Многофакторный дисперсионный анализ. Курсовая работа: Дисперсионный анализ Дисперсию какой переменной исследует дисперсионный анализ

5.1. Что такое дисперсионный анализ?

Дисперсионный анализ разработан в 20-х годах XX века английским математиком и генетиком Рональдом Фишером. По данным опроса среди ученых, где выяснялось, кто сильнее всего повлиял на биологию XX века, первенство получил именно сэр Фишер (за свои заслуги он был награжден рыцарским званием - одним из высших отличий в Великобритании); в этом отношении Фишер сравним с Чарльзом Дарвином, оказавшим наибольшее влияние на биологию XIX века.

Дисперсионный анализ (Analis of variance) является сейчас отдельной отраслью статистики. Он основан на открытом Фишером факте, что меру изменчивости изучаемой величины можно разложить на части, соответствующие влияющим на эту величину факторам и случайным отклонениям.

Чтобы понять суть дисперсионного анализа, мы выполним однотипные расчеты дважды: «вручную» (с калькулятором) и с помощью программы Statistica. Для упрощения нашей задачи мы будем работать не с результатами действительного описания разнообразия зеленых лягушек, а с вымышленным примером, который касается сравнения женщин и мужчин у людей. Рассмотрим разнообразие роста 12 взрослых человек: 7 женщин и 5 мужчин.

Таблица 5.1.1. Пример для однофакторного дисперсионного анализа: данные о поле и росте 12 людей

Проведем однофакторный дисперсионный анализ: сравним, статистически значимо или нет отличаются ли мужчины и женщины в охарактеризованной группе по росту.

5.2. Тест на нормальность распределения

Дальнейшие рассуждения основываются на том, что распределение в рассматриваемой выборке нормальное или близкое к нормальному. Если распределение далеко от нормального, дисперсия (варианса) не является адекватной мерой его его изменчивости. Впрочем, дисперсионный анализ относительно устойчив к отклонениям распределения от нормальности.

Тест этих данных на нормальность можно провести двумя разными способами. Первый: Statistics / Basic Statistics/Tables / Descriptive statistics / Вкладка Normality. Во вкладке Normality можно выбрать используемые тесты нормальности распределения. При нажатии на кнопку Frequency tables появится частотная таблица, а кнопки Histograms - гистограмма. На таблице и гистограмме будут приведены результаты различных тестов.

Второй способ связан с использованием соответствующих возможнойтсей при построении гистограмм. В диалоге построения гистограмм (Grafs / Histograms...) следует выбрать вкладку Advanced. В ее нижней части есть блок Statistics. Отметим на ней Shapiro-Wilk test и Kolmogorov-Smirnov test, как это показано на рисунке.

Рис. 5.2.1. Статистические тесты на нормальность распределения в диалоге построения гистограмм

Как видно по гистограмме, распределение роста в нашей выборке отличается от нормального (в середине - «провал»).

Рис. 5.2.2. Гистограмма, построенная с параметрами, указанными на предыдущем рисунке

Третья строка в заголовке графика указывает параметры нормального распределения, к которому оказалось ближе всего наблюдаемое распределение. Генеральное среднее составляет 173, генеральное стандартное отклонение - 10,4. Внизу во врезке на графике указаны результаты тестов на нормальность. D - это критерий Колмогорова-Смирнова, а SW-W - Шапиро-Вилка. Как видно, для всех использованных тестов отличия распределения по росту от нормального распределения оказались статистически незначимыми (p во всех случаях больше, чем 0,05).

Итак, формально говоря, тесты на соответствие распределения нормальному не «запретили» нам использовать параметрический метод, основанный на предположении о нормальном распределении. Как уже сказано, дисперсионный анализ относительно устойчив к отклонениям от нормальности, поэтому мы им все-таки воспользуемся.

5.3. Однофакторный дисперсионный анализ: вычисления «вручную»

Для характеристики изменчивости роста людей в приведенном примере вычислим сумму квадратов отклонений (в английском обозначается как SS , Sum of Squares или ) отдельных значений от среднего: . Среднее значение для роста в приведенном примере составляет 173 сантиметра. Исходя из этого,

SS = (186–173) 2 + (169–173) 2 + (166–173) 2 + (188–173) 2 + (172–173) 2 + (179–173) 2 + (165–173) 2 + (174–173) 2 + (163–173) 2 + (162–173) 2 + (162–173) 2 + (190–173) 2 ;

SS = 132 + 42 + 72 + 152 + 12 + 62 + 82 + 12 + 102 + 112 + 112 + 172;

SS = 169 + 16 + 49 + 225 + 1 + 36 + 64 + 1 + 100 + 121 + 121 + 289 = 1192.

Полученная величина (1192) - мера изменчивости всей совокупности данных. Однако они состоят из двух групп, для каждой из которых можно выделить свою среднюю. В приведенных данных средний рост женщин - 168 см, а мужчин - 180 см.

Вычислим сумму квадратов отклонений для женщин:

SS f = (169–168) 2 + (166–168) 2 + (172–168) 2 + (179–168) 2 + (163–168) 2 + (162–168) 2 ;

SS f = 12 + 22 + 42 + 112 + 32 + 52 + 62 = 1 + 4 + 16 + 121 + 9 + 25 + 36 = 212.

Также вычислим сумму квадратов отклонений для мужчин:

SS m = (186–180) 2 + (188–180) 2 + (174–180) 2 + (162–180) 2 + (190–180) 2 ;

SS m = 62 + 82 + 62 + 182 + 102 = 36 + 64 + 36 + 324 + 100 = 560.

От чего зависит исследуемая величина в соответствии с логикой дисперсионного анализа?

Две вычисленные величины, SS f и SS m , характеризуют внутригрупповую вариансу, которую в дисперсионном анализе принято называть «ошибкой». Происхождение этого названия связано со следующей логикой.

От чего зависит рост человека в рассматриваемом примере? Прежде всего, от среднего роста людей вообще, вне зависимости от их пола. Во вторую очередь - от пола. Если люди одного пола (мужского) выше, чем другого (женского), это можно представить в виде сложения с «общечеловеческой» средней какой-то величины, эффекта пола. Наконец, люди одного пола отличаются по росту в силу индивидуальных отличий. В рамках модели, описывающей рост как сумму общечеловеческой средней и поправки на пол, индивидуальные отличия необъяснимы, и их можно рассматривать как «ошибку».

Итак, в соответствии с логикой дисперсионного анализа, исследуемая величина определяется следующим образом: , где x ij - i-тое значение изучаемой величины при j-том значении изучаемого фактора; - генеральное среднее; F j - влияние j-того значения изучаемого фактора; - «ошибка», вклад индивидуальности объекта, к которому относится величина x ij .

Межгрупповая сумма квадратов

Итак, SS ошибки = SS f + SS m = 212 + 560 = 772. Этой величиной мы описали внутригрупповую изменчивость (при выделении групп по полу). Но есть и вторая часть изменчивости - межгрупповая, которую мы назовем SS эффекта (поскольку речь идет об эффекте разделения совокупности рассматриваемых объектов на женщин и мужчин).

Среднее каждой группы отличается от общей средней. Вычисляя вклад этого отличия в общую меру изменчивости, мы должны умножить отличие групповой и общей средней на число объектов в каждой группе.

SS эффекта = = 7×(168–173) 2 + 5×(180–173) 2 = 7×52 + 5×72 = 7×25 + 5×49 = 175 + 245 = 420.

Здесь проявился открытый Фишером принцип постоянства суммы квадратов: SS = SS эффекта + SS ошибки , т.е. для данного примера, 1192 = 440 + 722.

Средние квадраты

Сравнивая в нашем примере межгрупповую и внутригрупповую суммы квадратов, мы можем увидеть, что первая связана с варьированием двух групп, а вторая - 12 величин в 2 группах. Количество степеней свободы (df ) для какого-то параметра может быть определено как разность количества объектов в группе и количества зависимостей (уравнений), которое связывает эти величины.

В нашем примере df эффекта = 2–1 = 1, а df ошибки = 12–2 = 10.

Мы можем разделить суммы квадратов на число их степеней свободы, получив средние квадраты (MS , Means of Squares). Сделав это, мы можем установить, что MS - ни что иное, как вариансы («дисперсии», результат деления суммы квадратов на число степеней свободы). После этого открытия мы можем понять структуру таблицы дисперсионного анализа. Для нашего примера она будет иметь следующий вид.

МS эффекта и МS ошибки являются оценками межгрупповой и внутригрупповой вариансы, и, значит, их можно сравнить по критерию F (критерию Снедекора, названному в честь Фишера), предназначенному для сравнения варианс. Этот критерий представляет собой просто частное от деления большей вариансы на меньшую. В нашем случае это 420 / 77,2 = 5,440.

Определение статистической значимости критерия Фишера по таблицам

Если бы мы определяли статистическую значимость эффекта вручную, по таблицам, нам было бы необходимо сравнить полученное значение критерия F с критическим, соответствующим определенному уровню статистической значимости при заданных степенях свободы.

Рис. 5.3.1. Фрагмент таблицы с критическими значениями критерия F

Как можно убедиться, для уровня статистической значимости p=0,05 критическое значение критерия F составляет 4,96. Это означает, что в нашем примере действие изучавшегося пола зарегистрировано с уровнем статистической значимости 0,05.

Полученный результат можно интерпретировать так. Вероятность нулевой гипотезы, согласно которой средний рост женщин и мужчин одинаков, а зарегистрированная разница в их росте связана со случайностью при формировании выборок, составляет менее 5%. Это означает, что мы должны выбрать альтернативную гипотезу, заключающуюся в том, что средний рост женщин и мужчин отличается.

5.4. Однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA) в пакете Statistica

В тех случаях, когда расчеты производятся не вручную, а с помощью соответствующих программ (например, пакета Statistica) величина p определяется автоматически. Можно убедиться, что она несколько выше критического значения.

Чтобы проанализировать обсуждаемый пример с помощью простейшего варианта дисперсионного анализа, нужно запустить для файла с соответствующими данными процедуру Statistics / ANOVA и выбрать в окне Type of analysis вариант One-way ANOVA (однофакторный дисперсионный анализ), а в окне Specification method - вариант Quick specs dialog.

Рис. 5.4.1. Диалог General ANOVA/MANOVA (Дисперсионный анализ)

В открывшемся окне быстрого диалога в поле Variables нужно указать те столбцы, которые содержат данные, изменчивость которых мы изучаем (Dependent variable list; в нашем случае - столбец Growth), а также столбец, содержащие значения, разбивающие изучаемую величину на группы (Catigorical predictor (factor); в нашем случае - столбец Sex). В данном варианте анализа, в отличие от многофакторного анализа, может рассматриваться только один фактор.

Рис. 5.4.2. Диалог One-Way ANOVA (Однофакторный дисперсионный анализ)

В окне Factor codes следует указать те значения рассматриваемого фактора, которые нужно обрабатывать в ходе данного анализа. Все имеющиеся значения можно посмотреть с помощью кнопки Zoom; если, как в нашем примере, нужно рассматривать все значения фактора (а для пола в нашем примере их всего два), можно нажать кнопку All. Когда заданы обрабатываемые столбцы и коды фактора, можно нажать кнопку OK и перейти в окно быстрого анализа результатов: ANOVA Results 1, во вкладку Quick.

Рис. 5.4.3. Вкладка Quick окна результатов дисперсионного анализа

Кнопка All effects/Graphs позволяет увидеть, как соотносятся средние двух групп. Над графиком указывается число степеней свободы, а также значения F и p для рассматриваемого фактора.

Рис. 5.4.4. Графическое отображение результатов дисперсионного анализа

Кнопка All effects позволяет получить таблицу дисперсионного анализа, аналогичную описанной выше (с некоторыми существенными отличиями).

Рис. 5.4.5. Таблица с результатами дисперсионного анализа (сравните с аналогичной табличей, полученной "вручную")

В нижней строке таблицы указана сумма квадратов, количество степеней свободы и средние квадраты для ошибки (внутригрупповой изменчивости). На строку выше - аналогичные показатели для исследуемого фактора (в данном случае - признака Sex), a также критерий F (отношение средних квадратов эффекта к средним квадратам ошибки), и уровень его статистической значимости. То, что действие рассматриваемого фактора оказалось статистически значимым, показывает выделение красным цветом.

А в первой строке приведены данные по показателю «Intercept». Эта строка таблицы представляет загадку для пользователей, приобщающихся к пакету Statistica в его 6-й или более поздней версии. Величина Intercept (пересечение, перехват), вероятно, связана с разложением суммы квадратов всех значений данных (т.е. 1862 + 1692 … = 360340). Указанное для нее значение критерия F получено путем деления MS Intercept /MS Error = 353220 / 77,2 = 4575,389 и, естественно, дает очень низкое значение p . Интересно, что в Statistica-5 эта величина вообще не вычислялась, а руководства по использованию более поздних версий пакета никак не комментируют ее введение. Вероятно, лучшее, что может сделать биолог, работающий с пакетом Statistica-6 и последующих версий, это попросту игнорировать строку Intercept в таблице дисперсионного анализа.

5.5. ANOVA и критерии Стьюдента и Фишера: что лучше?

Как вы могли заметить, те данные, которые мы сравнивали с помощью однофакторного дисперсионного анализа, мы могли исследовать и с помощью критериев Стьюдента и Фишера. Сравним эти два метода. Для этого вычислим разницу в росте мужчин и женщин с использованием этих критериев. Для этого нам придется пройти по пути Statistics / Basic Statistics / t-test, independent, by groups. Естественно, Dependent variables - это переменная Growth, а Grouping variable - переменная Sex.

Рис. 5.5.1. Сравнение данных, обработанных с помощью ANOVA, по критериям Стьюдента и Фишера

Как можно убедиться, результат тот же самый, что и при использовании ANOVA. p = 0,041874 в обоих случаях, как показанном на рис. 5.4.5, так и показанном на рис. 5.5.2 (убедитесь в этом сами!).

Рис. 5.5.2. Результаты анализа (подробная расшифровка таблицы результатов - в пункте, посвященном критерию Стьюдента)

Важно подчеркнуть, что хотя критерий F с математической точки зрения в рассматриваемом анализе по критериям Стьюдента и Фишера тот же самый, что в ANOVA (и выражает отношение варианс), смысл его в результатах анализа, представляемых итоговой таблицей, совсем иной. При сравнении по критериям Стьюдента и Фишера сравнение средних значений выборок проводится по критерию Стьюдента, и сравнение их изменчивости проводится по критерию Фишера. В результатах анализа выводится не сама варианса, а ее квадратный корень - стандартное отклонение.

