하루에 10분씩 공부하는 AP Statistics - #23 실험(Experiments)
실험에서는 다른 모든 변수값을 일정하게 유지한 상태에서 하나 또는 그 이상의 변수값 만을 조작한다. 이를 통해 조작된 변수가 반응 변수에 미치는 영향을 조사하고, 반응변수(response variable)와 조작변수(manipulated variable)간에 인과관계가 있는지 평가한다.
▶ 실험의 구성요소(Parts of an Experiment)
모든 실험은 독립변수(independent variables), 종속변수(dependent variables), 실험단위(experimental unit)로 구성된다.
- 독립변수(Indepedent variable)
독립변수(요인 또는 인자; Factor)란 실험자에 의해 조작되는 설명 변수(explanatory variable)를 말한다.
각 요인은 둘 또는 그 이상의 수준(level) 즉, 서로 다른 요인값을 갖는다. 각 요인 수준의 조합을 처리(treatment)라고 한다. 아래 표는 가상의 실험에서의 독립변수, 요인, 수준, 처리를 보여준다.
| Vitamin C | ||||
| 0 mg | 250 mg | 500 mg | ||
| Vitamin E | 0 mg | Treatment 1 | Treatment 2 | Treatment 3 |
| 400 mg | Treatment 4 | Treatment 5 | Treatment 6 | |
이 실험에서 실험자는 Vitamin C와 Vitamin E가 건강에 미치는 영향을 조사하고자 한다. 두 요인(factor)은 Vitamin C 투약, Vitamin E 투약이고, Vitamin C 요인은 하루 0mg, 250mg, 500mg 의 세 수준이 있다. Vitamin E는 하루 0mg, 400mg 의 두 수준이 있고, 실험은 총 6가지의 처리(treatment)가 있다. 처리1(treatment 1)은 0mg의 Vitamin C와 0mg의 Vitamin E를 투약하는 것이고, 처리2(treatment 2)는 250mg의 Vitamin C와 0mg의 Vitamin E를 투약하는 것이다.
- 종속변수(Depedent variable)
위 실험에서 실험자는 Vitamin이 건강에 미치는 영향을 살피게 된다.
따라서, 실험의 종속변수는 건강 척도(년간 진료비, 년간 감기에 걸린 회수, 병원에 간 일수 등)가 된다.
- 실험단위(Experimental units)
실험처리를 받는 개체를 실험단위 또는 피실험자(subject)라고 한다.
실험의 실험단위는 사람, 식물, 동물 또는 무생물 등 어떤 것이든 될 수 있다.
위 실험에서 실험단위는 사람(또는 실험동물)이다. 만일 줄의 신장력을 측정하는 실험이라면 실험단위는
줄이 될 것이다.
▶ 잘 설계된 실험의 특징(Characteristics of a Well-Designed Experiment)
잘 설계된 실험은 실험자로 하여금 독립변수와 종속변수 간의 관계를 설명하는데 관계없는 변수를 제거할 수 있도록 한다. 이러한 특징을 아래에 정리하였다.
- 제어(Control)
제어는 관계 없는 변수(즉, 독립변수나 종속변수가 아닌 변수)의 효과를 줄이기 위해 취하는 단계이다.
관계 없는 변수들을 잠복변수(lurking variable)라 한다.
제어는 실험에서 각 처리조건에 있는 피실험자를 가능한 유사하도록 만들어준다.
제어의 세 가지 방법은 대조군(control group), 위약(placebo), 눈가림(blinding)이다.
· 대조군(Control group)
대조군은 처리를 하지 않거나 중립처리를 한 기준그룹을 말한다.
실험자는 대조군의 결과와 처리군의 결과를 비교해 처리효과를 평가한다.
· 위약(Placebo)
피실험자는 종종 처리를 받은 이후에 심지어는 중립처리(neutral treatment)를 받은 경우에도
다른 반응을 보인다.
