【通俗向】方差分析

高心望云 2019-07-12

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最近在圖書館借了本《R和ASReml-R統(tǒng)計分析教程》，林元震和陳曉陽主編的關(guān)于R的書籍，當(dāng)時看上這本書的原因在于里面以統(tǒng)計學(xué)知識為主，作為R語言實戰(zhàn)的良好補充，雖然R語言實戰(zhàn)是一本相當(dāng)詳實的介紹R語言的書，但是其中的統(tǒng)計學(xué)原理往往一筆帶過（雖然本書也不是很詳盡），但是作為一個數(shù)據(jù)分析從業(yè)人員，我感覺對于很多統(tǒng)計理論，達到可以講明白原理和邏輯就可以，具體的計算過程和推導(dǎo)反而在其次，而最重要的是在什么情況下應(yīng)用什么算法和模型，這才是最關(guān)鍵的。

這篇博客分享下對方差分析的理解。

其實在之前的文章中，對t檢驗相關(guān)說明比較多，而方差分析和t檢驗方法的功效和作用非常相近，網(wǎng)上對此也不是很詳盡，下面首先說說我的理解。

這里說的t檢驗是雙樣本t，也就是兩組數(shù)，看這兩組數(shù)據(jù)對應(yīng)的總體差異；方差檢驗也是看兩組（及以上）的數(shù)據(jù)見有沒有差異，那么其實二者是不是一樣呢？

其實在某種程度是一樣的。下面的情況分為兩個維度：檢驗的組數(shù)和組內(nèi)方差

情況1：僅有兩組，且組內(nèi)方差相等

在這種情況下，t檢驗和F檢驗相等

我們看下F檢驗的原理，F(xiàn)檢驗是看F分布，而F value是SSB/SSW，關(guān)于SSB和SSW可以參考可汗學(xué)院有一節(jié)專門講組間平方和（SSB）和組內(nèi)平方和（SSW），如果我們把組間平方和理解為兩組之間的差異，組內(nèi)平方和理解為兩組內(nèi)部不同數(shù)據(jù)的差異的話，那么簡單點說，兩個數(shù)據(jù)在有差異的前提下，究竟是組間的差異大，還是組內(nèi)的差異大呢？如果是組間的差異大，那么這兩組數(shù)據(jù)本身不一致的概率就非常大了，對應(yīng)F值比較大；

那么看看兩組的t檢驗，t檢驗的前提是兩組數(shù)據(jù)都是從不同樣本抽出的數(shù)據(jù)，而樣本都符合正態(tài)分布，然后用這兩個樣本推斷這兩個總體存不存在差異；舉個例子，我有一缸黑米，和一缸白米，為了看這兩缸米的密度有沒有差異，用小勺各盛了十次，觀察密度，然后用小勺的十次，去判定總體的差異；如果想用t檢驗，前提假設(shè)是由于隨機誤差，兩缸米在抽取的時候密度會有隨機誤差，那么每次抽取的密度都呈現(xiàn)正態(tài)分布，還有一個假設(shè)，就是兩個勺子盛的米離散程度是相等的，也就是方差相等。所以，在方差相等，或者說方差齊的前提是t檢驗的必要前提。而F檢驗不要求方差齊，或者說本身就是檢查方差的差異的。

按照之前的定義，如果兩組方差齊，由于F檢驗的F值是SSB/SSW，組內(nèi)方差相等，如果兩組有變異，那么全部都是由于組間差異造成的，F(xiàn)檢驗自然成了t檢驗，下面附上F檢驗和t檢驗的代碼和結(jié)果（數(shù)據(jù)參考了《R和ASReml-R統(tǒng)計分析教程》中的數(shù)據(jù)）：

weight<-scan()
16.68 20.67 18.42 18 17.44 15.95 18.68 23.22 21.42 19 18.92 NA

V<-rep(c('LY1','DXY'),rep(6,2))
df<-data.frame(V,weight)
a<-subset(df$weight,V=='LY1')
b<-subset(df$weight,V=='DXY')
var.test(a,b)
t.test(a,b,var.equal=T,paired = F)

t檢驗的結(jié)果是：

Two Sample t-test

data:  a and b
t = -2.1808, df = 9, p-value = 0.0571
alternative hypothesis: true difference in means is not equal to 0
95 percent confidence interval:
 -4.86513222  0.08913222
sample estimates:
mean of x mean of y 
   17.860    20.248

