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方差分析

方差分析 (ANOVA)

方差分析由罗纳德·费雪提出,核心为检验三组及以上均值是否存在显著差异。将总变异分解为组间和组内两部分:SST=SSB+SSW\mathrm{SST} = \mathrm{SSB} + \mathrm{SSW}。

核心公式

SST=∑i∑j(yij−yˉ)2,  SSB=∑ni(yˉi−yˉ)2,  SSW=∑i∑j(yij−yˉi)2\mathrm{SST} = \sum_{i}\sum_{j}(y_{ij}-\bar{y})^2,\; \mathrm{SSB} = \sum n_i(\bar{y}_i-\bar{y})^2,\; \mathrm{SSW} = \sum_{i}\sum_{j}(y_{ij}-\bar{y}_i)^2

组间均方 MSB=SSB/(k−1)\mathrm{MSB} = \mathrm{SSB}/(k-1),组内均方 MSW=SSW/(N−k)\mathrm{MSW} = \mathrm{SSW}/(N-k)。检验统计量 F=MSB/MSWF = \mathrm{MSB}/\mathrm{MSW}(服从 F(k−1,N−k)F(k-1, N-k))。

H0:μ1=⋯=μkH_0: \mu_1 = \dots = \mu_k vs HaH_a:至少两个不等。若H0H_0真则F≈1,若真则F>>1。决策:p值<α\alpha(0.05)或F>临界值则拒H0H_0。

假设与事后检验

三假设:独立性(观测值相互独立)、正态性(残差正态分布,大样本下因中心极限定理稳健)、方差齐性(各组方差齐,Levene检验/Bartlett检验验证;不齐可进行变换或用Welch's ANOVA)。

ANOVA显著后需事后检验确定具体哪些组有差异:Tukey's HSD(等样本推荐)、Bonferroni校正(保守)、Scheffé's方法(灵活但保守)。避免直接多次t检验导致的多重比较/第一类错误膨胀问题。

扩展类型

双因素方差分析(同时分析两因子的主效应和交互效应)、重复测量方差分析(同对象多时间点测量)、多元方差分析(MANOVA)(多因变量时检验均值向量)。当k=2时ANOVA等价于独立样本t检验(F=t2F = t^2,p值相同)。

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