Дисперсионный анализ

ANOVA

ANOVA - это акроним от ANalysis Of VAriance (дисперсионный анализ). Дисперсионный анализ был введён Фишером - английским учёным, сделавшим огромный вклад в развитие науки. ANOVA в статистике - это мощный инструмент для определения влияния различных групп наблюдений между собой.

Пример

Предположим, Вы хотите эмпирическим методом провести исследование бензина на качество, для этого вы заправляете бак на одной заправке и проезжаете n километров, повторяете такой эксперимент, скажем, пять раз, затем проводите такой же эксперимент, только на другой заправке. У Вас два набора данных - заправка A и заправка B. Разумеется, цифры разбегаются, но всё же есть некоторая зависимость, так вот, что бы определить, влияет ли заправка на расход бензина (или данные не связаны между собой) Вы используете дисперсионный анализ.

Дисперсионный анализ позволяет определить какой из факторов влияет больше, внутригрупповой или межгрупповой. В примере выше Вы сможете определить, насколько влияет на расход бензина выбор заправки. В этом суть дисперсионного анализа: узнать, является ли выбранный фактор значимым для выбранных наблюдений.

В некотором смысле, дисперсионный анализ похож на регрессионный и корреляционный анализы, т.к. позволяет определить влияние переменных друг на друга.

Анализ

В теории, для анализа дисперсии выстраивается простая модель, схожая с изучаемой в анализе временых рядов.

Модель

Модель дисперсионного анализа включает в себя среднее значение, эффект эксперимента и случайную ошибку:

y = μ + τ + ε
τ - эффект эксперимента, ε - случайная ошибка

Однофакторный

Однофакторный дисперсионный анализ рассматривает влияние одного критерия, делается это так: мы проводим два эксперимента, в одном из них включаем дополнительный фактор и анализируем, внёс ли этот фактор изменения. В качестве исходных данных рассмотрим результаты ряда экспериментов:

NE1E2E3E4
1535210145
2534613932
350527043
457398330
5454710354
μi51.647.299.240.8
μ = (51.6 + 47.2 + 99.2 + 40.8) / 4 = 59.7
Квадрат ошибок внутри групп (Square Sum within group):
SSw = ΣiΣj(yij - μi)2 = 3301.6
Квадрат ошибок между группами (Square Sum between group):
SSb = Σii - μ)2 = 2139.32
Учитывая степени свободы, ожидаемое среднее:
MSw = SSw / a(n-1) = 220.11
MSb = SSb / a-1 = 534.83
Значение Fкрит :
F0 = MSb/MSw = 2.43

Тест Фишера: если значение F0 окажется больше чем значение F λ,4,15, значит фактор оказывает влияние.

Для n = 20 и a = 5, Fλ,n-a,a-1 = Fλ,15,4 = 5,86
Поскольку F0 = 2.43 < 5.86, то принимаем, что введённый фактор не оказал влияния на результаты эксперимента.

Двухфакторный

При двухфакторном анализе выдвигаются три гипотезы на проверку:

  • Факторы А и В не оказывают влияния на результат
  • Фактор А не оказывает влияния на результат
  • Фактор B не оказывает влияния на результат

Для проведения двухфакторного анализа необходимо составить группы результатов: несколько измерений для всех значения каждого из факторов, т.е.:

A1A2
B1X1a1,b1...XNa1,b1X1a1,b2...XNa1,b2
B2X1a1,b2...XNa1,b2X1a1,b2...XNa1,b2

Далее подсчитывается среднее значение для каждого значения факторов, т.е. среднее для A1, среднее для В1 и т.д. Затем подсчитывается общее среднее для всех результатов. Зададимся количеством критериев: k = 2 (количество критериев А) и m = 2 (количество критериев В).

T = ΣΣΣxijk
Сумма элементов под влиянием фактора A:
TAi = Σxi·k
Сумма элементов под влиянием фактора B:
TBj = Σx·jk
Сумма элементов под влиянием фактора AB:
TAiBj = Σxij·
SST = Σx2ijk - T2/N
SSA = ΣT2Ai/n·m - T2/N
SSB = ΣT2Bj/n·k - T2/N
SSAB = ΣΣT2AiBj/n - SSA - SSB - T2/N
SSE = ΣΣΣx2ijk - ΣΣT2AiBj/n

SST = SSA + SSB + SSAB + SSE

MSE = SSE/(n-1)·m·k
MSA = SSA/k-1
MSB = SSB/m-1
MSAB = SSAB/(m-1)·(k-1)
Тест "Критерий A не оказывает влияние на результат", ν1 = k-1:
FA = MSA/MSE
Тест "Критерий B не оказывает влияние на результат", ν1 = m-1:
FB = MSB/MSE
Тест "Критерии A и B не оказывают влияние на результат", ν1 = (k-1)(m-1):
Fint = MSAB/MSE

Для каждого F, если F > F α,ν12, то гипотеза отвергается. ν2 = N-mk

Многофакторный

Многофакторный анализ аналогичен двухфакторному - проводятся те же операции, но критерии группируются и итеративно находится влияние каждого из факторов.

