三、双因素方差分析
1.双因素方差分析及其类型
当方差分析中涉及两个分类型自变量时,称为双因素方差分析。
(1)无交互作用的双因素方差分析(又称为无重复双因素分析):两个因素对因变量的影响是相互独立的;
(2)有交互作用的双因素方差分析(又称为可重复双因素分析):两个因素搭配在一起会对因变量产生一种 新的效应。
2.无交互作用的双因素方差分析

(1)数据结构(如表 10-3 所示)
表 10-3 中,行因素共有 k 个水平,列因素共有 r 个水平。每一个观察值上 xij(i=1,2,„,k;j=1,2,„,r)看做由行因素的 k 个水平和列因素的 r 个水平所组合成的 k×r 个总体中抽取的样本量为 1 的独立随机样本。 这 k×r 个总体中的每一个总体都服从正态分布,且有相同的方差。
表 10-3 中,xi•是行因素的第 i 个水平下各观察值的平均值,其计算公式为:
_
是列因素的第 j 个水平下的各观察值的均值,其计算公式为:

是全部 kr 个样本数据的总平均值,其计算公式为:
(2)分析步骤
①提出假设
对行因素提出的假设为:
H0:μ1=μ2=„=μi=„=μk,行因素(自变量)对因变量没有显著影响
H1:μi(i=1,2,„,k)不全相等,行因素(自变量)对因变量有显著影响
式中,μi 为行因素的第 i 个水平的均值。
对列因素提出的假设为:
H0:μ1=μ2=„=μj=„=μr,列因素(自变量)对因变量没有显著影响
H1:μj(j=1,2,„,r)不全相等,列因素(自变量)对因变量有显著影响
式中,μj 为列因素的第 j 个水平的均值。
③ 构造检验的统计量
总平方和(SST)是全部样本观察 xij(i=1,2,„,k;j=1,2,„,r)与总的样本平均值
的误差平方和,即
其中,分解后的等式右边的第一项是行因素所产生的误差平方和,记为 SSR,即
第二项是列因素所产生的误差平方和,记为 SSC,即
第三项是除行因素和列因素之外的剩余因素影响产生的误差平方和,称为随机误差平方和,记为 SSE,即
三者之间的关系为:SST=SSR+SSC+SSE。
a.与各误差平方和相对应的自由度分别为: 总平方和 SST 的自由度为 kr-1; 行因素的误差平方和 SSR 的自由度为 k-1;
列因素的误差平方和 SSC 的自由度为 r-1;
随机误差平方和 SSE 的自由度为(k-1)×(r-1)。
b.均方是各平方和除以相应的自由度,所以各因素的均方分别为:
行因素的均方 MSR=SSR/(k-1);列因素的均方 MSC=SSC/(r-1);随机误差项的均方 MS E=SSE/[(k-1)(r-1)]。
c.检验各因素对因变量的影响是否显著采用的统计量分别为: 检验行因素对因变量的影响是否显著,采用的统计量:
FR=MSR/MSE~F(k-1,(k-1)(r-1))
检验列因素对因变量的影响是否显著,采用的统计量:
FC=MSC/MSE~F(r-1,(k-1)(r-1))
③统计决策
若 FR>Fα,则拒绝原假设 H0:μ1=μ2=„=μi=„=μk,表明 μi(i=1,2,„,k)之间的差异是显著的, 即所检验的行因素对观测值有显著影响。
若 FC>Fα,则拒绝原假设 H0:μ1=μ2=„=μj=„=μr,表明 μj(j=1,2,„,r)之间的差异是显著的, 即所检验的列因素对观测值有显著影响。
(3)关系强度的测量
行平方和列平方和加在一起度量了两个自变量对因变量的联合效应,联合效应与总平方和的比值定义为 R2, 其平方根 R 则反映了这两个自变量合起来与因变量之间的关系强度。即
R2=联合效应/总效应=(SSR+SSC)/SST
(4)方差分析表 为使计算过程更加清晰,通常将方差分析的计算步骤和过程的内容列在一张表内,这就是方差分析表。其一
般形式如表 10-4 所示。
表 10-4无交互作用的双因素方差分析表的一般形式
误差来源 | 误差平方和 SS | 自由度 df | 均方 MS | F 值 | P 值 |
行因素 | SSR | k-1 | MSR | FR |
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列因素 | SSC | r-1 | MSC | FC |
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误差 | SSE | (k-1)×(r-1) | MSE |
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总和 | SST | kr-1 |
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3.有交互作用的双因素方差分析
有交互作用的双因素方差分析需要提出假设、检验的统计量、统计决策等步骤。提出假设时,需要对行变量、 列变量和交互作用变量分别提出假设,其余分析过程与无交互作用的双因素方差分析步骤一致。
(1)平方和的分解
_
设:xijl 为对应于行因素的第 i 个水平和列因素的第 j 个水平的第 l 行的观察值;xi•为行因素的第 i 个水平的
_ _
样本均值;x•j 为列因素的第 j 个水平的样本均值;xij 为对应于行因素的第 i 个水平和列因素的第 j 个水平组合的

