Однофакторный дисперсионный анализ.

Предположим, что имеется выборок с объемами , , , и наблюдения можно представить в виде , где - номер наблюдения в выборке; - номер выборки; - групповые математические ожидания; - случайные ошибки с =0, о которых предполагается, что они независимы и одинаково расположены.

Подобная ситуация возникает, когда существует некий фактор, принимающий различных значений (называемых уровнями), и каждая группа объектов, чьи признаки мы примеряем, подвергается воздействию определенного уровня этого фактора. Методы математической статистики, изучающие воздействие одного фактора на объекты и их признаки, называют в совокупности однофакторным анализом.

Предполагается, что ошибки нормально распределены: . Тогда можно изучать влияние фактора, вычисляя дисперсии некоторых величин. Совокупность этих методов называют однофакторным дисперсионным анализом.

Основной гипотезой, нуждающейся в проверке, является гипотеза о равенстве групповых средних . Иными словами, проверяют гипотезу о том, что фактор вообще не влияет на наблюдения. В случае нормальных ошибок ее можно проверить, вычислив две разные оценки дисперсии.

Рассмотрим группу экспериментальных животных, подвергнутых ультрафиолетовому облучению. В процессе эксперимента измерялась температура тела животных. Результаты измерений были занесены в таблицу:

№ испытания	Уровень фактора А (мощность ультрафиолетового облучения)
А1	А2	А3
	37,4   37,3   37,0   36,9	37,8   37,9   37,5   37,4	38,0   37,9   38,4   38,3
	37,15	37,65	38,15

Физический фактор А (ультрафиолетовое излучение) имеет постоянных уровней (3 различных мощности облучения). На всех уровнях распределения случайной величины Х (температуры тела животного) предполагается нормальным, а дисперсии одинаковыми, хотя и неизвестными.

В данном эксперименте число проведенных наблюдений при действии каждого из уровней фактора одинаково.

Все значения величины Х, наблюдаемые при каждом фиксированном уровне фактора А_j, составляют группу, и в последней строке таблицы представлены соответствующие выборочные групповые средние, вычисленные по формуле

.

Здесь n – число испытаний, – номер столбца, - номер строки, в которой расположено данное значение случайной величины. Общая средняя арифметическая всех наблюдений находится как

.

Введем следующие понятия:

Факторная сумма квадратов отклонений групповых средних от общей средней , которая характеризует рассеивание «между группами» (т.е. рассеивание за счет исследуемого фактора):

,

Остаточная сумма квадратов отклонений наблюдаемых значений группы от своей групповой средней , которая характеризует рассеивание «внутри групп» (за счет случайных причин):

.

Общая сумма квадратов отклонений наблюдаемых значений от общей средней :

,

Можно доказать следующее равенство:

.

С помощью , производится оценка общей, факторной и остаточной дисперсий:

,

,

.

В основе однофакторного дисперсионного анализа лежит тесная связь между различием в групповых средних и соотношением между двумя видами дисперсий – факторной, которая характеризует влияние фактора А на величину Х, и остаточной, которая характеризует влияние случайных причин. Сравнивая факторную дисперсию с остаточной по величине их отношения судят, насколько сильно проявляется влияние фактора.

Для сравнения двух дисперсий используют показатель критерия Фишера .

При этом при заданном уровне значимости проверяют нулевую гипотезу о равенстве факторной и остаточной дисперсии (изучаемый фактор не вызывает изменчивости признака) при конкурирующей гипотезе об их неравенстве (изучаемый фактор вызывает изменчивость признака).

По таблице критических значений распределения Фишера – Снедекора (см. приложение 6) при уровне значимости, равном половине заданного уровня , находят критическое значение . Здесь . Если , нулевую гипотезу считают согласующейся с результатами наблюдений. Если , то эту гипотезу отвергают в пользу конкурирующей.

Замечание. Если окажется, что , следует сделать вывод об отсутствии влияния фактора А на Х.

Если проверка покажет значимость различий между и ,следует сделать вывод о существенном влиянии фактора А на Х.

Обычно для упрощенная расчетов фактурную и остаточную дисперсии рассчитывают не по экспериментальным значениям величины Х, а по значениям , где постоянная С представляет собой произвольное число, близкое к среднему значению всех результатов наблюдений.

Вернемся к нашему примеру. Вычтем из всех значений постоянное число С=37,5 близкое к общему среднему =37,51 и составим таблицу:

Общая средняя будет равна

Определим значения _,

Определим значения факторной и остаточной дисперсий:

,

.

Так как , следует проверить значимость их различия. Найдем экспериментальное значение критерия:

.

Сравним его с критическим значением распределения Фишера – Снедекора для уровня значимости 0,05 (см. приложение 6):

.

Поскольку можно утверждать, что при уровне значимости

=0,05 рассматриваемый физический фактор оказывает влияние на температуру тела животного.

Критерий Фишера указывает на влияние изучаемого фактора (если ) на изменчивость признака. Однако он не указывает на силу влияния этого фактора. В качестве показателя силы влияния фактора на изменчивость признака используют величину :

.

Оценим силу влияния ультрафиолетового облучения на повышение температуры тела животных:

или 80,5%

Таким образом, влияние ультрафиолетового облучения на повышение температуры тела животных составляет 80,5%, а 19,5% обусловлены случайными причинами.