В дисперсионном анализе, напротив, критерий Фишера используется для сравнения средних разных выборок (как мы обсудили, это осуществляется с помощью разделения суммы квадратов на части и сравнения средней суммы квадратов, соответствующей меж- и внутригрупповой изменчивости).

Впрочем, приведенное отличие касается скорее представления результатов статистического исследования, чем его сути. Как указывает, например, Гланц (1999, с. 99), сравнение групп по критерию Стьюдента можно рассматривать как частный случай дисперсионного анализа для двух выборок.

Итак, сравнение выборок по критериям Стьюдента и Фишера имеет одно важное преимущество перед дисперсионным анализом: в нем можно сравнить выборки с точки зрения их изменчивости. Но преимущества дисперсионного анализа все равно весомее. К их числу, например, относится возможность одновременного сравнения нескольких выборок.

Однофакторный дисперсионный анализ.

Понятие и модели дисперсионного анализа.

Тема 13. Дисперсионный анализ

Лекция 1. Вопросы:

Дисперсионный анализ, как метод исследования, появился в работах Р. Фишера (1918-1935 гг.) в связи с исследованиями в сельском хозяйстве для выявления условий, при которых испытываемый сорт с/х культуры даёт максимальный урожай. дальнейшее развитие дисперсионный анализ получил в работах Йеитса. Дисперсионный анализ позволяет ответить на вопрос о наличии существенного влияния некоторых факторов на изменчивость фактора, значения которого могут быть получены в результате опыта. При проверке статистических гипотез предполагается случайность вариации изучаемых факторов. В дисперсионном анализе один или несколько факторов изменяются заданным образом, причём, эти изменения могут влиять на результаты наблюдений. Исследование такого влияния и является целью дисперсионного анализа.

В настоящее время наблюдается все более широкое использование дисперсионного анализа в экономике, социологии, биологии и др., особенно, после появления программных средств, снявших проблемы громоздкости статистических вычислений.

В практической деятельности, в различных областях науки мы часто сталкиваемся с необходимостью оценить влияние различных факторов на те или иные показатели. Часто эти факторы имеют качественный характер (например, качественным фактором, влияющим на экономический эффект, может быть введение новой системы управления производством) и тогда дисперсионный анализ приобретает особую ценность, так как становится единственным статистическим способом исследования, дающим такую оценку.

Дисперсионный анализ дает возможность установить, существенное ли влияние оказывает тот или иной из рассматриваемых факторов на изменчивость признака, а также определить количественно «удельный вес» каждого из источников изменчивости в их общей совокупности. Но дисперсионный анализ позволяет дать положительный ответ лишь о наличии существенного влияния, в противном случае вопрос остается открытым и требует дополнительных исследований (чаще всего – увеличения числа опытов).

В дисперсионном анализе используются следующие термины.

Фактор (Х) – то, что как мы считаем, должно оказывать влияние на результат (результативный признак) Y.

Уровень фактора (или способ обработки, иногда буквально, например – способ обработки почвы) – значения (Х , i = 1,2,…I), которые может принимать фактор.

Отклик – значение измеряемого признака (величина результата Y ).

Техника дисперсионного анализа меняется в зависимости от числа изучаемых независимых факторов. Если факторы, вызывающие изменчивость среднего значения признака, принадлежат одному источнику, то мы имеем простую группировку, или однофакторный дисперсионный анализ и далее, соответственно, двойная группировка – двухфакторный дисперсионный анализ, трехфакторный дисперсионный анализ,…, m- факторный. Факторы в многофакторном анализе принято обозначать латинскими буквами: А, В, С и т.д.

Задача дисперсионного анализа - исследование влияния тех или иных факторов (или уровней факторов) на изменчивость средних значений наблюдаемых случайных величин.

Сущность дисперсионного анализа. Дисперсионный анализ состоит в выделении и оценке отдельных факторов, вызывающих изменчивость. С этой целью производят разложение общей дисперсии наблюдаемой частичной совокупности (общей дисперсии признака), вызванной всеми источниками изменчивости, на составляющие дисперсии, порожденные независимыми факторами. Каждая из этих составляющих дает оценку дисперсии , ,…, вызванную конкретным источником изменчивости, в общей совокупности. Для проверки значимости этих составляющих оценок дисперсии их сравнивают с общей дисперсией в общей совокупности (по критерию Фишера).

Например, в двухфакторном анализе мы получим разложение вида:

Общая дисперсия изучаемого признака C;

Доля дисперсии, вызванная влиянием фактора А;

Доля дисперсии, вызванная влиянием фактора В;

Доля дисперсии, вызванная взаимодействием факторов А и В;

Доля дисперсии, вызванная неучтёнными случайными причинами (случайная дисперсия);

В дисперсионном анализе рассматривается гипотеза: Н 0 – ни один из рассматриваемых факторов не оказывает влияния на изменчивость признака. Значимость каждой из оценок дисперсии проверяется по величине её отношения к оценке случайной дисперсии и сравнивается с соответствующим критическим значением, при уровне значимости a, с помощью таблиц критических значений F-распределения Фишера-Снедекора (прил.4). Гипотеза Н 0 относительно того или иного источника изменчивости отвергается, если F расч. >F кр. (например, для фактора В: S B 2 /S ε 2 >F кр.).

В дисперсионном анализе рассматриваются эксперименты 3-х видов:

а) эксперименты, в которых все факторы имеют систематические (фиксированные) уровни;

б) эксперименты, в которых все факторы имеют случайные уровни;

в) эксперименты, в которых есть факторы, имеющие случайные уровни, а так же факторы, имеющие фиксированные уровни.

Случаи а), б), в) соответствуют трем моделям, которые рассматриваются в дисперсионном анализе.

Исходные данные для дисперсионного анализа обычно представляются в виде следующей табдицы:

Рассмотрим единичный фактор, который принимает р различных уровней, и предположим, что на каждом уровне сделано n наблюдений, что дает N=np наблюдений. (Ограничимся рассмотрением первой модели дисперсионного анализа – все факторы имеют фиксированные уровни.)

Пусть результаты представлены в виде X ij (i=1,2…,р; j=1,2,…,n).

Предполагается, что для каждого уровня n наблюдений имеется средняя, которая равна сумме общей средней и ее вариации обусловленной выбранным уровнем:

где m - общая средняя;

A i - эффект, обусловленный i – м уровнем фактора;

e ij – вариация результатов внутри отдельного уровня фактора. С помощью члена e ij принимаются в расчет все неконтролируемые факторы.

Пусть наблюдения на фиксированном уровне фактора нормально распределены относительно среднего значения m + A i с общей дисперсией s 2 .

Тогда (точка вместо индекса обозначает усреднения соответствующих наблюдений по этому индексу):

А.X ij – X.. = (X i . – X..) + (X ij – X i .). (12.3)

После возведения обеих частей уравнения в квадрат и суммирования по i и j получим:

так как , но

Иначе сумму квадратов можно записать: S = S 1 + S 2 . Величина S 1 вычисляется по отклонениям p средних от общей средней X.., поэтому S 1 имеет (p-1) степеней свободы. Величина S 2 вычисляется по отклонениям N наблюдений от р выборочных средних и, следовательно, имеет N-р = np - p=p(n-1) степеней свободы. S имеет (N-1) степеней свободы. По результатам вычислений строится таблица дисперсионного анализа.

Таблица дисперсионного анализа

Если гипотеза о том, что влияние всех уровней одинаково, справедлива, то обе величины М 1 и М 2 (средние квадраты) будут несмещенными оценками s 2 . Значит, гипотезу можно проверить, вычислив отношение (М 1 /М 2) и сравнив его с F кр. с ν 1 = (р-1) и ν 2 = (N-p) степенями свободы.

Если F расч. >F кр. , то гипотеза о незначимом влиянии фактора А на результат наблюдений не принимается.

Для оценки существенности различий при F расч. F табл. вычисляют:

а) ошибку опыта

б) ошибку разности средних

в) наименьшую существенную разность

Сравнивая разность средних значений по вариантам с НСР, делают вывод о существенности различий в уровне средних.

Замечание. Применение дисперсионного анализа предполагает, что:

2) D(ε ij)=σ 2 = const,

3) ε ij → N (0, σ) или x ij → N (a, σ).

Дисперсионный анализ

Курсовая работа по дисциплине: «Системный анализ»

Исполнитель студент гр. 99 ИСЭ-2 Жбанов В.В.

Оренбургский государственный университет

Факультет информационных технологий

Кафедра прикладной информатики

г. Оренбург-2003

Введение

Цель работы: познакомится с таким статистическим методом, как дисперсионный анализ.

Дисперсионный анализ (от латинского Dispersio – рассеивание) – статистический метод, позволяющий анализировать влияние различных факторов на исследуемую переменную. Метод был разработан биологом Р. Фишером в 1925 году и применялся первоначально для оценки экспериментов в растениеводстве. В дальнейшем выяснилась общенаучная значимость дисперсионного анализа для экспериментов в психологии, педагогике, медицине и др.

Целью дисперсионного анализа является проверка значимости различия между средними с помощью сравнения дисперсий. Дисперсию измеряемого признака разлагают на независимые слагаемые, каждое из которых характеризует влияние того или иного фактора или их взаимодействия. Последующее сравнение таких слагаемых позволяет оценить значимость каждого изучаемого фактора, а также их комбинации /1/.

При истинности нулевой гипотезы (о равенстве средних в нескольких группах наблюдений, выбранных из генеральной совокупности), оценка дисперсии, связанной с внутригрупповой изменчивостью, должна быть близкой к оценке межгрупповой дисперсии.

При проведении исследования рынка часто встает вопрос о сопоставимости результатов. Например, проводя опросы по поводу потребления какого-либо товара в различных регионах страны, необходимо сделать выводы, на сколько данные опроса отличаются или не отличаются друг от друга. Сопоставлять отдельные показатели не имеет смысла и поэтому процедура сравнения и последующей оценки производится по некоторым усредненным значениям и отклонениям от этой усредненной оценки. Изучается вариация признака. За меру вариации может быть принята дисперсия. Дисперсия σ 2 – мера вариации, определяемая как средняя из отклонений признака, возведенных в квадрат.

На практике часто возникают задачи более общего характера – задачи проверки существенности различий средних выборочных нескольких совокупностей. Например, требуется оценить влияние различного сырья на качество производимой продукции, решить задачу о влиянии количества удобрений на урожайность с/х продукции.

Иногда дисперсионный анализ применяется, чтобы установить однородность нескольких совокупностей (дисперсии этих совокупностей одинаковы по предположению; если дисперсионный анализ покажет, что и математические ожидания одинаковы, то в этом смысле совокупности однородны). Однородные же совокупности можно объединить в одну и тем самым получить о ней более полную информацию, следовательно, и более надежные выводы /2/.

1 Дисперсионный анализ

1.1 Основные понятия дисперсионного анализа

В процессе наблюдения за исследуемым объектом качественные факторы произвольно или заданным образом изменяются. Конкретная реализация фактора (например, определенный температурный режим, выбранное оборудование или материал) называется уровнем фактора или способом обработки. Модель дисперсионного анализа с фиксированными уровнями факторов называют моделью I, модель со случайными факторами - моделью II. Благодаря варьированию фактора можно исследовать его влияние на величину отклика. В настоящее время общая теория дисперсионного анализа разработана для моделей I.

В зависимости от количества факторов, определяющих вариацию результативного признака, дисперсионный анализ подразделяют на однофакторный и многофакторный.

Основными схемами организации исходных данных с двумя и более факторами являются:

Перекрестная классификация, характерная для моделей I, в которых каждый уровень одного фактора сочетается при планировании эксперимента с каждой градацией другого фактора;

Иерархическая (гнездовая) классификация, характерная для модели II, в которой каждому случайному, наудачу выбранному значению одного фактора соответствует свое подмножество значений второго фактора.

Если одновременно исследуется зависимость отклика от качественных и количественных факторов, т.е. факторов смешанной природы, то используется ковариационный анализ /3/.

Таким образом, данные модели отличаются между собой способом выбора уровней фактора, что, очевидно, в первую очередь влияет на возможность обобщения полученных экспериментальных результатов. Для дисперсионного анализа однофакторных экспериментов различие этих двух моделей не столь существенно, однако в многофакторном дисперсионном анализе оно может оказаться весьма важным.

При проведении дисперсионного анализа должны выполняться следующие статистические допущения: независимо от уровня фактора величины отклика имеют нормальный (Гауссовский) закон распределения и одинаковую дисперсию. Такое равенство дисперсий называется гомогенностью. Таким образом, изменение способа обработки сказывается лишь на положении случайной величины отклика, которое характеризуется средним значением или медианой. Поэтому все наблюдения отклика принадлежат сдвиговому семейству нормальных распределений.

Говорят, что техника дисперсионного анализа является "робастной". Этот термин, используемый статистиками, означает, что данные допущения могут быть в некоторой степени нарушены, но несмотря на это, технику можно использовать.

При неизвестном законе распределения величин отклика используют непараметрические (чаще всего ранговые) методы анализа.

В основе дисперсионного анализа лежит разделение дисперсии на части или компоненты. Вариацию, обусловленную влиянием фактора, положенного в основу группировки, характеризует межгрупповая дисперсия σ 2 . Она является мерой вариации частных средних по группам вокруг общей средней и определяется по формуле:

,

где k - число групп;

n j - число единиц в j-ой группе;

Частная средняя по j-ой группе;

Общая средняя по совокупности единиц.

Вариацию, обусловленную влиянием прочих факторов, характеризует в каждой группе внутригрупповая дисперсия σ j 2 .

.

Между общей дисперсией σ 0 2 , внутригрупповой дисперсией σ 2 и межгрупповой дисперсией существует соотношение:

σ 0 2 = + σ 2 .

Внутригрупповая дисперсия объясняет влияние неучтенных при группировке факторов, а межгрупповая дисперсия объясняет влияние факторов группировки на среднее значение по группе /2/.

1.2 Однофакторный дисперсионный анализ

Однофакторная дисперсионная модель имеет вид:

x ij = μ + F j + ε ij , (1)

где х ij – значение исследуемой переменой, полученной на i-м уровне фактора (i=1,2,...,т) c j-м порядковым номером (j=1,2,...,n);

F i – эффект, обусловленный влиянием i-го уровня фактора;

ε ij – случайная компонента, или возмущение, вызванное влиянием неконтролируемых факторов, т.е. вариацией переменой внутри отдельного уровня.

