Дисперсионный анализ

Дисперсионный анализ

Основные идеи Разбиение суммы квадратов Многофакторный дисперсионный анализ Эффекты взаимодействия Сложные планы Межгрупповые планы и планы повторных измерений Неполные (гнездовые) планы Ковариационный анализ (ANCOVA) Фиксированные ковариаты Переменные ковариаты

Многомерные планы: многомерный дисперсионный и ковариационный анализ Межгрупповые планы Планы с повторными измерениями Суммы значений переменной и дисперсионного анализа Анализ контрастов и апостериорные критерии Почему сравниваютсяотдельные множества средних? Анализ контрастов Апостериорные критерии Предположения и эффекты их нарушения Нормальность распределения Однородность дисперсии Однородность дисперсии и ковариации Сферичность и сложная симметрия Методы дисперсионного анализа

Этот раздел содержит вводный обзор и обсуждение некоторых методов дисперсионного анализа, включая планы с повторными измерениями, ковариационный анализ, многомерный дисперсионный анализ, несбалансированные и вложенные планы, эффекты контрастов, апостериорные сравнения и др. Дополнительно, можно обратиться к разделу Компоненты дисперсии (разделы связанные с оцениванием компонент дисперсии в смешанных планах), Планирование эксперимента (разделы связанные со специальными областями применения дисперсионного анализа в промышленных условиях), а также Анализ повторяемости и воспроизводимости (разделы, относящиеся к оцениванию надежности и точности измерительных систем).
Основные идеи Разбиение суммы квадратов Многофакторный дисперсионный анализ Эффекты взаимодействия Сложные планы Межгрупповые планы и планы повторных измерений Неполные (гнездовые) планы Ковариационный анализ (ANCOVA) Фиксированные ковариаты Переменные ковариаты Многомерные планы: многомерный дисперсионный и ковариационный анализ Межгрупповые планы Планы с повторными измерениями Суммы значений переменной и дисперсионного анализа Анализ контрастов и апостериорные критерии Почему сравниваютсяотдельные множества средних? Анализ контрастов Апостериорные критерии Предположения и эффекты их нарушения Нормальность распределения Однородность дисперсии Однородность дисперсии и ковариации Сферичность и сложная симметрия Методы дисперсионного анализа

Этот раздел содержит вводный обзор и обсуждение некоторых методов дисперсионного анализа, включая планы с повторными измерениями, ковариационный анализ, многомерный дисперсионный анализ, несбалансированные и вложенные планы, эффекты контрастов, апостериорные сравнения и др.
Дополнительно, можно обратиться к разделу Компоненты дисперсии (разделы связанные с оцениванием компонент дисперсии в смешанных планах), Планирование эксперимента ( разделы связанные со специальными областями применения дисперсионного анализа в промышленных условиях), а также Анализ повторяемости и воспроизводимости (разделы, относящиеся к оцениванию надежности и точности измерительных систем).

Основные идеи

Цель дисперсионного анализа.

Основной целью дисперсионного анализа является исследование значимости различия между средними. Раздел Элементарные понятия статистики содержит краткое введение в исследование статистической значимости. Если вы просто сравниваете средние в двух выборках, дисперсионный анализ даст тот же результат, что и обычный t-критерий для независимых выборок (если сравниваются две независимые группы объектов или наблюдений) или t-критерий для зависимых выборок (если сравниваются две переменные на одном и том же множестве объектов или наблюдений). Если вы не достаточно знакомы с этими критериями, рекомендуем обратиться к разделу Основные статистики и таблицы.

Откуда произошло название Дисперсионный анализ? Может показаться странным, что процедура сравнения средних называется дисперсионным анализом. В действительности, это связано с тем, что при исследовании статистической значимости различия между средними двух (или нескольких) групп, мы на самом деле сравниваем (т.е. анализируем) выборочные дисперсии. Фундаментальная концепция дисперсионного анализа предложена Фишером в 1920 году. Возможно, более естественным был бы термин анализ суммы квадратов или анализ вариации, но в силу традиции употребляется термин дисперсионный анализ. Разбиение суммы квадратов Многофакторный дисперсионный анализ Эффекты взаимодействия Также смотрите разделы. Сложные планы Ковариационный анализ (ANCOVA) Многомерные планы: многомерный дисперсионный и ковариационный анализ Анализ контрастов и апостериорные критерии Предположения и эффекты их нарушения См.


также Методы дисперсионного анализа, Компоненты дисперсии и смешанная модель ANOVA/ANCOVA, а также Планироване эксперимента.

Разбиение суммы квадратов
Разбиение суммы квадратов

Для выборки объема n выборочная дисперсия вычисляется как сумма квадратов отклонений от выборочного среднего, деленная на n-1 (объем выборки минус единица). Таким образом, при фиксированном объеме выборки n дисперсия есть функция суммы квадратов (отклонений), обозначаемая, для краткости, SS (от английского Sum of Squares - Сумма квадратов). Далее слово выборочная мы часто опускаем, прекрасно понимая, что рассматривается выборочная дисперсия или оценка дисперсии. В основе дисперсионного анализа лежит разделение дисперсии на части или компоненты. Рассмотрим следующий набор данных:

Таблица 1
Таблица 1

Группа 1 Группа 2 Наблюдение 1
Наблюдение 2
Наблюдение 3 Среднее
Сумма квадратов (СК) Общее среднее
Общая сумма квадратов

2 3 1	6 7 5
2 2	6 2
4 28

Средние двух групп существенно различны (2 и 6 соответственно). Сумма квадратов отклонений внутри каждой группы равна 2. Складывая их, получаем 4. Если теперь повторить эти вычисления без учета групповой принадлежности, то есть, если вычислить SS исходя из общего среднего этих двух выборок, то получим величину 28. Иными словами, дисперсия (сумма квадратов), основанная на внутригрупповой изменчивости, приводит к гораздо меньшим значениям, чем при вычислении на основе общей изменчивости (относительно общего среднего). Причина этого, очевидно, заключается в существенной разнице между средними значениями, и это различие между средними и объясняет существующее различие между суммами квадратов. В самом деле, если использовать для анализа этих данных модуль Дисперсионный анализ, то будет получена следующая таблица, называемая таблицей дисперсионного анализа:

Таблица 2
Таблица 2

  ГЛАВНЫЙ ЭФФЕКТ SS ст.св.  MS F p Эффект
Ошибка

24.0 4.0	1 4	24.0 1.0	24.0	.008

Как видно из таблицы, общая сумма квадратов SS = 28 разбита на компоненты: сумму квадратов, обусловленную внутригрупповой изменчивостью (2+2=4; см.


вторую строку таблицы) и сумму квадратов, обусловленную различием средних значений между группами (28-(2+2)=24; см первую строку таблицы). Заметим, что MS в этой таблице есть средний квадрат, равный SS, деленная на число степеней свободы (ст.св).

