Дисперсионный анализ позволяет разложить дисперсию на. Дисперсионный анализ

Применение статистики в этой заметке будет показано на сквозном примере. Предположим, что вы - руководитель производства в компании Perfect Parachute («Идеальный парашют»). Парашюты изготавливаются из синтетических волокон, поставляемых четырьмя разными поставщиками. Одной из основных характеристик парашюта является его прочность. Вам необходимо убедиться, что все поставляемые волокна обладают одинаковой прочностью. Чтобы ответить на этот вопрос, следует разработать схему эксперимента, в ходе которого измеряется прочность парашютов, сотканных из синтетических волокон разных поставщиков. Информация, полученная в ходе этого эксперимента, позволит определить, какой поставщик обеспечивают наибольшую прочность парашютов.

Многие приложения связаны с экспериментами, в которых рассматривается несколько групп или уровней одного фактора. Некоторые факторы, например, температура обжига керамики, могут иметь несколько числовых уровней (т.е. 300°, 350°, 400° и 450°). Другие факторы, например, местоположение товаров в супермаркете, могут иметь категориальные уровни (например, первый поставщик, второй поставщик, третий поставщик, четвертый поставщик). Однофакторные эксперименты, в ходе которых экспериментальные единицы случайным образом распределяются по группам или уровням фактора, называются полностью рандомизированными.

Использование F -критерия для оценки разностей между несколькими математическими ожиданиями

Если числовые измерения фактора в группах являются непрерывными и выполняются некоторые дополнительные условия, для сравнения математических ожиданий нескольких групп применяется дисперсионный анализ (ANOVA - An alysis o f Va riance). Дисперсионный анализ, использующий полностью рандомизированные планы, называется однофакторной процедурой ANOVA. В некотором смысле термин дисперсионный анализ является неточным, поскольку при этом анализе сравниваются разности между математическими ожиданиями групп, а не между дисперсиями. Однако сравнение математических ожиданий осуществляется именно на основе анализа вариации данных. В процедуре ANOVA полная вариация результатов измерений подразделяется на межгрупповую и внутригрупповую (рис. 1). Внутригрупповая вариация объясняется ошибкой эксперимента, а межгрупповая - эффектами условий эксперимента. Символ с обозначает количество групп.

Рис. 1. Разделение вариации в полностью рандомизированном эксперименте

Скачать заметку в формате или , примеры в формате

Предположим, что с групп извлечено из независимых генеральных совокупностей, имеющих нормальное распределение и одинаковую дисперсию. Нулевая гипотеза заключается в том, что математические ожидания генеральных совокупностей одинаковы: Н 0: μ 1 = μ 2 = … = μ с . Альтернативная гипотеза гласит, что не все математические ожидания одинаковы: Н 1 : не все μ j одинаковы j = 1, 2, …, с).

На рис. 2 представлена истинная нулевая гипотеза о математических ожиданиях пяти сравниваемых групп при условии, что генеральные совокупности имеют нормальное распределение и одинаковую дисперсию. Пять генеральных совокупностей, связанных с разными уровнями фактора, идентичны. Следовательно, они накладываются одна на другую, имея одинаковые математическое ожидание, вариацию и форму.

Рис. 2. Пять генеральных совокупностей имеют одинаковое математическое ожидание: μ 1 = μ 2 = μ 3 = μ 4 = μ 5

С другой стороны, предположим, что на самом деле нулевая гипотеза является ложной, причем четвертый уровень имеет наибольшее математическое ожидание, первый уровень - чуть меньшее математическое ожидание, а остальные уровни - одинаковые и еще меньшие математические ожидания (рис. 3). Обратите внимание на то, что за исключением величины математических ожиданий все пять генеральных совокупностей идентичны (т.е. имеют одинаковую изменчивость и форму).

Рис. 3. Наблюдается эффект условий эксперимента: μ 4 > μ 1 > μ 2 = μ 3 = μ 5

При проверке гипотезы о равенстве математических ожиданий нескольких генеральных совокупностей полная вариация разделяется на две части: межгрупповую вариацию, обусловленную разностями между группами, и внутригрупповую, обусловленную разностями между элементами, принадлежащими одной группе. Полная вариация выражается полной суммой квадратов (SST – sum of squares total). Поскольку нулевая гипотеза заключается в том, что математические ожидания всех с групп равны между собой, полная вариация равна сумме квадратов разностей между отдельными наблюдениями и общим средним (среднее средних) , вычисленным по всем выборкам. Полная вариация:

где - общее среднее, X ij - i -e наблюдение в j -й группе или уровне, n j - количество наблюдений в j -й группе, n - общее количество наблюдений во всех группах (т.е. n = n 1 + n 2 + … + n c ), с - количество изучаемых групп или уровней.

Межгрупповая вариация , называемая обычно межгрупповой суммой квадратов (SSA – sum of squares among groups), равна сумме квадратов разностей между выборочным средним каждой группы j и общим средним , умноженных на объем соответствующей группы n j :

где с - количество изучаемых групп или уровней, n j - количество наблюдений в j -й группе, j - среднее значение j -й группы, - общее среднее.

Внутригрупповая вариация , называемая обычно внутригрупповой суммой квадратов (SSW – sum of squares withing groups), равна сумме квадратов разностей между элементами каждой группы и выборочным средним этой группы j :

где Х ij - i -й элемент j -й группы, j - среднее значение j -й группы.

Поскольку сравнению подвергаются с уровней фактора, межгрупповая сумма квадратов имеет с – 1 степеней свободы. Каждый из с уровней обладает n j – 1 степенями свободы, поэтому внутригрупповая сумма квадратов имеет n – с степеней свободы, и

Кроме того, общая сумма квадратов имеет n – 1 степеней свободы, поскольку каждое наблюдение Х ij сравнивается с общим средним , вычисленным по всем n наблюдениям. Если каждую из этих сумм разделить на соответствующее количество степеней свободы, возникнут три вида дисперсии: межгрупповая (mean square among - MSA), внутригрупповая (mean square within - MSW) и полная (mean square total - MST):

Несмотря на то что основное предназначение дисперсионного анализа - сравнить математические ожидания с групп, чтобы выявить эффект условий эксперимента, его название обусловлено тем, что главным инструментом является анализ дисперсий разного типа. Если нулевая гипотеза является истинной, и между математическими ожиданиями с групп нет существенных различий, все три дисперсии - MSA, MSW и MST - являются оценками дисперсии σ 2 , присущей анализируемым данным. Таким образом, чтобы проверить нулевую гипотезу Н 0: μ 1 = μ 2 = … = μ с и альтернативную гипотезу Н 1 : не все μ j одинаковы j = 1, 2, …, с ), необходимо вычислить статистику F -критерия, представляющую собой отношение двух дисперсий, MSA и MSW. Тестовая F -статистика в однофакторном дисперсионном анализе

Статистика F -критерия подчиняется F -распределению с с – 1 степенями свободы в числителе MSA и n – с степенями свободы в знаменателе MSW . При заданном уровне значимости α нулевая гипотеза отклоняется, если вычисленная F F U , присущего F -распределению с с – 1 n – с степенями свободы в знаменателе. Таким образом, как показано на рис. 4, решающее правило формулируется следующим образом: нулевая гипотеза Н 0 отклоняется, если F > F U ; в противном случае она не отклоняется.

Рис. 4. Критическая область дисперсионного анализа при проверке гипотезы Н 0

Если нулевая гипотеза Н 0 является истинной, вычисленная F -статистика близка к 1, поскольку ее числитель и знаменатель являются оценками одной и той же величины - дисперсии σ 2 , присущей анализируемым данным. Если нулевая гипотеза Н 0 является ложной (и между математическими ожиданиями разных групп существует значительная разница), вычисленная F -статистика будет намного больше единицы, поскольку ее числитель, MSA, помимо естественной изменчивости данных, оценивает эффект условий эксперимента или разности между группами, в то время как знаменатель MSW оценивает лишь естественную изменчивость данных. Таким образом, процедура ANOVA представляет собой F -критерий, в котором при заданном уровне значимости α нулевая гипотеза отклоняется, если вычисленная F -статистика больше верхнего критического значения F U , присущего F -распределению с с – 1 степенями свободы в числителе и n – с степенями свободы в знаменателе, как показано на рис. 4.

Для иллюстрации однофакторного дисперсионного анализа вернемся к сценарию, изложенному в начале заметки. Цель эксперимента - определить, имеют ли парашюты, сотканные из синтетического волокна, полученного от разных поставщиков, одинаковую прочность. В каждой из групп соткано по пять парашютов. Группы разделены по поставщикам- Поставщик 1, Поставщик 2, Поставщик 3 и Поставщик 4. Прочность парашютов измеряется с помощью специального устройства, испытывающего ткань на разрыв с двух сторон. Сила, необходимая для разрыва парашюта, измеряется по особой шкале. Чем выше сила разрыва, тем прочнее парашют. Excel позволяет провести анализ F -статистики одним кликом. Пройдите по меню Данные → Анализ данных , и выберите строку Однофакторный дисперсионный анализ , заполните открывшееся окно (рис. 5). Результаты эксперимента (сила разрыва), некоторые описательные статистики и результаты однофакторного дисперсионного анализа представлены на рис. 6.