Основные предпосылки дисперсионного анализа:

Математическое ожидание возмущения ε ij равно нулю для любых i, т.е.

M(ε ij) = 0; (2)

Возмущения ε ij взаимно независимы;

Дисперсия переменной x ij (или возмущения ε ij) постоянна для

любых i, j, т.е.

D(ε ij) = σ 2 ; (3)

Переменная x ij (или возмущение ε ij) имеет нормальный закон

распределения N(0;σ 2).

Влияние уровней фактора может быть как фиксированным или систематическим (модель I), так и случайным (модель II).

Пусть, например, необходимо выяснить, имеются ли существенные различия между партиями изделий по некоторому показателю качества, т.е. проверить влияние на качество одного фактора - партии изделий. Если включить в исследование все партии сырья, то влияние уровня такого фактора систематическое (модель I), а полученные выводы применимы только к тем отдельным партиям, которые привлекались при исследовании. Если же включить только отобранную случайно часть партий, то влияние фактора случайное (модель II). В многофакторных комплексах возможна смешанная модель III, в которой одни факторы имеют случайные уровни, а другие – фиксированные.

Пусть имеется m партий изделий. Из каждой партии отобрано соответственно n 1 , n 2 , …, n m изделий (для простоты полагается, что n 1 =n 2 =...=n m =n). Значения показателя качества этих изделий представлены в матрице наблюдений:

x 11 x 12 … x 1n

x 21 x 22 … x 2n

………………… = (x ij), (i = 1,2, …, m; j = 1,2, …, n).

x m 1 x m 2 … x mn

Необходимо проверить существенность влияния партий изделий на их качество.

Если полагать, что элементы строк матрицы наблюдений – это численные значения случайных величин Х 1 ,Х 2 ,...,Х m , выражающих качество изделий и имеющих нормальный закон распределения с математическими ожиданиями соответственно a 1 ,а 2 ,...,а m и одинаковыми дисперсиями σ 2 , то данная задача сводится к проверке нулевой гипотезы Н 0: a 1 =a 2 =...= а m , осуществляемой в дисперсионном анализе.

Усреднение по какому-либо индексу обозначено звездочкой (или точкой) вместо индекса, тогда средний показатель качества изделий i-й партии, или групповая средняя для i-го уровня фактора, примет вид:

где i * – среднее значение по столбцам;

Ij – элемент матрицы наблюдений;

n – объем выборки.

А общая средняя:

. (5)

Сумма квадратов отклонений наблюдений х ij от общей средней ** выглядит так:

2 = 2 + 2 +

2 2 . (6)

Q = Q 1 + Q 2 + Q 3 .

Последнее слагаемое равно нулю

так как сумма отклонений значений переменной от ее средней равна нулю, т.е.

2 =0.

Первое слагаемое можно записать в виде:

В результате получается тождество:

Q = Q 1 + Q 2 , (8)

где - общая, или полная, сумма квадратов отклонений;

- сумма квадратов отклонений групповых средних от общей средней, или межгрупповая (факторная) сумма квадратов отклонений;

- сумма квадратов отклонений наблюдений от групповых средних, или внутригрупповая (остаточная) сумма квадратов отклонений.

В разложении (8) заключена основная идея дисперсионного анализа. Применительно к рассматриваемой задаче равенство (8) показывает, что общая вариация показателя качества, измеренная суммой Q, складывается из двух компонент – Q 1 и Q 2 , характеризующих изменчивость этого показателя между партиями (Q 1) и изменчивость внутри партий (Q 2), характеризующих одинаковую для всех партий вариацию под воздействием неучтенных факторов.

В дисперсионном анализе анализируются не сами суммы квадратов отклонений, а так называемые средние квадраты, являющиеся несмещенными оценками соответствующих дисперсий, которые получаются делением сумм квадратов отклонений на соответствующее число степеней свободы.

Число степеней свободы определяется как общее число наблюдений минус число связывающих их уравнений. Поэтому для среднего квадрата s 1 2 , являющегося несмещенной оценкой межгрупповой дисперсии, число степеней свободы k 1 =m-1, так как при его расчете используются m групповых средних, связанных между собой одним уравнением (5). А для среднего квадрата s22, являющегося несмещенной оценкой внутригрупповой дисперсии, число степеней свободы k2=mn-m, т.к. при ее расчете используются все mn наблюдений, связанных между собой m уравнениями (4).

Таким образом:

Если найти математические ожидания средних квадратов и , подставить в их формулы выражение xij (1) через параметры модели, то получится:

(9)

т.к. с учетом свойств математического ожидания

а

(10)

Для модели I с фиксированными уровнями фактора F i (i=1,2,...,m) – величины неслучайные, поэтому

M(S) = 2 /(m-1) +σ 2 .

Гипотеза H 0 примет вид F i = F * (i = 1,2,...,m), т.е. влияние всех уровней фактора одно и то же. В случае справедливости этой гипотезы

M(S)= M(S)= σ 2 .

Для случайной модели II слагаемое F i в выражении (1) – величина случайная. Обозначая ее дисперсией

получим из (9)

(11)

и, как и в модели I

В таблице 1.1 представлен общий вид вычисления значений, с помощью дисперсионного анализа.

Таблица 1.1 – Базовая таблица дисперсионного анализа

Гипотеза H 0 примет вид σ F 2 =0. В случае справедливости этой гипотезы

M(S)= M(S)= σ 2 .

В случае однофакторного комплекса как для модели I, так и модели II средние квадраты S 2 и S 2 , являются несмещенными и независимыми оценками одной и той же дисперсии σ 2 .

Следовательно, проверка нулевой гипотезы H 0 свелась к проверке существенности различия несмещенных выборочных оценок S и S дисперсии σ 2 .

Гипотеза H 0 отвергается, если фактически вычисленное значение статистики F = S/S больше критического F α: K 1: K 2 , определенного на уровне значимости α при числе степеней свободы k 1 =m-1 и k 2 =mn-m, и принимается, если F < F α: K 1: K 2 .

F- распределение Фишера (для x > 0) имеет следующую функцию плотности (для = 1, 2, ...; = 1, 2, ...):

где - степени свободы;

Г - гамма-функция.

Применительно к данной задаче опровержение гипотезы H 0 означает наличие существенных различий в качестве изделий различных партий на рассматриваемом уровне значимости.

Для вычисления сумм квадратов Q 1 , Q 2 , Q часто бывает удобно использовать следующие формулы:

(12)

(13)

(14)

т.е. сами средние, вообще говоря, находить не обязательно.

Таким образом, процедура однофакторного дисперсионного анализа состоит в проверке гипотезы H 0 о том, что имеется одна группа однородных экспериментальных данных против альтернативы о том, что таких групп больше, чем одна. Под однородностью понимается одинаковость средних значений и дисперсий в любом подмножестве данных. При этом дисперсии могут быть как известны, так и неизвестны заранее. Если имеются основания полагать, что известная или неизвестная дисперсия измерений одинакова по всей совокупности данных, то задача однофакторного дисперсионного анализа сводится к исследованию значимости различия средних в группах данных /1/.

1.3 Многофакторный дисперсионный анализ

Следует сразу же отметить, что принципиальной разницы между многофакторным и однофакторным дисперсионным анализом нет. Многофакторный анализ не меняет общую логику дисперсионного анализа, а лишь несколько усложняет ее, поскольку, кроме учета влияния на зависимую переменную каждого из факторов по отдельности, следует оценивать и их совместное действие. Таким образом, то новое, что вносит в анализ данных многофакторный дисперсионный анализ, касается в основном возможности оценить межфакторное взаимодействие. Тем не менее, по-прежнему остается возможность оценивать влияние каждого фактора в отдельности. В этом смысле процедура многофакторного дисперсионного анализа (в варианте ее компьютерного использования) несомненно более экономична, поскольку всего за один запуск решает сразу две задачи: оценивается влияние каждого из факторов и их взаимодействие /3/.

Общая схема двухфакторного эксперимента, данные которого обрабатываются дисперсионным анализом имеет вид:

Рисунок 1.1 – Схема двухфакторного эксперимента

Данные, подвергаемые многофакторному дисперсионному анализу, часто обозначают в соответствии с количеством факторов и их уровней.

Предположив, что в рассматриваемой задаче о качестве различных m партий изделия изготавливались на разных t станках и требуется выяснить, имеются ли существенные различия в качестве изделий по каждому фактору:

А - партия изделий;

B - станок.

В результате получается переход к задаче двухфакторного дисперсионного анализа.

Все данные представлены в таблице 1.2, в которой по строкам - уровни A i фактора А, по столбцам - уровни B j фактора В, а в соответствующих ячейках, таблицы находятся значения показателя качества изделий x ijk (i=1,2,...,m; j=1,2,...,l; k=1,2,...,n).

Таблица 1.2 – Показатели качества изделий

Двухфакторная дисперсионная модель имеет вид:

x ijk =μ+F i +G j +I ij +ε ijk , (15)

где x ijk - значение наблюдения в ячейке ij с номером k;

μ - общая средняя;

F i - эффект, обусловленный влиянием i-го уровня фактора А;

G j - эффект, обусловленный влиянием j-го уровня фактора В;

I ij - эффект, обусловленный взаимодействием двух факторов, т.е. отклонение от средней по наблюдениям в ячейке ij от суммы первых трех слагаемых в модели (15);

ε ijk - возмущение, обусловленное вариацией переменной внутри отдельной ячейки.

Предполагается, что ε ijk имеет нормальный закон распределения N(0; с 2), а все математические ожидания F * , G * , I i * , I * j равны нулю.

Групповые средние находятся по формулам:

В ячейке:

по строке:

по столбцу:

общая средняя:

В таблице 1.3 представлен общий вид вычисления значений, с помощью дисперсионного анализа.

Таблица 1.3 – Базовая таблица дисперсионного анализа

Проверка нулевых гипотез HA, HB, HAB об отсутствии влияния на рассматриваемую переменную факторов А, B и их взаимодействия AB осуществляется сравнением отношений , , (для модели I с фиксированными уровнями факторов) или отношений , , (для случайной модели II) с соответствующими табличными значениями F – критерия Фишера – Снедекора. Для смешанной модели III проверка гипотез относительно факторов с фиксированными уровнями производится также как и в модели II, а факторов со случайными уровнями – как в модели I.

Если n=1, т.е. при одном наблюдении в ячейке, то не все нулевые гипотезы могут быть проверены так как выпадает компонента Q3 из общей суммы квадратов отклонений, а с ней и средний квадрат , так как в этом случае не может быть речи о взаимодействии факторов.

С точки зрения техники вычислений для нахождения сумм квадратов Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 , Q целесообразнее использовать формулы:

Q 3 = Q – Q 1 – Q 2 – Q 4 .

Отклонение от основных предпосылок дисперсионного анализа - нормальности распределения исследуемой переменной и равенства дисперсий в ячейках (если оно не чрезмерное) - не сказывается существенно на результатах дисперсионного анализа при равном числе наблюдений в ячейках, но может быть очень чувствительно при неравном их числе. Кроме того, при неравном числе наблюдений в ячейках резко возрастает сложность аппарата дисперсионного анализа. Поэтому рекомендуется планировать схему с равным числом наблюдений в ячейках, а если встречаются недостающие данные, то возмещать их средними значениями других наблюдений в ячейках. При этом, однако, искусственно введенные недостающие данные не следует учитывать при подсчете числа степеней свободы /1/.

2 Применение дисперсионного анализа в различных процессах и исследованиях

2.1 Использование дисперсионного анализа при изучении миграционных процессов

Миграция - сложное социальное явление, во многом определяющее экономическую и политическую стороны жизни общества. Исследование миграционных процессов связано с выявлением факторов заинтересованности, удовлетворенности условиями труда, и оценкой влияния полученных факторов на межгрупповое движение населения.

λ ij =c i q ij a j ,

где λ ij – интенсивность переходов из исходной группы i (выхода) в новую j (входа);

c i – возможность и способности покинуть группу i (c i ≥0);

q ij – привлекательность новой группы по сравнению с исходной (0≤q ij ≤1);

a j – доступность группы j (a j ≥0).

ν ij ≈ n i λ ij =n i c i q ij a j . (16)

На практике для отдельного человека вероятность p перехода в другую группу мала, а численность рассматриваемой группы n велика. В этом случае действует закон редких событий, то есть пределом ν ij является распределение Пуассона с параметром μ=np:

.

С ростом μ распределение приближается к нормальному. Преобразованную же величину √ν ij можно считать нормально распределенной.

Если прологарифмировать выражение (16) и сделать необходимые замены переменных, то можно получить модель дисперсионного анализа:

ln√ν ij =½lnν ij =½(lnn i +lnc i +lnq ij +lna j)+ε ij ,

X i,j =2ln√ν ij -lnn i -lnq ij ,

X i,j =C i +A j +ε.

Значения C i и A j позволяют получить модель двухфакторного дисперсионного анализа с одним наблюдением в клетке. Обратным преобразованием из C i и A j вычисляются коэффициенты c i и a j .

При проведении дисперсионного анализа в качестве значений результативного признака Y следует взять величины:

Х=(Х 1,1 +Х 1,2 +:+Х mi,mj)/mimj,

где mimj- оценка математического ожидания Х i,j ;

Х mi и Х mj - соответственно количество групп выхода и входа.

