]> code.communitydata.science - stats_class_2020.git/blob - assessment/interactive_assessment.rmd
fb1efb4e668e60d43a39dbc7727763c72848722a
[stats_class_2020.git] / assessment / interactive_assessment.rmd
1 ---
2 title: "Interactive Self-Assessment"
3 subtitle: "Fall 2020 MTS 525 / COMMST 395 Statistics and Statistical Programming"
4 output: learnr::tutorial
5 runtime: shiny_prerendered
6 ---
7
8
9 ```{r setup, include=FALSE}
10 library(learnr)
11 library(tidyverse)
12
13 knitr::opts_chunk$set(echo = FALSE, tidy=TRUE)
14
15 t <- Sys.time()
16 question_filename <- paste("question_submission_", t, ".csv", sep="")
17 code_filename <- paste("code_", t, ".csv", sep="")
18
19 #df <- data.frame(label=c('test'), question=c('asd'), answer=c('asd'), correct=c(TRUE), stringsAsFactors=FALSE)
20 df <- data.frame()
21 print('*')
22 print(df)
23
24 tutorial_event_recorder <- function(tutorial_id, tutorial_version, user_id, 
25                                     event, data) {
26   # quiz question answered
27   if (event == "question_submission"){
28     # nick exasperatedly believes this is the correct way to index the result of strsplit... [[1]][[1]]
29     data$category <- strsplit(data$label, '_')[[1]][[1]]
30     #print(data)
31     
32     df <<- rbind(df, data, stringsAsFactors=FALSE)
33     #write.table(data, question_filename, append=TRUE, sep=",", row.names=TRUE, col.names=FALSE)
34     write.table(df, question_filename, append=FALSE, sep=",", row.names=TRUE, col.names=TRUE)
35
36   }
37   # code
38   if (event == "exercise_submitted"){
39     write.table(data, code_filename, append=TRUE, sep=",", row.names=TRUE, col.names=FALSE)
40   }
41   
42 }
43 options(tutorial.event_recorder = tutorial_event_recorder)
44 ```
45
46
47
48 ## Section 1: Warmup exercises  
49
50 TODO add a short description. State the number of questions that will be asked. Include expectations about time commitment.
51
52 ### Code Chunk Warm-up 
53
54 To get familiar with how code chunks work in `learnr`, let's write R code required to add two numbers: 1234 and 5678 (and the answer is 6912).
55
56 The code chunk below is editable and is "pre-populated" with an unfinished function definition. The goal is to add arguments and fill in the body of the function. When finished, you can run the code chunk and it should produce the answer.
57
58 If you click "Run Code", you should see the answer below the chunk. That answer will persist as you navigate around this doc.
59
60 You can clear your answers by clicking "Start Over" in the top-left of the chunk. You can also clear **all** your answers by clicking "Start Over" in the left-hand sidebar, but doing that basically erases all progress in the document *Use with caution!*
61
62 ```{r warmup_1, exercise=TRUE, exercise.lines=10}
63 add <- function() {
64   
65 }
66 x = 1234
67 y = 5678
68 add(x,y)
69 ```
70
71 ```{r warmup_1-solution}
72 add <- function(value1, value2) {
73   return(value1 + value2)
74 }
75
76 x = 1234
77 y = 5678
78
79 add(x,y)
80 ```
81
82 ### Multiple Choice Question Warmup
83 The question below shows how the multiple choice answering and "feedback" works.
84 ```{r warmup_2}
85 quiz(
86   question("Select the answer choice that will return `TRUE` in R.",
87     answer("1 == 1", message="Good work! Feedback appears here.", correct=TRUE),
88     answer("1 == 0", message="Not quite! Feedback appears here.")
89   )
90 )
91 ```
92
93 ### Debugging a Function
94 Below, you'll see code to define a function that is *supposed* to perform a transformation on a vector. The problem is that it doesn't work right now.
