了。比如次例子中，我们大致在第60分钟时，就可以终止实验，而不需要积累大量数据。

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