Рис. 5. Окно Однофакторный дисперсионный анализ Пакета анализа Excel

Рис. 6. Показатели прочности парашютов, сотканных из синтетических волокон, полученных от разных поставщиков, описательные статистики и результаты однофакторного дисперсионного анализа

Анализ рисунка 6 показывает, что между выборочными средними наблюдается некоторая разница. Средняя прочность волокон, полученных от первого поставщика, равна 19,52, от второго - 24,26, от третьего - 22,84 и от четвертого - 21,16. Можно ли назвать эту разницу статистически значимой? Распределение силы разрыва продемонстрировано на диаграмме разброса (рис. 7). На ней ясно видны разности как между группами, так и внутри них. Если бы объем каждой группы был больше, для их анализа можно было бы применить диаграмму «ствол и листья», блочную диаграмму или график нормального распределения.

Рис. 7. Диаграмма разброса прочности парашютов, сотканных из синтетических волокон, полученных от четырех поставщиков

Нулевая гипотеза утверждает, что между средними показателями прочности нет существенных различий: Н 0: μ 1 = μ 2 = μ 3 = μ 4 . Альтернативная гипотеза заключается в том, что существует по крайней мере один поставщик, у которого средняя прочность волокон отличается от других: Н 1 : не все μ j одинаковы (j = 1, 2, …, с ).

Общее среднее (см. рис. 6) =СРЗНАЧ(D12:D15) = 21,945; для определения также можно усреднить все 20 исходных чисел: =СРЗНАЧ(A3:D7). Значения дисперсий рассчитываются Пакетом анализа и отражаются в табличке Дисперсионный анализ (см. рис. 6): SSA = 63,286, SSW = 97,504, SST = 160,790 (см. колонку SS таблицы Дисперсионный анализ рисунка 6). Средние значения вычисляются путем деления этих сумм квадратов на соответствующее количество степеней свободы. Поскольку с = 4, а n = 20, получаем следующие значения степеней свободы; для SSA: с – 1 = 3; для SSW: n – c = 16; для SST: n – 1 = 19 (см. колонку df ). Таким образом: MSA = SSA / (с – 1) = 21,095; MSW = SSW / (n – c ) = 6,094; MST = SST / (n – 1 ) = 8,463 (см. колонку MS ). F -статистика = MSA / MSW = 3,462 (см. колонку F ).

Верхнее критическое значение F U , характерное для F -распределения, определяется по формуле =F.ОБР(0,95;3;16) = 3,239. Параметры функции =F.ОБР(): α = 0,05, числитель имеет три степени свободы, а знаменатель - 16. Таким образом, вычисленная F -статистика, равная 3,462, превышает верхнее критическое значение F U = 3,239, нулевая гипотеза отклоняется (рис. 8).

Рис. 8. Критическая область дисперсионного анализа при уровне значимости, равном 0,05, если числитель имеет три степени свободы, а знаменатель -16

р -значение, т.е. вероятность того, что при истинной нулевой гипотезе F -статистика не меньше 3,46, равно 0,041 или 4,1% (см. колонку р-Значение таблицы Дисперсионный анализ рисунка 6). Поскольку эта величина не превышает уровень значимости α = 5%, нулевая гипотеза отклоняется. Более того, р -значение свидетельствует о том, что вероятность обнаружить такую или большую разность между математическими ожиданиями генеральных совокупностей при условии, что на самом деле они одинаковы, равна 4,1%.

Итак. Между четырьмя выборочными средними существует разница. Нулевая гипотеза заключалась в том, что все математические ожидания четырех генеральных совокупностей равны между собой. В этих условиях мера полной изменчивости (т.е. полная вариация SST) прочности всех парашютов вычисляется путем суммирования квадратов разностей между каждым наблюдением X ij и общим средним . Затем полная вариация разделялась на два компонента (см. рис. 1). Первый компонент представлял собой межгрупповую вариацию SSA, а второй - внутригрупповую SSW.

Чем объясняется изменчивость данных? Иначе говоря, почему все наблюдения не одинаковы? Одна из причин заключается в том, что разные фирмы поставляют волокна разной прочности. Это частично объясняет, почему группы имеют разные математические ожидания: чем сильнее эффект условий эксперимента, тем больше разность между математическими ожиданиями групп. Другой причиной изменчивости данных является естественная изменчивость любого процесса, в данном случае - производства парашютов. Даже если бы все волокна приобретались у одного и того же поставщика, их прочность была бы неодинаковой при прочих равных условиях. Поскольку этот эффект проявляется в каждой из групп, он называется внутригрупповой вариацией.

Разности между выборочными средними называются межгрупповой вариацией SSA. Часть внутригрупповой вариации, как уже указывалось, объясняется принадлежностью данных разным группам. Однако даже если бы группы были совершенно одинаковыми (т.е. нулевая гипотеза была бы истинной), межгрупповая вариация все равно существовала. Причина этого заключается в естественной изменчивости процесса производства парашютов. Поскольку выборки разные, их выборочные средние отличаются друг от друга. Следовательно, если нулевая гипотеза является истинной, как межгрупповая, так и внутригрупповая изменчивость представляют собой оценку изменчивости генеральной совокупности. Если нулевая гипотеза является ложной, межгрупповая гипотеза будет больше. Именно этот факт лежит в основе F -критерия для сравнения разностей между математическими ожиданиями нескольких групп.

После выполнения однофакторного дисперсионного анализа и обнаружения значительной разницы между фирмами остается неизвестным, какой же из поставщиков существенно отличается от остальных. Нам известно лишь, что математические ожидания генеральных совокупностей не равны. Иначе говоря, по крайней мере одно из математических ожиданий существенно отличается от других. Чтобы определить, какой из поставщиков отличается от других, можно воспользоваться процедурой Тьюки , использующей попарное сравнение между поставщиками. Эта процедура была разработана Джоном Тьюки. Впоследствии он и К. Крамер независимо друг от друга модифицировали эту процедуру для ситуаций, в которых объемы выборок отличаются друг от друга.

Множественное сравнение: процедура Тьюки-Крамера

В нашем сценарии для сравнения прочности парашютов использовался однофакторный дисперсионный анализ. Обнаружив значительные различия между математическими ожиданиями четырех групп, необходимо определить, какие именно группы отличаются друг от друга. Хотя существует несколько способов решить эту задачу, мы опишем лишь процедуру множественного сравнения Тьюки-Крамера. Этот метод является примером процедур апостериорного сравнения (post hoc comparison), поскольку проверяемая гипотеза формулируется после анализа данных. Процедура Тьюки-Крамера позволяет одновременно сравнить все пары групп. На первом этапе вычисляются разности X j – X j ’ , где j ≠ j ’ , между математическими ожиданиями с(с – 1)/2 групп. Критический размах процедуры Тьюки-Крамера вычисляется по формуле:

где Q U - верхнее критическое значение распределения стьюдентизированного размаха, имеющего с степеней свободы в числителе и n – с степеней свободы в знаменателе.

Если объемы выборок не одинаковы, критический размах вычисляется для каждой пары математических ожиданий отдельно. На последнем этапе каждая из с(с – 1)/2 пар математических ожиданий сравнивается с соответствующим критическим размахом. Элементы пары считаются значимо различными, если модуль разности |X j – X j ’ | между ними превышает критический размах.

Применим процедуру Тьюки-Крамера к задаче о прочности парашютов. Поскольку компания, производящая парашюты, имеет четыре поставщика, следует проверить 4(4 – 1)/2 = 6 пар поставщиков (рис. 9).

Рис. 9. Попарные сравнения выборочных средних

Поскольку все группы имеют одинаковый объем (т.е. все n j = n j ’ ), достаточно вычислить только один критический размах. Для этого по таблице Дисперсионного анализа (рис. 6) определим величину MSW = 6,094. Затем найдем величину Q U при α = 0,05, с = 4 (число степеней свободы в числителе) и n – с = 20 – 4 = 16 (число степеней свободы в знаменателе). К сожалению, я не нашел соответствующей функции в Excel, так что воспользовался таблицей (рис. 10).

Рис. 10. Критическое значение стьюдентизированного размаха Q U

Получаем:

Поскольку лишь 4,74 > 4,47 (см. нижнюю таблицу рис. 9), статистически значимая разница существует между первым и вторым поставщиком. Все остальные пары имеют выборочные средние, которые не позволяют говорить о их различии. Следовательно, средняя прочность парашютов, сотканных из волокон, приобретенных у первого поставщика, значимо меньше, чем у второго.

Необходимые условия однофакторного дисперсионного анализа

При решении задачи о прочности парашютов мы не проверяли, выполняются ли условия, при которых можно использовать однофакторный F -критерий. Как же узнать, можно ли применять однофакторный F -критерий при анализе конкретных экспериментальных данных? Однофакторный F -критерий можно применять, только если выполняются три основных предположения: экспериментальные данные должны быть случайными и независимыми, иметь нормальное распределение, а их дисперсии должны быть одинаковыми.

