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双因素方差分析 ​

原假设 ​

三类原假设的定义 ​

主效应 A 的原假设(H01) ​

在所有 A 因素水平下,因变量的总体均值相等

H01:μA1=μA2=⋯=μAa(a为A的水平数)

主效应 B 的原假设(H02) ​

在所有 B 因素水平下,因变量的总体均值相等

H01:μB1=μB2=⋯=μBb(b为B的水平数)

交互作用 AB 的原假设(H03) ​

A 对因变量的效应不依赖于 B 的水平(或反之)

H03:(αβ)ij=0   对所有i,j

拒绝原假设的含义 ​

假设类型拒绝 H0 的结论
主效应AA因素各水平效果存在显著差异
主效应BB因素各水平效果存在显著差异
交互作用A与B共同作用产生非叠加效应

线性回归视角 ​

模型假设 ​

yijk=μ+αi+βj+(αβ)ij+ϵijk

其中:

  • yijk:是在因素A的第i个水平、因素B的第j个水平下的第k次观测值
  • μ:总体平均值
  • αi:即 A 因素在第 i 个水平下的主效应
  • βj:即 B 因素在第 j 个水平下的主效应
  • (αβ)ij:即 A 因素和 B 因素在水平 i 和水平 j 的交互作用
  • ϵijk:随机误差项,符合正态分布
  • i:行
  • j:列
B1(25 度)B2(30 度)和
A1(青霉素)15、18、2130、33、36
A2(链霉素)24、27、3012、15、18
和Ti.

分解变异(计算平方和) ​

总平方和(SST):所有数据与总体平均数 μ 的偏差 ​

SST=∑i=1a∑j=1b∑k=1n(yijk−y¯...)2
  • yijk:因子 A 的第 i 水平、因子 B 的第 j 水平下,第 k 个观测值
  • y¯...: 全体观测值的平均值 (即总平均 μ)

A 组间平方差(SSA):A 组间均值与总体平均数 μ 的偏差 ​

SSA=bn∑i=1a(y¯i..−y¯...)2

B 组间平方差(SSB):B 组间均值与总体平均数 μ 的偏差 ​

SSB=an∑j=1b(y¯⋅j⋅−y¯...)2

AB 组间平方差(SSAB):AB 两因素组合的组均值与因子 A、B 的主效应之和之间的偏差平方和 ​

SSAB=n∑i=1a∑j=1b(y¯ij⋅−y¯i⋅⋅−y¯⋅j⋅+y¯⋅⋅)2

误差平方和(SSE):组内的数据和组均值之间的误差 ​

SSE=∑i=1a∑j=1b∑k=1n(yijk−y¯ij⋅)2

上述均满足:

SST=SSA+SSB+SSAB+SSE

计算均方与 F 统计量 ​

均方 ​

来源平方和(SS)自由度(df)均方(MS = SS/df)
因子 ASSAa−1MSA=SSAa−1
因子 BSSBb−1MSB=SSBb−1
交互作用 ABSSAB(a−1)(b−1)MSAB=SSAB(a−1)(b−1)
误差(E)SSEab(n−1)MSE=SSEab(n−1)
总体(T)SSTabn−1—
abn−1=(a−1)+(b−1)+(a−1)(b−1)+ab(n−1)

F 统计量 ​

FA=MSAMSE,FB=MSBMSE,FAB=MSABMSE

双因素 ANOVA 表标准格式 ​

变异来源自由度 (df)平方和 (SS)均方 (MS = SS/df)F 值(用于显著性检验)
因子 Aa−1SSAMSA=SSAa−1FA=MSAMSE
因子 Bb−1SSBMSB=SSBb−1FB=MSBMSE
交互作用 AB(a−1)(b−1)SSABMSAB=SSAB(a−1)(b−1)FAB=MSABMSE
误差(组内)ab(n−1)SSEMSE=SSEab(n−1)—
总体(总变异)abn−1SST——

结论 ​

和单因素检验一样,要根据 F 分布密度曲线来下结论,一般来说是右侧单尾检验

不过得先看交互作用,如果交互作用比较明显,则需要做简单检验

快速计算公式(双因子正交设计) ​

校正因子(CT) ​

CT=T2abn

其中:

  • T=∑yijk 是总和
  • abn 是总观测数(a:A 水平数,b:B 水平数,n:每组重复数)

总平方和(SST) ​

SST=∑yijk2−CT

因子 A 的平方和(SSA) ​

SSA=1bn∑i=1aTi⋅⋅2−CT

其中 Ti⋅⋅ 是因子 A 第 i 水平上的所有数据之和。

因子 B 的平方和(SSB) ​

SSB=1an∑j=1bT⋅j⋅2−CT

交互作用平方和(SSAB) ​

SSAB=1n∑i=1a∑j=1bTij⋅2−SSA−SSB−CT

误差平方和(SSE) ​

SSE=SST−SSA−SSB−SSAB

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