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8.3 方差齐性检验

茆诗松、程依明、濮晓龙编著高等教育出版社《概率论与数理统计教程(第三版)》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)

在单因子试验中 r 个水平的指标可以用 r 个正态分布 N(μᵢ, σᵢ²) (i = 1, 2, …, r) 表示,在进行方差分析时要求 r 个方差相等,这称为方差齐性。而方差齐性不一定自然具有。理论研究表明,当正态性假定不满足时对均值相等的 F 检验影响较小,即 F 检验对正态性的偏离具有一定的稳健性,而 F 检验对方差齐性的偏离较为敏感。所以 r 个方差的齐性检验就显得十分必要。 所谓方差齐性检验是对如下一对假设作出检验:

H _ 0: σ_ 1 ^ 2 = σ_ 2 ^ 2 = … = σ_ r ^ 2 vs H _ 1: text 诸 σ_ i ^ 2 text 不全相等. (8.3.1)

很多统计学家提出了一些很好的检验方法,这里介绍几个最常用的检验,它们是:

  • 哈特利(Hartley)检验,仅适用于样本量相等的场合. - 巴特利特(Bartlett)检验,可用于样本量相等或不等的场合,但是每个样本量不得低于5. - 修正的巴特利特检验,在样本量较小或较大、相等或不等场合均可使用. 下面分别来叙述它们.

当各水平下试验重复次数相等时,即

m _ 1 = m _ 2 = … = m _ r = m,

哈特利提出检验方差相等的检验统计量

H = frac max {s _ 1 ^ 2 , s _ 2 ^ 2 , … , s _ r ^ 2 }min {s _ 1 ^ 2 , s _ 2 ^ 2 , … , s _ r ^ 2 }. (8.3.2)

它是 r 个样本方差的最大值与最小值之比.这个统计量的分布尚无明显的表达式,但在诸方差相等条件下,可通过随机模拟方法获得 H 分布的分位数,该分布依赖于水平数 r 和样本方差的自由度 f = m - 1,因此该分布可记为 H(r, f),其分位数表见附表 10. 直观上看,当 H₀ 成立,即诸方差相等 ( σ₁² = σ₂² = … = σᵣ² ) 时,H 的值应接近于 1, H 愈大,诸方差间的差异就愈大,这时应拒绝 (8.3.1) 中的 H₀.由此可知,对给定的显著性水平 α,检验 H₀ 的拒绝域为

W = {H ≥slant H _ 1 - α (r, f) }, (8.3.3)

其中 H₁-α(r,f) 为 H 分布的 1-α 分位数,见附表 10.

例 8.3.1

有四种不同牌号的铁锈防护剂(简称防锈剂), 现要比较其防锈能力.为此,制作 40 个大小形状相同的铁块(试验样品), 然后把它们随机分为四组,每组 10 件样品.在每一组样品上涂上同一牌号的防锈剂,最后把 40 个样品放在一个广场上让其经受日晒、风吹和雨打.一段时间后再行观察其防锈能力.由于防锈能力无测量仪器,只能请专家评分.五位受聘专家对评分标准进行讨论,取得共识.样品上无锈迹的评 100 分,全锈了评 0 分.他们在不知牌号的情况下进行独立评分.最后把一个样品的 5 位专家所给分数的平均值作为该样品的防锈能力.数据列于表 8.3.1 上. 表 8.3.1 防锈能力数据及计算表

因子A(防锈剂) A₁ A₂ A₃ A₄
数据 yᵢj 143.989.868.436.2
239.087.169.345.2
346.792.768.540.7
443.890.666.440.5
544.287.770.039.3
647.792.468.140.3
743.686.170.643.2
838.988.165.238.7
943.690.863.840.9
1040.089.169.239.7
和 Tᵢ 431.4894.4679.5404.7
均值 baryᵢ .43.1489.4467.9540.47
组内平方和 Qᵢ 81.0044.2842.3353.42
这是一个重复次数相等的单因子试验.我们考虑用方差分析方法对之进行比较分析,为此,首先要进行方差齐性检验. 本例中,四个样本方差可由表 8.3.1 中诸 Qᵢ 求出,即

s _ 1 ^ 2 = frac 8 1 . 0 09 = 9. 0 0, s _ 2 ^ 2 = frac 4 4 . 2 89 = 4. 9 2,s _ 3 ^ 2 = frac 4 2 . 3 39 = 4. 7 0, s _ 4 ^ 2 = frac 5 3 . 4 29 = 5. 9 4.