Первое предположение - случайность и независимость данных - должно выполняться всегда, поскольку корректность любого эксперимента зависит от случайности выбора и/или процесса рандомизации. Чтобы избежать искажения результатов, необходимо, чтобы данные извлекались из с генеральных совокупностей случайно и независимо друг от друга. Аналогично данные должны быть случайным образом распределенными по с уровням интересующего нас фактора (экспериментальным группам). Нарушение этих условий может серьезно исказить результаты дисперсионного анализа.

Второе предположение - нормальность - означает, что данные извлечены из нормально распределенных генеральных совокупностей. Как и для t -критерия, однофакторный дисперсионный анализ на основе F -критерия относительно мало чувствителен к нарушению этого условия. Если распределение не слишком значительно отличается от нормального, уровень значимости F -критерия изменяется мало, особенно если объем выборок достаточно велик. Если же условие о нормальности распределения нарушается серьезно, следует применять .

Третье предположение - однородность дисперсии - означает, что дисперсии каждой генеральной совокупности равны между собой (т.е. σ 1 2 = σ 2 2 = … = σ j 2). Это предположение позволяет решить, разделять или объединять внутригрупповые дисперсии. Если объемы групп совпадают, условие однородности дисперсии слабо влияет на выводы, полученные с помощью F -критерия. Однако, если объемы выборок неодинаковы, нарушение условия о равенстве дисперсий может серьезно исказить результаты дисперсионного анализа. Таким образом, следует стремиться к тому, чтобы объемы выборок были одинаковыми. Одним из методов проверки предположения об однородности дисперсии является критерий Левенэ , описанный ниже.

Если из всех трех условий нарушается лишь условие об однородности дисперсии, можно применять процедуру, аналогичную t -критерию, использующему раздельную дисперсию (подробнее см. ). Однако, если предположения о нормальном распределении и однородности дисперсии нарушаются одновременно, необходимо выполнить нормализацию данных и уменьшить разности между дисперсиями или применить непараметрическую процедуру.

Критерий Левенэ для проверки однородности дисперсии

Несмотря на то что F -критерий относительно устойчив к нарушениям условия о равенстве дисперсий в группах, грубое нарушение этого предположения существенно влияет на уровень значимости и мощность критерия. Возможно, одним из наиболее мощных является критерий Левенэ . Для проверки равенства дисперсий с генеральных совокупностей проверим следующие гипотезы:

Н 0: σ 1 2 = σ 2 2 = … = σ j 2

Н 1 : не все σ j 2 одинаковы (j = 1, 2, …, с )

Модифицированный критерий Левенэ основан на утверждении, что если изменчивость в группах одинакова, для проверки нулевой гипотезы о равенстве дисперсий можно применить анализ дисперсии абсолютных величин разностей между наблюдениями и медианами групп. Итак, сначала следует вычислить абсолютные величины разностей между наблюдениями и медианами в каждой группе, а затем выполнить однофакторный дисперсионный анализ полученных абсолютных величин разностей. Для иллюстрации критерия Левенэ вернемся к сценарию, изложенному в начале заметки. Используя данные, представленные на рис. 6, проведем аналогичный анализ, но в отношении модулей разниц исходных данных и медиан по каждой выборке отдельно (рис. 11).

В практической деятельности врачей при проведении медико-биологических, социологических и экспериментальных исследований возникает необходимость установить влияние факторов на результаты изучения состояния здоровья населения, при оценке профессиональной деятельности, эффективности нововведений.

Существует ряд статистических методов, позволяющих определить силу, направление, закономерности влияния факторов на результат в генеральной или выборочной совокупностях (расчет критерия I, корреляционный анализ, регрессия, Χ 2 - (критерий согласия Пирсона и др.). Дисперсионный анализ был разработан и предложен английским ученым, математиком и генетиком Рональдом Фишером в 20-х годах XX века.

Дисперсионный анализ чаще используют в научно-практических исследованиях общественного здоровья и здравоохранения для изучения влияния одного или нескольких факторов на результативный признак. Он основан на принципе "отражения разнообразий значений факторного(ых) на разнообразии значений результативного признака" и устанавливает силу влияния фактора(ов) в выборочных совокупностях.

Сущность метода дисперсионного анализа заключается в измерении отдельных дисперсий (общая, факториальная, остаточная), и дальнейшем определении силы (доли) влияния изучаемых факторов (оценки роли каждого из факторов, либо их совместного влияния) на результативный(е) признак(и).

Дисперсионный анализ - это статистический метод оценки связи между факторными и результативным признаками в различных группах, отобранный случайным образом, основанный на определении различий (разнообразия) значений признаков. В основе дисперсионного анализа лежит анализ отклонений всех единиц исследуемой совокупности от среднего арифметического. В качестве меры отклонений берется дисперсия (В)- средний квадрат отклонений. Отклонения, вызываемые воздействием факторного признака (фактора) сравниваются с величиной отклонений, вызываемых случайными обстоятельствами. Если отклонения, вызываемые факторным признаком, более существенны, чем случайные отклонения, то считается, что фактор оказывает существенное влияние на результативный признак.

Для того, чтобы вычислить дисперсию значения отклонений каждой варианты (каждого зарегистрированного числового значения признака) от среднего арифметического возводят в квадрат. Тем самым избавляются от отрицательных знаков. Затем эти отклонения (разности) суммируют и делят на число наблюдений, т.е. усредняют отклонения. Таким образом, получают значения дисперсий.

Важным методическим значением для применения дисперсионного анализа является правильное формирование выборки. В зависимости от поставленной цели и задач выборочные группы могут формироваться случайным образом независимо друг от друга (контрольная и экспериментальная группы для изучения некоторого показателя, например, влияние высокого артериального давления на развитие инсульта). Такие выборки называются независимыми.

Нередко результаты воздействия факторов исследуются у одной и той же выборочной группы (например, у одних и тех же пациентов) до и после воздействия (лечение, профилактика, реабилитационные мероприятия), такие выборки называются зависимыми.

Дисперсионный анализ, в котором проверяется влияние одного фактора, называется однофакторным (одномерный анализ). При изучении влияния более чем одного фактора используют многофакторный дисперсионный анализ (многомерный анализ).

Факторные признаки - это те признаки, которые влияют на изучаемое явление.
Результативные признаки - это те признаки, которые изменяются под влиянием факторных признаков.

Для проведения дисперсионного анализа могут использоваться как качественные (пол, профессия), так и количественные признаки (число инъекций, больных в палате, число койко-дней).

Методы дисперсионного анализа:

1. Метод по Фишеру (Fisher) - критерий F (значения F см. в приложении N 1);
   Метод применяется в однофакторном дисперсионном анализе, когда совокупная дисперсия всех наблюдаемых значений раскладывается на дисперсию внутри отдельных групп и дисперсию между группами.
2. Метод "общей линейной модели".
   В его основе лежит корреляционный или регрессионный анализ, применяемый в многофакторном анализе.

Обычно в медико-биологических исследованиях используются только однофакторные, максимум двухфакторные дисперсионные комплексы. Многофакторные комплексы можно исследовать, последовательно анализируя одно- или двухфакторные комплексы, выделяемые из всей наблюдаемой совокупности.

Условия применения дисперсионного анализа:

1. Задачей исследования является определение силы влияния одного (до 3) факторов на результат или определение силы совместного влияния различных факторов (пол и возраст, физическая активность и питание и т.д.).
2. Изучаемые факторы должны быть независимые (несвязанные) между собой. Например, нельзя изучать совместное влияние стажа работы и возраста, роста и веса детей и т.д. на заболеваемость населения.
3. Подбор групп для исследования проводится рандомизированно (случайный отбор). Организация дисперсионного комплекса с выполнением принципа случайности отбора вариантов называется рандомизацией (перев. с англ. - random), т.е. выбранные наугад.
4. Можно применять как количественные, так и качественные (атрибутивные) признаки.

При проведении однофакторного дисперсионного анализа рекомендуется (необходимое условие применения):

1. Нормальность распределения анализируемых групп или соответствие выборочных групп генеральным совокупностям с нормальным распределением.
2. Независимость (не связанность) распределения наблюдений в группах.
3. Наличие частоты (повторность) наблюдений.

Нормальность распределения определяется кривой Гаусса (Де Мавура), которую можно описать функцией у = f(х), так как она относится к числу законов распределения, используемых для приближенного описания явлений, которые носят случайный, вероятностный характер. Предмет медико-биологических исследований - явления вероятностного характера, нормальное распределение в таких исследованиях встречается весьма часто.

Принцип применения метода дисперсионного анализа

Сначала формулируется нулевая гипотеза, то есть предполагается, что исследуемые факторы не оказывают никакого влияния на значения результативного признака и полученные различия случайны.

Затем определяем, какова вероятность получить наблюдаемые (или более сильные) различия при условии справедливости нулевой гипотезы.

Если эта вероятность мала*, то мы отвергаем нулевую гипотезу и заключаем, что результаты исследования статистически значимы. Это еще не означает, что доказано действие именно изучаемых факторов (это вопрос, прежде всего, планирования исследования), но все же маловероятно, что результат обусловлен случайностью.
__________________________________
* Максимальную приемлемую вероятность отвергнуть верную нулевую гипотезу называют уровнем значимости и обозначают α = 0,05.