Уровнями фактора I будут mi групп выхода, уровнями фактора J - mj групп входа. Предполагается mi=mj=m. Встает задача проверки гипотез H I и H J о равенствах математических ожиданий величины Y при уровнях I i и при уровнях J j , i,j=1,…,m. Проверка гипотезы H I основывается на сравнении величин несмещенных оценок дисперсии s I 2 и s o 2 . Если гипотеза H I верна, то величина F (I) = s I 2 /s o 2 имеет распределение Фишера с числами степеней свободы k 1 =m-1 и k 2 =(m-1)(m-1). Для заданного уровня значимости α находится правосторонняя критическая точка x пр,α кр. Если числовое значение F (I) чис величины попадает в интервал (x пр,α кр, +∞), то гипотеза H I отвергается и считается, что фактор I влияет на результативный признак. Степень этого влияния по результатам наблюдений измеряется выборочным коэффициентом детерминации, который показывает, какая доля дисперсии результативного признака в выборке обусловлена влиянием на него фактора I. Если же F (I) чис

2.2 Принципы математико-статистического анализа данных медико-биологических исследований

В зависимости от поставленной задачи, объема и характера материала, вида данных и их связей находится выбор методов математической обработки на этапах как предварительного (для оценки характера распределения в исследуемой выборке), так и окончательного анализа в соответствии с целями исследования. Крайне важным аспектом является проверка однородности выбранных групп наблюдения, в том числе контрольных, что может быть проведено или экспертным путем, или методами многомерной статистики (например, с помощью кластерного анализа). Но первым этапом является составление вопросника, в котором предусматривается стандартизованное описание признаков. В особенности при проведении эпидемиологических исследований, где необходимо единство в понимании и описании одних и тех же симптомов разными врачами, включая учет диапазонов их изменений (степени выраженности). В случае существенности различий в регистрации исходных данных (субъективная оценка характера патологических проявлений различными специалистами) и невозможности их приведения к единому виду на этапе сбора информации, может быть затем осуществлена так называемая коррекция ковариант, которая предполагает нормализацию переменных, т.е. устранение ненормальностей показателей в матрице данных. "Согласование мнений" осуществляется с учетом специальности и опыта врачей, что позволяет затем сравнивать полученные ими результаты обследования между собой. Для этого могут использоваться многомерный дисперсионный и регрессионный анализы.

Признаки могут быть как однотипными, что бывает редко, так и разнотипными. Под этим термином понимается их различная метрологическая оценка. Количественные или числовые признаки - это замеренные в определенной шкале и в шкалах интервалов и отношений (I группа признаков). Качественные, ранговые или балльные используются для выражения медицинских терминов и понятий не имеющих цифровых значений (например, тяжесть состояния) и замеряются в шкале порядка (II группа признаков). Классификационные или номинальные (например, профессия, группа крови) - это замеренные в шкале наименований (III группа признаков).

Во многих случаях делается попытка анализа крайне большого числа признаков, что должно способствовать повышению информативности представленной выборки. Однако выбор полезной информации, то есть осуществление отбора признаков является операцией совершенно необходимой, поскольку для решения любой классификационной задачи должны быть отобраны сведения, несущие полезную для данной задачи информацию. В случае, если это не осуществлено по каким-то причинам исследователем самостоятельно или отсутствуют достаточно обоснованные критерии для снижения размерности пространства признаков по содержательным соображениям, борьба с избыточностью информации осуществляется уже формальными методами путем оценки информативности.

Дисперсионный анализ позволяет определить влияние разных факторов (условий) на исследуемый признак (явление), что достигается путем разложения совокупной изменчивости (дисперсии, выраженной в сумме квадратов отклонений от общего среднего) на отдельные компоненты, вызванные влиянием различных источников изменчивости.

С помощью дисперсионного анализа исследуются угрозы заболевания при наличии факторов риска. Концепция относительного риска рассматривает отношение между пациентами с определенной болезнью и не имеющими ее. Величина относительного риска дает возможность определить, во сколько раз увеличивается вероятность заболеть при его наличии, что может быть оценено с помощью следующей упрощенной формулы:

где a - наличие признака в исследуемой группе;

b - отсутствие признака в исследуемой группе;

c - наличие признака в группе сравнения (контрольной);

d - отсутствие признака в группе сравнения (контрольной).

Показатель атрибутивного риска (rA) служит для оценки доли заболеваемости, связанной с данным фактором риска:

,

где Q - частота признака, маркирующего риск, в популяции;

r" - относительный риск.

Выявление факторов, способствующих возникновению (проявлению) заболевания, т.е. факторов риска может осуществляться различными способами, например, путем оценки информативности с последующим ранжированием признаков, что однако не указывает на совокупное действие отобранных параметров, в отличие от применения регрессионного, факторного анализов, методов теории распознавания образов, которые дают возможность получать "симптомокомплексы" риск-факторов. Кроме того, более сложные методы позволяют анализировать и непрямые связи между факторами риска и заболеваниями /5/.

2.3 Биотестирование почвы

Многообразные загрязняющие вещества, попадая в агроценоз, могут претерпевать в нем различные превращения, усиливая при этом свое токсическое действие. По этой причине оказались необходимыми методы интегральной оценки качества компонентов агроценоза. Исследования проводили на базе многофакторного дисперсионного анализа в 11-ти польном зернотравянопропашном севообороте. В опыте изучалось влияние следующих факторов: плодородие почвы (А), система удобрений (В), система защиты растений (С). Плодородие почвы, система удобрений и система защиты растений изучались в дозах 0, 1, 2 и 3. Базовые варианты были представлены следующими комбинациями:

000 - исходный уровень плодородия, без применения удобрений и средств защиты растений от вредителей, болезней и сорняков;

111 - средний уровень плодородия почвы, минимальная доза удобрения, биологическая защита растений от вредителей и болезней;

222 - исходный уровень плодородия почвы, средняя доза удобрений, химическая защита растений от сорняков;

333 - высокий уровень плодородия почвы, высокая доза удобрений, химическая защита растений от вредителей и болезней.

Изучались варианты, где представлен только один фактор:

200 – плодородие:

020 – удобрения;

002 - средства защиты растений.

А также варианты с различным сочетанием факторов - 111, 131, 133, 022, 220, 202, 331, 313, 311.

Целью исследования являлось изучение торможения хлоропластов и коэффициента мгновенного роста, как показателей загрязнения почвы, в различных вариантах многофакторного опыта.

Торможение фототаксиса хлоропластов ряски малой исследовали в различных горизонтах почвы: 0-20, 20-40 см. Анализ изменчивости фототаксиса в разных вариантах опыта показал достоверное влияние каждого из факторов (плодородия почвы, системы удобрений и системы защиты растений). Доля в общей дисперсии плодородия почвы составила 39,7%, системы удобрений - 30,7%, системы защиты растений - 30,7 %.

Для исследования совокупного влияния факторов на торможение фототаксиса хлоропластов использовались различные сочетания вариантов опыта: в первом случае - 000, 002, 022, 222, 220, 200, 202, 020, во втором случае - 111, 333, 331, 313, 133, 311, 131.

Результаты двухфакторного дисперсионного анализа свидетельствуют о достоверном влиянии взаимодействующих системы удобрений и системы защиты растений на различия в фототаксисе для первого случая (доля в общей дисперсии составила 10,3%). Для второго случая обнаружено достоверное влияние взаимодействующих плодородия почвы и системы удобрений (53,2%).

Трехфакторный дисперсионный анализ показал в первом случае достоверное влияние взаимодействия всех трех факторов. Доля в общей дисперсии составила 47,9%.

Коэффициент мгновенного роста исследовали в различных вариантах опыта 000, 111, 222, 333, 002, 200, 220. Первый этап тестирования - до внесения гербицидов на посевах озимой пшеницы (апрель), второй этап - после внесения гербицидов (май) и последний - на момент уборки (июль). Предшетвенники - подсолнечник и кукуруза на зерно.

Появление новых листецов наблюдали после короткой лаг-фазы с периодом суммарного удвоения сырой массы 2 - 4 суток.

В контроле и в каждом варианте на основании полученных результатов рассчитывали коэффициент мгновенного роста популяции r и далее рассчитывали время удвоения численности листецов (t удв).

t удв =ln2/r.

Расчет этих показателей был проведен в динамике с анализом почвенных образцов. Анализ данных показал, что время удвоения популяции рясок до обработки почвы было наименьшем по сравнению с данными после обработки и на момент уборки. В динамике наблюдений больший интерес вызывает отклик почвы после внесения гербицида и на момент уборки. Прежде всего взаимодействие с удобрениями и уровнем плодородия.

Подчас получить прямой отклик на внесение химических препараратов может быть осложнено взаимодействием препарата с удобрениями, как органическими, так и минеральными. Полученные данные позволили проследить динамику отклика вносимых препаратов, во всех вариантах с химическими средствами защиты, где отмечается приостановка роста индикатора.

Данные однофакторного дисперсионного анализа показали достоверное влияние каждого показателя на темпы роста ряски малой на первом этапе. На втором этапе эффект различий по плодородию почвы составил 65,0 %, по системе удобрений и системе защиты растений - по 65,0%. Факторы показали достоверные различия среднего по коэффициенту мгновенного роста варианта 222 и вариантов 000, 111, 333. На третьем этапе доля в общей дисперсии плодородия почвы составила 42,9%, системы удобрений и системы защиты растений - по 42,9%. Отмечено достоверное различие по средним значениям вариантов 000 и 111, вариантов 333 и 222.

Исследуемые образцы почвы с вариантов полевого мониторинга отличаются друг от друга по показателю торможение фототаксиса. Отмечено влияние факторов плодородия, система удобрений и средства защиты растений с долями 30,7 и 39,7% при однофакторном анализе, при двух факторном и трехфакторном - зарегистрировали совместное влияние факторов.

Анализ результатов опыта показал незначительные различия между горизонтами почвы по показателю - торможение фототаксиса. Отличия отмечены по средним значениям.

На всех вариантах, где имеются средства защиты растений наблюдается изменения положения хлоропластов и приостановка роста ряски малой /6/.

2.4 Грипп вызывает повышенную выработку гистамина

Исследователи из детской больницы в Питсбурге (США) получили первые доказательства того, что при острых респираторных вирусных инфекциях повышается уровень гистамина. Несмотря на то, что и раньше предполагалось, что гистамин играет определенную роль в возникновении симптомов острых респираторных инфекциях верхних дыхательных путей.

Ученых интересовало, почему многие люди применяют для самолечения «простудных» заболеваний и насморка антигистаминные препараты, которые во многих странах входят в категорию OTC, т.е. доступны без рецепта врача.

Целью проведенного исследования было определить, повышается ли продукция гистамина при экспериментальной инфекции, вызванной вирусом гриппа А.

15 здоровым добровольцам интраназально ввели вирус гриппа А, а затем наблюдали за развитием инфекции. Ежедневно в течение заболевания у добровольцев собиралась утренняя порция мочи, а затем проводилось определение гистамина и его метаболитов и рассчитывалось общее количество гистамина и его метаболитов, выделенных за сутки.

Заболевание развилось у всех 15 добровольцев. Дисперсионный анализ подтвердил достоверно более высокий уровень гистамина в моче на 2-5 сутки вирусной инфекции (p<0,02) - период, когда симптомы «простуды» наиболее выражены. Парный анализ показал, что наиболее значительно уровень гистамина повышается на 2 день заболевания. Кроме этого, оказалось, что суточное количество гистамина и его метаболитов в моче при гриппе примерно такое же, как и при обострении аллергического заболевания.

Результаты данного исследования служат первыми прямыми доказательствами того, что уровень гистамина повышается при острых респираторных инфекциях /7/.

Дисперсионный анализ в химии

Дисперсионный анализ – совокупность методов определения дисперсности, т. е. характеристики размеров частиц в дисперсных системах. Дисперсионный анализ включает различные способы определения размеров свободных частиц в жидких и газовых средах, размеров каналов-пор в тонкопористых телах (в этом случае вместо понятия дисперсности используют равнозначное понятие пористости), а также удельной поверхности. Одни из методов дисперсионного анализа позволяют получать полную картину распределения частиц по размерам (объёмам), а другие дают лишь усреднённую характеристику дисперсности (пористости).

К первой группе относятся, например, методы определения размеров отдельных частиц непосредственным измерением (ситовой анализ, оптическая и электронная микроскопия) или по косвенным данным: скорости оседания частиц в вязкой среде (седиментационный анализ в гравитационном поле и в центрифугах), величине импульсов электрического тока, возникающих при прохождении частиц через отверстие в непроводящей перегородке (кондуктометрический метод).

Вторая группа методов объединяет оценку средних размеров свободных частиц и определение удельной поверхности порошков и пористых тел. Средний размер частиц находят по интенсивности рассеянного света (нефелометрия), с помощью ультрамикроскопа, методами диффузии и т.д., удельную поверхность - по адсорбции газов (паров) или растворённых веществ, по газопроницаемости, скорости растворения и др. способами. Ниже приведены границы применимости различных методов дисперсионного анализа (размеры частиц в метрах):

Ситовой анализ – 10 -2 -10 -4

Седиментационный анализ в гравитационном поле – 10 -4 -10 -6

Кондуктометрический метод – 10 -4 -10 -6

Микроскопия – 10 -4 -10 -7

Метод фильтрации – 10 -5 -10 -7

Центрифугирование – 10 -6 -10 -8

Ультрацентрифугирование – 10 -7 -10 -9

Ультрамикроскопия – 10 -7 -10 -9

Нефелометрия – 10 -7 -10 -9

Электронная микроскопия – 10 -7 -10 -9

Метод диффузии – 10 -7 -10 -10

Дисперсионный анализ широко используют в различных областях науки и промышленного производства для оценки дисперсности систем (суспензий, эмульсий, золей, порошков, адсорбентов и т.д.) с величиной частиц от нескольких миллиметров (10 -3 м) до нескольких нанометров (10 -9 м) /8/.

2.6 Использование прямого преднамеренного внушения в бодрствующем состоянии в методике воспитания физических качеств

Физическая подготовка – основополагающая сторона спортивной тренировки, так как в большей мере, чем другие стороны подготовки, характеризуется физическими нагрузками, воздействующими на морфофункциональные свойства организма. От уровня физической подготовленности зависят успешность технической подготовки, содержание тактики спортсмена, реализация личностных свойств в процессе тренировок и состязаний.

Одной из основных задач физической подготовки является воспитание физических качеств. В связи с этим возникает необходимость в разработке педагогических средств и методов, позволяющих учитывать возрастные особенности юных спортсменов, сохраняющих их здоровье, не требующих дополнительных затрат времени и в то же время стимулирующих рост физических качеств и, как следствие, - спортивного мастерства. Использование вербального гетеровоздействия в тренировочном процессе в группах начальной подготовки - одно из перспективных направлений исследований по данной проблеме.

Анализ теории и практики реализации внушающего вербального гетеровоздействия выявил основные противоречия:

Доказанность эффективного использования специфических методов вербального гетеровоздействия в тренировочном процессе и практическую невозможность их использования тренером;

Признание прямого преднамеренного внушения (далее ППВ) в бодрствующем состоянии как одного из основных методов вербального гетеровоздействия в педагогической деятельности тренера и отсутствие теоретического обоснования методических особенностей его применения в спортивной подготовке, и в частности в процессе воспитания физических качеств.