SS ошибок и SS эффекта. Внутригрупповая изменчивость (SS) обычно называется остаточной компонентой или дисперсией ошибки. Это означает, что обычно при проведении эксперимента она не может быть предсказана или объяснена. С другой стороны, SS эффекта (или компоненту дисперсии между группами) можно объяснить различием между средними значениями в группах. Иными словами, принадлежность к некоторой группе объясняет межгрупповую изменчивость, т.к. нам известно, что эти группы обладают разными средними значениями.

Проверка значимости. Основные идеи проверки статистической значимости обсуждаются в разделе Элементарные понятия статистики. В этом же разделе объясняются причины, по которым многие критерии используют отношение объясненной и необъясненной дисперсии. Примером такого использования является сам дисперсионный анализ. Проверка значимости в дисперсионном анализе основана на сравнении компоненты дисперсии, обусловленной межгрупповым разбросом (называемой средним квадратом эффекта или MSэффект) и компоненты дисперсии, обусловленной внутригрупповым разбросом (называемой средним квадратом ошибки или MSошибка; эти термины были впервые использованы в работе Edgeworth, 1885). Если верна нулевая гипотеза (равенство средних в двух популяциях), то можно ожидать сравнительно небольшое различие выборочных средних из-за чисто случайной изменчивости. Поэтому, при нулевой гипотезе, внутригрупповая дисперсия будет практически совпадать с общей дисперсией, подсчитанной без учета групповой принадлежности. Полученные внутригрупповые дисперсии можно сравнить с помощью F-критерия, проверяющего, действительно ли отношение дисперсий значимо больше 1. В рассмотренном выше примере F-критерий показывает, что различие между средними статистически значимо (значимо на уровне 0.008).



Основная логика дисперсионного анализа. Подводя итоги, можно сказать, что целью дисперсионного анализа является проверка статистической значимости различия между средними (для групп или переменных). Эта проверка проводится с помощью разбиения суммы квадратов на компоненты, т.е. с помощью разбиения общей дисперсии (вариации) на части, одна из которых обусловлена случайной ошибкой (то есть внутригрупповой изменчивостью), а вторая связана с различием средних значений. Последняя компонента дисперсии затем используется для анализа статистической значимости различия между средними значениями. Если это различие значимо, нулевая гипотеза отвергается и принимается альтернативная гипотеза о существовании различия между средними.

Зависимые и независимые переменные. Переменные, значения которых определяется с помощью измерений в ходе эксперимента (например, балл, набранный при тестировании), называются зависимыми переменными. Переменные, которыми можно управлять при проведении эксперимента (например, методы обучения или другие критерии, позволяющие разделить наблюдения на группы или классифицировать) называются факторами или независимыми переменными. Более подробно эти понятия описаны в разделе Элементарные понятия статистики.

Многофакторный дисперсионный анализ
Многофакторный дисперсионный анализ

В рассмотренном выше простом примере вы могли бы сразу вычислить t-критерий для независимых выборок, используя соответствующую опцию модуля Основные статистики и таблицы. Полученные результаты, естественно, совпадут с результатами дисперсионного анализа. Однако дисперсионный анализ содержит гораздо более гибкие и мощные технические средства, позволяющие исследовать планы практически неограниченной сложности.

Множество факторов.
Множество факторов.

Мир по своей природе сложен и многомерен. Ситуации, когда некоторое явление полностью описывается одной переменной, чрезвычайно редки. Например, если мы пытаемся научиться выращивать большие помидоры, следует рассматривать факторы, связанные с генетической структурой растений, типом почвы, освещенностью, температурой и т.д.


Таким образом, при проведении типичного эксперимента приходится иметь дело с большим количеством факторов. Основная причина, по которой использование дисперсионного анализа предпочтительнее повторного сравнения двух выборок при разных уровнях факторов с помощью серий t-критерия, заключается в том, что дисперсионный анализ существенно более эффективен и, для малых выборок, более информативен. Вам нужно сделать определенные усилия, чтобы овладеть техникой дисперсионного анализа, реализованной на STATISTICA, и ощутить все ее преимущества в конкретных исследованиях.

Управление факторами. Предположим, что в рассмотренном выше примере анализа двух выборок мы добавим еще один фактор, например, Пол - Gender. Пусть каждая группа теперь состоит из 3 мужчин и 3 женщин. План этого эксперимента можно представить в виде таблицы 2 на 2:

Таблица 3
Таблица 3

Экспериментальная
группа 1 Экспериментальная
группа 2 Мужчины
 
  Среднее Женщины
 
  Среднее

2 3 1	6 7 5
2	6
4 5 3	8 9 7
4	8

До проведения вычислений можно заметить, что в этом примере общая дисперсия имеет, по крайней мере, три источника: (1) случайная ошибка (внутригрупповая дисперсия), (2) изменчивость, связанная с принадлежностью к экспериментальной группе, и (3) изменчивость, обусловленная полом объектов наблюдения. (Отметим, что существует еще один возможный источник изменчивости - взаимодействие факторов, который мы обсудим позднее). Что произойдет, если мы не будем включать пол как фактор при проведении анализа и вычислим обычный t-критерий? Если мы будем вычислять суммы квадратов, игнорируя пол (т.е. объединяя объекты разного пола в одну группу при вычислении внутригрупповой дисперсии и получив при этом сумму квадратов для каждой группы равную SS =10 и общую сумму квадратов SS = 10+10 = 20), то получим большее значение внутригрупповая дисперсии, чем при более точном анализе с дополнительным разбиением на подгруппы по полу (при этом внутригрупповые средние будут равны 2, а общая внутригрупповая сумма квадратов равна SS = 2+2+2+2 = 8).



Итак, при введении дополнительного фактора: пол, остаточная дисперсия уменьшилась. Это связано с тем, что среднее значение для мужчин меньше, чем среднее значение для женщин, и это различие в средних значениях увеличивает суммарную внутригрупповую изменчивость, если фактор пола не учитывается. Управление дисперсией ошибки увеличивает чувствительность (мощность) критерия. На этом примере видно еще одно преимущество дисперсионного анализа по сравнению с обычным t-критерием для двух выборок. Дисперсионный анализ позволяет изучать каждый фактор, управляя значениями других факторов. Это, в действительности, и является основной причиной его большей статистической мощности (для получения значимых результатов требуются меньшие объемы выборок). По этой причине дисперсионный анализ даже на небольших выборках дает статистически более значимые результаты, чем простой t-критерий.

Эффекты взаимодействия


Существует еще одно преимущество дисперсионного анализа перед обычным t-критерием: дисперсионный анализ позволяет обнаружить эффекты взаимодействия между факторами и, поэтому, позволяет проверять более сложные гипотезы. Рассмотрим еще один пример, иллюстрирующий только что сказанное. (Термин взаимодействие впервые был использован Фишером в работе Fisher, 1926)

Главные эффекты, попарные (двухфакторные) взаимодействия.
Главные эффекты, попарные (двухфакторные) взаимодействия.