由此可得统计量 H 的值

H = frac 9 . 0 04 . 7 0 = 1. 9 1.

在 α=0.05 时,由附表 10 查得 H₀.95(4,9)=6.31 ,由于 H<6.31,所以应该接受原假设 H₀ ,即认为四个总体方差间无显著差异. 进一步,在正态性检验通过(用正态概率图)的情况下,我们可用方差分析方法对四种不同牌号的防锈剂比较其防锈能力.由表8.3.1的数据可以算出 T=T₁+…+T₄=2 410,从而求得三个偏差平方和分别为

S _ T = 4 3. 9 ^ 2 + 3 9. 0 ^ 2 + … + 4 0. 9 ^ 2 + 3 9. 7 ^ 2 - frac 2 4 1 0 ^ 24 0 = 1 6 1 7 4. 5 0, f _ T = 3 9,S _ A = frac 11 0 (4 3 1. 4 ^ 2 + 8 9 4. 4 ^ 2 + 6 7 9. 5 ^ 2 + 4 0 4. 7 ^ 2) - frac 2 4 1 0 ^ 24 0 = 1 5 9 5 3. 4 7, f _ A = 3,S _ e = S _ T - S _ A = 2 2 1. 0 3, f _ e = 3 6.

把上述各项移到方差分析表上,可继续计算各均方与 F 比、p 值,具体见表8.3.2. 表 8.3.2 防锈能力的方差分析表

来源平方和自由度均方F比p值
因子A15 953.4735 317.82866.090.000 0
误差e221.03366.14
总和T16 174.5039
若给定显著性水平 α=0.05 ,查表可得 F₀.95(3,36)=2.87 ,由于 F>2.87,故因子 A 显著,即四种防锈剂的防锈能力有显著差异。这里 p 值为 0.0000 表示 p≤slant0.0001 。 各种防锈剂的防锈能力均值估计分别为

hat μ _ 1 = 4 3. 1 4, hat μ _ 2 = 8 9. 4 4, hat μ _ 3 = 6 7. 9 5, hat μ _ 4 = 4 0. 4 7,

第二种牌号的防锈剂的防锈能力最强. 此外,试验误差的方差 σ² 的估计为 hatσ²=6.14,σ 的估计为 hatσ=√(6.14)=2.48. 由于第二种牌号的防锈剂的防锈能力最强,我们还可求出其均值 μ₂ 的 95% 的置信区间,此处 t₁-α/2(fₑ)=t₀.975(36)=2.028 1,hatσ=2.48,m=10,hatμ₂=bary₂.=89.44,则

bar y _ 2. ± t _ 1 - α / 2 (f _ e) hat σ / sqrt m = 8 9. 4 4 ± 1. 5 9,

即 μ₂ 的 95% 的置信区间为 [87.85, 91.03].

在单因子方差分析中有 r 个样本,设第 i 个样本方差为

s _ i ^ 2 = frac 1m _ i - 1 ∑_ j = 1 ^ m _ i (y _ i j - overline y _ i.) ^ 2 = frac Q _ if _ i, i = 1, 2, … , r,

其中 mᵢ 为第 i 个样本的容量(即试验重复次数), Qᵢ = ∑ⱼ=1^(mᵢ) (yᵢj - overlineyᵢ.)² 与 fᵢ = mᵢ - 1 为该样本的偏差平方和及自由度。由于误差均方

M S _ e = frac 1f _ e ∑_ i = 1 ^ r Q _ i = ∑_ i = 1 ^ r frac f _ if _ e s _ i ^ 2,

它是 r 个样本方差 s₁², s₂², …, sᵣ² 的(加权)算术平均数。而相应的 r 个样本方差的几何平均数记为 GMSₑ ,它是

G M S _ e = [ (s _ 1 ^ 2) ^ f _ 1 (s _ 2 ^ 2) ^ f _ 2 … (s _ r ^ 2) ^ f _ r ] ^ 1 / f _ e,

其中 fₑ = f₁ + f₂ + … +fᵣ = ∑ᵢ = 1^(r)(mᵢ - 1) = n - r. 由于几何平均数总不会超过算术平均数,故有

G M S _ e ≤slant M S _ e,

其中等号成立当且仅当诸 sᵢ² 彼此相等,若诸 sᵢ² 间的差异愈大,则此两个平均值相差也愈大.由此可见,当诸总体方差相等时,其样本方差间不应相差较大,从而比值 MSₑ / GMSₑ 接近于1.反之,在比值 MSₑ / GMSₑ 较大时,就意味着诸样本方差差异较大,从而反映诸总体方差差异也较大.这个结论对此比值的对数也成立.从而检验(8.3.1)的拒绝域可以表示为

