第8章 方差分析与回归分析
Section titled “第8章 方差分析与回归分析”8.1.1 问题的提出
Section titled “8.1.1 问题的提出”前面几章我们讨论的都是一个总体或两个总体的统计分析问题,在实际工作中我们还会经常碰到多个总体均值的比较问题,处理这类问题通常采用所谓的方差分析方法.本节将叙述这个方法,先看一个例子.
在饲料养鸡增肥的研究中,某研究所提出三种饲料配方: A₁ 是以鱼粉为主的饲料,A₂ 是以槐米粉为主的饲料,A₃ 是以苜蓿粉为主的饲料.为比较三种饲料的效果,特选 24 只相似的雏鸡随机均分为三组,每组各喂一种饲料, 60 天后观察它们的质量.试验结果如表 8.1.1 所示:
表 8.1.1 鸡饲料试验数据
单位:g
| 饲料A | 鸡的质量 | |||||||
| A₁ | 1 073 | 1 009 | 1 060 | 1 001 | 1 002 | 1 012 | 1 009 | 1 028 |
| A₂ | 1 107 | 1 092 | 990 | 1 109 | 1 090 | 1 074 | 1 122 | 1 001 |
| A₃ | 1 093 | 1 029 | 1 080 | 1 021 | 1 022 | 1 032 | 1 029 | 1 048 |
8.1.2 单因子方差分析的统计模型
Section titled “8.1.2 单因子方差分析的统计模型”在例8.1.1 中我们只考察了一个因子,称其为单因子试验.通常,在单因子试验中,记因子为 A,设其有 r 个水平,记为 A₁, A₂, …, Aᵣ,在每一水平下考察的指标可以看成一个总体,现有 r 个水平,故有 r 个总体,假定: (1) 每一总体均为正态总体,记为 N(μᵢ, σᵢ²) , i = 1, 2, …, r . (2) 各总体的方差相同,记为 σ₁² = σ₂² = … = σᵣ² = σ² . (3)从每一总体中抽取的样本是相互独立的,即所有的试验结果 yᵢj 都相互独立. 这三个假定都可以用统计方法进行验证.譬如,利用正态性检验(§7.5节)验证(1)成立,利用后面§8.3的方差齐性检验验证(2)成立,而试验结果 yᵢj 的独立性可由随机化实现,这里的随机化是指所有试验按随机次序进行. 我们要做的工作是比较各水平下的均值是否相同,即要对如下的一个假设进行检验:
H _ 0: μ_ 1 = μ_ 2 = … = μ_ r, (8.1.1)其备择假设为 H₁:μ₁,μ₂,…,μᵣ 不全相等, 在不会引起误解的情况下,H₁ 通常可省略不写. 如果 H₀ 成立,因子 A 的 r 个水平均值相同,称因子 A 的 r 个水平间没有显著差异,简称因子 A 不显著; 反之,当 H₀ 不成立时,因子 A 的 r 个水平均值不全相同,这时称因子 A 的不同水平间有显著差异,简称因子 A 显著. 为对假设(8.1.1)进行检验,需要从每一水平下的总体抽取样本,设从第i个水平下的总体获得m个试验结果(简单起见,这里先假设各水平下试验的重复数相同,后面会看到,重复数不同时的处理方法与此基本一致,略有差异),用 yᵢj 表示第i个总体的第j次重复试验结果,共得如下 r× m 个试验结果:
y _ i j, i = 1, 2, … , r, j = 1, 2, … , m,其中 r 为水平数,m 为重复数,i 为水平编号,j 为重复序号. 水平 Aᵢ 下的试验结果 yᵢj 与该水平下的指标均值 μᵢ 总是有差距的,记 εᵢj = yᵢj - μᵢ, εᵢj 称为随机误差.于是有
y _ i j = μ_ i + ε_ i j. (8.1.2)(8.1.2)式称为试验结果 yᵢj 的数据结构式.把三个假定用于数据结构式就可以写出单因子方差分析的统计模型:
{ l l y _ i j = μ_ i + ε_ i j, i = 1, 2, … , r, j = 1, 2, … , m, text 诸 ε_ i j text 相互独立, text 且都服从 N (0, σ^ 2). . (8.1.3)为了能更好地描述数据,常在方差分析中引入总均值与水平效应的概念.诸 μᵢ 的平均(所有试验结果的均值的平均)