В связи с выявленными противоречиями и недостаточной разработанностью проблема использования системы методов вербального гетеровоздействия в процессе воспитания физических качеств спортсменов предопределила цель исследования - разработать рациональные целенаправленные методики ППВ в бодрствующем состоянии, способствующие совершенствованию процесса воспитания физических качеств на основе оценки психического состояния, проявления и динамики физических качеств дзюдоистов групп начальной подготовки.

С целью апробации и определения эффективности экспериментальных методик ППВ при воспитании физических качеств дзюдоистов был проведен сравнительный педагогический эксперимент, в котором приняли участие четыре группы – три экспериментальных и одна контрольная. В первой экспериментальной группе (ЭГ) использовалась методика ППВ М1, во второй - методика ППВ М2, в третьей - методика ППВ М3. В контрольной группе (КГ) методики ППВ не применялись.

Для определения эффективности педагогического воздействия методик ППВ в процессе воспитания у дзюдоистов физических качеств был проведен однофакторный дисперсионный анализ.

Степень влияния методики ППВ M1 в процессе воспитания:

Выносливости:

а) после третьего месяца составила 11,1%;

Скоростных способностей:

а) после первого месяца - 16,4%;

б) после второго - 26,5%;

в) после третьего - 34,8%;

а) после второго месяца - 26, 7%;

б) после третьего - 35,3%;

Гибкости:

а) после третьего месяца - 20,8%;

а) после второго месяца основного педагогического эксперимента степень влияния методики составила 6,4%;

б) после третьего - 10,2%.

Следовательно, существенные изменения в показателях уровня развития физических качеств с использованием методики ППВ М1 обнаружены в скоростных способностях и силе, степень влияния методики в данном случае наибольшая. Наименьшая степень влияния методики обнаружена в процессе воспитания выносливости, гибкости, координационных способностей, что дает основание говорить о недостаточной эффективности использования методики ППВ М1 при воспитании указанных качеств.

Степень влияния методики ППВ M2 в процессе воспитания:

Выносливости

а) после первого месяца эксперимента - 12,6%;

б) после второго - 17,8%;

в) после третьего - 20,3%.

Скоростных способностей:

а) после третьего месяца тренировочных занятий - 28%.

а) после второго месяца - 27,9%;

б) после третьего - 35,9%.

Гибкости:

а) после третьего месяца тренировочных занятий - 14,9%;

Координационных способностей - 13,1%.

Полученный результат однофакторного дисперсионного анализа данной ЭГ позволяет сделать вывод о том, что методика ППВ М2 наиболее результативна при воспитании выносливости и силы. Менее эффективна она в процессе воспитания гибкости, скоростных и координационных способностей.

Степень влияния методики ППВ М3 в процессе воспитания:

Выносливости:

а) после первого месяца эксперимента 16,8%;

б) после второго - 29,5%;

в) после третьего - 37,6%.

Скоростных способностей:

а) после первого месяца - 26,3%;

б) после второго - 31,3%;

в) после третьего - 40,9%.

а) после первого месяца - 18,7%;

б) после второго - 26,7%;

в) после третьего - 32,3%.

Гибкости:

а) после первого - изменений нет;

б) после второго - 16,9%;

в) после третьего - 23,5%.

Координационных способностей:

а) после первого месяца изменений нет;

б) после второго - 23,8%;

в) после третьего - 91% .

Таким образом, однофакторный дисперсионный анализ показал, что использование методики ППВ М3 в подготовительном периоде наиболее эффективно в процессе воспитания физических качеств, так как наблюдается увеличение степени ее влияния после каждого месяца педагогического эксперимента /9/.

2.7 Купирование острой психотической симптоматики у больных шизофренией атипичным нейролептиком

Цель исследования сводилась к изучению возможности применения рисполепта для купирования острых психозов у больных с диагнозом шизофрении (параноидный тип по МКБ-10) и шизоаффективного расстройства. При этом в качестве основного изучаемого критерия использовался показатель длительности сохранения психотической симптоматики в условиях фармакотерапии рисполептом (основная группа) и классическими нейролептиками.

Основные задачи исследования сводились к определению показателя длительности психоза (так называемый нетто-психоз), под которым понималось сохранение продуктивной психотической симптоматики с момента начала применения нейролептиков, выраженное в днях. Данный показатель был рассчитан отдельно для группы, принимавшей рисперидон, и отдельно для группы, принимавшей классические нейролептики.

Наряду с этим была поставлена задача по определению доли редукции продуктивной симптоматики под влиянием рисперидона в сравнении с классическими нейролептиками в разные сроки терапии.

В общей сложности изучены 89 больных (42 мужчины и 47 женщин) с острой психотической симптоматикой в рамках параноидной формы шизофрении (49 больных) и шизоаффективного расстройства (40 больных).

Первый эпизод и длительность заболевания до 1 года были зарегистрированы у 43 больных, тогда как в остальных случаях на момент исследования отмечались последующие эпизоды шизофрении при длительности заболевания свыше 1 года.

Терапию рисполептом получали 29 человек, среди которых с так называемым первым эпизодом было 15 больных. Терапию классическими нейролептиками получали 60 человек, среди которых с первым эпизодом было 28 человек. Доза рисполепта варьировала в диапазоне от 1 до 6 мг в сутки и в среднем составляла 4±0,4 мг/сут. Рисперидон принимали исключительно внутрь после еды один раз в сутки в вечернее время.

Терапия классическими нейролептиками включала применение трифлуоперазина (трифтазина) в суточной дозе до 30 мг внутримышечно, галоперидола в суточной дозе до 20 мг внутримышечно, триперидола в суточной дозе до 10 мг внутрь. Подавляющее большинство больных принимало классические нейролептики в виде монотерапии в течение первых двух недель, после чего переходили в случае необходимости (при сохранении бредовой, галлюцинаторной или другой продуктивной симптоматики) к сочетанию нескольких классических нейролептиков. При этом в качестве основного препарата оставался нейролептик с выраженным элективным антибредовым и антигаллюцинаторным аффектом (например, галоперидол или трифтазин), к нему присоединяли в вечернее время препарат с отчетливым гипноседативным эффектом (аминазин, тизерцин, хлорпротиксен в дозах до 50-100 мг/сут).

В группе, принимавшей классические нейролептики, был предусмотрен прием корректоров холинолитического ряда (паркопан, циклодол) в дозах до 10-12 мг/сут. Корректоры назначались в случае появления отчетливых побочных экстрапирамидных эффектов в виде острых дистоний, лекарственного паркинсонизма и акатизии.

В таблице 2.1 представлены данные по длительности психоза при лечении рисполептом и классическими нейролептиками.

Таблица 2.1 – Длительность психоза ("нетто-психоз") при лечении рисполептом и классическими нейролептиками

Как следует из данных таблицы, при сравнении длительности психоза при терапии классическими нейролептиками и рисперидоном наблюдается практически двукратное сокращение продолжительности психотической симптоматики под влиянием рисполепта. Существенно, что на данную величину продолжительности психоза не влияли ни факторы порядкового номера приступов, ни характер картины ведущего синдрома. Иначе говоря, длительность психоза определялась исключительно фактором терапии, т.е. зависела от типа применяемого препарата безотносительно порядкового номера приступа, продолжительности заболевания и характера ведущего психопатологического синдрома.

С целью подтверждения полученных закономерностей был проведен двухфакторный дисперсионный анализ. При этом поочередно учитывалось взаимодействие фактора терапии и порядкового номера приступа (1-й этап) и взаимодействие фактора терапии и характера ведущего синдрома (2-й этап). Результаты дисперсионного анализа подтвердили влияние фактора терапии на величину длительности психоза (F=18,8) при отсутствии влияния фактора номера приступа (F=2,5) и фактора типа психопатологического синдрома (F=1,7). Немаловажно, что совместное влияние фактора терапии и номера приступа на величину длительности психоза также отсутствовало, равно как и совместное влияние фактора терапии и фактора психопатологического синдрома.

Таким образом, результаты дисперсионного анализа подтвердили влияние только фактора применяемого нейролептика. Рисполепт однозначно приводил к сокращению длительности психотической симптоматики по сравнению с традиционными нейролептиками примерно в 2 раза. Принципиально, что этот эффект был достигнут, несмотря на пероральный прием рисполепта, тогда как классические нейролептики применялись у большей части больных парентерально /10/.

2.8 Снование фасонной пряжи с ровничным эффектом

В Костромском Государственном технологическом университете разработана новая структура фасонной нити с переменными геометрическими параметрами. В связи с этим возникает проблема переработки фасонной пряжи в приготовительном производстве. Данное исследование посвящалось процессу снования по вопросам: выбор типа натяжного устройства, дающего минимальный разброс натяжения и выравнивание натяжения, нитей различной линейной плотности по ширине сновального вала.

Объект исследования – льняная фасонная нить четырех вариантов линейной плотности от 140 до 205 текса. Исследовалась работа натяжных приборов трех типов: фарфорового шайбового, двухзонного НС-1П и однозонного НС-1П. Экспериментальное исследование натяжения снующихся нитей производилось на сновальной машине СП-140-3Л. Скорость снования, масса тормозных шайб соответствовали технологическим параметрам снования пряжи.

Для исследования зависимости натяжения фасонной нити от геометрических параметров при сновании проведен анализ для двух факторов: X 1 - диаметр эффекта, X 2 - длина эффекта. Выходными параметрами являются натяжение Y 1 и колебание натяжения Y 2 .

Полученные уравнения регрессии адекватны экспериментальным данным при уровне значимости 0,95, так как расчетный критерий Фишера для всех уравнений меньше табличного.

Для определения степени влияния факторов Х 1 и Х 2 на параметры Y 1 и Y 2 проведен дисперсионный анализ, который показал, что большее влияние на уровень и колебание натяжения оказывает диаметр эффекта.

Сравнительный анализ полученных тензограмм показал, что минимальный разброс натяжения при сновании данной пряжи обеспечивает двухзонный натяжной прибор НС-1П.

Установлено, что с ростом линейной плотности от 105 до 205 текс прибор НС-1П дает приращение уровня натяжения лишь на 23%, в то время как фарфоровый шайбовый - на 37 %, однозонный НС-1П на 53 %.

При формировании сновальных валов, включающих в себя фасонные и "гладкие" нити, необходима индивидуальная настройка натяжного прибора традиционным методом /11/.

2.9 Сопутствующая патология при полной утрате зубов у лиц пожилого и старческого возраста

Изучены эпидемиологически полная утрата зубов и сопутствующая патология пожилого населения, проживающего в домах престарелых на территории Чувашии. Обследование проводилось путем стоматологического осмотра и заполнения статистических карт 784 человек. Результаты анализа показали высокий процент полной утраты зубов, усугубляющейся общей патологией организма. Это характеризует осмотренную категорию населения как группу повышенного стоматологического риска и требует пересмотра всей системы стоматологического обслуживания их.

У пожилых людей уровень заболеваемости в два раза, а в старческом возрасте в шесть раз выше в сравнении с уровнем заболеваемости лиц более молодых возрастов.

Основными заболеваниями лиц пожилого и старческого возраста являются болезни органов кровообращения, нервной системы и органов чувств, органов дыхания, органов пищеварения, костей и органов движения, новообразования и травмы.

Цель исследования – разработка и получение информации о сопутствующих заболеваниях, эффективности зубопротезирования и нуждаемости в ортопедическом лечении лиц пожилого и старческого возраста с полной потерей зубов.

Всего было обследовано 784 человека в возрасте от 45 до 90 лет. Соотношение женщин и мужчин 2,8:1.

Оценка статистической связи с помощью коэффициента корреляции рангов Пирсона позволила установить взаимное влияние отсутствия зубов на сопутствующую заболеваемость с уровнем надежности р=0,0005. Пожилые пациенты с полной потерей зубов страдают болезнями, свойственными старости, а именно, атеросклерозом сосудов головного мозга и гипертонической болезнью.

Дисперсионный анализ показал, что в изучаемых условиях определяющую роль играет специфика болезни. Роль нозологических форм в различных возрастных периодах колеблется в пределах 52-60 %. Наибольшее статистически достоверное влияние на отсутствие зубов оказывают болезни органов пищеварения и сахарный диабет.

В целом группа больных в возрасте 75-89 лет характеризовалась большим числом патологических заболеваний.

В этом исследовании было проведено сравнительное изучение частоты распространения сопутствующей патологии среди пациентов с полной утратой зубов пожилого и старческого возраста, проживающих в домах престарелых. Выявлен высокий процент отсутствия зубов среди лиц этой возрастной категории. У пациентов с полной адентией наблюдается характерная для этого возраста сопутствующая патология. Наиболее часто среди обследованных лиц встречались атеросклероз и гипертония. Статистически достоверно влияние на состояние полости рта таких заболеваний, как болезни желудочно-кишечного тракта и сахарный диабет, доля остальных нозоологических форм оказалась в пределах 52-60 %. Применение дисперсионного анализа не подтвердили значимой роли пола и местожительства на показатели состояния полости рта.

Таким образом, в заключении следует отметить, что анализ распределения сопутствующих заболеваний у лиц с полным отсутствием зубов в пожилом и старческом возрасте показал, что эта категория граждан относится к особой группе населения, которая должна получать адекватную стоматологическую помощь в рамках существующих стоматологических систем /12/.

3 Дисперсионный анализ в контексте статистических методов

Статистические методы анализа – это методология измерения результатов деятельности человека, то есть перевода качественных характеристик в количественные.

Основные этапы при проведении статистического анализа:

Составление плана сбора исходных данных - значений входных переменных (X 1 ,...,X p), числа наблюдений n. Этот этап выполняется при активном планировании эксперимента.

Получение исходных данных и ввод их в компьютер. На этом этапе формируются массивы чисел (x 1i ,..., x pi ; y 1i ,..., y qi), i=1,..., n, где n - объем выборки.

Первичная статистическая обработка данных. На данном этапе формируется статистическое описание рассматриваемых параметров:

а) построение и анализ статистических зависимостей;

б) корреляционный анализ предназначен для оценивания значимости влияния факторов (X 1 ,...,X p) на отклик Y;

в) дисперсионный анализ используется для оценивания влияния на отклик Y неколичественных факторов (X 1 ,...,X p) с целью выбора среди них наиболее важных;

г) регрессионный анализ предназначен для определения аналитической зависимости отклика Y от количественных факторов X;

Интерпретация результатов в терминах поставленной задачи /13/.