Предположим, что имеется две группы студентов, причем психологически студенты первой группы настроены на выполнение поставленных задач и более целеустремленны, чем студенты второй группы, состоящей из более ленивых студентов. Разобьем каждую группу случайным образом пополам и предложим одной половине в каждой группе сложное задание, а другой - легкое. После этого измерим, насколько напряженно студенты работают над этими заданиями. Средние значения для этого (вымышленного) исследования показаны в таблице:

Таблица 4
Таблица 4

Целеустремленные      Ленивые      Трудное задание
Легкое задание

10 5	5 10

Какой вывод можно сделать из этих результатов? Можно ли заключить, что: (1) над сложным заданием студенты трудятся более напряженно; (2) честолюбивые студенты работают упорнее, чем ленивые? Ни одно из этих утверждений не отражает сущность систематического характера средних, приведенных в таблице. Анализируя результаты, правильнее было бы сказать, что над сложными заданиями работают упорнее только честолюбивые студенты, в то время как над легкими заданиями только ленивые работают упорнее. Другими словами характер студентов и сложность задания взаимодействуя между собой влияют на затрачиваемое усилие. Это является примером попарного взаимодействия между характером студентов и сложностью задания. Заметим, что утверждения 1 и 2 описывают главные эффекты.

Взаимодействия высших порядков. В то время как объяснить попарные взаимодействия еще сравнительно легко, взаимодействия высших порядков объяснить значительно сложнее. Представьте, что в рассматриваемый выше пример, введен еще один фактор пол и получена следующая таблица средних значений:

Таблица 5
Таблица 5

Женщины  Целеустремленные      Ленивые      Трудное задание
Легкое задание Мужчины  Целеустремленные      Ленивые      Трудное задание
Легкое задание

10 5	5 10
1 6	6 1

Какие теперь выводы можно сделать из полученных результатов? Графики средних позволяют объяснять сложные эффекты. Модуль дисперсионного анализа позволяет строить эти графики практически одним щелчком мыши. Изображение на этих графике внизу представляет собой изучаемое трехфакторное взаимодействие.



Глядя на график, можно сказать, что у женщин существует взаимодействие между характером и сложностью теста: целеустремленные женщины работают над трудным заданием более напряженно, чем над легким. У мужчин то же взаимодействие носит обратный характер. Видно, что описание взаимодействия между факторами становится более запутанным.

Общий способ описания взаимодействий. В общем случае взаимодействие между факторами описывается в виде изменения одного эффекта под воздействием другого.


В рассмотренном выше примере двухфакторное взаимодействие можно описать как изменение главного эффекта фактора, характеризующего сложность задачи, под воздействием фактора, описывающего характер студента. Для взаимодействия трех факторов из предыдущего параграфа можно сказать, что взаимодействие двух факторов (сложности задачи и характера студента) изменяется под воздействием Пола. Если изучается взаимодействие четырех факторов, можно сказать, что взаимодействие трех факторов, изменяется под воздействием четвертого фактора, т.е. существуют различные типы взаимодействий на разных уровнях четвертого фактора. Оказалось, что во многих областях взаимодействие пяти или даже большего количества факторов не является чем-то необычным.

В начало

Сложные планы

Сложные планы

В этом разделе будет дан обзор основных "кирпичиков", из которых строятся сложные планы. Межгрупповые планы и планы повторных измерений Неполные (гнездовые) планы Для просмотра других разделов Вводного обзора выберите соответствующее название ниже. Основные идеи Ковариационный анализ (ANCOVA) Многомерные планы: дисперсионный и ковариационный анализ Аналих контрастов и апостериорные критерии Предположения и последствия их нарушения См. также Методы дисперсионного анализа, Компоненты дисперсии и смешанные модели ANOVA/ANCOVA и Планирование экспермента.

Межгрупповые планы и планы с повторными измерениями
Межгрупповые планы и планы с повторными измерениями

При сравнении двух различных групп обычно используется t-критерий для независимых выборок (из модуля Основные статистики и таблицы). Когда сравниваются две переменные на одном и том же множестве объектов (наблюдений), используется t-критерий для зависимых выборок. Для дисперсионного анализа также важно зависимы или нет выборки. Если имеются повторные измерения одних и тех же переменных (при разных условиях или в разное время) для одних и тех же объектов, то говорят о наличии фактора повторных измерений (называемого также внутригрупповым фактором, поскольку для оценки его значимости вычисляется внутригрупповая сумма квадратов).


Если сравниваются разные группы объектов (например, мужчины и женщины, три штамма бактерий и т.п.), то разница между группами описывается межгрупповым фактором. Способы вычисления критериев значимости для двух описанных типов факторов различны, но общая их логика и интерпретации совпадает.

Меж- и внутригрупповые планы. Во многих случаях эксперимент требует включение в план и межгруппового фактора, и фактора повторных измерений. Например, измеряются математические навыки студентов женского и мужского пола (где пол -межгрупповой фактор) в начале и в конце семестра. Два измерения навыков каждого студента образуют внутригрупповой фактор (или фактор с повторными измерениями). Интерпретация главных эффектов и взаимодействий для межгрупповых факторов и факторов повторных измерений совпадает, и оба типа факторов могут, очевидно, взаимодействовать между собой (например, женщины приобретают навыки в течение семестра, а мужчины их теряют).

Неполные (гнездовые) планы
Неполные (гнездовые) планы

Во многих случаях можно пренебречь эффектом взаимодействия. Это происходит или когда известно, что в популяции эффект взаимодействия отсутствует, или когда осуществление полного факторного плана невозможно. Например, пусть изучается влияние четырех добавок к топливу на расход горючего. Выбираются четыре автомобиля и четыре водителя. Полный факторный эксперимент требует, чтобы каждая комбинация: добавка, водитель, автомобиль - появились хотя бы один раз. Для этого нужно не менее 4 x 4 x 4 = 64 групп испытаний, что требует слишком больших временных затрат. Кроме того, вряд ли существует взаимодействие между водителем и добавкой к топливу. Принимая это во внимание, можно использовать план типа Латинские квадраты, в котором содержится лишь 16 групп испытаний (четыре добавки обозначаются буквами A, B, C и D):

Таблица 6
Таблица 6

Автомобиль  1   2   3   4  Водитель 1
Водитель 2
Водитель 3
Водитель 4

A B C D	B C D A	C D A B	D A B C

Латинские квадраты описаны в большинстве книг по планированию экспериментов (например, Hays, 1988; Lindman, 1974; Milliken and Johnson, 1984; Winer, 1962), и здесь они не будут детально обсуждаться. Отметим, что латинские квадраты это неnолные планы, в которых участвуют не все комбинации уровней факторов. Например, водитель 1 управляет автомобилем 1 только с добавкой А, водитель 3 управляет автомобилем 1 только с добавкой С. Уровни фактора добавки (A, B, C и D) вложены в ячейки таблицы автомобиль x водитель как яйца в гнезда. Это мнемоническое правило полезно для понимания природы гнездовых планов. Модуль Дисперсионный анализ предоставляет простые способы анализ планов такого типа.

Отметим, что анализ планов такого типа возможен и в некоторых других модулях системы STATISTICA. Подробнее см. в разделе Методы дисперсионного анализа. В частности, модуль Компоненты дисперсии и смешанные модели ANOVA/ANCOVA очень эффективен при анализе планов с несбалансированной вложенностью (т.е. когда вложенные факторы имеют различное число уровней при разных уровнях факторов, в которые они вложены), очень больших гнездовых планов (например, с общим числом уровней более 200) или иерархически вложенных планов (содержащих или не содержащих случайные факторы).