95
96 In theory, the function will take a numeric vector as input (let's call it $x$) and scale the values so they lie between zero and one. [^1] The way it *should* do this is by first subtracting the minimum value of $x$ from each element of $x$. Then, the function will divide each element by the difference between the maximum value of $x$ and the minimum value of $x$.
97
98 [^1]: This is sometimes called min-max [feature scaling](https://en.wikipedia.org/wiki/Feature_scaling), and is sometimes used for machine learning.
99
100 As written now, however, the function does not work! There are at least three issues you will need to fix to get it working. Once you fix them, you should be able to confirm that your function works with the pre-populated example (with the correct output provided). You might also be able to make this code more "elegant" (or alternatively, improve the comments and variable names as you see fit).
101
102 Bonus: how might we update this function to scale between any "floor" and "ceiling" value?
103
104 ```{r R_debug1, exercise=TRUE}
105 zeroToOneRescaler <- function() {
106   # the minimum value
107   minval <- min(x)
108   # let's "shift" our vector by subtracting the minimum value of x from each element
109   shifted <- x - minval
110   
111   # let's find the difference between max val and min val
112   difference <- min(x) - max(x)
113   
114   scaled <- shifted / difference
115   scaled
116 }
117
118 test_vector = c(1,2,3,4,5)
119 zeroToOneRescaler(test_vector)
120 # Should print c(0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.00)
121 ```
122
123 ```{r R_debug1-solution}
124 zeroToOneRescaler <- function(x) {
125   shifted <- x - min(x)
126   difference = max(x) - min(x)
127   return(shifted / difference)
128 }
129
130 test_vector = c(1,2,3,4,5)
131 zeroToOneRescaler(test_vector)
132 # Should print c(0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.00)
133 ```
134
135 ```{r R_debug1-response}
136 quiz(
137   question("Were you able to solve the debugging question? (this question is for feedback purposes)",
138     answer("Yes", message="Nice work!", correct = TRUE),
139     answer("No", message="")
140   )
141 )
142 ```
143
144
145 The following commented chunk has at least five (annoying) bugs. Can you uncomment the code, fix all the bugs, and get this chunk to run? These are drawn from real experiences from your TA!
146 ```{r R_debug2, exercise=TRUE}
147 # ps2 <- readcsv(file = url(
148 #   " https://communitydata.science/~ads/teaching/2020/stats/data/week_04/group_03.csv"), row.names = NULL
149 # )
150 #
151 # ps2$y[is.na(ps2$y)] <- 0
152 # "ps2$'My First New Column' <- ps2$y * -1"
153 # ps2$'My Second New Column" <- ps2$y + ps2$'My First New Column'
154 #
155 # summary(ps2$'My Second New Column']
156 ```
157
158 ```{r R_debug2-solution}
159 ps2 <- read.csv(file = url("https://communitydata.science/~ads/teaching/2020/stats/data/week_04/group_03.csv"), row.names = NULL)
160 ps2$y[is.na(ps2$y)] <- 0
161 ps2$'My First New Column' <- ps2$y * -1
162 ps2$'My Second New Column' <- ps2$y + ps2$'My First New Column'
163 summary(ps2$'My Second New Column')
164 ```
165
166 ```{r R_debug2-response}
167 quiz(
168   question("Were you able to solve the above debugging question? (this question is for feedback purposes)",
169            answer("Yes", message="Nice work!", correct = TRUE),
170            answer("No", message="")
171   )
172 )
173 ```
174
175 ### Updating a visualization
176 Imagine you've created a histogram to visualize some data from your research (below, we'll use R's built-in "PlantGrowth" dataset). You show your collaborator a histogram of this plot using default R, and they express some concerns about your plot's aesthetics. Replace the base-R histogram with a `ggplot2` histogram that also includes a density plot overlaid on it (maybe in a bright, contrasting color like red).