样本均值; x 为全部 n 个观察值的总均值。
平方和之间的关系为:SSR+SSC+SSRC+SSE=SST。
其中,总平方和
行变量平方和
列变量平方和
交互作用平方和
误差项平方和(SSE):SSE=SST-SSR-SSC-SSRC
(2)分析步骤
①提出假设 对行因素提出的假设为:
H0:μ1=μ2=„=μi=„=μk,行因素(自变量)对因变量没有显著影响
H1:μi(i=1,2,„,k)不完全相等,行因素(自变量)对因变量有显著影响 对列因素提出的假设为: H0:μ1=μ2=„=μj=„=μr,列因素(自变量)对因变量没有显著影响 H1:μj(j=1,2,„,r)不完全相等,列因素(自变量)对因变量有显著影响
对交互作用提出的假设为:
H0:μ1=μ2=„=μt=„=μm,交互作用对因变量没有显著影响
H1:μt(t=1,2,„,m)不完全相等,交互作用对因变量有显著影响
②构造检验的统计量 检验行因素对因变量的影响是否显著,采用的统计量:
FR=行因素的均方 MSR/误差的均方 MSE~F(k-1,kr(m-1))
检验列因素对因变量的影响是否显著,采用的统计量: FC=列因素的均方 MSC/误差的均方 MSE~F(r-1,kr(m-1)) 检验交互作用对因变量的影响是否显著,采用的统计量:
FRC=交互作用的均方 MSC/误差的均方 MSE~F((k-1)(r-1),kr(m-1))
③统计决策
若 FR>Fα,则拒绝原假设 H0:μ1=μ2=„=μi=„=μk,表明 μi(i=1,2,„,k)之间的差异是显著的, 即所检验的行因素对观测值有显著影响。
若 FC>Fα,则拒绝原假设 H0:μ1=μ2=„=μj=„=μr,表明 μj(j=1,2,„,r)之间的差异是显著的, 即所检验的列因素对观测值有显著影响。
若 FRC>Fα,则拒绝原假设 H0:μ1=μ2=„=μt=„=μm,表明 μt(t=1,2,„,m)之间的差异是显著的,
即所检验的交互作用对观测值有显著影响。
(3)方差分析表 为使计算过程更加清晰,通常将方差分析的计算步骤和过程的内容列在一张表内,这就是方差分析表。其一般形式如表 10-5 所示,利用表中的F 统计量就可以对原假设进行检验。




表 10-5有交互作用的双因素方差分析表的一般形式
误差来源 | 误差平方和 SS | 自由度 df | 均方 MS | F 值 | P 值 |
行因素 | SSR | k-1 | SSR MSR = k - 1 | F = MSR R MSE |
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列因素 | SSC | r-1 | SSC MSR = r - 1 | F = MSC C MSE |
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交互作用 | SSRC | (k-1)×(r-1) | MSR = SSRC (k - 1)(r - 1) | F = MSRC RC MSE |
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误差 | SSE | kr(m-1) | MSR = SSE kr(m - 1) |
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总和 | SST | n-1 |
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