В начало

Ковариационный анализ (ANCOVA)
Ковариационный анализ (ANCOVA)

Основная идея

В разделе Основные идеи кратко обсуждалась идея управления факторами и то, каким образом включение аддитивных факторов позволяет уменьшить остаточную сумму квадратов и увеличить статистическую мощность плана. Все это может быть распространено и на переменные с непрерывным множеством значений. Когда такие непрерывные переменные включаются в план в качестве факторов, они называются ковариатами. Фиксированные ковариаты Переменные ковариаты Для просмотра других разделов Вводного обзора выберите соответствующее название ниже. Основные идеи Сложные планы Многомерные планы: многомерный дисперсионный и ковариационный анализ Анализ контрастов и апостериорные критерии Предположения и последствия их нарушения См.


также Методы дисперсионного анализа, Компоненты дисперсии и смешанные модели ANOVA/ANCOVA и Планирование эксперимента.

Фиксированные ковариаты
Фиксированные ковариаты

Предположим, что сравниваются математические навыки двух групп студентов, которые обучались по двум различным учебникам. Предположим также, что имеются дополнительные данные о коэффициенте интеллекта (IQ) каждого студента. Можно предположить, что коэффициент интеллекта связан с математическими навыками, и использовать эту информацию. Для каждой из двух групп студентов можно вычислить коэффициент корреляции между IQ и математическими навыками (см. Основные статистики и таблицы). Используя этот коэффициент корреляции, можно выделить долю дисперсии в группах, объясняемую IQ и необъясняемую долю дисперсии (см. также Элементарные понятия статистики и Основные статистики и таблицы). Оставшаяся доля дисперсии используется при проведении анализа как дисперсия ошибки. Если имеется корреляция между IQ и математическими навыками, то таким образом можно существенно уменьшить дисперсию ошибки SS/(n-1).

Влияние ковариат на F критерий. F критерий оценивает статистическую значимость различия средних в группах, при этом вычисляется отношение межгрупповой дисперсии (MSошибка) к дисперсии ошибок (MSошибка). Если MSошибка уменьшается, например, при учете фактора IQ, значение F увеличивается.

Множество ковариат. Рассуждения, использованные выше для одной ковариаты (IQ), легко распространяются на несколько ковариат. Например, кроме IQ, можно включить измерение мотивации, пространственного мышления и т.д. Вместо обычного коэффициента корреляции при этом используется множественный коэффициент корреляции (см. раздел Множественная регрессия).

Когда значение F-критерия уменьшается. Иногда введение ковариат в план эксперимента уменьшает значение F-критерия. Обычно это указывает на то, что ковариаты коррелированы не только с зависимой переменной (например, математическими навыками), но и с факторами (например, с разными учебниками).


Предположим, что IQ измеряется в конце семестра, после почти годового обучения двух групп студентов по двум разным учебникам. Хотя студенты разбивались на группы случайным образом, может оказаться, что различие учебников настолько велико, что и IQ и математические навыки в разных группах будут сильно различаться. В этом случае, ковариаты не только уменьшают дисперсию ошибок, но и межгрупповую дисперсию. Другими словами, после контроля за разностью IQ в разных группах, разность в математических навыках уже будет несущественной. Ту же мысль можно выразить иначе: после "исключения" влияния IQ, неумышленно исключается и влияние учебника на развитие математических навыков.

Скорректированные средние. Когда ковариата влияет на межгрупповой фактор, следует вычислять скорректированные средние, т.е. такие средние, которые получаются после удаления всех оценок ковариат.

Взаимодействие между ковариатами и факторами. Также как исследуется взаимодействие между факторами, можно исследовать взаимодействия между ковариатами и группами факторов. Предположим, что один из учебников особенно подходит для умных студентов. Второй учебник для умных студентов скушен, а для менее умных студентов этот же учебник труден. В результате имеется положительная корреляция между IQ и результатом обучения в первой группе (более умные студенты, лучше результат) и нулевая или небольшая отрицательная корреляция во второй группе (чем умнее студент, тем менее вероятно приобретение математических навыков из второго учебника). В некоторых исследованиях эта ситуация обсуждается как пример нарушения предположений ковариационного анализа (см. Предположения и последствия их нарушения). Однако так как в модуле Дисперсионный анализ используются самые общие способы ковариационного анализа, можно, в частности, оценить статистическую значимость взаимодействия между факторами и ковариатами.

Переменные ковариаты
Переменные ковариаты

В то время как фиксированные ковариаты обсуждаются в учебниках достаточно часто, переменные ковариаты упоминаются намного реже.


Обычно, при проведении экспериментов с повторными измерениями, нас интересуют различия в измерениях одних и тех же величин в разные моменты времени. А именно, нас интересует значимость этих различий. Если одновременно с измерениями зависимых переменных проводится измерение ковариат, можно вычислить корреляцию между ковариатой и зависимой переменной. Например, можно изучать интерес к математике и математические навыки в начале и в конце семестра. Интересно было бы проверить, коррелированы ли между собой изменения в интересе к математике с изменением математических навыков. Модуль Дисперсионный анализ в STATISTICA автоматически оценивает статистическую значимость изменения ковариат в тех планах, где это возможно.

В начало

Многомерные планы: Многомерный дисперсионный и ковариационный анализ Межгрупповые планы Планы с повторными измерениями Суммы значений переменной и многомерный дисперсионный анализ Для просмотра других обзорных разделов выберите соответствующее название ниже. Основные идеи Сложные планы Ковариационный анализ (ANCOVA) Анализ контрастов и апостериорные критерии Предположения и последствия их нарушения См. также Методы дисперсионного анализа, Компоненты дисперсии и смешанные модели ANOVA/ANCOVA и Планирование эксперимента.

Межгрупповые планы
Межгрупповые планы

Все рассматриваемые ранее примеры включали только одну зависимую переменную. Когда одновременно имеется несколько зависимых переменных, возрастает лишь сложность вычислений, а содержание и основные принципы не меняются. Например, проводится исследование двух различных учебников. При этом изучаются успехи студентов в изучении физики и математики. В этом случае имеются две зависимые переменные и нужно выяснить, как влияют на них одновременно два разных учебника. Для этого можно воспользоваться многомерным дисперсионным анализом (MANOVA). Вместо одномерного F критерия, используется многомерный F критерий (лямбда-критерий Уилкса), основанный на сравнении ковариационной матрицы ошибок и межгрупповой ковариационной матрицы.


Если зависимые переменные коррелированы между собой, то эта корреляция должна учитываться при вычислении критерия значимости. Очевидно, если одно и то же измерение повторяется дважды, то ничего нового получить при этом нельзя. Если к имеющемуся измерению добавляется коррелированное с ним измерение, то получается некоторая новая информация, но при этом новая переменная содержит избыточную информацию, которая отражается в ковариации между переменными.