W = {ln (M S _ e / G M S _ e) > d }. (8.3.4)

巴特利特证明了: 在大样本场合,ln(MSₑ/GMSₑ) 的某个函数近似服从自由度为 r-1 的 χ² 分布.具体是

B = frac f _ eC (ln M S _ e - ln G M S _ e) dot ∼ χ^ 2 (r - 1), (8.3.5)

其中

C = 1 + frac 13 (r - 1) (∑_ i = 1 ^ r frac 1f _ i - frac 1f _ e), (8.3.6)

且 C 通常会大于1. 根据上述结论,可取

B = frac 1C (f _ e ln M S _ e - ∑_ i = 1 ^ r f _ i ln s _ i ^ 2) (8.3.7)

作为检验统计量,对给定的显著性水平 α,检验的拒绝域为

W = {B ≥slant χ_ 1 - α ^ 2 (r - 1) }. (8.3.8)

由于这里 χ² 分布是近似分布,使用上述检验通常要求诸样本量 mᵢ 均不小于 5.

例 8.3.2

茶是世界上最为广泛的一种饮料,但很少人知其营养价值.任一种茶叶都含有叶酸,它是一种维生素 B.如今已有测定茶叶中叶酸含量的方法.为研究各产地的绿茶的叶酸含量是否有显著差异,特选四个产地的绿茶,其中用 A₁ 制作了 7 个样品,用 A₂ 制作了 5 个样品,用 A₃ 与 A₄ 各制作了 6 个样品,共有 24 个样品,按随机次序测试其叶酸含量(单位:mg),测试结果如表 8.3.3 所示. 表 8.3.3 绿茶的叶酸含量试验数据

水平数据重复数 mᵢ 和 Tᵢ 均值 baryᵢ. 组内平方和 Qᵢ
A₁ 7.96.26.68.68.910.19.6757.98.2712.83
A₂ 5.77.59.86.18.4537.57.5011.30
A₃ 6.47.17.94.55.04.0634.95.8212.03
A₄ 6.87.55.05.36.17.4638.16.355.62
n=24 T=168.4
平方和计算如下:

S _ T = (7. 9 ^ 2 + 6. 2 ^ 2 + … + 6. 1 ^ 2 + 7. 4 ^ 2) - frac 1 6 8 . 4 ^ 22 4 = 6 5. 2 7, f _ T = 2 3,S _ A = frac 5 7 . 9 ^ 27 + frac 3 7 . 5 ^ 25 + frac 3 4 . 9 ^ 26 + frac 3 8 . 1 ^ 26 - frac 1 6 8 . 4 ^ 22 4 = 2 3. 5 0, f _ A = 3,S _ e = 6 5. 2 7 - 2 3. 5 0 = 4 1. 7 7, f _ e = 2 0.

方差分析表见表 8.3.4. 表 8.3.4 绿茶叶酸含量的方差分析表

来源平方和自由度均方F比p值
因子A23.5037.833.750.0275
误差e41.77202.09
总和T65.2723
若取显著性水平 α = 0.05.查表可得 F₀.95(3,20) = 3.10,由于 F = 3.75 > 3.10,故应拒绝原假设 H₀,即认为四种绿茶的叶酸平均含量有显著差异.其 p 值为 0.0275, 小于 α,故拒绝原假设. 为说明上述方差分析合理,需要对其作方差齐性检验.从表8.3.3中数据可查得

Q _ 1 = 1 2. 8 3, Q _ 2 = 1 1. 3 0, Q _ 3 = 1 2. 0 3, Q _ 4 = 5. 6 2,f _ 1 = 6, f _ 2 = 4, f _ 3 = 5, f _ 4 = 5.

从而用公式 sᵢ² = Qᵢ / fᵢ 可求得

s _ 1 ^ 2 = 2. 1 4, s _ 2 ^ 2 = 2. 8 3, s _ 3 ^ 2 = 2. 4 1, s _ 4 ^ 2 = 1. 1 2.