При выполнении всех условий применения дисперсионного анализа, разложение общей дисперсии математически выглядит следующим образом:

D oбщ. = D факт + D ост. ,

D oбщ. - общая дисперсия наблюдаемых значений (вариант), характеризуется разбросом вариант от общего среднего. Измеряет вариацию признака во всей совокупности под влиянием всех факторов, обусловивших эту вариацию. Общее разнообразие складывается из межгруппового и внутригруппового;

D факт - факторная (межгрупповая) дисперсия, характеризуется различием средних в каждой группе и зависит от влияния исследуемого фактора, по которому дифференцируется каждая группа. Например, в группах различных по этиологическому фактору клинического течения пневмонии средний уровень проведенного койко-дня неодинаков - наблюдается межгрупповое разнообразие.

D ост. - остаточная (внутригрупповая) дисперсия, которая характеризует рассеяние вариант внутри групп. Отражает случайную вариацию, т.е. часть вариации, происходящую под влиянием неуточненных факторов и не зависящую от признака - фактора, положенного в основание группировки. Вариация изучаемого признака зависит от силы влияния каких-то неучтенных случайных факторов, как от организованных (заданных исследователем), так и от случайных (неизвестных) факторов.

Поэтому общая вариация (дисперсия) слагается из вариации, вызванной организованными (заданными) факторами, называемыми факториальной вариацией и неорганизованными факторами, т.е. остаточной вариацией (случайной, неизвестной).

Классический дисперсионный анализ проводится по следующим этапам:

1. Построение дисперсионного комплекса.
2. Вычисление средних квадратов отклонений.
3. Вычисление дисперсии.
4. Сравнение факторной и остаточной дисперсий.
5. Оценка результатов с помощью теоретических значений распределения Фишера-Снедекора (приложение N 1).

АЛГОРИТМ ПРОВЕДЕНИЯ ДИСПЕРСИОННОГО АНАЛИЗА ПО УПРОЩЕННОМУ ВАРИАНТУ

Алгоритм проведения дисперсионного анализа по упрощенному способу позволяет получить те же результаты, но расчеты выполняются значительно проще:

I этап. Построение дисперсионного комплекса

Построение дисперсионного комплекса означает построение таблицы, в которой были бы четко разграничены факторы, результативный признак и подбор наблюдений (больных) в каждую группу.

Однофакторный комплекс состоит из нескольких градаций одного фактора (А). Градации - это выборки из разных генеральных совокупностей (А1, А2, АЗ).

Двухфакторный комплекс - состоит из нескольких градаций двух факторов в комбинации между собой. Этиологические факторы заболеваемостью пневмонией те же (А1, А2, АЗ) в сочетании с разными формами клинического течения пневмонии (Н1 - острое, Н2 - хроническое).

II этап. Вычисление общей средней (М обш)

Вычисление суммы вариант по каждой градации факторов: Σ Vj = V 1 + V 2 + V 3

Вычисление общей суммы вариант (Σ V общ) по всем градациям факторного признака: Σ V общ = Σ Vj 1 + Σ Vj 2 + Σ Vj 3

Вычисление средней групповой (М гр.) факторного признака: М гр. = Σ Vj / N,
где N - сумма числа наблюдений по всем градациям факторного I признака (Σn по группам).

III этап. Расчет дисперсий:

При соблюдении всех условий применения дисперсионного анализа математическая формула выглядит следующим образом:

D oбщ. = D факт + D ост.

D oбщ. - общая дисперсия, характеризуется разбросом вариант (наблюдаемых значений) от общего среднего;
D факт. - факторная (межгрупповая) дисперсия, характеризует разброс групповых средних от общего среднего;
D ост. - остаточная (внутригрупповая) дисперсия, характеризует рассеяние вариант внутри групп.

1. Вычисление факториальной дисперсии (D факт.): D факт. = Σ h - H
2. Вычисление h проводится по формуле: h = (Σ Vj) / N
3. Вычисление Н проводится по формуле: H = (Σ V) 2 / N
4. Вычисление остаточной дисперсии: D ост. = (Σ V) 2 - Σ h
5. Вычисление общей дисперсии: D oбщ. = (Σ V) 2 - Σ H

IV этап. Расчет основного показателя силы влияния изучаемого фактора Показатель силы влияния (η 2) факторного признака на результат определяется долей факториальной дисперсии (D факт.) в общей дисперсии (D oбщ.), η 2 (эта) - показывает какую долю занимает влияние изучаемого фактора среди всех других факторов и определяется по формуле:

V этап. Определение достоверности результатов исследования методом Фишера проводят по формуле:

Сравнение критерия Фишера (F) со стандартным (табличным) F проводят по графам таблицы с учетом степеней свободы:

v 1 = n - 1
v 2 = N - 1

По горизонтали определяют v 1 по вертикали - v 2 , на их пересечении определяют табличное значение F, где верхнее табличное значение р ≥ 0,05, а нижнее соответствует р > 0,01, и сравнивают с вычисленным критерием F. Если значение вычисленного критерия F равно или больше табличного, то результаты достоверны и Н 0 не отвергается.

Условие задачи:

На предприятии Н. повысился уровень травматизма в связи с чем врач провел исследование отдельных факторов, среди которых изучался стаж работы работающих в цехах. Выборки сделаны на предприятии Н. из 4 цехов с близкими условиями и характером труда. Уровни травматизма рассчитаны на 100 работающих за прошлый год.

При исследовании фактора рабочего стажа получены следующие данные:

На основании данных проведённого исследования была выдвинута нулевая гипотеза (Н 0) о влиянии стажа работы на уровень травматизма работников предприятия А.

Задание
Подтвердите или опровергните нулевую гипотезу методом одно-факторного дисперсионного анализа:

1. определите силу влияния;
2. оцените достоверность влияния фактор.

Этапы применения дисперсионного анализа
для определения влияния фактора (стажа работы) на результат (уровень травматизма)

Вывод. В выборочном комплексе выявлено, что сила влияния стажа работы на уровень травматизма составляет 80% в общем числе других факторов. Для всех цехов завода можно с вероятностью 99,7% (13,3 > 8,7) утверждать, что стаж работы влияет на уровень травматизма.

Таким образом, нулевая гипотеза (Н 0) не отвергается и влияние стажа работы на уровень травматизма в цехах завода А считается доказанным.

Значение F (критерий Фишера) стандартного при р ≥ 0,05 (верхнее значение) при р ≥ 0,01 (нижнее значение)

1. Власов В.В. Эпидемиология. - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. 464 с.
2. Архипова ГЛ., Лаврова И.Г., Трошина И.М. Некоторые современные методы статистического анализа в медицине. - М.: Метроснаб, 1971. - 75 с.
3. Зайцев В.М., Лифляндский В.Г., Маринкин В.И. Прикладная медицинская статистика. - СПб.: ООО "Издательство ФОЛИАНТ", 2003. - 432 с.
4. Платонов А.Е. Статистический анализ в медицине и биологии: задачи, терминология, логика, компьютерные методы. - М.: Издательство РАМН, 2000. - 52 с.
5. Плохинский Н.А. Биометрия. - Издательство Сибирского отделения АН СССР Новосибирск. - 1961. - 364 с.

Дисперсионный анализ – статистический метод, предназначенный для оценки влияния различных факторов на результат эксперимента, а также для последующего планирования аналогичных экспериментов.

Первоначально (1918г.) дисперсионный анализ был разработан английским математиком – статистиком Р.А. Фишером для обработки результатов агрономических опытов по выявлению условий получения максимального урожая различных сортов сельскохозяйственных культур.

При постановке опыта необходимо соблюдение условий:

Каждый вариант опыта необходимо проводить на нескольких единицах наблюдения (групп животных, участков поля и т.п.)

Распределение единиц наблюдения между вариантами опыта должно быть случайным, а не преднамеренным.

В дисперсионном анализе используется F -критерий (критерий Р.А. Фишера), представляющий отношение двух дисперсий:

где d факт, d ост – факторная (межгрупповая) и остаточная (внутригрупповая) дисперсии на одну степень свободы соответственно.

Факторная и остаточная дисперсии являются оценками дисперсии совокупности, рассчитываются по выборочным данным с учетом числа степеней свободы вариации.

Факторная (межгрупповая) дисперсия объясняет вариацию результативного признака под влиянием изучаемого фактора.

Остаточная (внутригрупповая) дисперсия объясняет вариацию результативного признака, обусловленную влиянием прочих факторов (за исключением влияния изучаемого фактора).

В сумме факторная и остаточная дисперсии дают общую дисперсию, выражающую влияние всех факторных признаков на результативный.

Порядок проведения дисперсионного анализа:

1. Опытные данные заносятся в расчетную таблицу и определяются суммы и средние значения в каждой группе изучаемой совокупности, а также общая сумма и среднее значение по всей совокупности (табл.1).