μ = frac 1r (μ_ 1 + μ_ 2 + … + μ_ r) = frac 1r ∑_ i = 1 ^ r μ_ i (8.1.4)称为总均值,也称一般平均.第 i 个水平下的均值 μᵢ 与总均值 μ 的差
a _ i = μ_ i - μ , i = 1, 2, … , r (8.1.5)称为因子 A 的第 i 个水平的主效应,简称为 Aᵢ 的水平效应. 容易看出
∑_ i = 1 ^ r a _ i = 0, (8.1.6) μ_ i = μ + a _ i, (8.1.7)这表明第 i 个总体的均值是由总均值与该水平的效应叠加而成的,从而模型(8.1.3)可以改写为
{ l l y _ i j = μ + a _ i + ε_ i j, i = 1, 2, … , r, j = 1, 2, … , m, ∑_ i = 1 ^ r a _ i = 0, text 诸 ε_ i j text 相互独立, text 且都服从 N (0, σ^ 2). . (8.1.8)假设(8.1.1)可改写为
H _ 0: a _ 1 = a _ 2 = … = a _ r = 0,其备择假设为
H _ 1: a _ 1, a _ 2, … , a _ r text 不全为 0. (8.1.9)8.1.3 平方和分解
Section titled “8.1.3 平方和分解”对两个正态总体均值间有无差异可用 t 检验,但对三个及以上正态总体均值间有无差异再用 t 检验就行不通了.费希尔等人另辟思路,改用数据的平方和及其分解导出 F 分布来进行显著性检验.下面我们介绍这个思想.
一、试验数据
Section titled “一、试验数据”通常在单因子方差分析中可将试验数据列成如下表格形式. 表 8.1.2 单因子方差分析试验数据
| 因子水平 | 试验数据 | 和 | 均值 | |||
| A₁ | y₁1 | y₁2 | … | y₁m | T₁ | overliney₁ . |
| A₂ | y₂1 | y₂2 | … | y₂m | T₂ | overliney₂ . |
| vdots | vdots | vdots | vdots | vdots | vdots | |
| Aᵣ | yᵣ1 | yᵣ2 | … | yᵣm | Tᵣ | overlineyᵣ . |
| T | overliney | |||||
二、组内偏差与组间偏差
Section titled “二、组内偏差与组间偏差”数据间是有差异的.数据 yᵢj 与总均值 bary 间的偏差可用 yᵢj-bary 表示,它可分解为两个偏差之和
y _ i j - bar y = (y _ i j - bar y _ i.) + (bar y _ i. - bar y). (8.1.10)记
overline ε _ i. = frac 1m ∑_ j = 1 ^ m ε_ i j, overline ε = frac 1r ∑_ i = 1 ^ r overline ε _ i. = frac 1n ∑_ i = 1 ^ r ∑_ j = 1 ^ m ε_ i j.由于
γ_ i j - bar γ _ i. = (μ_ i + ε_ i j) - (μ_ i + bar ε _ i.) = ε_ i j - bar ε _ i., (8.1.11)所以 yᵢj-baryᵢ.仅反映组内数据与组内均值的随机误差,称为组内偏差.而
overline y _ i. - overline y = (μ_ i + overline ε _ i.) - (μ + overline ε) = a _ i + overline ε _ i. - overline ε, (8.1.12)overlineyᵢ.-overliney 除了反映随机误差外,还反映了第 i 个水平效应,称为组间偏差.