F檢驗：

fit<-aov(weight~V,data=df)
summary(fit)

結(jié)果：

  Df Sum Sq Mean Sq F value Pr(>F)  
V            1  15.55   15.55   4.756 0.0571 .
Residuals    9  29.43    3.27                 
---
Signif. codes:  0 ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1
1 observation deleted due to missingness

可以看到p值都是0.0571，相等，因為前提是在t檢驗中加入了var.test，然后設(shè)置參數(shù)var.equal=T。下面看看方差不等的情況：

情況2，兩組數(shù)據(jù)，方差不齊

在這種情況下，如果忽略了方差齊的前提，比如我重新做一組數(shù)據(jù)，先檢測防擦：

weight<-scan()
16.68 20.67 18.42 18 17.44 30 18.68 23.22 21.42 19 18.92 82

V<-rep(c('LY1','DXY'),rep(6,2))
df<-data.frame(V,weight)
a<-subset(df$weight,V=='LY1')
b<-subset(df$weight,V=='DXY')
var.test(a,b)

看到檢測結(jié)果：

F test to compare two variances

data:  a and b
F = 0.038913, num df = 5, denom df = 5, p-value = 0.002832
alternative hypothesis: true ratio of variances is not equal to 1
95 percent confidence interval:
 0.005445095 0.278085194
sample estimates:
ratio of variances 
        0.03891273

p為0.002832，所以方差不齊；

但是然后我們進行方差齊的t檢驗：

t.test(a,b,var.equal=T,paired = F)

Two Sample t-test

data:  a and b
t = -0.98304, df = 10, p-value = 0.3488
alternative hypothesis: true difference in means is not equal to 0
95 percent confidence interval:
 -33.77097  13.09431
sample estimates:
mean of x mean of y 
 20.20167  30.54000

看到兩組均值相等的概率好大；

方差不齊調(diào)整后的t檢驗：

t.test(a,b,var.equal=F,paired = F)

Welch Two Sample t-test

data:  a and b
t = -0.98304, df = 5.3885, p-value = 0.3676
alternative hypothesis: true difference in means is not equal to 0
95 percent confidence interval:
 -36.79643  16.11976
sample estimates:
mean of x mean of y 
 20.20167  30.54000

P值是0.3676 稍微比之前大一些；

F檢驗：

fit<-aov(weight~V,data=df)
summary(fit)

  Df Sum Sq Mean Sq F value Pr(>F)
V            1    321   320.6   0.966  0.349
Residuals   10   3318   331.8

p是0.349；這和t檢驗在方差齊的前提下是相等的。

我理解是這樣的：

t檢驗的前提是方差齊，只有方差齊了，t檢驗的結(jié)果才反應(yīng)兩組數(shù)據(jù)的是否有差異，否則如果方差不齊的話，會把組內(nèi)的差異也考慮進去，所以判定的概率就更寬松；而F檢驗其實就是看組間差異和組內(nèi)差異的比較，所以本質(zhì)上和t檢驗方差齊的概念相似。但是實際上在方差不齊的時候是無法進行t檢驗的，結(jié)果不具有統(tǒng)計學(xué)意義。

情況3&4：多組情況下，方差齊&多組方差不齊

t檢驗一般適用于兩組，所以在多維的情況下，不適用t檢驗，而F檢驗可以判定多組、一組多變量和多組間有交互（單因素、協(xié)方差、雙因素?zé)o重復(fù)、雙因素有重復(fù)等），然后在通過兩兩比較進行分析，用duncan和tukey等方法去判定。