再从表 8.3.4 上查得 MSₑ=2.09 ,由(8.3.6)式,可求得

C = 1 + frac 13 (4 - 1) [ (frac 16 + frac 14 + frac 15 + frac 15) - frac 12 0 ] = 1. 0 8 5 2,

再由(8.3.7)式,还可求得巴特利特检验统计量的值

r l B & = frac 11 . 0 8 5 2 [ 2 0 × ln 2. 0 9 - (6 × ln 2. 1 4 + 4 × ln 2. 8 3 + 5 × ln 2. 4 1 + 5 × ln 1. 1 2) ] & = 0. 9 7 0.

对给定的显著性水平 α=0.05 ,查表知 χ₀.95²(4-1)=7.8147 。由于 B=0.970<7.8147,故应接受原假设 H₀ ,即可认为诸水平下的方差间无显著差异。

针对样本量低于 5 时不能使用巴特利特检验的缺点,博克斯(Box) 提出修正的巴特利特检验统计量

B ^ prime = frac f _ 2 B Cf _ 1 (A - B C), (8.3.9)

其中 B 与 C 如(8.3.7)与(8.3.6)所示,且

f _ 1 = r - 1, f _ 2 = frac r + 1(C - 1) ^ 2, A = frac f _ 22 - C + 2 / f _ 2.

在原假设 H₀:σ₁²=σ₂²=…=σᵣ² 成立下,博克斯还证明了统计量 B' 的近似分布是自由度为 f₁ 和 f₂ 的 F 分布,对给定的显著性水平 α ,该检验的拒绝域为

W = {B ^ prime ≥slant F _ 1 - α (f _ 1, f _ 2) }, (8.3.10)

其中 f₂ 的值可能不是整数,这时可通过对 F 分布的分位数表施行内插法得到近似分位数.

例 8.3.3

对例8.3.2 中的绿茶叶酸含量的数据,我们用修正的巴特利特检验再一次对方差齐性作出检验. 在例8.3.2中已求得

C = 1. 0 8 5 2, B = 0. 9 7 0,

还可求得

f _ 1 = 4 - 1 = 3,f _ 2 = frac 4 + 1(1 . 0 8 5 2 - 1) ^ 2 = 6 8 8. 8,A = frac 6 8 8 . 82 - 1 . 0 8 5 2 + 2 / 6 8 8 . 8 = 7 5 0. 6,B ^ prime = frac 6 8 8 . 8 × 0 . 9 7 0 × 1 . 0 8 5 23 (7 5 0 . 6 - 0 . 9 7 0 × 1 . 0 8 5 2) = 0. 3 2 2.

对给定的显著性水平 α=0.05 ,在 F 分布的分位数表上可查得

F _ 0. 9 5 (3, 6 8 8. 8) = F _ 0. 9 5 (3, ∞) = 2. 6 1,

由于 B' = 0.322 < 2.61 ,故接受原假设 H₀ ,即认为四个水平下的方差间无显著差异。

习题8.3
  1. 采用例8.1.1的数据,在显著性水平 α = 0.05 下用哈特利检验考察三个总体方差是否彼此相等.
  2. 在安眠药试验(见习题 8.1 第 5 题)中已求得四个样本方差
s _ 1 ^ 2 = 0. 0 2, s _ 2 ^ 2 = 0. 0 8, s _ 3 ^ 2 = 0. 0 3 6, s _ 4 ^ 2 = 0. 1 3 0 7.

请用哈特利检验在显著性水平 α = 0.05 下考察四个总体方差是否彼此相等. 3. 在生产力提高的指数研究中(见习题 8.2 第 4 题)已求得三个样本方差,它们是

s _ 1 ^ 2 = 0. 6 6 3, s _ 2 ^ 2 = 0. 5 7 4, s _ 3 ^ 2 = 0. 7 5 2.

请用巴特利特检验在显著性水平 α = 0.05 下考察三个总体方差是否彼此相等. 4. 在入户推销效果研究中(见习题8.1第8题),分别用哈特利检验和巴特利特检验在显著性水平 α = 0.05 下对五个总体作方差齐性检验. 5. 在对粮食含水率的研究中(见习题8.1第7题)已求得3个水平下的组内平方和:

Q _ 1 = 1. 1 4 8, Q _ 2 = 2. 2 3 7, Q _ 3 = 2. 4 0 7.

请用修正的巴特利特检验在显著性水平 α = 0.05 下考察三个总体方差是否彼此相等. 6. 针对食品包装研究的数据(见例8.1.4),请用修正的巴特利特检验在显著性水平 α=0.05 下考察四个总体是否满足方差齐性假定.

共 0 题