三、偏差平方和及其自由度
Section titled “三、偏差平方和及其自由度”在统计学中,把 k 个数据 y₁, y₂, …, yₖ 分别对其均值 bary = (y₁ + y₂ + … + yₖ) / k 的偏差平方和
Q = (y _ 1 - bar y) ^ 2 + (y _ 2 - bar y) ^ 2 + … + (y _ k - bar y) ^ 2 = ∑_ i = 1 ^ k (y _ i - bar y) ^ 2称为 k 个数据的偏差平方和,有时简称平方和.偏差平方和常用来度量若干个数据分散的程度,它是用来度量若干个数据间差异(即波动)的大小的一个重要的统计量. 在构成偏差平方和 Q 的 k 个偏差 y₁-bary, y₂-bary, …, yₖ-bary 间有一个恒等式
∑_ i = 1 ^ k (y _ i - bar y) = 0,这说明在 Q 中独立的偏差只有 k - 1 个.在统计学中把平方和中独立偏差个数称为该平方和的自由度,常记为 f,如 Q 的自由度为 f_(Q) = k - 1.自由度是偏差平方和的一个重要参数.
四、总平方和分解公式
Section titled “四、总平方和分解公式”各 yᵢj 间总的差异大小可用总偏差平方和 S_(T) 表示
S _ T = ∑_ i = 1 ^ r ∑_ j = 1 ^ m (y _ i j - bar y) ^ 2, f _ T = n - 1, (8.1.13)仅由随机误差引起的数据间的差异可以用组内偏差平方和表示,也称为误差偏差平方和,记为 Sₑ,即
S _ e = ∑_ i = 1 ^ r ∑_ j = 1 ^ m (y _ i j - overline y _ i.) ^ 2, f _ e = r (m - 1) = n - r. (8.1.14)由于组间差异除了随机误差外,还反映了效应间的差异,故效应不同引起的数据差异可用组间偏差平方和表示,也称为因子 A 的偏差平方和,记为 S_(A),即
S _ A = m ∑_ i = 1 ^ r (overline y _ i. - overline y) ^ 2, f _ A = r - 1. (8.1.15)在上述符号下,总平方和 S_(T) 可以分解为因子平方和 S_(A) 与误差平方和 Sₑ 之和,其自由度也有相应分解公式,具体为
S _ T = S _ A + S _ e, f _ T = f _ A + f _ e, (8.1.16)(8.1.16)式通常称为总平方和分解式.
证明
注意到
∑_ i = 1 ^ r ∑_ j = 1 ^ m (y _ i j - bar y _ i.) (bar y _ i. - bar y) = ∑_ i = 1 ^ r [ (bar y _ i. - bar y) ∑_ j = 1 ^ m (y _ i j - bar y _ i.) ] = 0,故有
r l S _ T & = ∑_ i = 1 ^ r ∑_ j = 1 ^ m (y _ i j - overline y) ^ 2 = ∑_ i = 1 ^ r ∑_ j = 1 ^ m [ (y _ i j - overline y _ i.) + (overline y _ i. - overline y) ] ^ 2 & = S _ e + S _ A + 2 ∑_ i = 1 ^ r ∑_ j = 1 ^ m (y _ i j - overline y _ i.) (overline y _ i. - overline y) = S _ e + S _ A,诸自由度间的等式是显然的.