177
178 ```{r R_ggplot, exercise=TRUE}
179 data("PlantGrowth")
180 hist(PlantGrowth$weight)
181 ```
182
183 ```{r R_ggplot-solution}
184 library(ggplot2)
185
186 ggplot(PlantGrowth, aes(weight, after_stat(density))) + geom_histogram() + geom_density(color = "red")
187 ```
188
189 Bonus: How would you find more information about the source of this dataset? 
190
191
192 ### Interpret a dataframe
193 ```{r R_columns-setup, exercise=TRUE}
194 data <- mtcars
195 data$mpgGreaterThan20 <- data$mpg > 20
196 data$gear <- as.factor(data$gear)
197 data$mpgRounded <- round(data$mpg)
198 ```
199
200 The below questions relate to the `data` data.frame defined above, which is a modified version of the classic `mtcars`.
201
202 For all answers, assume the above code chunks *has completely run*, i.e. assume all modifications described above were made.
203 ```{r R_columns}
204 quiz(
205   question("Which of the following best describes the `mpg` variable?",
206     answer("Numeric, continuous", correct=TRUE),
207     answer("Numeric, discrete"),
208     answer("Categorical, dichotomous"),
209     answer("Categorical, ordinal"),
210     answer("Categorical")
211   ),
212   question("Which of the following best describes the `mpgGreaterThan20` variable?",
213     answer("Numeric, continuous"),
214     answer("Numeric, discrete"),
215     answer("Categorical, dichotomous", correct=TRUE),
216     answer("Categorical, ordinal"),
217     answer("Categorical")
218   ),
219   question("Which of the following best describes the `mpgRounded` variable?",
220     answer("Numeric, continuous"),
221     answer("Numeric, discrete", correct=TRUE),
222     answer("Categorical, dichotomous"),
223     answer("Categorical, ordinal"),
224     answer("Categorical")
225   ),
226   question("Which of the following best describes the `gear` variable?",
227     answer("Numeric, continuous"),
228     answer("Numeric, discrete"),
229     answer("Categorical, dichotomous"),
230     answer("Categorical, ordinal", correct=TRUE),
231     answer("Categorical")
232   )
233 )
234 ```
235
236 ## Section 2  
237 The following is a series of short multiple choice questions. These questions focus on definitions, and should not require performing any computations or writing any code.
238 ```{r Stats_lightninground}
239 m1 <- ""
240 wolf <- "Think of the 'Boy who cried wolf', with a null hypothesis that no wolf exists. First the boy claims the alternative hypothesis: there is a wolf. The villagers believe this, and reject the correct null hypothesis. Second, the villagers make an error by not believing the boy when he presents a correct alternative hypothesis."
241
242 quiz(
243   question("A hypothesis is typically concerned with a:",
244     answer("population statistic.", correct = TRUE),
245     answer("sample statistic.")
246   ),
247   question("A sampling distribution is:",
248     answer("critical to report in your papers."),
249     answer("theoretically helpful, but rarely available to researchers in practice.", correct = TRUE),
250     answer("practically useful, but not relies on assumptions that are rarely met.")
251   ),
252   question("Z-scores tell us about a value in terms of:",
253     answer("mean and standard deviation.", correct = TRUE),
254     answer("sample size and sampling strategy."),
255     answer("if an effect is causal or not.")
256   ),
257   question("A distribution that is right-skewed has a long tail to the:",
258     answer("right", correct = TRUE),
259     answer("left")
260   ),
261   question("A normal distribution can be characterized with only this many parameters:",
262     answer("1"),
263     answer("2", correct = TRUE),
264     answer("3")
265   ),
266   question("When we calculate standard error, we calculate",
267     answer("using a different formula for every type of variable."),
268     answer("the sample standard error, which is an estimate of the population standard error.", correct = TRUE),
269     answer("whether or not our result is causal.")
270   ),
271   question("When we calculate standard error, we calculate",
272     answer("using a different formula for every type of variable."),
273     answer("the sample standard error, which is an estimate of the population standard error.", correct = TRUE),
274     answer("whether or not our result is causal.")