Интерпретация результатов. Если общий многомерный критерий значим, можно заключить, что соответствующий эффект (например, тип учебника) значим. Однако встают следующие вопросы. Влияет ли тип учебника на улучшение только математических навыков, только физических навыков, или одновременно на улучшение тех и других навыков. В действительности, после получения значимого многомерного критерия, для отдельного главного эффекта или взаимодействия исследуются одномерные F-критерии. Другими словами, отдельно исследуются зависимые переменные, которые вносят вклад в значимость многомерного критерия.

Планы с повторными измерениями
Планы с повторными измерениями

Если измеряются математические и физические навыки студентов в начале семестра и в конце семестра, то это и есть повторные измерения. Изучение критерия значимости в таких планах это логическое развитие одномерного случая. Заметим, что методы многомерного дисперсионного анализа обычно также используются для исследования значимости одномерных факторов повторных измерений, имеющих более чем два уровня. Соответствующие применения будут рассмотрены позднее в этой части.

Суммы значений переменной и дисперсионный анализ
Суммы значений переменной и дисперсионный анализ

Даже опытные пользователи одномерного и многомерного дисперсионного анализа часто приходят в затруднение, получая разные результаты при применении многомерного дисперсионного анализа, например, для трех переменных, и при применении одномерного дисперсионного анализа к сумме этих трех переменных, как к одной переменной.


Идея суммирования переменных состоит в том, что каждая переменная содержит в себе некоторую истинную переменную, которая и исследуется, а также случайную ошибку измерения. Поэтому при усреднении значений переменных, ошибка измерения будет ближе к 0 для всех измерений и усредненное значений будет более надежным. На самом деле, в этом случае применение дисперсионного анализа к сумме переменных разумно и является мощным методом. Однако, если зависимые переменные по своей природе многомерны, то суммирование неуместно. Например, пусть зависимые переменные состоят из четырех показателей успеха в обществе. Каждый показатель характеризует совершенно независимую сторону человеческой деятельности (например, профессиональный успех, преуспевание в бизнесе, семейное благополучие и т.д.). Сложение этих переменных подобно сложению яблока и апельсина. Сумма этих переменных не будет подходящим одномерным показателем. Поэтому с такими данными нужно обходится как с многомерными показателями в многомерном дисперсионном анализе.

В начало

Анализ контрастов и апостериорные критерии Почему сравниваютсяотдельные множества средних? Анализ контрастов Апостериорные критерии Для просмотра других обзорных разделов выберите соответствующее название ниже. Основные идеи Сложные планы Ковариационный анализ (ANCOVA) Многомерные планы: многомерный дисперсионный и ковариационный анализ Предположения и последствия их нарушения См. также Методы дисперсионного анализа, Компоненты дисперсии и смешанные модели ANOVA/ANCOVA и Планирование эксперимента.
Анализ контрастов и апостериорные критерии Почему сравниваютсяотдельные множества средних? Анализ контрастов Апостериорные критерии Для просмотра других обзорных разделов выберите соответствующее название ниже. Основные идеи Сложные планы Ковариационный анализ (ANCOVA) Многомерные планы: многомерный дисперсионный и ковариационный анализ Предположения и последствия их нарушения См. также Методы дисперсионного анализа, Компоненты дисперсии и смешанные модели ANOVA/ANCOVA и Планирование эксперимента.



Почему сравниваются отдельные множества средних?
Почему сравниваются отдельные множества средних?

Обычно гипотезы относительно экспериментальных данных формулируются не просто в терминах главных эффектов или взаимодействий. Примером может служить такая гипотеза: некоторый учебник повышает математические навыки только у студентов мужского пола, в то время как другой учебник примерно одинаково эффективен для обоих полов, но все же менее эффективен для мужчин. Можно предсказать, что эффективность учебника взаимодействует с полом студента. Однако этот прогноз касается также природы взаимодействия. Ожидается значительное различие между полами, обучающимися по одной книге, и практически не зависимые от пола результаты для обучающихся по другой книге. Такой тип гипотез обычно исследуется с помощью анализа контрастов.

Анализ контрастов
Анализ контрастов

Если говорить коротко, то анализ контрастов позволяет оценивать статистическую значимость некоторых линейных комбинаций факторов сложного плана. Анализ контрастов главный и обязательный элемент любого сложного плана дисперсионного анализа. Модуль Дисперсионный анализ имеет достаточно разнообразные возможности анализа контрастов, которые позволяют выделять и анализировать любые типы сравнений средних (способы задания контрастов описаны в разделе Примечания).

Апостериорные критерии
Апостериорные критерии

Иногда в результате обработки эксперимента обнаруживаются неожиданные различия в средних. Хотя в большинстве случаев творческий исследователь сможет объяснить эти различия, ему сложно провести дальнейший анализ. Эта проблема является одной из тех, для которых используются апостериорные критерии, то есть критерии, не использующие априорные гипотезы. Для иллюстрации рассмотрим следующий эксперимент. Предположим, что на 100 карточках записаны числа от 1 до 10. Опустив все эти карточки в шапку, мы случайным образом выбираем 20 раз по 5 карточек, и вычисляем для каждой выборки среднее значение (среднее чисел, записанных на карточки).


Можно ли ожидать, что найдется две выборки, у которых средние значения значимо отличаются? Это очень правдоподобно! Выбирая две выборки с максимальным и минимальным средним, можно получить разность средних значений, сильно отличающуюся от разности средних значений, например, первых двух выборок. Эту разность можно исследовать, например, с помощью анализа контрастов. Если не вдаваться в детали, то существует несколько, так называемых апостериорных критериев, которые основаны в точности на первом сценарии (взятие экстремальных средних из 20 выборок), т. е. эти критерии основаны на выборе наиболее отличающихся средних для сравнения всех средних значений в плане. Модуль Дисперсионный анализ предлагает широкий выбор таких критериев. Когда в эксперименте встречаются неожиданные результаты, то используются апостериорные процедуры для исследования их статистической значимости.

В начало

Предположения и последствия их нарушения
Предположения и последствия их нарушения

Отклонение от предположения о нормальности распределений Однородность дисперсии Однородность дисперсии и ковариаций Сферичность и сложная симметрия   Для просмотра других обзорных разделов выберите соответствующее название ниже. Основные идеи Сложные планы Ковариационный анализ (ANCOVA) Многомерные планы: многомерный дисперсионный и ковариационный анализ Анализ контрастов и апостериорные критерии См. также Методы дисперсионного анализа, Компоненты дисперсии и смешанные модели ANOVA/ANCOVA и Планирование эксперимента.

Нормальность распределения
Нормальность распределения

Предположения.
Предположения.

Имеются следующие предположения дисперсионного анализа: зависимая переменная измерена в интервальной шкале (см. раздел Элементарные понятия статистики); зависимая переменная имеет нормальное распределение внутри каждой группы. Модуль Дисперсионный анализ содержит широкий набор графиков и статистик для проверки этих предположений.

Эффекты нарушения.
Эффекты нарушения.

Вообще F-критерий очень устойчив к отклонению от нормальности (подробнее см.