Таблица 1

Общее количество наблюдений n рассчитывается как сумма числа наблюдений f j в каждой группе:

Если во всех группах число элементов одинаковое, то общая средняя находится из групповых средних как простая средняя арифметическая:

Если же число элементов в группах разное, то общая средняя рассчитывается по формуле средней арифметической взвешенной:

2. Определяется общая дисперсия D общ как сумма квадратов отклонений индивидуальных значений результативного признака от общей средней :

3. Рассчитывается факторная (межгрупповая) дисперсия D факт как сумма квадратов отклонений групповых средних от общей средней , умноженных на число наблюдений:

4. Определяется величина остаточной (внутригрупповой) дисперсии D ост как разность между общей D общ и факторной D факт дисперсиями:

5. Рассчитываются число степеней свободы факторной
дисперсии как разница между числом группm и единицей:

6. Определяется число степеней свободы для остаточной дисперсии
как разница между количеством индивидуальных значений признакаn и числом групп m :

7. Рассчитывается величина факторной дисперсии на одну степень свободы d факт как отношение факторной дисперсии D факт к числу степеней свободы факторной дисперсии
:

8. Определяется величина остаточной дисперсии на одну степень свободыd ост как отношение остаточной дисперсии D ост к числу степеней свободы остаточной дисперсии
:

9. Определяется расчетное значение F-критерия F -расч как отношение факторной дисперсии на одну степень свободыd факт к остаточной дисперсии на одну степень свободы d ост :

10. По таблице F-критерия Фишера с учетом принятого в исследовании уровня значимости, а также с учетом степеней свободы для факторной и остаточной дисперсий находят теоретическое значение F табл .

5%-ному уровню значимости соответствует 95%-ный уровень вероятности, 1%-ному – 99%-ный уровень вероятности. В большинстве случаев используют 5%-ный уровень значимости.

Теоретическое значение F табл при заданном уровне значимости определяют по таблицам на пересечении строки и столбца, соответствующим двум степеням свободы дисперсий:

по строке – остаточной;

по столбцу – факторной.

11. Результаты расчетов оформляются в таблицу (табл.2).

Тема 2.3. Дисперсионный анализ

План.

1. Сущность и схема дисперсионного анализа
2. Оценка значимости разности между средними по НСР
3. Область применения дисперсионного анализа

1. Сущность и схема дисперсионного анализа

Откуда произошло название Дисперсионный анализ ? Может показаться странным, что процедура сравнения средних называется дисперсионным анализом. В действительности, это связано с тем, что при исследовании статистической значимости различия между средними двух (или нескольких) групп, мы на самом деле сравниваем (т.е. анализируем) выборочные дисперсии.

Фундаментальная концепция дисперсионного анализа предложена Фишером в 1920 году. Возможно, более естественным был бы термин анализ суммы квадратов или анализ вариации, но в силу традиции употребляется термин дисперсионный анализ.

Итак, дисперсионный анализ основан на работах знаменитого математика Р.А.Фишера. Несмотря на достаточно солидный «возраст», данный метод до сих пор остается одним из основных при проведении биологических и сельскохозяйственных исследований. Идеи, положенные в основу дисперсионного анализа, широко используются во многих других методах математического анализа экспериментальных данных, а также при планировании биологических и сельскохозяйственных экспериментов.

Дисперсионный анализ позволяет:

1) сравнивать две или несколько выборочных средних;

2) одновременно изучать действие нескольких независимых факторов, при этом можно определить как эффект каждого фактора в изменчивости изучаемого признака, так и их взаимодействие;

3) правильно планировать научный эксперимент.

Изменчивость живых организмов проявляется в виде разброса или рассеяния значений отдельных признаков в пределах, которые определяются степенью биологической выравненности материала и характером взаимосвязей с условиями среды. Признаки, изменяющиеся под воздействием тех или иных причин, называют результативными .

Факторы это любые воздействия или состояния, разнообразие которых может так или иначе отражаться на разнообразии результативного признака. Под статистическим влиянием факторов в дисперсионном анализе понимается отражение в разнообразии результативного признака того разнообразия изучаемых факторов, которое организовано в исследовании.

Под разнообразием будем понимать наличие неодинаковых значений каждого признака у разных особей, объединенных в группу. Разнообразие группы особей по изучаемому признаку может иметь разную степень, которая обычно измеряется показателями разнообразия (или изменчивости): лимитами, средним квадратическим отклонением, коэффициентом вариации. В дисперсионном анализе степень разнообразия индивидуальных и средних значений признака измеряется и сравнивается особыми способами, составляющими специфику этого общего метода.

Организация факторов заключается в том, что каждому изучаемому фактору придается несколько значений. В соответствии с этими значениями каждый фактор разбивается на несколько градаций; для каждой градации подбирается по принципу случайной выборки несколько особей, у которых впоследствии и измеряется величина результативного признака.

Для того, чтобы выяснить степень и достоверность влияния изучаемых факторов, надо измерить и оценить ту часть общего разнообразия, которая вызывается этими факторами.

Факторы, влияющие на степень варьирования результативного признака, делятся на:

1)регулируемые

2) случайные

Регулируемые (систематические) факторы вызываются действием изучаемого в эксперименте фактора, который имеет в опыте несколько градаций. Градация фактора - это степень его воздействия на результативный признак. В соответствии с градациями признака выделяется несколько вариантов опыта для сравнения. Поскольку эти факторы предварительно обусловлены, их называют регулируемыми в исследованиях, т.е. заданными, зависящими от организации опыта. Следовательно, регулируемые факторы – факторы, действие которых изучается в опыте, именно они и обусловливают различия между средними выборочными разных вариантов - межгрупповую (факториальную) дисперсию.

Случайные факторы определяются естественным варьированием всех признаков биологических объектов в природе. Это неконтролируемые в опыте факторы. Они оказывают случайное влияние на результативный признак, обусловливают экспериментальные ошибки и определяют внутри каждого варианта разброс (рассеяние) признака. Этот разброс носит название внутригрупповой (случайной) дисперсии .

Таким образом, относительная роль отдельных факторов в общей изменчивости результативного признака характеризуется дисперсией и может быть изучена с помощью дисперсионного анализа или анализа рассеяния

Дисперсионный анализ основан на сравнении межгрупповой и внутригрупповой дисперсий . Если межгрупповая дисперсия не превышает внутригрупповую, значит, различия между группами имеют случайный характер. Если межгрупповая дисперсия существенно выше, чем внутригрупповая, то между изучаемыми группами (вариантами) существуют статистически значимые различия, обусловленные действием изучаемого в опыте фактора.

Из этого следует, что при статистическом изучении результативного признака при помощи дисперсионного анализа следует определить его варьирование по вариантам, повторениям, остаточное варьирование внутри этих групп и общее варьирование результативного признака в опыте. В соответствии с этим различают три вида дисперсий:

1) Общую дисперсию результативного признака (S y 2);

2) Межгрупповую, или частную, между выборками (S y 2);

3) Внутригрупповую, остаточную (S z 2).

Следовательно, дисперсионный анализ – это расчленение общей суммы квадратов отклонений и общего числа степеней свободы на части или компоненты, соответствующие структуре эксперимента, и оценка значимости действия и взаимодействия изучаемых факторов по F-критерию. В зависимости от числа одновременно исследуемых факторов различают двух-, трех-, четырехфакторный дисперсионный анализ.

При обработке полевых однофакторных статистических комплексов, состоящих из нескольких независимых вариантов, общая изменчивость результативного признака, измеряемая общей суммой квадратов (С y), расчленяется на три компонента: варьирование между вариантами (выборками) - С V , варьирование повторений (варианты связаны между собой общим контролируемым условием – наличием организованных повторений) - С p и варьирование внутри вариантов С z .. В общей форме изменчивость признака представлена следующим выражением:

С y = С V +С p + С z .

Общее число степеней свободы (N -1) также расчленяется на три части:

степени свободы для вариантов (l – 1);

степени свободы для повторений (n – 1);

случайного варьирования (n – 1) × (l – 1).

Суммы квадратов отклонений, по данным полевого опыта – статистического комплекса с вариантами – l и повторениями – n, находят следующим образом. Сначала с помощью исходной таблицы определяют суммы по повторениям - Σ P , вариантам - Σ V и общую сумму всех наблюдений - Σ X.

Затем вычисляют следующие показатели:

Общее число наблюдений N = l × n;

Корректирующий фактор (поправку) С кор = (Σ X 1) 2 / N;

Общую сумму квадратов Cy = Σ X 1 2 – C кор;

Сумму квадратов для повторений C p = Σ P 2 / (l –C кор);

Сумму квадратов для вариантов C V = Σ V 2 / (n – 1);

Сумму квадратов для ошибки (остаток) C Z = C y - C p - C V .

Полученные суммы квадратов C V и C Z делят на соответствующие им степени свободы и получают два средних квадрата (дисперсии):

Вариантов S v 2 = C V / l – 1;

Ошибки S Z 2 = C Z / (n – 1)×(l – 1).

Оценка существенности разностей между средними

Полученные средние квадраты используют в дисперсионном анализе для оценки значимости действия изучаемых факторов путем сравнения дисперсии вариантов (S v 2) с дисперсией ошибки (S Z 2) по критерию Фишера (F = S Y 2 / S Z 2). За единицу сравнения принимают средний квадрат случайной дисперсии, который определяет случайную ошибку эксперимента.