8.1.4 检验方法
Section titled “8.1.4 检验方法”偏差平方和 Q 的大小与数据个数(或自由度)有关,一般说来,数据越多,其偏差平方和越大.为了便于在诸偏差平方和间进行比较,统计上引入了均方的概念,它定义为
M S = frac Qf _ Q,其意为平均每个自由度上有多少平方和. 如今要对因子平方和 S_(A) 与误差平方和 Sₑ 进行比较,用其均方
M S _ A = frac S _ Af _ A, M S _ e = frac S _ ef _ e进行比较更为合理,因为均方排除了自由度不同所产生的干扰.故用
F = frac M S _ AM S _ e = frac S _ A / f _ AS _ e / f _ e (8.1.17)作为检验 H₀ 的统计量,为给出检验拒绝域,我们需要如下定理:
在单因子方差分析模型(8.1.8)及前述符号下,有 (1) Sₑ / σ²∼ χ²(n - r) ,从而 E(Sₑ) = (n - r)σ² (2) E(S_A) = (r - 1)σ² + m∑ᵢ=1^(r) aᵢ² ,进一步,若 H₀ 成立,则有 S_A / σ² ∼ χ²(r-1) ; (3) S_(A) 与 Sₑ 独立.
证明
由(8.1.11)式和(8.1.14)式,Sₑ = ∑ᵢ=1^(r) ∑ⱼ=1^(m) (εᵢj - overlineεᵢ.)²,在单因子方差分析模型 (8.1.8) 下,我们知道,诸 εᵢj (i = 1, 2, …, r, j = 1, 2, …, m) 独立同分布于 N(0, σ²),由定理5.4.1 知,frac1σ² ∑ⱼ=1^(m) (εᵢj - overlineεᵢ.)² (i = 1, 2, …, r) 相互独立,其共同分布为 χ²(m-1),由 χ² 分布的可加性,有 fracSₑσ² ∼ χ²(n-r),这给出 E(Sₑ/σ²) = n-r = fₑ , (1) 得证. 类似地,由(8.1.12)式和(8.1.15)式,有
S _ A = m ∑_ i = 1 ^ r (a _ i + overline ε _ i. - overline ε) ^ 2.由定理5.4.1 知,对每个 i,平方和 ∑ⱼ=1^(m)(εᵢj-overlineεᵢ.)² 与均值 overlineεᵢ. 独立,从而 overlineε₁., overlineε₂., …, overlineεᵣ. 与 Sₑ 独立,而 S_(A) 只是 overlineε₁., overlineε₂., …, overlineεᵣ. 的函数,由此 (3) 得证. 在模型(8.1.8)下,S_(A) 的期望是
E (S _ A) = m ∑_ i = 1 ^ r a _ i ^ 2 + E [ m ∑_ i = 1 ^ r (overline ε _ i. - overline ε) ^ 2 ],由于诸误差均值 overlineε₁.,overlineε₂.,…,overlineεᵣ. 独立同分布于 N(0,σ²/m) ,从而由诸误差均值组成的偏差平方和除以 σ²/m 服从 χ² 分布,即
frac 1σ^ 2 ∑_ i = 1 ^ r m (overline ε _ i. - overline ε) ^ 2 ∼ χ^ 2 (r - 1),于是
E [ ∑_ i = 1 ^ r m (overline ε _ i. - overline ε) ^ 2 ] = (r - 1) σ^ 2.在 H₀ 成立下, S_(A)/σ²∼χ²(r-1) ,这就完成了(2)的证明. 由定理8.1.2知,若 H₀ 成立,则(8.1.17)定义的检验统计量 F 服从自由度为 f_(A) 和 fₑ 的 F 分布,考虑到统计量 F 的值愈大愈倾向于拒绝原假设,故该检验的拒绝域为
W = {F ≥slant F _ 1 - α (f _ A, f _ e) }. (8.1.18)通常将上述计算过程列成一张表格,称为方差分析表,见表8.1.3. 表 8.1.3 单因子方差分析表
| 来源 | 平方和 | 自由度 | 均方 | F比 | p值 |
| 因子 | S_A | f_A=r-1 | MS_A=S_A/f_A | F=MS_A/MSₑ | p |
| 误差 | Sₑ | fₑ=n-r | MSₑ=Sₑ/fₑ | ||
| 总和 | S_T | f_T=n-1 |
一般可将计算过程列表进行,见下例.
