Дисперсионный анализ

Основные понятия дисперсионного анализа.

В процессе наблюдения за исследуемым объектом качественные факторы произвольно или заданным образом изменяются. Конкретная реализация фактора (например, определенный температурный режим, выбранное оборудование или материал) называется уровнем фактора или способом обработки. Модель ДА с фиксированными уровнями факторов называют моделью I, модель со случайными факторами - моделью II. Благодаря варьированию фактора можно исследовать его влияние на величину отклика. В настоящее время общая теория ДА разработана для моделей I.

В зависимости от количества факторов, определяющих вариацию результативного признака, ДА подразделяют на однофакторный и многофакторный.

Основными схемами организации исходных данных с двумя и более факторами являются:

- перекрестная классификация, характерная для моделей I, в которых каждый уровень одного фактора сочетается при планировании эксперимента с каждой градацией другого фактора;

- иерархическая (гнездовая) классификация, характерная для модели II, в которой каждому случайному, наудачу выбранному значению одного фактора соответствует свое подмножество значений второго фактора.

Если одновременно исследуется зависимость отклика от качественных и количественных факторов, т.е. факторов смешанной природы, то используется ковариационный анализ.

При обработке данных эксперимента наиболее разработанными и поэтому распространенными считаются две модели. Их различие обусловлено специфи­кой планирования самого эксперимента. В модели ДА с фик­сированными эффектами исследователь намеренно устанавли­вает строго определенные уровни изучаемого фактора. Тер­мин «фиксированный эффект» в данном контексте имеет тот смысл, что самим исследователем фиксируется количе­ство уровней фактора и различия между ними. При повторе­нии эксперимента он или другой исследователь выберет те же самые уровни фактора. В модели со случайными эффек­тами уровни значения фактора выбираются исследователем случайно из широкого диапазона значений фактора, и при повторных экспериментах, естественно, этот диапазон бу­дет другим.

Таким образом, данные модели отличаются между собой способом выбора уровней фактора, что, очевидно, в пер­вую очередь влияет на возможность обобщения полученных экспериментальных результатов. Для ДА однофакторных эк­спериментов различие этих двух моделей не столь существен­но, однако в многофакторном дисперсионном анализе оно может оказаться весьма важным.

При проведении ДА должны выполняться следующие статистические допущения: независимо от уровня фактора величины отклика имеют нормальный (Гауссовский) закон распределения и одинаковую дисперсию. Такое равенство дисперсий называется гомогенностью. Таким образом, изменение способа обработки сказывается лишь на положении случайной величины отклика, которое характеризуется средним значением или медианой. Поэтому все наблюдения отклика принадлежат сдвиговому семейству нормальных распределений.

Говорят, что техника ДА является "робастной". Этот термин, используемый статистиками, означает, что данные допущения могут быть в некоторой степени нарушены, но несмотря на это, технику можно использовать.

При неизвестном законе распределения величин отклика используют непараметрические (чаще всего ранговые) методы анализа.

В основе ДА лежит разделение дисперсии на части или компоненты. Вариацию, обусловленную влиянием фактора, положенного в основу группировки, характеризует межгрупповая дисперсия σ². Она является мерой вариации частных средних по группам вокруг общей средней и определяется по формуле:

,

где k - число групп;

n_j - число единиц в j-ой группе;

- частная средняя по j-ой группе;

- общая средняя по совокупности единиц.

Вариацию, обусловленную влиянием прочих факторов, характеризует в каждой группе внутригрупповая дисперсия σ_j².

.

Между общей дисперсией σ₀², внутригрупповой дисперсией σ² и межгрупповой дисперсией существует соотношение:

σ₀² = + σ².

Внутригрупповая дисперсия объясняет влияние неучтенных при группировке факторов, а межгрупповая дисперсия объясняет влияние факторов группировки на среднее значение по группе.