Постановка задачи дисперсионного анализа.

Представим смысл дисперсионного анализа графически.

Рис 8.1 Влияние кратковременной памяти на успеваемость

В примере (рис 8.1) иллюстрируется исследование зависимости успеваемости школьников от развития кратковременной памяти. В качестве независимого фактора рассматривается уровень развития кратковременной памяти, а в качестве результативных признаков – успеваемость по предмету. Видно, например, что фактор, по-видимому, оказывает существенное влияние при обучении иностранному языку, и незначим для чистописания, что, впрочем, вполне согласуется со здравым смыслом.

В качестве примера постановки задачи рассмотрим задачу анализа влияния условий выращивания на вес томатов. Имеются данные о весе томатов (все растение целиком; кг), которые выращивали в течение 2 месяцев при трех разных экспериментальных условиях:

· в воде (water);

· в среде с добавлением удобрения (nutrient);

· среде с добавлением удобрения и гербицида (Nutrient+24D).

Таблица 8.1 Исходные данные

Переменная «условия» представляет собой фактор с тремя уровнями.

Рис. 8.2. Результаты измерений веса растений томатов, выращенных при разных экспериментальных условиях

Из рис. 8.2 видно, что измеренные значения веса растений достаточно близки для всех трех экспериментальных условий, хотя и есть некоторая тенденция к снижению веса в группе "Nutrient+24D". Это визуальное впечатление подтверждается рассчитанными групповыми средними (таблица 8.2):

Таблица 8.2 Средний вес растений, выращенных в различных условиях

Подлежащую проверке нулевую гипотезу можно сформулировать так: исследованные условия выращивания растений не оказывают никакого влияния на вес последних. Другими словами, нулевая гипотеза утверждает, что наблюдаемые различия между групповыми средними несущественны и вызваны влиянием случайных факторов, т.е. все полученные измерения веса растений происходят из одной нормально распределенной генеральной совокупности.

Рассматриваемый пример соответствует случаю однофакторного дисперсионного анализа: изучается действие одного фактора - условий выращивания (с тремя уровнями - Water, Nutrient и Nutrient+24D) на интересующую нас зависимую переменную-отклик - вес растений.

К сожалению, исследователь почти никогда не имеет возможности изучить всю генеральную совокупность. Чтобы узнать, верна ли приведенная выше нулевая гипотеза, рассматривается вопрос: какова вероятность получить наблюдаемые различия между групповыми средними, если группы – это случайные выборки из одной нормально распределенной генеральной совокупности? Для ответа на этот вопрос потребуется статистический критерий, который количественно характеризовал бы величину различий между сравниваемыми группами.

Очевидно, до проверки гипотезы есть смысл убедиться в целесообразности такой проверки: действительно ли различия между группами могут быть неслучайными.

На рис. 8.3 к исходным данным добавлена еще одна группа - из точек, соответствующих выборочным средним (Means).

Рис. 8.3 Вес растений, выращенных при разных условиях и средних значений каждой экспериментальной группы

Из рис. 8.3 видно, что различия средних не слишком значительны. Разброс средних меньше, чем разброс внутри групп.

На рис.8.4 приведен пример данных, для которых различия более очевидны.

Рис. 8.4 Вес растений, выращенных при разных условиях и средних значений каждой группы (при измененных исходных данных)

На рис. 8.4 по сравнению с рис. 8.3 - группы точек, отражающих экспериментальные данные, оказались значительно раздвинутыми вдоль оси. Результатом этого стало значительное различие групповых средних: разброс групповых средних на рис. 8.4 в целом превышает разброс значений в экспериментальных группах.

Следовательно, для оценки различий между группами следует сравнить разброс групповых средних с разбросом значений внутри групп.