Lindman, 1974). Если эксцесс (см. Основные статистики и таблицы) больше 0, то значение статистики F может стать очень маленьким. Нулевая гипотеза при этом не может быть отвергнута, хотя она и не верна. Ситуация меняется на противоположную, если эксцесс меньше 0. Асимметрия распределения обычно незначительно влияет на F статистику. Если число наблюдений в ячейке достаточно большое, то отклонение от нормальности не имеет особого значения в силу центральной предельной теоремы, в соответствии с которой, распределение среднего значения при большом объеме выборки близко к нормальному, независимо от начального распределения. Подробное обсуждение устойчивости F статистики можно найти в Box and Anderson (1955) или Lindman (1974).

Однородность дисперсии
Однородность дисперсии

Предположения.
Предположения.

Предполагается, что дисперсии в разных группах одинаковы. Это предположение называется предположением об однородности дисперсии. Напомним, что в предыдущих разделах описывая вычисление суммы квадратов ошибок мы производили суммирование внутри каждой группы. Если дисперсии в двух группах отличаются друг от друга, то сложение их не естественно и не дает верной оценки общей внутригрупповой дисперсии (так как в этом случае общей дисперсии вообще не существует). Модуль Дисперсионный анализ -ANOVA/MANOVA содержит большой набор статистических критериев, позволяющих обнаружить неоднородность дисперсии.

Эффекты нарушения. Линдман (Lindman 1974, стр. 33) показывает, что F критерий вполне устойчив относительно нарушения предположений однородности дисперсии (см. также Box, 1954a, 1954b; Hsu, 1938).

Специальный случай: коррелированность средних и дисперсий. Бывают случаи, когда F статистика может вводить в заблуждение. Это бывает, когда в ячейках плана средние значения коррелированы с дисперсией. Модуль Дисперсионный анализ позволяет строить диаграммы рассеяния дисперсии или стандартного отклонения относительно средних для обнаружения такой корреляции. Причина, по которой такая корреляция опасна, состоит в следующем.


Представим себе, что имеется 8 ячеек в плане, 7 из которых имеют почти одинаковое среднее, а в одной ячейке среднее намного больше остальных. Тогда F критерий может обнаружить статистически значимый эффект. Но предположим, что в ячейке с большим средним значением и дисперсия значительно больше остальных, т.е. среднее значение и дисперсия в ячейках зависимы (чем больше среднее, тем больше дисперсия). В этом случае большое среднее значение ненадежно, так как оно может быть вызвано большой дисперсией данных. Однако F статистика, основанная на объединенной дисперсии внутри ячеек, будет фиксировать большое среднее, хотя критерии, основанные на дисперсии в каждой ячейке не все различия в средних будут считать значимыми.
Специальный случай: коррелированность средних и дисперсий. Бывают случаи, когда F статистика может вводить в заблуждение. Это бывает, когда в ячейках плана средние значения коррелированы с дисперсией. Модуль Дисперсионный анализ позволяет строить диаграммы рассеяния дисперсии или стандартного отклонения относительно средних для обнаружения такой корреляции. Причина, по которой такая корреляция опасна, состоит в следующем. Представим себе, что имеется 8 ячеек в плане, 7 из которых имеют почти одинаковое среднее, а в одной ячейке среднее намного больше остальных. Тогда F критерий может обнаружить статистически значимый эффект. Но предположим, что в ячейке с большим средним значением и дисперсия значительно больше остальных, т.е. среднее значение и дисперсия в ячейках зависимы (чем больше среднее, тем больше дисперсия). В этом случае большое среднее значение ненадежно, так как оно может быть вызвано большой дисперсией данных. Однако F статистика, основанная на объединенной дисперсии внутри ячеек, будет фиксировать большое среднее, хотя критерии, основанные на дисперсии в каждой ячейке не все различия в средних будут считать значимыми.

Такой характер данных (большое среднее и большая дисперсия) часто встречается, когда имеются резко выделяющиеся наблюдения.


Одно или два резко выделяющихся наблюдений сильно смещают среднее значение и очень увеличивают дисперсию.

Однородность дисперсии и ковариаций
Однородность дисперсии и ковариаций

Предположения.
Предположения.

В многомерных планах, с многомерными зависимыми измерениями, также применяются предположение об однородности дисперсии, описанные ранее. Однако так как существуют многомерные зависимые переменные, то требуется так же чтобы их взаимные корреляции (ковариации) были однородны по всем ячейкам плана. Модуль Дисперсионный анализ предлагает разные способы проверки этих предположений.

Эффекты нарушения.
Эффекты нарушения.

Многомерным аналогом F- критерия является лямбда-критерий Уилкса. Не так много известно об устойчивости (робастности) лямбда-критерия Уилкса относительно нарушения указанных выше предположений. Тем не менее, так как интерпретация результатов модуля Дисперсионный анализ основывается обычно на значимости одномерных эффектов (после установления значимости общего критерия), обсуждение робастности касается, в основном, одномерного дисперсионного анализа. Поэтому должна быть внимательно исследована значимость одномерных эффектов.

Специальный случай:ковариационный анализ.
Специальный случай:ковариационный анализ.

Особенно серьезные нарушения однородности дисперсии/ковариаций могут происходить, когда в план включаются ковариаты. В частности, если корреляция между ковариатами и зависимыми измерениями различна в разных ячейках плана, может последовать неверное истолкование результатов. Следует помнить, что в ковариационном анализе, в сущности, проводится регрессионный анализ внутри каждой ячейки для того, чтобы выделить ту часть дисперсии, которая соответствует ковариате. Предположение об однородности дисперсии/ковариации предполагает, что этот регрессионный анализ проводится при следующем ограничении: все регрессионные уравнения (наклоны) для всех ячеек одинаковы. Если это не выполняется, могут появиться большие ошибки. Модуль Дисперсионный анализ имеет несколько специальных критериев для проверки этого предположения.


Можно посоветовать использовать эти критерии, для того, чтобы убедиться, что регрессионные уравнения для различных ячеек примерно одинаковы.

Сферичность и сложная симметрия
Сферичность и сложная симметрия

Причины использования многомерного подхода к повторным измерениям в дисперсионном анализе. В планах, содержащих факторы повторных измерений с более чем двумя уровнями, применение одномерного дисперсионного анализа требует дополнительных предположений: предположения о сложной симметрии и о сферичности. Эти предположения редко выполняются (см. ниже). Поэтому в последние годы многомерный дисперсионный анализ завоевал популярность в таких планах (оба подхода совмещены в модуле Дисперсионный анализ). Предположение о сложной симметрии состоит в том, что дисперсии (общие внутригрупповые) и ковариации (внутри групп) для различных повторных измерений однородны (одинаковы). Это достаточное условие для того, чтобы одномерный F критерий для повторных измерений был обоснованным (т.е. выданные F-значения в среднем соответствовали F-распределению). Однако, в данном случае, это не условие не является необходимым. Условие сферичности является необходимым и достаточным условием для обоснованного применения F-критерия. Смысл условия состоит в том, что внутри групп все наблюдения должны быть независимы и одинаково распределены. Природа этих предположений, а также влияние их нарушений обычно не очень хорошо описаны в книгах по дисперсионному анализу. Мы даем это описание в следующих параграфах. Там же будет показано, что результаты одномерного подхода могут отличаться от результатов многомерного подхода, и будет объяснено, что это означает.