В таблице 3.1 приведены статистические методы, с помощью которых решаются аналитические задачи. В соответствующих ячейках таблицы находятся частоты применения статистических методов:

Метка «-» - метод не применяется;

Метка «+» - метод применяется;

Метка «++» - метод широко применяется;

Метка «+++» - применение метода представляет особый интерес /14/.

Дисперсионный анализ подобно t-критерию Стьюдента, позволяет оценить различия между выборочными средними; однако, в отличие от t-критерия, в нем нет ограничений на количество сравниваемых средних. Таким образом, вместо того, чтобы поставить вопрос о различии двух выборочных средних, можно оценить, различаются ли два, три четыре, пять или k средних.

Дисперсионный анализ позволяет иметь дело с двумя или более независимыми переменными (признаками, факторами) одновременно, оценивая не только эффект каждой из них по отдельности, но и эффекты взаимодействия между ними /15/.

Таблица 3.1 – Применение статистических методов при решении аналитических задач

К большинству сложных систем применим принцип Парето, согласно которому 20 % факторов определяют свойства системы на 80 %. Поэтому первоочередной задачей исследователя имитационной модели является отсеивание несущественных факторов, позволяющее уменьшить размерность задачи оптимизации модели.

Анализ дисперсии оценивает отклонение наблюдений от общего среднего. Затем вариация разбивается на части, каждая из которых имеет свою причину. Остаточная часть вариации, которую не удается связать с условиями эксперимента, считается его случайной ошибкой. Для подтверждения значимости используется специальный тест - F-статистика.

Дисперсионный анализ определяет, есть ли эффект. Регрессионный анализ позволяет прогнозировать отклик (значение целевой функции) в некоторой точке пространства параметров. Непосредственной задачей регрессионного анализа является оценка коэффициентов регрессии /16/.

Слишком большая размерность выборок затрудняет проведение статистических анализов, поэтому имеет смысл уменьшить размер выборки.

Применив дисперсионный анализ можно выявить значимость влияния различных факторов на исследуемую переменную. Если влияние фактора окажется несущественным, то этот фактор можно исключить из дальнейшей обработки.

Макроэконометристы должны уметь решать четыре логически отличающиеся задачи:

Описание данных;

Макроэкономический прогноз;

Структурный вывод;

Анализ политики.

Описание данных означает описание свойств одного или нескольких временных рядов и сообщение этих свойств широкому кругу экономистов. Макроэкономический прогноз означает предсказание курса экономики, обычно на два-три года или меньше (главным образом потому, что прогнозировать на более длинные горизонты слишком трудно). Структурный вывод означает проверку того, соответствуют ли макроэкономические данные конкретной экономической теории. Макроэконометрический анализ политики происходит по нескольким направлениям: с одной стороны, оценивается влияние на экономику гипотетического изменения инструментов политики (например налоговой ставки или краткосрочной процентной ставки), с другой стороны, оценивается влияние изменения правил политики (например переход к новому режиму монетарной политики). Эмпирический макроэкономический исследовательский проект может включать одну или несколько из этих четырех задач. Каждая задача должна быть решена таким образом, чтобы были учтены корреляции между рядами по времени.

В 1970-х годах эти задачи решались с использованием разнообразных методов, которые, если оценить их с современных позиций, были неадекватны по нескольким причинам. Чтобы описать динамику отдельного ряда, достаточно было просто использовать одномерные модели временных рядов, а чтобы описать совместную динамику двух рядов – спектральный анализ. Однако отсутствовал общепринятый язык, пригодный для систематического описания совместных динамических свойств нескольких временных рядов. Экономические прогнозы делались либо с использованием упрощенных моделей авторегрессии - скользящего среднего (ARMA), либо с использованием популярных в то время больших структурных эконометрических моделей. Структурный вывод основывался либо на малых моделях с одним уравнением, либо на больших моделях, идентификация в которых достигалась за счет плохо обоснованных исключающих ограничений, и которые обычно не включали ожидания. Анализ политики на основе структурных моделей зависел от этих идентифицирующих предположений.

Наконец, рост цен в 1970-е годы рассматривался многими как серьезная неудача больших моделей, которые в то время использовались для выработки политических рекомендаций. То есть это было подходящее время для появления новой макроэконометрической конструкции, которая могла бы решить эти многочисленные проблемы.

В 1980 году была создана такая конструкция – векторные авторегрессии (VAR). На первый взгляд, VAR – не более, чем обобщение одномерной авторегрессии на многомерный случай, и каждое уравнение в VAR – не более, чем обычная регрессия по методу наименьших квадратов одной переменной на запаздывающие значения себя и других переменных в VAR. Но этот вроде бы простой инструмент дал возможность систематически и внутренне согласованно уловить богатую динамику многомерных временных рядов, а статистический инструментарий, который сопутствует VAR, оказался удобным и, что очень важно, его было легко интерпретировать.

Выделяют три различных VAR-модели:

Приведенная форма VAR;

Рекурсивная VAR;

Структурная VAR.

Все три являются динамическими линейными моделями, которые связывают текущие и прошлые значения вектора Y t n-мерного временного ряда. Приведенная форма и рекурсивные VAR – это статистические модели, которые не используют никакие экономические соображения за исключением выбора переменных. Эти VAR используются для описания данных и прогноза. Структурная VAR включает ограничения, полученные из макроэкономической теории, и эта VAR используется для структурного вывода и анализа политики.

Приведенная форма VAR выражает Y t в виде распределенного лага прошлых значений плюс серийно некоррелированный член ошибки, то есть обобщает одномерную авторегрессию на случай векторов. Математически приведенная форма модели VAR – это система n уравнений, которые можно записать в матричной форме следующим образом:

где  - это n l вектор констант;

A 1 , A 2 , ..., A p – это n n матрицы коэффициентов;

 t , - это nl вектор серийно некоррелированных ошибок, о которых предполагается, что они имеют среднее ноль и матрицу ковариаций .

Ошибки  t , в (17) – это неожиданная динамика в Y t , остающаяся после учета линейного распределенного лага прошлых значений.

Оценить параметры приведенной формы VAR легко. Каждое из уравнений содержит одни и те же регрессоры (Y t–1 ,...,Y t–p), и нет взаимных ограничений между уравнениями. Таким образом, эффективная оценка (метод максимального правдоподобия с полной информацией) упрощается до обычного МНК, примененного к каждому из уравнений. Матрицу ковариаций ошибок можно состоятельно оценить выборочной ковариационной матрицей полученных из МНК остатков.

Единственная тонкость – определить длину лага p, но это можно сделать, используя информационный критерий, такой как AIC или BIC.

На уровне матричных уравнений рекурсивная и структурная VAR выглядят одинаково. Эти две модели VAR учитывают в явном виде одновременные взаимодействия между элементами Y t , что сводится к добавлению одновременного члена к правой части уравнения (17). Соответственно, рекурсивная и структурная VAR обе представляются в следующем общем виде:

где  - вектор констант;

B 0 ,..., B p - матрицы;

 t - ошибки.

Наличие в уравнении матрицы B 0 означает возможность одновременного взаимодействия между n переменными; то есть B 0 позволяет сделать так, чтобы эти переменные, относящиеся к одному моменту времени, определялись совместно.

Рекурсивную VAR можно оценить двумя способами. Рекурсивная структура дает набор рекурсивных уравнений, которые можно оценить с помощью МНК. Эквивалентный способ оценивания заключается в том, что уравнения приведенной формы (17), рассматриваемые как система, умножаются слева на нижнюю треугольную матрицу.

Метод оценивания структурной VAR зависит от того, как именно идентифицирована B 0 . Подход с частичной информацией влечет использование методов оценивания для отдельного уравнения, таких как двухшаговый метод наименьших квадратов. Подход с полной информацией влечет использование методов оценивания для нескольких уравнений, таких как трехшаговый метод наименьших квадратов.

Необходимо помнить о множественности различных типов VAR. Приведенная форма VAR единственна. Данному порядку переменных в Y t соответствует единственная рекурсивная VAR, но всего имеется n! таких порядков, т.е. n! различных рекурсивных VAR. Количество структурных VAR – то есть наборов предположений, которые идентифицируют одновременные взаимосвязи между переменными, - ограничено только изобретательностью исследователя.

Поскольку матрицы оцененных коэффициентов VAR затруднительно интерпретировать непосредственно, результаты оценивания VAR обычно представляют некоторыми функциями этих матриц. К таким статистикам разложения ошибки прогноза.

Разложения дисперсии ошибки прогноза вычисляются в основном для рекурсивных или структурных систем. Такое разложение дисперсии показывает, насколько ошибка в j-м уравнении важна для объяснения неожиданных изменений i-й переменной. Когда ошибки VAR некоррелированы по уравнениям, дисперсию ошибки прогноза на h периодов вперед можно записать как сумму компонентов, являющихся результатом каждой из этих ошибок /17/.

3.2 Факторный анализ

В современной статистике под факторным анализом понимают совокупность методов, которые на основе реально существующих связей признаков (или объектов) позволяют выявлять латентные обобщающие характеристики организационной структуры и механизма развития изучаемых явлений и процессов.

Понятие латентности в определении ключевое. Оно означает неявность характеристик, раскрываемых при помощи методов факторного анализа. Вначале имеется дело с набором элементарных признаков X j , их взаимодействие предполагает наличие определенных причин, особенных условий, т.е. существование некоторых скрытых факторов. Последние устанавливаются в результате обобщения элементарных признаков и выступают как интегрированные характеристики, или признаки, но более высокого уровня. Естественно, что коррелировать могут не только тривиальные признаки X j , но и сами наблюдаемые объекты N i поэтому поиск латентных факторов теоретически возможен как по признаковым, так и по объектным данным.

Если объекты характеризуются достаточно большим числом элементарных признаков (m > 3), то логично и другое предположение - о существовании плотных скоплений точек (признаков) в пространстве n объектов. При этом новые оси обобщают уже не признаки X j , а объекты n i , соответственно и латентные факторы F r будут распознаны по составу наблюдаемых объектов:

F r = c 1 n 1 + c 2 n 2 + ... + c N n N ,

где c i - вес объекта n i в факторе F r .

В зависимости от того, какой из рассмотренных выше тип корреляционной связи - элементарных признаков или наблюдаемых объектов - исследуется в факторном анализе, различают R и Q - технические приемы обработки данных.

Название R-техники носит объемный анализ данных по m признакам, в результате него получают r линейных комбинаций (групп) признаков: F r =f(X j), (r=1..m). Анализ по данным о близости (связи) n наблюдаемых объектов называется Q-техникой и позволяет определять r линейных комбинаций (групп) объектов: F=f(n i), (i = l .. N).

В настоящее время на практике более 90% задач решается при помощи R-техники.

Набор методов факторного анализа в настоящее время достаточно велик, насчитывает десятки различных подходов и приемов обработки данных. Чтобы в исследованиях ориентироваться на правильный выбор методов, необходимо представлять их особенности. Разделим все методы факторного анализа на несколько классификационных групп:

Метод главных компонент. Строго говоря, его не относят к факторному анализу, хотя он имеет с ним много общего. Специфическим является, во-первых, то, что в ходе вычислительных процедур одновременно получают все главные компоненты и их число первоначально равно числу элементарных признаков. Во-вторых, постулируется возможность полного разложения дисперсии элементарных признаков, другими словами, ее полное объяснение через латентные факторы (обобщенные признаки).

Методы факторного анализа. Дисперсия элементарных признаков здесь объясняется не в полном объеме, признается, что часть дисперсии остается нераспознанной как характерность. Факторы обычно выделяются последовательно: первый, объясняющий наибольшую долю вариации элементарных признаков, затем второй, объясняющий меньшую, вторую после первого латентного фактора часть дисперсии, третий и т.д. Процесс выделения факторов может быть прерван на любом шаге, если принято решение о достаточности доли объясненной дисперсии элементарных признаков или с учетом интерпретируемости латентных факторов.

Методы факторного анализа целесообразно разделить дополнительно на два класса: упрощенные и современные аппроксимирующие методы.

Простые методы факторного анализа в основном связаны с начальными теоретическими разработками. Они имеют ограниченные возможности в выделении латентных факторов и аппроксимации факторных решений. К ним относятся:

Однофакторная модель. Она позволяет выделить только один генеральный латентный и один характерный факторы. Для возможно существующих других латентных факторов делается предположение об их незначимости;

Бифакторная модель. Допускает влияние на вариацию элементарных признаков не одного, а нескольких латентных факторов (обычно двух) и одного характерного фактора;

Центроидный метод. В нем корреляции между переменными рассматриваются как пучок векторов, а латентный фактор геометрически представляется как уравновешивающий вектор, проходящий через центр этого пучка. : Метод позволяет выделять несколько латентных и характерные факторы, впервые появляется возможность соотносить факторное решение с исходными данными, т.е. в простейшем виде решать задачу аппроксимации.

Современные аппроксимирующие методы часто предполагают, что первое, приближенное решение уже найдено каким либо из способов, последующими шагами это решение оптимизируется. Методы отличаются сложностью вычислений. К этим методам относятся:

Групповой метод. Решение базируется на предварительно отобранных каким-либо образом группах элементарных признаков;

Метод главных факторов. Наиболее близок методу главных компонент, отличие заключается в предположении о существовании характерностей;

Метод максимального правдоподобия, минимальных остатков, а-факторного анализа канонического факторного анализа, все оптимизирующие.

Эти методы позволяют последовательно улучшить предварительно найденные решения на основе использования статистических приемов оценивания случайной величины или статистических критериев, предполагают большой объем трудоемких вычислений. Наиболее перспективным и удобным для работы в этой группе признается метод максимального правдоподобия.

Основной задачей, которую решают разнообразными методами факторного анализа, включая и метод главных компонент, является сжатие информации, переход от множества значений по m элементарным признакам с объемом информации n х m к ограниченному множеству элементов матрицы факторного отображения (m х r) или матрицы значений латентных факторов для каждого наблюдаемого объекта размерностью n х r, причем обычно r < m.

Методы факторного анализа позволяют также визуализировать структуру изучаемых явлений и процессов, а это значит определять их состояние и прогнозировать развитие. Наконец, данные факторного анализа дают основания для идентификации объекта, т.е. решения задачи распознавания образа.

Методы факторного анализа обладают свойствами, весьма привлекательными для их использования в составе других статистических методов, наиболее часто в корреляционно-регрессионном анализе, кластерном анализе, многомерном шкалировании и др. /18/.

