k-tree

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
1563513154
2443712257
3594813331
444488947
543369038
μi49.240.811345.4
μ = (49.2 + 40.8 + 113 + 45.4) / 4 = 62.1
Квадрат ошибок внутри групп (Square Sum within group):
SSw = ΣiΣj(yij - μi)2 = 2792.8
Квадрат ошибок между группами (Square Sum between group):
SSb = Σii - μ)2 = 3489.8
Учитывая степени свободы, ожидаемое среднее:
MSw = SSw / a(n-1) = 186.19
MSb = SSb / a-1 = 872.45
Значение Fкрит :
F0 = MSb/MSw = 4.686

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 = 4.686 < 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 30.365 30.376 30.376 30.355 30.387 30.341 30.329 30.39 30.326 30.349
М2 30.3 30.378 30.382 30.395 30.339 30.372 30.399 30.386 30.331 30.325
М3 30.231 30.3 30.215 30.227 30.292 30.249 30.251 30.217 30.294 30.265
М4 30.3 30.3 30.3 30.3 30.3 30.3 30.3 30.3 30.3 30.3
М5 30.552 30.381 30.7 30.45 30.568 30.579 30.454 30.514 30.474 30.486
Оператор 2
М1 30.311 30.329 30.356 30.347 30.354 30.307 30.331 30.355 30.364 30.309
М2 30.676 30.803 30.314 30.638 30.515 30.754 30.781 30.514 30.316 30.549
М3 30.344 30.388 30.395 30.337 30.318 30.305 30.366 30.375 30.353 30.319
М4 30.764 31.241 30.623 30.751 30.942 31.16 30.469 30.962 30.643 30.778
М5 30.333 30.338 30.379 30.375 30.328 30.322 30.362 30.322 30.36 30.38

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
3042.455 1517.91524.555 606.957 609.467 606.041 611.333 608.657
SSA = 0.443
SSB = 0.871
SSAB = 1.419
SSE = 0.925

MSA = 0.443
MSB = 0.218
MSAB = 0.355
MSE = 0.231

FA = 1.918
FB = 0.944
FAB = 1.537

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 Да 1.918 < 2.77
Влияние квалификации работника на результат Да 0.944 < 2.01
Взаимное влияние квалификации работника и выбора станка на результат Да 1.537 < 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

Поиск по сайту:

Порекомендуйте статью своим друзьям:




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




© 2015-2018 - K-Tree.ru • Онлайн учебник
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