275   ),
276   question("P values tell us about",
277     answer("the world in which our null hypothesis is true.", correct = TRUE),
278     answer("the world in which our null hypothesis is false."),
279     answer("the world in which our data describe a causal effect")
280   ),
281   question("P values are",
282     answer("a conditional probability.", correct = TRUE),
283     answer("completely misleading."),
284     answer("only useful when our data has a normal distribution.")
285   ),
286   question("A type 1 error occurs when",
287     answer("when we reject a correct null hypothesis (i.e. false positive).", correct = TRUE, message=wolf),
288     answer("when we accept a correct null hypothesis", message=wolf),
289     answer("when we accept an incorrect null hypothesis (i.e. false negative)", message=wolf)
290   ),
291   question("Before we assume independence of two random samples, it is useful to check that",
292     answer("both samples include over 90% of the population."),
293     answer("both samples include less than 10% of the population.", correct = TRUE)
294   )
295 )
296 ```
297
298 ## Section 3
299
300 ### About this Section
301
302 The following questions are in the style of pen-and-paper statistics class exam questions. There a few sections that you may want or need to run some R code; there are a variety of empty "scratch paper" code chunks for this purpose. Note that this document contains a section with helpful formulas, which you can navigate to via the leftmost column.
303
304 ### Sampling
305
306 ```{r Stats_sampling}
307 quiz(
308   question("A political scientist is interested in the effect of government type on economic development.
309 She wants to use a sample of 30 countries evenly represented among the Americas, Europe,
310 Asia, and Africa to conduct her analysis. What type of study should she use to ensure that
311 countries are selected from each region of the world? Assume a limitied research budget.",
312     answer("Observational - simple random sample"),
313     answer("Observational - cluster"),
314     answer("Observational - stratifed", correct=TRUE),
315     answer("Experimental")
316   )
317 )
318 ```
319
320 For the following question, you may want to use this "scratch paper" code chunk.
321 ```{r Stats_quartile-scratch, exercise=TRUE}
322
323 ```
324
325 ```{r Stats_quartile}
326 quiz(
327   question("Heights of boys in a high school are approximately normally distributed with mean of 175 cm
328 standard deviation of 5 cm. What is the first quartile of heights?",
329     answer("25 cm"),
330     answer("167.3 cm"),
331     answer("171.7 cm", correct=TRUE),
332     answer("173.5 cm"),
333     answer("178.3 cm")
334   )
335 )
336 ```
337         
338
339 ### Outliers and Skew
340 Suppose we are reading a paper which reports the following about a column of a dataset:
341
342 Minimum value is 0.00125 and Maximum Value is 2.1100.
343
344 Mean is 0.41100 and median is 0.27800.
345
346 1st quartile is 0.13000 and 3rd quartile is 0.56200.
347
348 ```{r Stats_summary}
349 m1 <- "Under R's default setting, outliers are values that are either greater than the upper bound $Q_3 + 1.5\\times IQR$ OR less than the lower bound $Q_1 - 1.5\\times IQR$. Here, $IQR = 0.562-0.130=0.432$. The upper bound $= 0.562 + 1.5\\times (0.432) = 1.21$. The lower bound is $0.13 - 1.5\\times (0.432) = -0.518$. We see that the maximum value is 2.11, greater than the upper bound. Thus, there is at least one outlier in this sample."
350
351 m2 <- "There is at least one outlier on the right, whereas there is none on the left. $|Q_3-Q_2| > |Q_2-Q_1|$, so the whisker for this box plot would be longer on the right-hand side. The mean is larger than the median."
