统计学教案习题05方差分析

第五章 方差分析一、教学大纲要求（一）掌握内容 1．方差分析基本思想（1） 多组计量资料总变异的分解，组间变异和组内变异的概念。

（2） 多组均数比较的检验假设和F 值的意义。

（3） 方差分析的使用条件。

2．常见实验设计资料的方差分析（1）完全随机设计的单因素方差分析：适用的资料类型、总变异分解（包括自由度的分解）、方差分析的计算、方差分析表。

（2）随机区组设计资料的两因素方差分析：适用的资料类型、总变异分解（包括自由度的分解）、方差分析的计算、方差分析表。

（3）多个样本均数间的多重比较方法： LSD-t 检验法；Dunnett-t 检验法；SNK-q 检验法。

（二）熟悉内容多组资料的方差齐性检验、变量变换方法。

（三）了解内容两因素析因设计方差分析、重复测量设计资料的方差分析。

二、教学内容精要(一) 方差分析的基本思想 1． 基本思想方差分析（analysis of variance ，ANOV A ）的基本思想就是根据资料的设计类型，即变异的不同来源将全部观察值总的离均差平方和（sum of squares of deviations from mean ，SS ）和自由度分解为两个或多个部分，除随机误差外，其余每个部分的变异可由某个因素的作用（或某几个因素的交互作用）加以解释，如各组均数的变异SS 组间可由处理因素的作用加以解释。

通过各变异来源的均方和误差均方比值的大小，借助F 分布作出统计推断，判断各因素对各组均数有无影响。

2．分析三种变异（1）组间变异：各处理组均数之间不尽相同，这种变异叫做组间变异（variation among groups ），组间变异反映了处理因素的作用（处理确有作用时 ），也包括了随机误差（ 包括个体差异及测定误差 ）, 其大小可用组间均方（MS 组间）表示，即 MS 组间= 组间组间ν/SS ， 其中，SS 组间=21)(x xn ki ii -∑= ，组间ν=k -1为组间自由度。

k 表示处理组数。

（2）组内变异：各处理组内部观察值之间不尽相同，这种变异叫做组内变异(variation within groups)，组内变异反映了随机误差的作用，其大小可用组内均方 (组内MS ) 表示， 组内组内组内ν/SS MS = ，其中∑∑==⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=ki n j i ij i x x SS 112)(组内, k N -=组内ν，为组内均方自由度。

（3）总变异：所有观察值之间的变异（不分组），这种变异叫做总变异(total variation)。

其大小可用全体数据的方差表示， 也称总均方(MS 总 )。

按方差的计算方法，MS 总= 总总ν/SS ，其中SS 总=211)(∑∑==-k i n j ijix x, k 为处理组数，in 为第i 组例数，总ν=N -1为总的自由度， N 表示总例数。

（二）方差分析的使用条件（1） 各样本是相互独立的随机样本，且来自正态分布总体。

（2） 各样本的总体方差相等，即方差齐性(homoscedasticity)。

（三）不同设计资料的方差分析 1．完全随机设计的单因素方差分析（1）资料类型：完全随机设计(completely random design)是将受试对象完全随机地分配到各个处理组。

设计因素中只考虑一个处理因素，目的是比较各组平均值之间的差别是否由处理因素造成。

(2) 方差分析表：见表5-1。

F ≥F α时，拒绝H 0: 12k μμμ===。

表5-1 完全随机设计方差分析计算表来源SSνMS F 值 组间SS 组间1-=k 组间νMS 组间=组间组间νSSF=组内组间MS MS组内 (误差) SS 组内=SS 总 － SS 组间组内ν=总ν-组内ν=N - kMS 组内=组内组内νSS总计SS 总总ν= N － 12．随机区组设计的两因素方差分析（1）资料类型：随机区组设计（randomized block design ）是将受试对象按自然属性（如实验动物的窝别、体重，病人的性别、年龄及病情等）相同或相近者组成单位组（区组），然后把每个组中的受试对象随机地分配给不同处理。

设计中有两个因素，一个是处理因素，另一个是按自然属性形成的单位组。

单位组的选择原则是“单位组间差别越大越好，单位组内差别越小越好”。

（2）方差分析表：见表5-2。

F 处理≥F α时，拒绝H 0: 12k μμμ===。

表5-2 随机区组设计方差分析计算表变异来源 SSνMS F 值处理组间SS 处理处理ν= k-1 MS 处理=处理处理νSS F 处理 =误差处理MS MS单位组间SS 单位单位ν= b -1MS 单位=单位单位νSSF 单位 =误差单位MS MS误差 SS 误差= SS 总- SS 处理- SS 单位误差ν=总ν-处理ν-单位ν=N-k-n+1MS 误差=误差误差νSS总计SS 总总ν = N -13．多个样本均数的多重比较如果方差分析结果表明各组间有显著差别，则需要进一步进行两两比较，也称均数间的多重比较（multiple comparison ）。

进行两两比较的方法主要有：（1） LSD-t 检验：称为最小显著差异t 检验。

适用于k 组中某一对或某几对在专业上有特殊意义的均数间差异的比较。

检验统计量为t 值，自由度为方差分析表中的误差自由度，查t 界值表。

ABd BA S X X t -=其中 )(11BAABn n dMS S +=误差 （5-1）（2）Dunnett-t 检验：它适用于k-1个试验组和一个对照组均数差别的多重比较，检验统计量为t 值，自由度为方差分析表中的误差自由度，查Dunnet-t 界值表。

xx i iS x x t --=，其中0x x i S -=)11(n n MS i +误差 （5-2） （3）SNK-q 检验：在方差分析结果拒绝H 0时采用。

