Twitter的A/B测试实践（四）：A/B Test中使用多个控制的启示

【编者的话】A /B测试曾在多个领域产生深远的影响，其中包括医药、农业、制造业和广告。 在软件开发中， A/B测试实验提供了一个有价值的方式，来评估新特性对客户行为的影响。在这个系列中，我们将描述 Twitter的 A/B测试系统的技术和统计现状。

本文是该系列的第四篇，介绍了使用第二个控制降低假阳性的想法。

注：本文最初发布于 Twitter博客，InfoQ中文站获得作者授权，对文章进行了翻译。

正文

在前面的文章中，我们讨论了 A/B测试如何帮助我们创新 ，我们的 A/B测试框架 DDG是如何实现的，以及一种检测分桶不平衡的技术。在本文中，我们将探索并打消使用第二个控制来降低假阳性的想法。

概率问题

A/B测试其本质是建立在统计与概率框架之上的一种方法论；正因为如此，我们从实验得出的结论可能并不总是正确的。假阳性，或者说型 I错误，拒绝零假设，而它实际上是正确的——或者简单地声称观察到行为变化，而实际上抽样总体之间没有变化。假阴性，或者说型 II错误，接受零假设，而实际上它是不正确的——换句话说，声称我们没有在桶（bucket）之间观察到变化，而实际上抽样总体之间存在差异。

尽管不可能完全避免这两种类型的错误，但是一个设计良好的统计实验其目的应该是最小化这两种错误。当然，当你做决定发布/不发布的时候，这种不确定非常令人担忧，因为你不确定你观察到的这些变化是否为“真”。

本文将检验为了提防这些错误而使用两种控制桶（control bucket）的想法。我们将证明这会造成严重问题，证明在使用相同数量的数据时，构建单一的大控制是达到同一目标的优选、无偏差的方案。

使用第二个控制测试

A/A测试是指没有任何变更应用到“实验桶 （‘treatment’ bucket）“的测试，能够有效构建两个控制。A/A测试是一种非常有用的验证测试框架的工具。通常我们使用  A/A测试验证工具整体的正确性：检查统计方法是否正确实施，核实”异常值检测（outlier detection）“没有明显问题，以及删除垃圾信息。A/A测试同样可以用来确定，检测可预测指标变化所必需的流量。

Twitter上的一些实验者提出运行 A/A/B而不是 A/B测试，以降低“有偏差的” 桶（bucket）导致的假阳性。A/A/B测试除了提供控制（A1），实验者还将往实验中添加另一个控制组（A2）。

有两种方法可以使用两个控制桶。第一种方法是用A2来验证——如果 treatment表明控制 A1和控制 A2有显著差异，那么就是“真”；否则，它是假阳性而被丢弃。另一种方法是把A2当作替代控制，只要认为A1桶并不是良好的潜在总体样本。

我们的分析表明这两种方法不如这个方法：从两个控制中”池化（pooling）“流量，并把它处理成单一的大控制——换句话说，如果你流量有余，那就让你的控制桶两倍大。

第二控制背后的统计

我们考虑一下 A/A/B测试可能的结果：实际上，零假设是真，treatment（B）没有影响。

如下，我们列出了三个桶显著结果的所有可能的组合。在0.05的显著性水平，有95%的可能性，A1和 A2（左图）无显著差异。在剩下的5%中，一半概率 A1将显著低于 A2，一半概率A1将高于 A2（中间和右边的图）。

鉴于 A1-A2-B的关系，每个单元的数字是特定组合 A1 vs Treatment和 A2 vs Treatment的百分比。这些值是通过分析推导得出；你可以在附录中找到推导过程。

(点击放大图像)

接着，我们将检验使用两种控制的方法，并说明与将两个控制桶合并成单一的大控制相比，为什么它们是次优的。

方法1分析：拒绝任何分歧

回想一下，第一种方法表明，如果将这个方法与每个控制进行比较，除非它被拒绝，否则我们接受零假设。同时我们也抛弃所有与控制不一致的结果。

控制将拒绝5%的情况，并且要立即抛弃。

图1最左边的表中，观察到在零假设条件下（行中的两个假阳性），两个控制都与 treatment显著差异的概率仅占95%中的0.49% + 0.49% = 0.98%，或者总体的0.93%。因此零假设的误拒绝率从5%显著下降到1%以下。