3.3 Парная регрессия. Вероятностная природа регрессионных моделей.

Если рассмотреть задачу анализа расходов на питание в группах с одинаковыми доходами, например в $10.000(x), то это детерминированная величина. А вот Y - доля этих денег, затрачиваемая на питание - случайна и может меняться от года к году. Поэтому для каждого i-го индивида:

где ε i - случайная ошибка;

α и β - константы (теоретически), хотя могут меняться от модели к модели.

Предпосылки для парной регрессии:

X и Y связаны линейно;

Х - неслучайная переменная с фиксированными значениями;

- ε - ошибки нормально распределены N(0,σ 2);

- .

На рисунке 3.1 представлена модель парной регрессии.

Рисунок 3.1 – Модель парной регрессии

Эти предпосылки описывают классическую линейную регрессионную модель.

Если ошибка имеет ненулевое среднее, исходная модель будет эквивалентна новой модели и другим свободным членом, но с нулевым средним для ошибки.

Если выполняются предпосылки, то МНК оценки и являются эффективными линейными несмещенными оценками

Если обозначить:

то что математическое ожидание и дисперсии коэффициентов и будут следующие:

Ковариация коэффициентов:

Если то и распределены тоже нормально:

Отсюда следует, что:

Вариация β полностью определяется вариацией ε;

Чем выше дисперсия X - тем лучше оценка β.

Полная дисперсия определяется по формуле:

Дисперсия отклонений в таком виде - несмещенная оценка и называется стандартной ошибкой регрессии. N-2 - может быть интерпретировано как число степеней свободы.

Анализ отклонений от линии регрессии может представить полезную меру того, насколько оцененная регрессия отражает реальные данные. Хорошая регрессия та, которая объясняет значительную долю дисперсии Y и наоборот плохая регрессия не отслеживает большую часть колебаний исходных данных. Интуитивно ясно, что всякая дополнительная информация позволит улучшить модель, то есть уменьшить необъясненную долю вариации Y. Для анализа регрессионной модели проводят разложение дисперсии на составляющие, определяют коэффициент детерминации R 2 .

Отношение двух дисперсий распределено по F-распределению, т. е. если проверить на статистическую значимость отличия дисперсии модели от дисперсии остатков, можно сделать вывод о значимости R 2 .

Проверка гипотезы о равенстве дисперсий этих двух выборок:

Если гипотеза Н 0 (о равенстве дисперсий нескольких выборок) верна, t имеет F-распределение с (m 1 ,m 2)=(n 1 -1,n 2 -1) степенями свободы.

Посчитав F – отношение как отношение двух дисперсий и сравнив его с табличным значением, можно сделать вывод о статистической значимости R 2 /2/, /19/.

Заключение

Современные приложения дисперсионного анализа охватывают широкий круг задач экономики, биологии и техники и трактуются обычно в терминах статистической теории выявления систематических различий между результатами непосредственных измерений, выполненных при тех или иных меняющихся условиях.

Благодаря автоматизации дисперсионного анализа исследователь может проводить различные статистические исследования с применение ЭВМ, затрачивая при этом меньше времени и усилий на расчеты данных. В настоящее время существует множество пакетов прикладных программ, в которых реализован аппарат дисперсионного анализа. Наиболее распространенными являются такие программные продукты как:

В современных статистических программных продуктах реализованы большинство статистических методов. С развитием алгоритмических языков программирования стало возможным создавать дополнительные блоки по обработке статистических данных.

Дисперсионный анализ является мощным современным статистическим методом обработки и анализа экспериментальных данных в психологии, биологии, медицине и других науках. Он очень тесно связан с конкретной методологией планирования и проведения экспериментальных исследований.

Дисперсионный анализ применяется во всех областях научных исследований, где необходимо проанализировать влияние различных факторов на исследуемую переменную.

Список литературы

1 Кремер Н.Ш. Теория вероятности и математическая статистика. М.: Юнити – Дана, 2002.-343с.

2 Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. – М.: Высшая школа, 2003.-523с.

4 www.conf.mitme.ru

5 www.pedklin.ru

6 www.webcenter.ru

7 www.infections.ru

8 www.encycl.yandex.ru

9 www.infosport.ru

10 www.medtrust.ru

11 www.flax.net.ru

12 www.jdc.org.il

13 www.big.spb.ru

14 www.bizcom.ru

15 Гусев А.Н. Дисперсионный анализ в экспериментальной психологии. – М.: Учебно-методический коллектор «Психология», 2000.-136с.

17 www.econometrics.exponenta.ru

18 www.optimizer.by.ru

Назначение сервиса . С помощью данного онлайн-калькулятора можно:

• провести однофакторный дисперсионный анализ;
• ответить на вопрос - совпадают или нет средние значения экспериментов;
• при выбранном уровне значимости подтвердить или опровергнуть нулевую гипотезу H 0 о равенстве групповых средних;

Инструкция . Укажите число измерений (количество строк) q , количество уровней фактора p нажмите Далее. Полученное решение сохраняется в файле Word . Данная процедура обычно используется для отбора значимых факторов для построения множественного уравнения регрессии .

Пример . Изделие железнодорожного транспорта с целью испытания на надежность эксплуатируется q раз, i=1,...q на p уровнях времени работы Tj , j=1,..., p. В каждом испытании подсчитываются числа отказов n ij . На уровне значимости α = 0,05 исследовать влияние времени работы изделия на число появления отказов методом однофакторного дисперсионного анализа при q=4 , p=4 . Результаты испытаний n ij представлены в таблицах.
Решение .
Процедура однофакторного дисперсионного анализа . Находим групповые средние:

Оценка факторной дисперсии больше оценки остаточной дисперсии, поэтому можно сразу утверждать не справедливость нулевой гипотезы о равенстве математических ожиданий по слоям выборки.
Иначе говоря, в данном примере фактор Ф оказывает существенное влияния на случайную величину.

Находим f набл

Для уровня значимости α=0.05, чисел степеней свободы 3 и 12 находим f кр из таблицы распределения Фишера-Снедекора.
f кр (0.05; 3; 12) = 3.49
В связи с тем, что f набл > f кр, нулевую гипотезу о существенном влиянии фактора на результаты экспериментов принимаем.

Пример №2 . Студентов 1-го курса опрашивали с целью выявления занятий, которым они посвящают свое свободное время. Проверьте, различаются ли распределение вербальных и невербальных предпочтений студентов.
Находим групповые средние:

Задание . На заводе установлено четыре линии по выпуску облицовочной плитки. С каждой линии случайным образом в течение смены отобрано по 10 плиток и сделаны замеры их толщины (мм). Отклонения от номинального размера приведены в таблице. Требуется на уровне значимости a = 0,05 установить наличие зависимости выпуска качественных плиток от линии выпуска (фактор A).

Задание . На уровне значимости a = 0,05 исследовать влияние цвета краски на срок службы покрытия.

Пример №1 . Произведено 13 испытаний, из них – 4 на первом уровне фактора, 4 – на втором, 3 – на третьем и 2 на четвертом. Методом дисперсионного анализа при уровне значимости 0,05 проверить нулевую гипотезу о равенстве групповых средних. Предполагается, что выборки извлечены из нормальных совокупностей с одинаковыми дисперсиями. Результаты испытаний приведены в таблице.

Решение :
Находим групповые средние:

Находим S ф по формуле:


Получаем S ост: S ост = S общ - S ф = 0.0293 - 0.0263 = 0.003
Определяем факторную дисперсию:

и остаточную дисперсию:

Если средние значения случайной величины, вычисленные по отдельным выборкам одинаковы, то оценки факторной и остаточной дисперсий являются несмещенными оценками генеральной дисперсии и различаются несущественно.
Тогда сопоставление оценок этих дисперсий по критерию Фишера должно показать, что нулевую гипотезу о равенстве факторной и остаточной дисперсий отвергнуть нет оснований.
Оценка факторной дисперсии больше оценки остаточной дисперсии, поэтому можно сразу утверждать не справедливость нулевой гипотезы о равенстве математических ожиданий по слоям выборки.
Иначе говоря, в данном примере фактор Ф оказывает существенное влияния на случайную величину.
Проверим нулевую гипотезу H 0: равенство средних значений х.
Находим f набл

Для уровня значимости α=0.05, чисел степеней свободы 3 и 12 находим f кр из таблицы распределения Фишера-Снедекора.
f кр (0.05; 3; 12) = 3.49
В связи с тем, что f набл > f кр, нулевую гипотезу о существенном влиянии фактора на результаты экспериментов принимаем (нулевую гипотезу о равенстве групповых средних отвергаем). Другими словами, групповые средние в целом различаются значимо.

Пример №2 . В школе 5 шестых классов. Психологу ставится задача, определить, одинаковый ли средний уровень ситуативной тревожности в классах. Для этого были приведены в таблице. Проверить уровень значимости α=0.05 предположение, что средняя ситуативная тревожность в классах не различается.

Пример №3 . Для изучения величины X произведено 4 испытания на каждом из пяти уровней фактора F. Результаты испытаний приведены в таблице. Выяснить, существенно ли влияние фактора F на величину X. Принять α = 0.05. Предполагается, что выборки извлечены из нормальных совокупностей с одинаковыми дисперсиями.

Пример №4 . Предположим, что в педагогическом эксперименте участвовали три группы студентов по 10 человек в каждой. В группах применили различные методы обучения: в первой - традиционный (F 1), во второй - основанный на компьютерных технологиях (F 2), в третьей - метод, широко использующий задания для самостоятельной работы (F 3). Знания оценивались по десятибалльной системе.
Требуется обработать полученные данные об экзаменах и сделать заключение о том, значимо ли влияние метода преподавания, приняв за уровень значимости α=0.05.
Результаты экзаменов заданы таблицей, F j - уровень фактора x ij - оценка i-го учащегося обучающегося по методике F j .

Пример №5 . Показаны результаты конкурсного сортоиспытания культур (урожайность в ц.с га). Каждый сорт испытывался на четырех участках. Методом дисперсионного анализа изучите влияние сорта на урожайность. Установите существенность влияния фактора (долю межгрупповой вариации в общей вариации) и значимость результатов опыта при уровне значимости 0,05.
Урожайность на сортоиспытательных участках

7.1 Дисперсионный анализ . 2

В данном варианте метода влиянию каждой из градаций подвергаются разные выборки испытуемых. Градаций фактора должно быть не менее трех .

Пример 1. Три различные группы из шести испытуемых получили списки из десяти слов. Первой группе слова предъявлялись с низкой скоростью -1 слово в 5 секунд, второй группе со средней скоростью - 1 слово в 2 секунды, и третьей группе с большой скоростью - 1 слово в секунду. Было предсказано, что показатели воспроизведения будут зависеть от скорости предъявления слов. Результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1. Количество воспроизведенных слов (по J . Greene , M D " Olivera , 1989, p . 99)

Дисперсионный однофакторный анализ позволяет проверить гипотезы:

H 0 : различия в объеме воспроизведения слов между группами являются не более выраженными, чем случайные различия внутри каждой группы

H 1 : Различия в объеме воспроизведения слов между группами являются более выраженными, чем случайные различия внутри каждой группы.

Последовательность операций в однофакторном дисперсионном анализе для несвязанных выборок:

1. подсчитаем SS факт - вариативность признака, обусловленную действи­ем исследуемого фактора. Часто встречающееся обозначе­ние SS - сокращение от "суммы квадратов" (sum of squares ). Это со­кращение чаще всего используется в переводных источниках (см., на­пример: Гласс Дж., Стенли Дж., 1976).

,(1)

где Т с – сумма индивидуальных значений по каждому из условий. Для нашего примера 43, 37, 24 (см. табл. 1);

с – количество условий (градаций) фактора (=3);

n – количество испытуемых в каждой группе (=6);

N – общее количество индивидуальных значений (=18);

Квадрат общей суммы индивидуальных значений (=104 2 =10816)

Отметим разницу между , в которой все индивидуальные значения сначала возводятся в квадрат, а потом суммируются, и , где индивидуальные значения сначала суммируются для получения об­щей суммы, а потом уже эта сумма возводится в квадрат.

По формуле (1) рассчитав фактическую вариативность признака, получаем:

2. подсчитаем SS общ – общую вариативность признака:

(2)

3. подсчитаем случайную (остаточную) величину SS сл , обусловленную неучтенными факторами:

(3)

4.число степеней свободы равно:

=3-1=2(4)

5.«средний квадрат» или усредненная величина соответствующих сумм квадратов SS равна:

(5)

6.значение статистики критерия F эмп рассчитаем по формуле:

(6)

Для нашего примера имеем: F эмп =15,72/2,11=7,45

7.определим F крит по статистическим таблицам Приложения 3 для df 1 =k 1 =2 и df 2 =k 2 =15 табличное значение статистики равно 3,68

8. если F эмп < F крит, то нулевая гипотеза принимается, в противном случае принимается альтернативная гипотеза. Для нашего примера F эмп > F крит (7.45>3.68), следовательно п

Вывод: различия в объеме воспроизведения слов между группами являются более выраженными, чем случайные различия внутри каждой группы (р<0,05). Т.о. скорость предъявления слов влияет на объем их воспроизведения.

7.1.2 Дисперсионный анализ для связанных выборок

Метод дисперсионного анализа для связанных выборок применяет­ся в тех случаях, когда исследуется влияние разных градаций фактора или разных условий на одну и ту же выборку испытуемых. Градаций фактора должно быть не менее трех .

В данном случае различия между испытуемыми - возможный са­мостоятельный источник различий. Однофакторный дисперсионный анализ для связанных выборок позволит определить, что перевешивает - тенденция, выраженная кривой изменения фактора, или индивидуальные различия между испытуемыми. Фактор индивидуальных различий может оказаться более значимым, чем фактор изменения экспериментальных условий.

Пример 2. Группа из 5 испытуемых была обследована с помощью трех экспериментальных заданий, направленных на изучение интеллектуальной, настойчивости (Сидоренко Е. В., 1984). Каждому испытуемому инди­видуально предъявлялись последовательно три одинаковые анаграммы: четырехбуквенная, пятибуквенная и шестибуквенная. Можно ли счи­тать, что фактор длины анаграммы влияет на длительность попыток ее решения?

Таблица 2. Длительность решения анаграмм (сек)

Сформулируем гипотезы. Наборов гипотез в данном случае два.

Набор А .