采用例8.1.1 的数据,由偏差平方和的公式可以看出,对数据作一个线性变换是不影响方差分析的结果的,本例中,我们将原始数据同时减去 1000,并用列表(如表 8.1.4)的办法给出计算过程: 表 8.1.4 鸡饲料试验数据及计算表
| 水平 | 数 据(原始数据-1 000) | Tᵢ | Tᵢ² | ∑ⱼ=1^(m) yᵢj² | |||||||
| A₁ | 73 | 9 | 60 | 1 | 2 | 12 | 9 | 28 | 194 | 37 636 | 10 024 |
| A₂ | 107 | 92 | -10 | 109 | 90 | 74 | 122 | 1 | 585 | 342 225 | 60 355 |
| A₃ | 93 | 29 | 80 | 21 | 22 | 32 | 29 | 48 | 354 | 125 316 | 20 984 |
| 和 | 1 133 | 505 177 | 91 363 | ||||||||
把上述诸平方和及其自由度填入方差分析表,并继续计算得到各均方以及 F 比,p 值,见表 8.1.5. 表 8.1.5 鸡饲料试验的方差分析表
| 来源 | 平方和 | 自由度 | 均方 | F比 | p值 |
| 因子A | 9660.08 | 2 | 4830.04 | 3.59 | 0.0456 |
| 误差e | 28215.88 | 21 | 1343.61 | ||
| 总和T | 37875.96 | 23 |
8.1.5 参数估计
Section titled “8.1.5 参数估计”在检验结果为显著时,我们可进一步求出总均值 μ 、各水平效应 aᵢ 和误差方差 σ² 的估计.
由模型(8.1.8)知诸 yᵢj 相互独立,且 yᵢj ∼ N(μ + aᵢ, σ²) ,因此,可使用最大似然方法求出总均值 μ 、各水平效应 aᵢ 和误差方差 σ² 的估计。 首先,写出似然函数
L (μ , a _ 1, a _ 2, … , a _ r, σ^ 2) = ∏_ i = 1 ^ r ∏_ j = 1 ^ m {frac 1sqrt 2 π σ^ 2 exp {- frac (y _ i j - μ - a _ i) ^ 22 σ^ 2 } },其对数似然函数为
l (μ , a _ 1, a _ 2, … , a _ r, σ^ 2) = - frac n2 ln (2 π σ^ 2) - frac 12 σ^ 2 ∑_ i = 1 ^ r ∑_ j = 1 ^ m (y _ i j - μ - a _ i) ^ 2,求偏导,得似然方程为
{ l frac ∂ l∂ μ = frac 1σ^ 2 ∑_ i = 1 ^ r ∑_ j = 1 ^ m (y _ i j - μ - a _ i) = 0, frac ∂ l∂ a _ i = frac 1σ^ 2 ∑_ j = 1 ^ m (y _ i j - μ - a _ i) = 0, i = 1, 2, … , r, frac ∂ l∂ σ^ 2 = - frac n2 σ^ 2 + frac 12 σ^ 4 ∑_ i = 1 ^ r ∑_ j = 1 ^ m (y _ i j - μ - a _ i) ^ 2 = 0. .考虑到约束条件(8.1.6),可求出前述各参数的最大似然估计为
l hat μ = overline y, hat a _ i = overline y _ i. - overline y, i = 1, 2, … , r, hat σ _ M ^ 2 = frac 1n ∑_ i = 1 ^ r ∑_ j = 1 ^ m (y _ i j - overline y _ i.) ^ 2 = frac S _ en. (8.1.20)由最大似然估计的不变性,各水平均值 μᵢ 的最大似然估计为
hat μ _ i = bar y _ i., (8.1.21)由于 hatσ_M² 不是 σ² 的无偏估计,实用中通常采用如下误差方差的无偏估计
hat σ ^ 2 = M S _ e. (8.1.22)二、置信区间
Section titled “二、置信区间”以下讨论各水平均值 μᵢ 的置信区间.由定理8.1.2知,overlineyᵢ ∼ N(μᵢ, σ²/m), Sₑ/σ² ∼ χ²(fₑ),且两者独立,故
frac sqrt m (bar y _ i . - μ_ i)sqrt S _ e / f _ e ∼ t (f _ e),由此给出 Aᵢ 的水平均值 μᵢ 的 1-α 的置信区间为
[ bar y _ i. ± t _ 1 - α / 2 (f _ e) hat σ / sqrt m ], (8.1.23)其中 hatσ² 由(8.1.22)给出.