适用于所有组均数的两两比较。

检验统计量为q ，自由度为比较组数a 和方差分析表中的误差自由度，查q 界值表。

()A B dX X S q -=其中，11()2A B n n d MS S =+误差4．多组资料方差起行检验当各组标准差相差较大（如1.5倍）时，需检验资料是否满足方差齐性的条件。

5. 变量变换当资料不能满足方差分析的条件时，如果进行方差分析，可能造成错误的判断。

因此对于明显偏离上述使用条件的资料，可以通过变量变换的方法来加以改善。

常用的变量变换方法有：（1）对数变换 对数变换不仅可以将对数正态分布的数据正态化，还能使数据方差达到齐性，特别是各样本的标准差和均数成比例或变异系数接近于一个常数时。

变换公式为：X X lg =' (5-4)当原始数据中有小值或零时，可用)1lg(+='X X（2）平方根变换 常用于使服从Possion 分布的计数资料或轻度偏态的资料正态化；当各样本的方差和均数呈正相关时，可使资料达到方差齐性。

变换公式为：X X =' (5-5)当原始数据中有小值或零时，可用5.0+='X X（3）倒数变换 常用于数据两端波动较大的资料，可使极端值的影响减小。

变换公式为：X X /1=' (5-6)（4）平方根反正弦变换 常用于服从二项分布的率或百分比资料。

一般地，当总体率较小（<30%）或较大（>70%）时，通过平方根反正弦变换，可使资料接近正态，且达到方差齐性的要求。

变换公式为：X X 1sin-=' (5-7) （5）秩转换后，采用秩和检验比较组间差别（祥见第九章）。

6．两因素析因设计方差分析处理含有两因素两水平的全面组合。

例如治疗肿瘤术后病人，可采用4种方法：既不放疗也不化疗（a 0b 0）；放疗不化疗（a 1b 0）；不放疗化疗（a 0b 1）；既放疗又化疗（a 1b 1）。

设放疗为A 因素（两水平），化疗为B 因素（两水平），则构成2⨯2析因设计，目的是分析A 的主效应，B 的主效应及AB 的交互作用。

7．重复测量资料的方差分析受试对象随机分组后，多次测量某一观察指标，以比较处理效应在不同时间点有无变化。

如试验组和对照组的轻度高血压病人入院前、治疗后1天、2天、3天、4天的血压变化。

设处理分组为A 因素，重复测量的时间点为B 因素，目的是分析A 的主效应和AB 的交互作用。

三、典型试题分析1．完全随机设计资料的方差分析中，必然有（ ）A ．SS 组内<SS 组间B ．MS 组间<MS 组内C ．MS 总=MS 组间+MS 组内D ．SS 总=SS 组间+SS 组内 答案：D[评析] 本题考点：方差分析过程中离均差平方和的分解、离均差平方和和均方的关系。

方差分析时总变异的来源有：组间变异和组内变异，总离均差平方和等于组间离均差平方和和组内离均差平方差之和，因此，等式SS 总=SS 组间+SS 组内是成立的。

离均差平方和除以自由度之后的均方就不再有等式关系，因此C 选项不成立。

A 、B 选项不一定成立。

D 选项为正确答案。

2．单因素方差分析中，当P <0.05时，可认为（ ）。

A ．各样本均数都不相等B ．各总体均数不等或不全相等C ．各总体均数都不相等D ．各总体均数相等 答案：B[评析] 本题考点：方差分析的检验假设及统计推断。

方差分析用于多个样本均数的比较，它的备择假设（H 1）是各总体均数不等或不全相等，当P <0.05时，接受H 1，即认为总体均数不等或不全相等。

因此答案选B 。

3. 以下说法中不正确的是（ ）A ．方差除以其自由度就是均方B ．方差分析时要求各样本来自相互独立的正态总体C ．方差分析时要求各样本所在总体的方差相等D ．完全随机设计的方差分析时，组内均方就是误差均方 答案：A[评析] 本题考点：方差分析的使用条件及均方的概念。

方差就是标准差的平方，也就是均方，因此选项A 是错误的。

选项B 、C 是方差分析对资料的要求，因此选项B 和C 都是正确的。

在完全随机设计的方差分析中，组内均方就是误差均方，D 选项也是正确的。

4. 当组数等于2时，对于同一资料，方差分析结果和t 检验结果（ ） 。

A.完全等价且F = tB.方差分析结果更准确C.t 检验结果更准确D.完全等价且F t =答案：D[评析]本题考点：方差分析和t 检验的区别和联系。

对于同一资料，当处理组数为2时，t 检验和方差分析的结果一致且F t =，因此，正确答案为D 。

5. 完全随机设计和随机单位组设计相比较（ ）。

A.两种设计试验效率一样B.随机单位组设计的误差一定小于完全随机设计C.随机单位组设计的变异来源比完全随机设计分得更细D.以上说法都不对 答案：C 。

[评析]：本题考点：两种设计及其方差分析的区别。