Применение критерия Фишера позволяет установить наличие или отсутствие существенных различий между выборочными средними, но не указывает конкретных различий между средними.

Проверяемой H o - гипотезой является предположение - все выборочные средние являются оценками одной генеральной средней и различия между ними несущественны. Если F факт = S Y 2 / S Z 2 ≤ F теор , то нулевая гипотеза не отвергается. Между выборочными средними нет существенных различий, и на этом проверка заканчивается. Нулевая гипотеза отвергается при F факт = S Y 2 / S Z 2 ≥ F теор Значение F- критерия для принятого в исследовании уровня значимости находят в соответствующей таблице с учетом степеней свободы для дисперсии вариантов и случайной дисперсии. Обычно пользуются 5% -ным уровнем значимости, а при более строгом подходе 1% - ным и даже 0,1% -ным.

Для выборки объема n выборочная дисперсия вычисляется как сумма квадратов отклонений от выборочного среднего, деленная на n-1 (объем выборки минус единица). Таким образом, при фиксированном объеме выборки n дисперсия есть функция суммы квадратов (отклонений), обозначаемая, для краткости, SS (от английского Sum of Squares - Сумма квадратов). Далее слово выборочная мы часто опускаем, прекрасно понимая, что рассматривается выборочная дисперсия или оценка дисперсии. В основе дисперсионного анализа лежит разделение дисперсии на части или компоненты. Рассмотрим следующий набор данных:

Средние двух групп существенно различны (2 и 6 соответственно). Сумма квадратов отклонений внутри каждой группы равна 2 . Складывая их, получаем 4. Если теперь повторить эти вычисления без учета групповой принадлежности, то есть, если вычислить SS исходя из общего среднего этих двух выборок, то получим величину 28 . Иными словами, дисперсия (сумма квадратов), основанная на внутригрупповой изменчивости, приводит к гораздо меньшим значениям, чем при вычислении на основе общей изменчивости (относительно общего среднего). Причина этого, очевидно, заключается в существенной разнице между средними значениями, и это различие между средними и объясняет существующее различие между суммами квадратов. В самом деле, если использовать для анализа этих данных модуль Дисперсионный анализ , то будет получена следующая таблица, называемая таблицей дисперсионного анализа:

Как видно из таблицы, общая сумма квадратов SS = 28 разбита на компоненты: сумму квадратов, обусловленную внутригрупповой изменчивостью (2+2=4 ; см. вторую строку таблицы) и сумму квадратов, обусловленную различием средних значений между группами (28-(2+2)=24; см первую строку таблицы). Заметим, что MS в этой таблице есть средний квадрат, равный SS, деленная на число степеней свободы (ст.св).

SS ошибок и SS эффекта. Внутригрупповая изменчивость (SS ) обычно называется остаточной компонентой или дисперсией ошибки. Это означает, что обычно при проведении эксперимента она не может быть предсказана или объяснена. С другой стороны, SS эффекта (или компоненту дисперсии между группами) можно объяснить различием между средними значениями в группах. Иными словами, принадлежность к некоторой группе объясняет межгрупповую изменчивость, т.к. нам известно, что эти группы обладают разными средними значениями.

Основная логика дисперсионного анализа. Подводя итоги, можно сказать, что целью дисперсионного анализа является проверка статистической значимости различия между средними (для групп или переменных). Эта проверка проводится с помощью разбиения суммы квадратов на компоненты, т.е. с помощью разбиения общей дисперсии (вариации) на части, одна из которых обусловлена случайной ошибкой (то есть внутригрупповой изменчивостью), а вторая связана с различием средних значений. Последняя компонента дисперсии затем используется для анализа статистической значимости различия между средними значениями. Если это различие значимо , нулевая гипотеза отвергается и принимается альтернативная гипотеза о существовании различия между средними.

Зависимые и независимые переменные. Переменные, значения которых определяется с помощью измерений в ходе эксперимента (например, балл, набранный при тестировании), называются зависимыми переменными. Переменные, которыми можно управлять при проведении эксперимента (например, методы обучения или другие критерии, позволяющие разделить наблюдения на группы или классифицировать) называются факторами или независимыми переменными.

Многофакторный дисперсионный анализ

В рассмотренном выше простом примере вы могли бы сразу вычислить t- критерий для независимых выборок, используя соответствующую опцию модуля Основные статистики и таблицы. Полученные результаты, естественно, совпадут с результатами дисперсионного анализа. Однако дисперсионный анализ содержит гораздо более гибкие и мощные технические средства, позволяющие исследовать планы практически неограниченной сложности.

Множество факторов. Мир по своей природе сложен и многомерен. Ситуации, когда некоторое явление полностью описывается одной переменной, чрезвычайно редки. Например, если мы пытаемся научиться выращивать большие помидоры, следует рассматривать факторы, связанные с генетической структурой растений, типом почвы, освещенностью, температурой и т.д. Таким образом, при проведении типичного эксперимента приходится иметь дело с большим количеством факторов. Основная причина, по которой использование дисперсионного анализа предпочтительнее повторного сравнения двух выборок при разных уровнях факторов с помощью серий t- критерия, заключается в том, что дисперсионный анализ существенно более эффективен и, для малых выборок, более информативен. Вам нужно сделать определенные усилия, чтобы овладеть техникой дисперсионного анализа, реализованной на STATISTICA, и ощутить все ее преимущества в конкретных исследованиях.

Управление факторами. Предположим, что в рассмотренном выше примере анализа двух выборок мы добавим еще один фактор, например, Пол - Gender . Пусть каждая группа теперь состоит из 3 мужчин и 3 женщин. План этого эксперимента можно представить в виде таблицы 2 на 2:

До проведения вычислений можно заметить, что в этом примере общая дисперсия имеет, по крайней мере, три источника: (1) случайная ошибка (внутригрупповая дисперсия), (2) изменчивость, связанная с принадлежностью к экспериментальной группе, и (3) изменчивость, обусловленная полом объектов наблюдения. (Отметим, что существует еще один возможный источник изменчивости - взаимодействие факторов , который мы обсудим позднее). Что произойдет, если мы не будем включать пол как фактор при проведении анализа и вычислим обычный t -критерий? Если мы будем вычислять суммы квадратов, игнорируя пол (т.е. объединяя объекты разного пола в одну группу при вычислении внутригрупповой дисперсии и получив при этом сумму квадратов для каждой группы равную SS =10 и общую сумму квадратов SS = 10+10 = 20), то получим большее значение внутригрупповая дисперсии, чем при более точном анализе с дополнительным разбиением на подгруппы по полу (при этом внутригрупповые средние будут равны 2, а общая внутригрупповая сумма квадратов равна SS = 2+2+2+2 = 8).

Итак, при введении дополнительного фактора: пол , остаточная дисперсия уменьшилась. Это связано с тем, что среднее значение для мужчин меньше, чем среднее значение для женщин , и это различие в средних значениях увеличивает суммарную внутригрупповую изменчивость, если фактор пола не учитывается. Управление дисперсией ошибки увеличивает чувствительность (мощность) критерия. На этом примере видно еще одно преимущество дисперсионного анализа по сравнению с обычным t -критерием для двух выборок. Дисперсионный анализ позволяет изучать каждый фактор, управляя значениями других факторов. Это, в действительности, и является основной причиной его большей статистической мощности (для получения значимых результатов требуются меньшие объемы выборок). По этой причине дисперсионный анализ даже на небольших выборках дает статистически более значимые результаты, чем простой t- критерий.

Эффекты взаимодействия

Существует еще одно преимущество дисперсионного анализа перед обычным t -критерием: дисперсионный анализ позволяет обнаружить эффекты взаимодействия между факторами и, поэтому, позволяет проверять более сложные гипотезы. Рассмотрим еще один пример, иллюстрирующий только что сказанное.

Главные эффекты, попарные (двухфакторные) взаимодействия. Предположим, что имеется две группы студентов, причем психологически студенты первой группы настроены на выполнение поставленных задач и более целеустремленны, чем студенты второй группы, состоящей из более ленивых студентов. Разобьем каждую группу случайным образом пополам и предложим одной половине в каждой группе сложное задание, а другой - легкое. После этого измерим, насколько напряженно студенты работают над этими заданиями. Средние значения для этого (вымышленного) исследования показаны в таблице:

Какой вывод можно сделать из этих результатов? Можно ли заключить, что: (1) над сложным заданием студенты трудятся более напряженно; (2) честолюбивые студенты работают упорнее, чем ленивые? Ни одно из этих утверждений не отражает сущность систематического характера средних, приведенных в таблице. Анализируя результаты, правильнее было бы сказать, что над сложными заданиями работают упорнее только честолюбивые студенты, в то время как над легкими заданиями только ленивые работают упорнее. Другими словами характер студентов и сложность задания взаимодействуя между собой влияют на затрачиваемое усилие. Это является примером попарного взаимодействия между характером студентов и сложностью задания. Заметим, что утверждения 1 и 2 описывают главные эффекты .