Необходимость независимости гипотез. Общий способ анализа данных в дисперсионном анализе - это подгонка модели. Если относительно модели, соответствующей данным, имеются некоторые априорные гипотезы, то дисперсия разбивается для проверки этих гипотез (проверка главных эффектов, взаимодействий). С вычислительной точки зрения этот подход строит некоторое множество контрастов (множество сравнений средних в плане).


Однако если контрасты не независимы друг от друга, то разбиение дисперсии на компоненты не имеет смысла. Например, если два контраста A и B тождественны, то соответственная им компонента дисперсии выделяется дважды. Например, глупо и бессмысленно выделять две гипотезы: "среднее в ячейке 1 выше среднего в ячейке 2" и "среднее в ячейке 1 выше среднего в ячейке 2". Итак, гипотезы должны быть независимы или ортогональны (термин ортогональность впервые использован в работе Yates, 1933).

Независимые гипотезы при повторных измерениях. Общий алгоритм, реализованный в модуле Дисперсионный анализ, будет пытаться для каждого эффекта генерировать независимые (ортогональные) контрасты (см. раздел Технические замечания руководства пользователя). Для фактора повторных измерений эти контрасты задают множество гипотез относительно разностей между уровнями рассматриваемого фактора. Однако если эти разности коррелированы внутри групп, то результирующие контрасты не являются больше независимыми. Например, в обучении, где обучающиеся измеряются три раза за один семестр, может случиться, что изменения между 1 и 2 измерением отрицательно коррелируют с изменением между 2 и 3 измерениями субъектов. Те, кто большую часть материала освоил между 1 и 2 измерениями, осваивают меньшую часть в течение того времени, которое прошло между 2 и 3 измерением. В действительности, для большинства случаев, где дисперсионный анализ используются при повторных измерениях, можно предположить, что изменения по уровням коррелированы по субъектам. Однако когда это происходит, предположение о сложной симметрии и сферичности не выполняются и независимые контрасты не могут быть вычислены.

Влияние нарушений и способы их исправления. Когда предположения о сложной симметрии или о сферичности не выполняются, дисперсионный анализ может выдать ошибочные результаты. До того, как были достаточно разработаны многомерные процедуры, было предложено несколько предположений для компенсации нарушений этих предположений. (См., например, работы Greenhouse & Geisser, 1959 и Huynh & Feldt, 1970).


Эти методы до сих пор широко используются (поэтому они представлены в модуле Дисперсионный анализ).

Подход многомерного дисперсионного анализа к повторным измерениям. В целом проблемы сложной симметрии и сферичности относятся к тому факту, что множества контрастов, включенных в исследование эффектов факторов повторных измерений (с числом уровней больше двух) не независимы друг от друга. Однако им не обязательно быть независимыми, если используется многомерный критерий для одновременной проверки статистического значимости двух или более контрастов фактора повторных измерений. Это является причиной того, что методы многомерного дисперсионного анализа стали чаще использоваться для проверки значимости факторов одномерных повторных измерений с более чем 2 уровнями. Этот подход широко распространен, так как он, в общем случае, не требует предположения о сложной симметрии и предположения о сферичности.

Случаи, в которых подход многомерного дисперсионного анализа не может быть использован. Существуют примеры (планы), когда подход многомерного дисперсионного анализа не может быть применен. Обычно это случаи, когда имеется небольшое количество субъектов в плане и много уровней в факторе повторных измерений. Тогда для проведения многомерного анализа может быть слишком мало наблюдений. Например, если имеется 12 субъектов, p = 4 фактора повторных измерений, и каждый фактор имеет k = 3 уровней. Тогда взаимодействие 4-х факторов будет "расходовать" (k-1)p = 24 = 16 степеней свободы. Однако имеется лишь 12 субъектов, следовательно, в этом примере многомерный тест не может быть проведен. Модуль Дисперсионный анализ самостоятельно обнаружит эти наблюдения и вычислит только одномерные критерии.

Различия в одномерных и многомерных результатах. Если исследование включает большое количество повторных измерений, могут возникнуть случаи, когда одномерный подход дисперсионного анализа к повторным измерениям дает результаты, сильно отличающиеся от тех, которые были получены при многомерном подходе.


Это означает, что разности между уровнями соответствующих повторных измерений коррелированы по субъектам. Иногда этот факт представляет некоторый самостоятельный интерес.

Методы дисперсионного анализа
Методы дисперсионного анализа

Методы дисперсионного анализа обсуждаются в нескольких разделах этого учебника. Хотя многие из доступных статистических методов описываются одновременно в нескольких главах, каждый из них наиболее удобен при работе в определенной области приложений.

Диспресионный анализ:
Диспресионный анализ:

Эта глава включает обзор полнофакторных планов, планов с повторными измерениями, планов многомерного дисперсионного и ковариационного анализа (MANOVA), планов с балансированной вложенностью (планы бывают не сбалансированными, т.е. имеющими различные размеры выборок n при некоторых испытаниях), а также описание оценивания спланированных и апостериорных сравнений и мн. др.

Компоненты дисперсии и смешанная модель ANCOVA:
Компоненты дисперсии и смешанная модель ANCOVA:

Эта глава включает обсуждение экспериментов со случайными эффектами (смешанная модель дисперсионного анализ), оценивание компонент дисперсии для случайных эффектов, планов с большими главными эффектами (например, с факторами, имеющими более 100 уровней) с/без случайных эффектов, а также в случае планов с большим числом факторов, когда необходимо оценить все взаимодействия.

Планирование эксперимента:
Планирование эксперимента:

Эта глава включает обсуждение стандартных экспериментальных планов, используемых в промышленных/производственных приложениях, включая 2**(k-p) и 3**(k-p) планы, центральные композиционные и нефакторные планы, планы для смесей, D- и A-оптимальные планы, а также планы для произвольных ограниченных областей значений экспериментальных данных.

Анализ повторяемости и воспроизводимости (в главе Анализ процессов):
Анализ повторяемости и воспроизводимости (в главе Анализ процессов):

Этот раздел главы Анализ процессов включает обсуждение планов специального вида, используемых для оценивания надежности и точности измерительных устройств; Эти планы обычно включают два или три случайных фактора и набор специализированных статистик, позволяющих оценить качество измерительной системы (обычно в промышленных/производственных приложениях).

Таблицы группировки (в главе Основные статистики и таблицы):
Таблицы группировки (в главе Основные статистики и таблицы):

Эта глава включает обсуждение экспериментов, одного (многоуровневого) или нескольких (любых) факторов в случаях, когда не требуется проведение полного дисперсионного анализа.

Дополнительная информация по методам анализа данных, добычи данных, визуализации и прогнозированию содержится на Портале StatSoft (http://www.statsoft.ru/home/portal/default.asp) и в Углубленном Учебнике StatSoft (Учебник с формулами).