352 quiz(
353   question("Are there outliers (in terms of IQR) in this sample?",
354     answer("Yes", correct = TRUE, message=m1),
355     answer("No", message="asd")
356   ),
357   question("Based on these summary statistics, we might expect the skew of the distribution to be:",
358     answer("left-skewed", message=m2),
359     answer("right-skewed", message=m2, correct=TRUE),
360     answer("symmetric", message=m2)
361   )
362 )
363 ```
364
365
366 ### Computing Probabilities
367 For each of the below questions, you will need to calculate some probabilities by hand.
368 You may want to use this "scratch paper" code chunk (possibly in conjunction with actual paper).
369
370 ```{r Stats_probs-scratch, exercise=TRUE}
371
372 ```
373
374 ```{r Stats_probs}
375 m1 <- "$P(\\text{Coffee} \\cap \\text{No Milk}) = P(\\text{Coffee})\\cdot P(\\text{No Milk}) = 0.5 \\cdot (1-0.1)  = 0.45$"
376
377 m2 <- "Let H be the event of hypertension, M be event of being a male. We see here that $P(H) = 0.15$ whereas $P(H|M) = 0.18$. Since $P(H) \\neq P(H|M)$, then hypertension is not independent of sex."
378
379 m3 <- "$P(HIV \\cap HCV) = P(HIV|HCV)\\cdot P(HCV) = 0.1\\cdot 0.02 = 0.002$"
380
381 quiz(
382   question("Suppose in a population, half prefer coffee to tea, and assume that 10 percent of the population does not put milk in their coffee or tea. If coffee vs. tea preference and cow milk are independent, what fraction of the population both prefers coffee and does put milk in their coffee?",
383     answer("40%", message=m1),
384     answer("45%", correct = TRUE, message=m1),
385     answer("50%", message=m1),
386     answer("55%", message=m1)
387   ),
388   question("In the general population, about 15 percent of adults between 25 and 40 years of age are hypertensive.  Suppose that among males of this age, hypertension occurs about 18 percent of the time. Is hypertension independent of sex? ",
389     answer("Yes", message=m2),
390     answer("No.", correct=TRUE, message=m2)
391   ),
392   question("What might you search for (in Google, your notes, the OpenIntro PDF, etc.) to help with this question?",
393     answer("t test"),
394     answer("laws of probability", correct=TRUE),
395     answer("linear regression"),
396     answer("R debugging")
397   ),
398   question("Co-infection with HIV and hepatitis C (HCV) occurs when a patient has both diseases, and is on the rise in some countries. Assume that in a given country, only about 2% of the population has HCV,  but 25% of the population with HIV have HCV.  Assume as well that 10% of the population with HCV have HIV.  What is the probability that a randomly chosen member of the population has both HIV and HCV?",
399     answer("0.001", message=m3),
400     answer("0.01", message=m3),
401     answer("0.002", correct=TRUE, message=m3),
402     answer("0.02", message=m3)
403   ),
404   question("What might you search for (in Google, your notes, the OpenIntro PDF, etc.) to help with this question?",
405     answer("t test"),
406     answer("laws of probability", correct=TRUE),
407     answer("linear regression"),
408     answer("R debugging")
409   )
410 )
411 ```
412
413 ### Calculating Probabilities: A Biostats Example
414 This question is adapted from a biostats midterm exam.
415 In the past (2015, to be specific), the US Preventive Services
416 Task Force recommended that women under the age of 50 should
417 not get routine mammogram screening for breast cancer.  The Task Force
418 argued that for a woman with a positive mammogram (one suggesting the
419 presence of breast cancer), the chance that she has breast cancer was
420 too low to justify a surgical biopsy.
421
422 Suppose the data below describe a cohort of 100,000 women age 40 -
423 49 in whom mammogram screening and breast cancer behaves just like the
424 larger population.  For instance, in this table, the 3,333 women with
425 breast cancer represent a rate of 1 in 30 women with undiagnosed
426 cancer. The numbers in the table are realistic for US women in this
427 age category. 