종속변수에 "실제로 효과가 없는" 중립 처리를 위약(Placebo)이라고 하며, 피실험자가 위약에
양성반응을 보이는 것을 위약효과(Placebo effect)라고 한다.
위약효과를 제어하기 위해 실험자는 중립처리(즉, 위약)을 대조군에 실시한다.
위약의 예는 의약 연구에서 설탕정(sugar pill)을 사용하는 것을 들 수 있다. 약을 복용한 피실험자가
위약을 받은 피실험자보다 더 나은 결과를 보일 때 약의 효능이 있다고 판단한다.
· 눈가림(Bliding)
대조군의 피실험자가 자신이 위약을 받았다는 것을 알면, 위약효과가 감소하거나 없게 되고,
따라서, 의도한 제어목적에 위약이 소용없게 된다.
눈가림은 피실험자가 위약을 받았는지 여부를 알려주지 않는 것이다.
이 방법으로 대조군과 처리군에 있는 피실험자는 동일한 위약효과를 경험하게 된다.
때때로 실험을 감독하거나 실시하는 사람에게도 어떤 그룹이 위약을 받았는지를 숨기는 경우가 있다.
이것을 이중눈가림(doublue blinding)이라고 한다. 이것은 실험자가 의식하지 못한 단서를 제공해
피실험자에게 "비밀누설"을 하거나, 실제 처리 조건을 알고 분석 결과를 왜곡하는 것을 방지한다.
- 임의화(Randomization)
임의화는 확률적인 방법(난수표, 동전던지기 등)을 사용해 피실험자에게 처리를 배정하는 것을 말한다.
이를 통해 잠복변수의 잠재 효과를 각 처리 조건에 확률적으로(거의 비슷하게) 분산시킨다.
- 반복(Replication)
반복은 각 처리조건을 많은 피실험자에게 실시하는 것을 말한다.
일반적으로 각 처리 조건에 해당하는 피실험자가 많아질수록, 종속변수의 변동성은 감소한다.
▶ 교락(Confounding)
교락(confounding)은 두 가지 이상의 요인효과가 서로 섞여서 각 효과들을 분리할 수 없는 경우를 말한다. 즉, 실험자가 독립변수와 종속변수간의 관계를 설명하는 여러 대안들을 논리적으로 선별할 수 없는 경우이다.
예를 들어보자. 의약회사가 200명의 자원 피실험자(남자100명, 여자100명)를 대상으로 새로운 감기약을 시험했다고 하자. 남자에게는 약을 주고 여자에게는 약을 주지 않았다. 시험이 끝날 때, 남자 중에 감기 걸린 사람이 더 적었다고 하자.
이 실험에서는 전혀 제어를 하지 않았다. 그 결과, 많은 변수의 효과가 교락되었고, 약의 효과가 있는지 여부를 말할 수 없다. 예를 들어 약의 복용과 성별의 효과가 교락되었다. 실험기간 동안 남성은 잘 안걸리는 특정 감기 바이러스가 유행했을 수도 있고, 신약 효과가 전혀 없을 수도 있다. 또는 남성은 위약효과를 나타낸 것일 수도 있다.
이 실험은 몇 가지 제어를 한다면 효과적일 수 있다. 먼저, 남성과 여성을 처리 조건에 임의로 배정한다. 대조군으로 위약을 주고 눈가림을 하고, 다른 처리조건은 약을 준다. 그 후에 약을 받은 그룹이 대조군에 비해 감기 걸린 사람이 충분히 적다면 약이 감기를 예방하는데 더 효과적이라고 결론내리는 것이 타당할 것이다.
확인하고 넘어가기
Problem1
Which of the following statements are true?
I. Blinding controls for the effects of confounding.
II. Randomization controls for effects of lurking variables.
III. Each factor has one treatment level.
(A) I only
(B) II only
(C) III only
(D) All of the above.
(E) None of the above.
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