这是有代价的，使用两个控制（其中任何一个都可以导致实验者接受零假设）是一个更加严格的条件，将会在 B确实偏离控制的情况下导致假阴性。通过引入这个限制，我们降低了品质，结果是导致假阴性概率急剧增加。

具体的假阴性率取决于 treatment移动的指标数。以实例说明，我们在两个控制中考虑均值为0，标准偏差为1的正态分布，在 treatment中均值为0.04，标准偏差为1。下表列出的假阴性百分比，可以使用上文提出的相同方法分析推导得出。我们将这个方法与使用单一的控制和使用池化的控制进行比较。为了匹配方法1的假阳性率，在这两种情况下 ，P值均设为0.0093。

在所有的情况下，为了如此低的假阳性率，你将损失很高的假阴性。尽管方法1比使用单一控制好，但是与将两个控制的流量合并到单一池化的大控制相比，方法1产生更多的假阴性。

方法2分析：选择“最好”的控制

使用两个控制的第二种方法是，找出哪种控制是潜在总体样本的最佳代表。由于我们将在观察到实验结果后识别出“最好”的控制，因此该方法会面临进退维谷的困境。这极其危险，也是彻底避免使用两个控制的最大原因。

然而，假设不是“靠直觉”在 A1和 A2之间挑选，我们是用分析来判断，哪种控制是潜在数据的更好代表。让我们仁慈一点，进一步假设（不切实际地）我们的分析师有权访问真实分布，并总可以正确地识别最佳控制。

我们模拟50000对（A1，A2）桶，每对有10000个符合标准正态分布的样本。在我们的模拟中，结果显示，2492（4.98%）对有统计上的显著差异均值。

根据分布，那么就可以绘制出模拟数据点，就很容易模拟出完美的“最佳控制”预言。对于每一对控制，我们只是挑选其均值更接近0的控制。将其与池化的控制均值进行对比，池化的控制均值是两个控制均值的平均值——我们称之为“平均水平（average）”

这个案例令人失望，两个控制在统计上没有显著差异，因此实验者也就不能选出“最好”的控制。让我们只考虑观察到 A1和 A2之间有分歧的情况。从下图中我们看到 “best of 2”合理集中在0附近。然而，尽管池化的控制图呈现出符合预期的单峰形状，“best of 2”战略形成双峰骆驼的双峰背。池化的控制方法的均值方差是4.81e-5，而 “best of 2”的均值方差则要高得多，达到1.45e-4。

如果考虑到，为了让两种控制在统计上呈现出显著性差异，必须发生什么，那么我们就不会对 “best of 2”呈现出的形状感到惊讶。统计显著性是基于两种控制均值的差异进行计量的。差异越大，我们观察到它们就越不同。给定基于正态分布的样本均值（参见中心极限定理），对于任何差异 d，由于两种样本来自真均值的任意一侧，因此看到差异d的概率要比均值都来自真均值同一侧的概率高。换句话说，如果你在两个控制之间看到很大的差异，那么可能是因为其中一个比真均值大（得多），而另一个比真均值小（得多）。与挑选任意一个极端相比，求均值将更接近真均值。

从该模拟中我们可以清晰看到，当这两个控制桶偏离时，池化它们将带来拥有较小方差分布的更好的均值评估，因此，甚至能比100%正确识别“最好”控制更可靠。池化控制在现实中更好实现，因为100%正确识别“最好”的控制是不可能的。

结论

加倍单个控制桶的大小，优先于使用两个控制桶实现两个独立的 t检验。使用两个控制，易使实验者带有偏误。如果实验者抵制偏误，只将第二控制用作验证工具，那么与池化控制相比，实验者将面对更高的假阴性概率。同样，相比只使用其中一个控制，池化控制会得到更好的真均值评估，并且不需要确定选择“最佳”控制的方法。实验者应该对建立“第二控制“的误导感到失望，以免犯错。

致谢

感谢本文合作者 Dmitriy Ryaboy。我们还要感谢 Chris Said， Robert Chang，Yi Liu,Milan Shen， Zhen Zhu和 Mila Goetz以及 Twitter的数据科学家，感谢他们珍贵的反馈意见。

编后语

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查看英文原文：Implications of use of multiple controls in an A/B test