428
429 Has Breast Cancer: 3,296 Positive Test Results and 37 negative test results (3,333 total)
430
431 Does not Have Breast Cancer: 8,313 Positive Test Results and 88,354 negative test results (96,667 total)
432
433 First, compute the "margins" of the above contingency table.
434 Row margins: How many total women have breast cancer? How many total women do not have breast cancer?
435 Column margins: How many total positive test? How many total negative tests?
436 ```{r Stats_mammogram-chunk, exercise=TRUE}
437
438 ```
439
440 ```{r Stats_mammogram}
441 m1 <- "
442 $\\Pr(\\textrm{Test}^+ \\cap \\textrm{Cancer}) = 3,296$
443
444 $\\Pr(Cancer) = 3,333$
445
446 $\\Pr(\\textrm{Test}^+|\\textrm{Cancer}) =$ \
447 $\\dfrac{\\Pr(\\textrm{Test}^+ \\cap \\textrm{Cancer})}{\\Pr(\\textrm{Cancer})} =$\
448 $\\dfrac{3,296}{3,333} = 0.989$"
449
450 m2 <- "
451 $Pr(\\textrm{Cancer}|\\textrm{Test}^+) =$
452
453 $\\dfrac{\\Pr(\\textrm{Cancer} \\cap \\textrm{Test}^+)}
454      {\\Pr(\\textrm{Test}^+)}=$
455
456
457  $\\dfrac{3,296}{11,609} = 0.284$"
458
459 quiz(
460   question("Based on this data, what is the probability that a woman has a positive test given that women has cancer?",
461     answer("98.9%", correct = TRUE, message=m1),
462     answer("99.9%",message=m1),
463     answer("89.9%",message=m1),
464     answer("88.9%",message=m1)
465   ),
466   question("Based on this data, what is the probability that a woman has cancer receives a positive test?",
467     answer("28.4%", correct = TRUE,message=m2),
468     answer("10.3%",message=m2),
469     answer("50.7%",message=m2),
470     answer("97.9%",message=m2)
471   ),
472   question("Is the Task Force correct to claim that there is a low probability that a women between 40-49 who tests positive has breast cancer?",
473     answer("Yes", correct=TRUE),
474     answer("No")
475   )
476 )
477 ```
478
479
480
481 ## Useful Formulas
482 Sample Mean (sample statistic):
483 $\bar{x}=\frac{\sum_{i=1}^n x_i}{n}$ |
484 Standard deviation:
485 $s=\sqrt{\frac{\sum_{i=1}^n (x_i-\bar{x})^2}{n-1}}$ |
486 Variance:
487 $var = s^2$
488
489 Useful probability axioms:
490 $\mbox{Pr}(A^c)=1-\mbox{Pr}(A)$ | Pr(A and B) = Pr(A) $\times$ Pr(B) | Pr(A or B) = Pr(A) + Pr(B) - Pr(A and B)
491
492 $\mbox{Pr}(A|B)=\frac{\mbox{Pr(A and B)}}{\mbox{Pr(B)}}$\\
493
494 Population mean (population statistic):
495 $\mu = \sum_{i=1}^{n}x\mbox{Pr}(x)$
496
497 Z-score:
498 $z=\frac{x-\mu}{\sigma}$
499
500 $x=\mu + z\sigma$\\
501
502 $\mbox{P}(x)=\frac{n!}{x!(n-x)!}p^x(1-p)^{n-x}$
503     ~for~ $x=0,1,2,...,n$
504     
505 $\mu=np$, $\sigma=\sqrt{np(1-p)}$\\
506
507 $\sigma_{\bar{x}}=\frac{\sigma}{\sqrt{n}}$
508
509 $\sigma_{\hat{p}}=\sqrt{\frac{p(1-p)}{n}}$
510
511 $Q_1 - 1.5 \times IQR, \quad Q_3 + 1.5 \times IQR$
512
513
514
515 ## Answer Report
516 Finally, let's generate a report that summarizes your answers to this evaluation.
517
518 Answers are written to a file that looks like this: `question_submission-{CURRENT TIME}.csv`. We can actually quickly analyze them.
519
520 ```{r report1, exercise=TRUE}
521 df
522 ```
523
524 ```{r report2, exercise=TRUE}
525 mean(df$correct)
526 ```
527
528 ```{r report3, exercise=TRUE}
529 df %>% group_by(category) %>% summarize(avg = mean(correct))
530 ```

Community Data Science Collective || Want to submit a patch?