我们在例8.1.2 中已经检验出饲料因子是显著的,此处我们给出诸水平均值的估计.因子 A 的三个水平均值的估计分别为
r l & hat μ _ 1 = 1 0 0 0 + frac 1 9 48 = 1 0 2 4. 2 5, & hat μ _ 2 = 1 0 0 0 + frac 5 8 58 = 1 0 7 3. 1 3, & hat μ _ 3 = 1 0 0 0 + frac 3 5 48 = 1 0 4 4. 2 5,从点估计来看,水平 A₂ (以槐米粉为主的饲料)是最优的.误差方差的无偏估计为
hat σ ^ 2 = M S _ e = 1 3 4 3. 6 1.进一步,利用(8.1.23)可以给出诸水平均值的置信区间.此处,hatσ=√(1 343.61)=36.66,若取 α = 0.05 ,则 t₁ - α /2(fₑ) = t₀.975(21) = 2.0796,t₀.975(21)hatσ /√(8) = 26.95 ,于是三个水平均值的0.95置信区间分别为
μ_ 1: [ 1 0 2 4. 2 5 ± 2 6. 9 5 ] = [ 9 9 7. 3 0, 1 0 5 1. 2 0 ],μ_ 2: [ 1 0 7 3. 1 3 ± 2 6. 9 5 ] = [ 1 0 4 6. 1 8, 1 1 0 0. 0 8 ],μ_ 3: [ 1 0 4 4. 2 5 ± 2 6. 9 5 ] = [ 1 0 1 7. 3 0, 1 0 7 1. 2 0 ],至此,我们可以看到:在单因子试验的数据分析中可得到如下三个结果: - 因子 A 是否显著. - 试验的误差方差 σ² 的估计. - 诸水平均值 μᵢ 的点估计与区间估计. 在因子 A 显著时,通常只需对较优的水平均值作参数估计,在因子 A 不显著场合,参数估计无需进行.
8.1.6 重复数不等情形
Section titled “8.1.6 重复数不等情形”有时,每个水平下重复试验次数不全相等,在此情况下进行方差分析与重复数相等情况下的方差分析极为相似,只在几处略有差别.下面我们指出差异之处.
设从第 i 个水平下的总体获得 mᵢ 个试验结果,记为 yᵢ1, yᵢ2, …, yᵢmᵢ, i = 1, 2, …, r ,故总试验次数为 n = m₁ + m₂ + … + mᵣ ,从而,其统计模型为
{ l l y _ i j = μ_ i + ε_ i j, i = 1, 2, … , r, j = 1, 2, … , m _ i, text 各 ε_ i j text 相互独立, text 且都服从 N (0, σ^ 2). . (8.1.24)诸 μᵢ 的加权平均(所有试验结果的均值的平均)
μ = frac 1n (m _ 1 μ_ 1 + m _ 2 μ_ 2 + … + m _ r μ_ r) = frac 1n ∑_ i = 1 ^ r m _ i μ_ i (8.1.25)称为总均值,它是所有观测值期望的平均.第 i 个水平下的均值 μᵢ 与总均值 μ 的差
a _ i = μ_ i - μ , i = 1, 2, … , r (8.1.26)称为因子 A 的第 i 个水平效应.