Взаимодействия высших порядков. В то время как объяснить попарные взаимодействия еще сравнительно легко,то взаимодействия высших порядков объяснить значительно сложнее. Представьте, что в рассматриваемый выше пример, введен еще один фактор пол и получена следующая таблица средних значений:

Какие теперь выводы можно сделать из полученных результатов? Графики средних позволяют объяснять сложные эффекты. Модуль дисперсионного анализа позволяет строить эти графики практически одним щелчком мыши. Изображение на этих графике внизу представляет собой изучаемое трехфакторное взаимодействие.

Глядя на график, можно сказать, что у женщин существует взаимодействие между характером и сложностью теста: целеустремленные женщины работают над трудным заданием более напряженно, чем над легким. У мужчин то же взаимодействие носит обратный характер. Видно, что описание взаимодействия между факторами становится более запутанным.

Общий способ описания взаимодействий. В общем случае взаимодействие между факторами описывается в виде изменения одного эффекта под воздействием другого. В рассмотренном выше примере двухфакторное взаимодействие можно описать как изменение главного эффекта фактора, характеризующего сложность задачи, под воздействием фактора, описывающего характер студента. Для взаимодействия трех факторов из предыдущего параграфа можно сказать, что взаимодействие двух факторов (сложности задачи и характера студента) изменяется под воздействием Пола. Если изучается взаимодействие четырех факторов, можно сказать, что взаимодействие трех факторов, изменяется под воздействием четвертого фактора, т.е. существуют различные типы взаимодействий на разных уровнях четвертого фактора. Оказалось, что во многих областях взаимодействие пяти или даже большего количества факторов не является чем-то необычным.

2. Оценка значимости разности между средними по наименьшей существенной разности

Наименьшей существенной разностью (НСР) – является своеобразной ценой деления, разрешающей способностью опыта при оценке разности выборочных средних. Критерий НСР = t 0,5 * S d указывает предельную ошибку для разности двух выборочных средних.

Если фактическая разность больше НСР 0,5 (d ≥ НСР 0,5), то она значима, существенна, при d ≤ НСР 0,5 – несущественна.

Для определения НСР необходимо по данным дисперсионного анализа вычислить обобщенную ошибку средней: Sx = √ S 2 / n и ошибку разности средних S d = √ 2S 2 / n. Значения t - критерия для принятого уровня значимости и числа степеней свободы остаточной дисперсии берут из таблицы.

В многофакторном опыте изучается действие и взаимодействие нескольких факторов на изменчивость результативного признака, поэтому каждому фактору задают несколько градаций. Это позволяет изучать действие каждого из них при нескольких градациях других факторов.

Эффект взаимодействия факторов составляет ту часть общей изменчивости, которая вызвана различным действием одного фактора при разных градациях другого. В полевом опыте часто эффект от совместного применения изучаемых факторов может быть выше (синергизм) или ниже (антагонизм) суммы эффектов от раздельного применения каждого из них. В первом случае имеет место положительное, во втором – отрицательное взаимодействие факторов. Если же факторы не взаимодействуют, то эффект от совместного применения равен сумме эффектов от раздельного их применения (аддитивизм).

При дисперсионном анализе данных многофакторного опыта используют те же принципы и расчеты дисперсий, что и при однофакторном. Однако при этом усложняется математическая модель анализа.

При обработке данных двухфакторного опыта сумма квадратов расчленяется на следующие компоненты:

C y = C A + C B + C AB + C P + C Z .

Соответственно с указанными компонентами расчленяется и общее число степеней свободы:

N -1 = (l A -1) + (l B – 1) + (l A - 1)* (l B -1) + (n – 1) + (l – 1)* (n – 1).

Вегетационные опыты представляют собой статистические комплексы, состоящие из нескольких независимых выборок (вариантов). Независимость сопоставляемых вариантов достигается регулярным перемещением сосудов на вагонетке. Следовательно, в вегетационных опытах обычно нет территориально организованных повторений. Поэтому в однофакторном вегетационном опыте общее варьирование результативного признака разлагается на два компонента – варьирование вариантов и случайное варьирование и общее число степеней свободы:

С y = С V + С z , N – 1 = (l -1) + (N -l).

3.Область применения дисперсионного анализа

Дисперсионный анализ может использоваться для изучения действия самых разнообразных факторов как на количественные, так и на качественные признаки. Однако область применения дисперсионного анализа имеет два важных ограничения:

1) Исследуемые группы должны иметь нормальное распределение;

2) Исследуемые группы должны иметь равные дисперсии.

При планировании и проведении многофакторного дисперсионного анализа рекомендуется использовать выборки равного и пропорционального объема (в каждом варианте должно быть одинаковое или пропорциональное число повторностей).

Контрольные вопросы

1. Что такое функциональная и корреляционная связь, в чем их различие?
2. С помощью каких показателей оценивается корреляционная связь?
3. Что такое коэффициент простой линейной корреляции, какие значения он может принимать?
4. В чем суть и значение коэффициента регрессии?
5. Что такое доверительная зона регрессии?
6. В чем смысл коэффициента детерминации?

Рассмотренные выше приемы проверки статистических гипотез о существенности различий между двумя средними на практике имеют ограниченное применение. Это связано с тем, что для выявления действия всех возможных условий и факторов на результативный признак полевые и лабораторные опыты, как правило, проводят с использованием не двух, а большего числа выборок (1220 и более).

Часто исследователи сравнивают средние нескольких выборок, объединенных в единый комплекс. Например, изучая влияние различных видов и доз удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур опыты повторяют в разных вариантах. В этих случаях попарные сравнения становятся громоздкими, а статистический анализ всего комплекса требует применения особого метода. Такой метод, разработанный в математической статистике, получил название дисперсионного анализа. Впервые его применил английский статистик Р. Фишер при обработке результатов агрономических опытов (1938 г.).

Дисперсионный анализ - это метод статистической оценки надежности проявления зависимости результативного признака от одного или нескольких факторов. С помощью метода дисперсионного анализа проводится проверка статистических гипотез относительно средних в нескольких генеральных совокупностях, имеющих нормальное распределение.

Дисперсионный анализ является одним из основных методов статистической оценки результатов эксперимента. Все более широкое применение получает он и в анализе экономической информации. Дисперсионный анализ дает возможность установить, насколько выборочные показатели связи результативного и факторных признаков достаточны для распространения полученных по выборке данных на генеральную совокупность. Достоинством этого метода является то, что он дает достаточно надежные выводы по выборкам небольшого численности.

Исследуя вариацию результативного признака под влиянием одного или нескольких факторов с помощью дисперсионного анализа можно получить помимо общих оценок существенности зависимостей, также и оценку различий в величине средних, которые формируются при различных уровнях факторов, и существенности взаимодействия факторов. Дисперсионный анализ применяется для изучения зависимостей как количественных, так и качественных признаков, а также при их сочетании.

Суть этого метода заключается в статистическом изучении вероятности влияния одного или нескольких факторов, а также их взаимодействия на результативный признак. Согласно этого с помощью дисперсионного анализа решаются три основных задачи: 1) общая оценка существенности различий между групповыми средними; 2) оценка вероятности взаимодействия факторов; 3) оценка существенности различий между парами средних. Чаще всего такие задачи приходится решать исследователям при проведении полевых и зоотехнических опытов, когда изучается влияние нескольких факторов на результативный признак.

Принципиальная схема дисперсионного анализа включает установление основных источников варьирование результативного признака и определение объемов вариации (сумм квадратов отклонений) по источникам ее образования; определение числа степеней свободы, соответствующих компонентам общей вариации; вычисления дисперсий как отношение соответствующих объемов вариации к их числу степеней свободы; анализ соотношения между дисперсиями; оценка достоверности разницы между средними и формулирование выводов.

Указанная схема сохраняется как при простых моделях дисперсионного анализа, когда данные группируются по одному признаку, так и при сложных моделях, когда данные группируются по двумя и большим числом признаков. Однако с увеличением числа групповых признаков усложняется процесс разложение общей вариации по источникам ее образования.

Согласно принципиальной схемы дисперсионный анализ можно представить в виде пяти последовательно выполняемых этапов:

1) определение и разложения вариации;

2) определение числа степеней свободы вариации;

3) вычисление дисперсий и их соотношений;

4) анализ дисперсий и их соотношений;

5) оценка достоверности разницы между средними и формулировка выводов по проверке нулевой гипотезы.

Наиболее трудоемкой частью дисперсионного анализа является первый этап - определение и разложения вариации по источникам ее образования. Порядок разложения общего объема вариации подробно рассматривался в главе 5.

В основе решения задач дисперсионного анализа лежит закон разложения (добавление) вариации, согласно которого общая вариация (колебания) результативного признака делится на две: вариацию, обусловленную действием исследуемого фактора (факторов), и вариацию, вызванную действием случайных причин, то есть

Предположим, что исследуемая совокупность поделена по факторным признаком на несколько групп, каждая из которых характеризуется своей средней величине результативного признака. При этом вариацию этих величин можно объяснить двумя видами причин: такими, которые действуют на результативный признак систематически и поддаются регулировке в ходе проводимого эксперимента и регулировке не поддаются. Очевидно, что межгрупповая (факторная или систематическая) вариация зависит преимущественно от действия исследуемого фактора, а внутригрупповая (остаточная или случайная) - от действия случайных факторов.