С повторными измерениями

Дисперсионный анализ с повторными измерениями озночает, что для каждого критерия производилось несколько замеров случайной величины для получения более точного результата (поскольку в ANOVA) используется внутригрупповая сумма квадратов.

Применение

Дисперсионный анализ применяют в самых различных отраслях науки и производства тогда, когда необходимо изучить зависимость критериев на различие средних значений, при этом сравнивается не среднее значение, а разброс результатов вокруг среднего значения, т.е. дисперсию.

Решение задач

В качестве примера приведём задачу из метрологии. На заводе размещены пять станков, на которых производят валы. Необходимо определить, влияет ли выбор станка или подготовка работника на результат производства. Для анализа производят замеры для каждого станка и работника, в результате получается таблица:

Оператор 1
М1 30.895 30.448 30.644 30.959 30.857 30.572 30.346 30.512 30.395 30.859
М2 30.441 30.613 30.619 30.766 30.475 30.621 30.476 30.416 30.773 30.571
М3 30.3 30.3 30.3 30.3 30.3 30.3 30.3 30.3 30.3 30.3
М4 30.371 30.603 30.701 30.821 30.988 30.899 30.558 30.733 30.851 30.804
М5 30.32 30.368 30.321 30.364 30.378 30.393 30.387 30.355 30.345 30.395
Оператор 2
М1 30.375 30.371 30.349 30.338 30.354 30.359 30.382 30.311 30.333 30.38
М2 29.925 30.09 29.963 29.856 30.114 29.86 30.015 30.009 30.04 30.128
М3 30.59 30.399 30.322 30.344 30.556 30.548 30.557 30.402 30.362 30.418
М4 30.326 30.382 30.347 30.397 30.323 30.322 30.339 30.392 30.311 30.377
М5 30.143 30.286 29.871 29.952 29.838 29.889 30.286 30.299 29.815 29.86

Воспользуемся методом двухфакторного анализа, фактор А - оператор, фактор В - станок. Рассчитаем суммы квадратов, для этого необходимо рассчитать значение среднего для каждой из групп:

TTA1TA2 TB1TB2TB3TB4TB5
3038.018 1526.2131511.805 610.039 605.771 607.498 610.845 603.865
SSA = 2.076
SSB = 1.689
SSAB = 1.433
SSE = 1.488

MSA = 2.076
MSB = 0.422
MSAB = 0.358
MSE = 0.372

FA = 5.581
FB = 1.134
FAB = 0.962

Критические значения для теста Фишера:
Fcrit A = F0.1, 1, 90 = 2.77
Fcrit B = F0.1, 4, 90 = 2.01
Fcrit AB = F0.1, 4, 90 = 2.01

Таблица результатов:

Влияние станка на результат Нет 5.581 > 2.77
Влияние квалификации работника на результат Да 1.134 < 2.01
Взаимное влияние квалификации работника и выбора станка на результат Да 0.962 < 2.01

В excel/Open Calc

Для решения дисперсионного анализа в электронной таблице Вам потребуются следующие формулы:

sumproduct Сумма произведений, используется для нахождения суммы квадратов
finv Обратное значение распределения F - критерий Фишера

Таблица для скачивания в форматах ods и xls.

Скачать статью в формате PDF.

Вам понравилась статья? Да / Нет (не требуется регистрации или чего-либо ещё, просто нажать)

Анализ данных

1. Нормальное распределение

Любой процесс можно описать нормальным распределением

2. Распределение Пуассона

Второе по популярности распределение

3. Закон распределения

Как структурировать данные полученные в ходе статистического исследования

4. Параметры дискретного закона распределения

Критерии для сравнения распределений

5. Статистическая гипотеза

Статистическая гипотеза. Проверка утверждений. Общие вопросы

6. Дисперсионный анализ

ANOVA

Прогнозирование




© 2015-2017 - K-Tree.ru
Копия материалов, размещённых на данном сайте, допускается только по письменному разрешению владельцев сайта.
По любым вопросам Вы можете связаться по почте info@k-tree.ru