三、效应约束条件
Section titled “三、效应约束条件”由(8.1.25)和(8.1.26)容易看出关于效应的约束条件为
∑_ i = 1 ^ r m _ i a _ i = 0, μ_ i = μ + a _ i,这表明第 i 个总体的均值是由总均值与该水平的效应叠加而成的.类似于(8.1.8),有
{ l y _ i j = μ + a _ i + ε_ i j, i = 1, 2, … , r, j = 1, 2, … , m _ i, ∑_ i = 1 ^ r m _ i a _ i = 0, . (8.1.27)诸 εᵢj 相互独立,且都服从 N(0,σ²)
四、各平方和的计算
Section titled “四、各平方和的计算”要考虑的问题仍是检验(8.1.9)给出的假设.整个分析思路与方法基本一样,重要的区别是计算公式稍有不同,特别要注意 S_(A) 的计算公式.类似地记
T _ i = ∑_ j = 1 ^ m _ i y _ i j, overline y _ i. = frac T _ im _ i, T = ∑_ i = 1 ^ r ∑_ j = 1 ^ m _ i y _ i j = ∑_ i = 1 ^ r T _ i, overline y = frac Tn,则
l l S _ T = ∑_ i = 1 ^ r ∑_ j = 1 ^ m _ i (y _ i j - overline y) ^ 2 = ∑_ i = 1 ^ r ∑_ j = 1 ^ m _ i y _ i j ^ 2 - frac T ^ 2n, & f _ T = n - 1, S _ A = ∑_ i = 1 ^ r m _ i (overline y _ i. - overline y) ^ 2 = ∑_ i = 1 ^ r frac T _ i ^ 2m _ i - frac T ^ 2n, & f _ A = r - 1, S _ e = ∑_ i = 1 ^ r ∑_ j = 1 ^ m _ i (y _ i j - overline y _ i.) ^ 2 = S _ T - S _ A, & f _ e = n - r. (8.1.28)方差分析表以及参数估计是一样的.
某食品公司对一种食品设计了四种新包装。为考察哪种包装最受顾客欢迎,选了 10 个地段繁华程度相似、规模相近的商店做试验,其中两种包装各指定两个商店销售,另两种包装各指定三个商店销售。在试验期内各店货架排放的位置、空间都相同,营业员的促销方法也基本相同,经过一段时间,记录其销售量数据,列于表 8.1.6 左侧,其相应的计算结果列于右侧。 表 8.1.6 销售量数据及计算表
| 包装类型 | 销售量数据 | mᵢ | Tᵢ | Tᵢ²/mᵢ | ∑ⱼ=1^(mᵢ yᵢj)² | ||
| A₁ | 12 | 18 | 2 | 30 | 450 | 468 | |
| A₂ | 14 | 12 | 13 | 3 | 39 | 507 | 509 |
| A₃ | 19 | 17 | 21 | 3 | 57 | 1 083 | 1 091 |
| A₄ | 24 | 30 | 2 | 54 | 1 458 | 1 476 | |
| 和 | n=10 | T=180 | ∑ᵢ=1^(r) (Tᵢ²)/(mᵢ) = 3 498 | ∑ᵢ=1^(r) ∑ⱼ=1^(mᵢ yᵢj)² = 3 544 | |||
方差分析表如表 8.1.7 所示. 表 8.1.7 销售量的方差分析表
| 来源 | 平方和 | 自由度 | 均方 | F比 | p值 |
| 因子A | 258 | 3 | 86 | 11.21 | 0.0071 |
| 误差e | 46 | 6 | 7.67 | ||
| 总和T | 304 | 9 |
由此可见,第四种包装方式效果最好.误差方差的无偏估计为
hat σ ^ 2 = M S _ e = 7. 6 7.进一步,利用(8.1.23)也可以给出诸水平均值的置信区间,只是在这里要用不同的 mᵢ 代替那里相同的m.此处,hatσ=√(7.67)=2.7695,若取 α=0.05,则 t₁-α/2(fₑ)=t₀.975(6)=2.4469,t₀.975(6)hatσ=6.7767,于是效果较好的第四个水平均值的0.95置信区间为
μ_ 4: [ 2 7 ± 6. 7 7 6 7 / sqrt 2 ] = [ 2 2. 2 1, 3 1. 7 9 ].- 在一个单因子试验中,因子 A 有三个水平,每个水平下各重复 4 次,具体数据如下:
试计算误差平方和 Sₑ 、因子 A 的平方和 S_(A) 、总平方和 S_(T) ,并指出它们各自的自由度.水平 数据 一水平 8 5 7 4 二水平 6 10 12 9 三水平 0 1 5 2 - 在一个单因子试验中,因子 A 有 4 个水平,每个水平下重复次数分别为 5, 7, 6, 8. 那么误差平方和、 A 的平方和及总平方和的自由度各是多少?