Чтобы оценить достоверность различий между групповыми средними, необходимо определить межгрупповую и внутригрупповое вариации. Если межгрупповая (факторная) вариация значительно превышает внутригрупповое (остаточную) вариацию, то фактор влиял на результативный признак, существенно изменяя значения групповых средних величин. Но возникает вопрос, каково соотношение между міжгруповою и внутрішньогруповою вариациями можно рассматривать как достаточное для вывода о достоверности (существенности) различий между групповыми средними.

Для оценки существенности различий между средними и формулировка выводов по проверке нулевой гипотезы (Н0:х1 = х2 =... = хп) в дисперсионном анализе используется своеобразный норматив - Г-критерий, закон распределения которого установил Р.фишер. Этот критерий представляет собой отношение двух дисперсий: факторного, порождаемой действием изучаемого фактора, и остаточной, обусловленной действием случайных причин:

Дисперсионное отношение Г= £>и : £*2 американским статистиком Снедекором предложено обозначать буквой Г в честь изобретателя дисперсионного анализа Р.Фішера.

Дисперсии °2 іо2 являются оценками дисперсии генеральной совокупности. Если выборки с дисперсиями °2 °2 сделаны из одной и той же генеральной совокупности, где вариация величин имела случайный характер, то расхождение в величинах °2 °2 также случайна.

Если в эксперименте проверяют влияние нескольких факторов (А, В, С и т.д.) на результативный признак одновременно, то дисперсия, обусловленная действием каждого из них, должна быть сравнима с °е.гР , то есть

Если значение факторной дисперсии значительно больше остаточной, то фактор существенно влиял на результативный признак и наоборот.

В многофакторных экспериментах кроме вариации, обусловленной действием каждого фактора, практически всегда есть вариация, обусловленная взаимодействием факторов ($ав: ^лс ^вс $лііс). Суть взаимодействия заключается в том, что эффект одного фактора существенно меняется на разных уровнях второго (например, эффективность качества Почвы при разных дозах удобрений).

Взаимодействие факторов также должна быть оценена путем сравнения соответствующих дисперсий 3 ^в.гр:

При исчислении фактического значения Б-критерия в числителе берется большая из дисперсий, поэтому Б > 1. Очевидно, что чем больше критерий Бы, тем значительнее различия между дисперсиями. Если Б = 1, то вопрос об оценке существенности различий дисперсий снимается.

Для определения пределов случайных колебаний отношение дисперсий Г. Фишер разработал специальные таблицы Б-распределения (прил. 4 и 5). Критерий Бы функционально связанный с вероятностью и зависит от числа степеней свободы вариации к1 и к2 двух сравниваемых дисперсий. Обычно используются две таблицы, позволяющие делать выводы о предельно высокое значение критерия для уровней значимости 0,05 и 0,01. Уровень значимости 0,05 (или 5%) означает, что только в 5 случаях из 100 критерий Б может принимать значение, равное указанному в таблице или выше его. Снижение уровня значимости с 0,05 до 0,01 приводит к увеличению значения критерия Бы между двумя дисперсиями в силу действия только случайных причин.

Значение критерия также зависит непосредственно от числа степеней свободы двух сравниваемых дисперсий. Если число степеней свободы стремится к бесконечности (к-ме), то отношение Бы для двух дисперсий стремится к единице.

Табличное значение критерия Б показывает возможную случайную величину отношения двух дисперсий при заданном уровне значимости и соответствующем числе степеней свободы для каждой из сравниваемых дисперсий. В указанных таблицах приводится величина Б для выборок, сделанных из одной и той же генеральной совокупности, где причины изменения величин только случайные.

Значение Г находят по таблицам (прил. 4 и 5) на пересечении соответствующего столбца (число степеней свободы для большей дисперсии - к1) и строки (число степеней свободы для меньшей дисперсии - к2). Так, если большей дисперсии (числитель Г) к1 = 4, а меньшей (знаменатель Г) к2 = 9, то Га при уровне значимости а = 0,05 составит 3,63 (прил. 4). Итак, в результате действия случайных причин, поскольку малочисленные выборки, дисперсия одной выборки может при 5%-ном уровне значимости превышать дисперсию для второй выборки в 3,63 раза. При снижении уровня значимости с 0,05 до 0,01 табличное значение критерия Г, как отмечалось выше, будет увеличиваться. Так, при тех же степенях свободы к1 = 4 и к2 = 9 и а = 0,01 табличное значение критерия Г составит 6,99 (прил. 5).

Рассмотрим порядок определения числа степеней свободы в дисперсионном анализе. Число степеней свободы, что соответствует общей сумме квадратов отклонений, раскладывается на соответствующие компоненты аналогично разложению сумм квадратов отклонений (^общ = №^гр + ]¥вхр) , то есть общее число степеней свободы (к") раскладывается на число степеней свободы для межгрупповой (к1) и внутригрупповой (к2) вариаций.

Так, если выборочная совокупность, состоящая из N наблюдений, деленная на т групп (число вариантов опыта) и п подгрупп (количество повторностей), то число степеней свободы к соответственно составит:

а) для общей суммы квадратов отклонений (й7заг)

б) для межгрупповой суммы квадратов отклонений ^м.гР)

в) для внутригрупповой суммы квадратов отклонений в в.гР)

Согласно правилу сложения вариации:

Например, если в опыте было сформировано четыре варианта опыта (т = 4) в пяти повторностях каждый (п = 5), и общее количество наблюдений N = = т o п = 4 * 5 = 20, то число степеней свободы соответственно равно:

Зная суммы квадратов отклонений число степеней свободы, можно определить несмещенные (скорректированные) оценки для трех дисперсий:

Нулевую гипотезу Н0 по критерию Б проверяют так же, как и по и-критерию Стьюдента. Чтобы принять решение по проверки Н0, необходимо рассчитать фактическое значение критерия и сравнить его с табличным значением Ба для принятого уровня значимости а и числа степеней свободы к1 и к2 для двух дисперсий.

Если Бфакг > Ба, то в соответствии с принятым уровнем значимости можно сделать вывод, что различия выборочных дисперсий определяются не только случайными факторами; они существенные. Нулевую гипотезу в этом случае отклоняют и есть основание утверждать, что фактор существенно влияет на результативный признак. Если же < Ба, то нулевую гипотезу принимают и есть основание утверждать, что различия между сравниваемыми дисперсиями находятся в границах возможных случайных колебаний: действие фактора на результативный признак не является существенным.

Применение той или иной модели дисперсионного анализа зависит как от количества изучаемых факторов, так и от способа формирования выборок.

в Зависимости от количества факторов, определяющих вариацию результативного признака, выборки могут быть сформированы по одним, двумя и большим числом факторов. Согласно этому дисперсионный анализ делится на однофакторный и многофакторный. Иначе его еще называют однофакторним и многофакторным дисперсионным комплексом.

Схема разложение общей вариации зависит от формирования групп. Оно может быть случайным (наблюдение одной группы не связаны с наблюдениями второй группы) и неслучайным (наблюдение двух выборок связаны между собой общностью условий эксперимента). Соответственно получают независимые и зависимые выборки. Независимые выборки могут быть сформированы как с ровной, так и неровной численностью. Формирование зависимых выборок предполагает их равную численность.

Если группы сформированы в невипадковому порядке, то общий объем вариации результативного признака включает в себя наряду с факторным (міжгруповою) и остаточной вариацией вариацию повторностей, то есть

На практике в большинстве случаев приходится рассматривать зависимые выборки, когда условия для групп и подгрупп выравниваются. Так, в полевом опыте весь участок разбивают на блоки, с максимально вирівняннями условиями. При этом каждый вариант опыта получает равные возможности быть представленным во всех блоках, чем достигается выравнивание условий для всех проверяемых вариантов, опыта. Такой метод построения опыта получил название метода рендомізованих блоков. Аналогично проводятся и опыты с животными.

При обработке методом дисперсионного анализа социально-экономических данных необходимо иметь в виду, что в силу багаточисельності факторов и их взаимосвязи трудно даже при самом тщательном выравнивании условий установить степень объективного влияния каждого отдельного фактора на результативный признак. Поэтому уровень остаточной вариации определяется не только случайными причинами, но и существенными факторами, которые не были учтены при построении модели дисперсионного анализа. В результате этого остаточная, дисперсия как база сравнения иногда становится неадекватным своему назначению, она явно завышается по величине и не может выступать как критерий существенности влияния факторов. В связи с этим при построении моделей дисперсионного анализа становится актуальной проблема отбора важнейших факторов и выравнивания условий для проявления действия каждого из них. Кроме того. применение дисперсионного анализа предполагает нормальный или близкий к нормальному распределение исследуемых статистических совокупностей. Если это условие не выдерживается, то оценки, полученные в дисперсионном анализе, окажутся преувеличенными.

Главная » Транскрипции » Дисперсионный анализ позволяет разложить дисперсию на. Дисперсионный анализ