Н 0 (А): Различия в длительности попыток решения анаграмм разной длины являются не более выраженными, чем различия, обусловленные случайными причинами.

Н 1 (А): Различия в длительности попыток решенияанаграммразной длины являются более выраженными, чем различия, обусловлен­ные случайными причинами.

Набор Б.

Н о (Б): Индивидуальные различия между испытуемыми являются не более выраженными, чем различия, обусловленные случайными причинами.

Н 1 (Б): Индивидуальные различия между испытуемыми являются более выраженными, чем различия, обусловленные случайными причи­нами.

Последовательность операций в однофакторном дисперсионном анализе для связанных выборок:

1. подсчитаем SS факт - вариативность признака, обусловленную действи­ем исследуемого фактора по формуле (1).

где Т с – сумма индивидуальных значений по каждому из условий (столбцов). Для нашего примера 51, 1244, 47 (см. табл. 2); с – количество условий (градаций) фактора (=3); n – количество испытуемых в каждой группе (=5); N – общее количество индивидуальных значений (=15); - квадрат общей суммы индивидуальных значений (=1342 2)

2. подсчитаем SS исп - вариативность признака, обусловленную индивидуальными значения испытуемых.

Где Т и – сумма индивидуальных значений по каждому испытуемому. Для нашего примера 247, 631, 100, 181, 183 (см. табл. 2); с – количество условий (градаций) фактора (=3); N – общее количество индивидуальных значений (=15);

3. подсчитаем SS общ – общую вариативность признака по формуле (2):

4. подсчитаем случайную (остаточную) величину SS сл , обусловленную неучтенными факторами по формуле (3):

5. число степеней свободы равно (4):

; ; ;

6. «средний квадрат» или математическое ожидание суммы квадратов, усредненная величина соответствующих сумм квадратов SS равна (5):

;

7. значение статистики критерия F эмп рассчитаем по формуле (6):

;

8. определим F крит по статистическим таблицам Приложения 3 для df 1 =k 1 =2 и df 2 =k 2 =8 табличное значение статистики F крит_факт =4,46, и для df 3 =k 3 =4 и df 2 =k 2 =8 F крит_исп =3,84

9. F эмп_факт > F крит_факт (6,872>4,46), следовательно принимается альтернативная гипотеза.

10. F эмп_исп < F крит_исп (1,054<3,84), следовательно принимается нулевая гипотеза.

Вывод: различия в объеме воспроизведения слов в разных условиях являются более выраженными, чем различия, обусловленные случайными причинами (р<0,05).Индивидуальные различия между испытуе­мыми являются не более выраженными, чем различия, обусловленные случайными причинами.

7.2 Корреляционный анализ

7.2.1 Понятие корреляционной связи

Исследователя нередко интересует, как связаны между собой две или большее количество переменных в одной или нескольких изучаемых выборках. Например, могут ли учащиеся с высоким уровнем тревожности демонстрировать стабильные академичес­кие достижения, или связана ли продолжительность работы учителя в школе с размером его заработной платы, или с чем больше связан уровень умственного развития учащихся - с их успеваемостью по математике или по литературе и т.п.?

Такого рода зависимость между переменными величинами называется корреляционной, или корреляцией. Корреляционная связь - это согласованное изме­нение двух признаков, отражающее тот факт, что изменчивость одного признака находится в соответствии с изменчивостью дру­гого.

Известно, например, что в среднем между ростом людей и их весом наблюдается положительная связь, и такая, что чем боль­ше рост, тем больше вес человека. Однако из этого правила име­ются исключения, когда относительно низкие люди имеют из­быточный вес, и, наоборот, астеники, при высоком росте име­ют малый вес. Причиной подобных исключений является то, что каждый биологический, физиологический или психологический признак определяется воздействием многих факторов: средовых, генетических, социальных, экологических и т.д.

Корреляционные связи - это вероятностные изменения, которые можно изучать только на представительных выборках методами математической статисти­ки. «Оба термина, - пишет Е.В. Сидоренко, - корреляционная связь и корреляционная зависимость - часто используются как синони­мы. Зависимость подразумевает влияние, связь - любые согласован­ные изменения, которые могут объясняться сотнями причин. Корреляционные связи не могут рассматриваться как свидетельство причинно-следственной зависимости, они свидетельствуют лишь о том, что изменениям одного признака, как правило, сопутствуют определенные изменения другого.

Корреляционная зависимость - это изменения, которые вносят значения одного признака в вероятность появления разных значений другого признака (Е.В. Сидоренко, 2000).

Задача корреляционного анализа сводится к установлению направления (положительное или отрицательное) и формы (ли­нейная, нелинейная) связи между варьирующими признаками, измерению ее тесноты, и, наконец, к проверке уровня значимо­сти полученных коэффициентов корреляции.

Корреляционные связи различаются по форме, направлению и степени (силе).

По форме корреляционная связь может быть прямолинейной или криволинейной. Прямолинейной может быть, например, связь между количеством тренировок на тренажере и количеством правильно решае­мых задач в контрольной сессии. Криволинейной может быть, напри­мер, связь между уровнем мотивации и эффективностью выполнения задачи (см. рис. 1). При повышении мотивации эффективность вы­полнения задачи сначала возрастает, затем достигается оптимальный уровень мотивации, которому соответствует максимальная эффективность выполнения задачи; дальнейшему повышению мотивации сопутст­вует уже снижение эффективности.

Рис.1. Связь между эффективностью решения задачи

и силой мотивационной тен­денции (по J. W. A t k in son, 1974, р 200)

По направлению корреляционная связь может быть положитель­ной ("прямой") и отрицательной ("обратной"). При положительной прямолинейной корреляции более высоким значениям одного признака соответствуют более высокие значения другого, а более низким значе­ниям одного признака - низкие значения другого. При отрицательной корреляции соотношения обратные. При положительной корреляции коэффициент корреляции имеет положительный знак, например r =+0,207 , при отрицательной корреля­ции - отрицательный знак, например r =-0,207 .

Степень, сила или теснота корреляционной связи определяется по величине коэффициента корреляции.

Сила связи не зависит от ее направленности и определяется по абсолютному значению коэффициента корреляции.

Максимальное воз­можное абсолютное значение коэффициента корреляции r =1,00 ; минимальное r =0,00 .

Общая классификация корреляционных связей (по Ивантер Э.В., Коросову А.В., 1992):

сильная , или тесная при коэффициенте корреляции r >0,70 ;

средняя при 0,50< r <0,69 ;

умеренная при 0,30< r <0,49 ;

слабая при 0,20< r <0,29 ;

очень слабая при r <0,19 .

Переменные Х и Y могут быть измерены в разных шкалах, именно это определяет выбор соответствующего коэффициента корреляции (см. табл. 3):

Таблица 3. Использование коэффициента корреляции в зависимости от типа переменных

7.2.2 Коэффициент корреляции Пирсона

Термин «корреляция» был введен в науку выдающимся анг­лийским естествоиспытателем Френсисом Гальтоном в 1886 г. Однако точную формулу для подсчета коэффициента корреля­ции разработал его ученик Карл Пирсон.

Коэффициент характеризует наличие только линейной свя­зи между признаками, обозначаемыми, как правило, символами X и Y. Формула расчета коэффициента корреляции построена таким образом, что, если связь между признаками имеет ли­нейный характер, коэффициент Пирсона точно устанавливает тесноту этой связи. Поэтому он называется также коэффициен­том линейной корреляции Пирсона. Если же связь между пере­менными X и Y не линейна, то Пирсон предложил для оценки тесноты этой связи так называемое корреляционное отношение.

Величина коэффициента линейной корреляции Пирсона не может превышать +1 и быть меньше чем -1. Эти два числа +1 и -1 - являются границами для коэффициента корреляции. Когда при расчете получается величина большая +1 или меньшая -1 - следовательно произошла ошибка в вычислениях.

Знак коэффициента корреляции очень важен для интерпре­тации полученной связи. Подчеркнем еще раз, что если знак ко­эффициента линейной корреляции - плюс, то связь между кор­релирующими признаками такова, что большей величине одного признака (переменной) соответствует большая величина дру­гого признака (другой переменной). Иными словами, если один показатель (переменная) увеличивается, то соответственно уве­личивается и другой показатель (переменная). Такая зависимость носит название прямо пропорциональной зависимости.

Если же получен знак минус, то большей величине одного признака соответствует меньшая величина другого. Иначе гово­ря, при наличии знака минус, увеличению одной переменной (признака, значения) соответствует уменьшение другой пере­менной. Такая зависимость носит название обратно пропорцио­нальной зависимости.

В общем виде формула для подсчета коэффициента корреля­ции такова:

(7)

гдех i - значения, принимаемые в выборке X,

y i - значения, принимаемые в выборке Y;

Средняя по X, - средняя по Y.

Расчет коэффициента корреляции Пирсона предполагает, что переменные Х и У распределены нормально .

В формуле (7) встречается величина при делении на n (число значений переменной X или Y) она называется ковариацией . Формула (7) предполагает также, что при расчете коэффициентов корреля­ции число значений переменной Х равно числу значений переменной Y .

Число степеней свободы k = n -2.

Пример 3. 1 0 школьникам были даны тесты на наглядно-образное и вербальное мышление. Измерялось среднее время решения заданий теста в секундах. Исследователя интересует вопрос: существует ли вза­имосвязь между временем решения этих задач? Переменная X - обозначает среднее время реше­ния наглядно-образных, а переменная Y- сред­нее время решения вербальных заданий тестов .

Решение. Представим исходные данные в виде таблицы 4, в которой введены дополнительные столб­цы, необходимые для расчета по формуле (7).

Таблица 4

Рассчитываем эмпирическую величину коэффициента корре­ляции по формуле (7):

Определяем критические значения для полученного коэффи­циента корреляции по таблице Приложения 3. При нахождении критических значений для вычисленного коэффициента линейной корреляции Пирсона число степе­ней свободы рассчитывается как k = n – 2 = 8.

к крит =0,72 > 0,54 , следовательно, гипотеза Н 1 отвергается и при­нимается гипотеза H 0 , иными словами, связь между временем решения наглядно-образных и вербальных заданий теста не доказана.

7.3 Регрессионный анализ

Это группа методов, направ­ленных на выявление и математическое выражение тех измене­ний и зависимостей, которые имеют место в системе случайных величин. Если такая система моделирует педагогическую, то, следовательно, путем регрессионного анализа выявляются и ма­тематически выражаются психолого-педагогические явления и зависимости между ними. Характеристики этих явлений изме­ряются в разных шкалах, что накладывает ограничения на спо­собы математического выражения изменений и зависимостей, которые изучаются педагогом-исследователем.

Методы регрессионного анализа рассчитаны, главным обра­зом, на случай устойчивого нормального распределе­ния, в котором изменения от опыта к опыту проявляются лишь в виде независимых испытаний.

Выделяются различные формальные задачи регрессионного анализа. Они могут быть простыми или сложными по формулировкам, по математиче­ским средствам и трудоемкости. Перечислим и рассмотрим на примерах те из них, которые представляются основными.

Первая задача - выявить факт изменчивости изучаемого яв­ления при определенных, но не всегда четко фиксированных условиях. В предыдущей лекции мы уже решали эту задачу с помощью параметрических и непараметрических критериев.

Вторая задача - выявить тенденцию как периодическое изменение признака. Сам по себе этот признак мо­жет быть зависим или не зависим от переменной-условия (он может зависеть от неизвестных или неконтролируемых иссле­дователем условий). Но это не важно для рассматриваемой за­дачи, которая ограничивается лишь выявлением тенденции и ее особенностей.

Проверка гипотез об отсутствии или наличии тенденции мо­жет выполняться с использованием кри­терия Аббе. Критерий Аббе предназначен для проверки гипотез о равенстве средних значений, установленных для 4

Эмпирическое значение критерия Аббе вычисля­ется по формуле:

(8)

где -среднее арифметическое из выборки;

п – число значений в выборке.

Согласно критерию, гипотеза о равенстве средних отклоняется (принимается альтернативная гипотеза), если значение статистики . Табличное (критическое) значение статистики определяется из таблицы для q -критерия Аббе, которая с сокращениями заимствована из книги Л.Н. Болышева и Н.В. Смирнова (см. Приложение 3).

В качестве таких величин, для которых применим критерий Аббе, могут высту­пать выборочные доли или проценты, средние арифметические и другие статистики выборочных распределений, если они близ­ки к нормальному (или предварительно нормализованы). По­этому критерий Аббе может найти широкое применение в пси­холого-педагогических исследованиях. Рассмотрим пример вы­явления тенденции с помощью критерия Аббе.

Пример 4. В табл. 5 представлена динамика процента студентов IV курса, на «отлично» сдававших экзамены в зимние сессии на протяжении 10 лет работыодного изфакультетовуниверситета.Требуетсяустановить, есть ли тенденция к повышению успеваемости.

Таблица 5. Динамика процента отличников четвертого курса за 10 лет работы факультета

В качестве нулевой проверяем гипотезу об отсутствии тенденции, т. е. о равенстве процентов.

Усредняем проценты, приведенные в табл. 5, находим, что =21,5. Вычисляем разности между последующими и предыдущими зна­чениями в выборке, возводим их в квадрат и суммируем:

Аналогично вычисляет знаменатель в формуле (8), суммируя квадраты разностей между каждым измерением и средним арифметическим:

Теперь по формуле (8) получаем:

В таблице критерия Аббе из Приложения 3 находим, что при n =10 и уровне значимости 0,05 критическое значение , что больше полученного нами 0,41, следовательно гипотезу о равенстве процента «отличников» приходится отклонить, и можно принять альтернативную гипотезу о наличии тенденции.

Третья задача – это выявление закономерности, выра­женной в виде корреляционного уравнения (регрессии) .

Пример 5. Эстонский исследователь Я. Микк , изучая трудности по­нимания текста, установил «формулу читаемости», которая представляет собой множественную линейную регрессию:

Оценка трудности понимания текста,

где х 1 - длина самостоятельных предложений в количестве печат­ных знаков,

х 2 - процент различных незнакомых слов,

х 3 - абстрактность повторяющихся понятий, выраженных существительными.

Сравнивая между собой коэффициенты регрессии, выражающие степень влияния факторов, можно видеть, что трудность понимания текста опреде­ляется прежде всего его абстрактностью. Вдвое мень­ше (0,27) трудность понимания текста зависит от числа незнакомых слов и практически она совсем не зависит от длины предложении.