- 在单因子试验中,因子 A 有 4 个水平,每个水平下各重复 3 次试验,现已求得每个水平下试验结果的样本标准差分别为 1.5, 2.0, 1.6, 1.2, 则其误差平方和为多少? 误差的方差 σ² 的估计值是多少?
- 在单因子方差分析中,因子 A 有三个水平,每个水平各做 4 次重复试验,请完成下列方差分析表,并在显著性水平 α = 0.05 下对因子 A 是否显著作出检验.
方差分析表
来源 平方和 自由度 均方 F比 p值 因子A 4.2 误差e 2.5 总和T 6.7 - 用 4 种安眠药在兔子身上进行试验,特选 24 只健康的兔子,随机把它们均分为 4 组,每组各服一种安眠药,安眠时间 (单位: h) 如下所示.
安眠药试验数据
在显著性水平 α = 0.05 下对其进行方差分析,可以得到什么结果?安眠药 安眠时间 A₁ 6.2 6.1 6.0 6.3 6.1 5.9 A₂ 6.3 6.5 6.7 6.6 7.1 6.4 A₃ 6.8 7.1 6.6 6.8 6.9 6.6 A₄ 5.4 6.4 6.2 6.3 6.0 5.9 - 为研究咖啡因对人体功能的影响,随机选择 30 名体质大致相同的健康男大学生进行手指叩击训练,此外咖啡因选三个水平:
每个水平下冲泡 10 杯水,外观无差别,并加以编号,然后让 30 名大学生每人从中任选一杯服下, 2 小时后,请每人做手指叩击,统计员记录其每分钟叩击次数,试验结果统计如下表:
| 咖啡因剂量 | 叩击次数 | |||||||||
| A₁ : 0 mg | 242 | 245 | 244 | 248 | 247 | 248 | 242 | 244 | 246 | 242 |
| A₂ : 100 mg | 248 | 246 | 245 | 247 | 248 | 250 | 247 | 246 | 243 | 244 |
| A₃ : 200 mg | 246 | 248 | 250 | 252 | 248 | 250 | 246 | 248 | 245 | 250 |
| 储藏方法 | 含水率数据 | ||||
| A₁ | 7.3 | 8.3 | 7.6 | 8.4 | 8.3 |
| A₂ | 5.4 | 7.4 | 7.1 | 6.8 | 5.3 |
| A₃ | 7.9 | 9.5 | 10.0 | 9.8 | 8.4 |
| 组别 | 推销额 | ||||||
| 第一组 | 20.0 | 16.8 | 17.9 | 21.2 | 23.9 | 26.8 | 22.4 |
| 第二组 | 24.9 | 21.3 | 22.6 | 30.2 | 29.9 | 22.5 | 20.7 |
| 第三组 | 16.0 | 20.1 | 17.3 | 20.9 | 22.0 | 26.8 | 20.8 |
| 第四组 | 17.5 | 18.2 | 20.2 | 17.7 | 19.1 | 18.4 | 16.5 |
| 第五组 | 25.2 | 26.2 | 26.9 | 29.3 | 30.4 | 29.7 | 28.2 |