В начало

(c) Copyright StatSoft, Inc., 1984-2001
STATISTICA является торговой маркой StatSoft, Inc.

Главные компоненты и факторный анализ

Главные компоненты и факторный анализ

Основная цель Факторный анализ как метод редукции данных Факторный анализ как метод классификации Другие результаты и статистики

Основная цель

Основная цель

Главными целями факторного анализа являются: (1) сокращение числа переменных (редукция данных) и (2) определение структуры взаимосвязей между переменными, т.е. классификация переменных. Поэтому факторный анализ используется или как метод сокращения данных или как метод классификации. Ниже описываются принципы факторного анализа и способы его применения для достижения этих двух целей. Предполагается, что вы знакомы с логикой статистических выводов в объеме, содержащемся в разделе Элементарные понятия статистики. Предполагается также, что вы знакомы с понятиями дисперсии и корреляции (см. например, раздел Основные статистики и таблицы).

Существует множество прекрасных книг по факторному анализу. Практические примеры и советы по применению можно, например, найти в книге Стивенса (Stevens, 1986); более подробное описание приводят Кули и Лонес (Cooley, Lohnes, 1971); Харман (Harman, 1976); Ким и Мюллер (Kim, Mueller, 1978a, 1978b); Лоули и Максвелл (Lawley, Maxwell, 1971); Линдеман, Меренда и Голд (Lindeman, Merenda, Gold, 1980); Моррисон (Morrison, 1967) и Мулэйк (Mulaik, 1972). Интерпретация вторичных факторов в иерархическом факторном анализе, как альтернатива традиционному вращению факторов, дана Верри (Wherry, 1984).

Подтверждающий факторный анализ.
Подтверждающий факторный анализ.

Моделирование структурными уравнениями (SEPATH) позволяет проверять частные гипотезы о факторной структуре для множества переменных (подтверждающий факторный анализ) в одной или нескольких выборках (например, вы сможете сравнить факторные структуры разных выборок (опытов)).

Анализ соответствий.
Анализ соответствий.

Анализ соответствий - это описательные/разведочные методы, предназначенные для анализа двух- и многовходовых таблиц, содержащих некоторые взаимосвязи между строками и столбцами.
Результаты этого анализа дают информацию, похожую на ту, которую предоставляет факторный анализ, и позволяют изучить структуру категориальных переменных, входящих в таблицу. За более полной информацией об этих методах обратитесь к описанию Анализа соответствий.

В начало

Факторный анализ как метод редукции данных
Факторный анализ как метод редукции данных

Предположим, что вы проводите (до некоторой степени "глупое") исследование, в котором измеряете рост ста людей в дюймах и сантиметрах. Таким образом, у вас имеются две переменные. Если далее вы захотите исследовать, например, влияние различных пищевых добавок на рост, будете ли вы продолжать использовать обе переменные? Вероятно, нет, т.к. рост является одной характеристикой человека, независимо от того, в каких единицах он измеряется.

Теперь предположим, вы хотите измерить удовлетворенность людей жизнью, для чего составляете вопросник с различными пунктами; среди других вопросов задаете следующие: удовлетворены ли люди своим хобби (пункт 1) и как интенсивно они им занимаются (пункт 2). Результаты преобразуются так, что средние ответы (например, для удовлетворенности) соответствуют значению 100, в то время как ниже и выше средних ответов расположены меньшие и большие значения, соответственно. Две переменные (ответы на два разных пункта) коррелированы между собой. (Если вы не знакомы с понятием коэффициента корреляции, рекомендуем обратиться к разделу Основные статистики и таблицы - Корреляции). Из высокой коррелированности двух этих переменных можно сделать вывод об избыточности двух пунктов опросника.

Объединение двух переменных в один фактор.
Объединение двух переменных в один фактор.

Зависимость между переменными можно обнаружить с помощью диаграммы рассеяния. Полученная путем подгонки линия регрессии дает графическое представление зависимости. Если определить новую переменную на основе линии регрессии, изображенной на этой диаграмме, то такая переменная будет включить в себя наиболее существенные черты обеих переменных.


Итак, фактически, вы сократили число переменных и заменили две одной. Отметим, что новый фактор (переменная) в действительности является линейной комбинацией двух исходных переменных.

Анализ главных компонент.
Анализ главных компонент.

Пример, в котором две коррелированные переменные объединены в один фактор, показывает главную идею факторного анализа или, более точно, анализа главных компонент (это различие будет обсуждаться позднее). Если пример с двумя переменными распространить на большее число переменных, то вычисления становятся сложнее, однако основной принцип представления двух или более зависимых переменных одним фактором остается в силе.

Выделение главных компонент.
Выделение главных компонент.

В основном процедура выделения главных компонент подобна вращению, максимизирующему дисперсию (варимакс) исходного пространства переменных. Например, на диаграмме рассеяния вы можете рассматривать линию регрессии как ось X, повернув ее так, что она совпадает с прямой регрессии. Этот тип вращения называется вращением, максимизирующим дисперсию, так как критерий (цель) вращения заключается в максимизации дисперсии (изменчивости) "новой" переменной (фактора) и минимизации разброса вокруг нее (см. Стратегии вращения).

Обобщение на случай многих переменных.
Обобщение на случай многих переменных.

В том случае, когда имеются более двух переменных, можно считать, что они определяют трехмерное "пространство" точно так же, как две переменные определяют плоскость. Если вы имеете три переменные, то можете построить 3М диаграмму рассеяния.



Для случая более трех переменных, становится невозможным представить точки на диаграмме рассеяния, однако логика вращения осей с целью максимизации дисперсии нового фактора остается прежней.

Несколько ортогональных факторов.
Несколько ортогональных факторов.

После того, как вы нашли линию, для которой дисперсия максимальна, вокруг нее остается некоторый разброс данных. И процедуру естественно повторить. В анализе главных компонент именно так и делается: после того, как первый фактор выделен, то есть, после того, как первая линия проведена, определяется следующая линия, максимизирующая остаточную вариацию (разброс данных вокруг первой прямой), и т.д.


Таким образом, факторы последовательно выделяются один за другим. Так как каждый последующий фактор определяется так, чтобы максимизировать изменчивость, оставшуюся от предыдущих, то факторы оказываются независимыми друг от друга. Другими словами, некоррелированными или ортогональными.

Сколько факторов следует выделять?
Сколько факторов следует выделять?

Напомним, что анализ главных компонент является методом сокращения или редукции данных, т.е. методом сокращения числа переменных. Возникает естественный вопрос: сколько факторов следует выделять? Отметим, что в процессе последовательного выделения факторов они включают в себя все меньше и меньше изменчивости. Решение о том, когда следует остановить процедуру выделения факторов, главным образом зависит от точки зрения на то, что считать малой "случайной" изменчивостью. Это решение достаточно произвольно, однако имеются некоторые рекомендации, позволяющие рационально выбрать число факторов, как показано в Обзоре результатов анализа главных компонент, см. раздел Собственные значения и задача о числе факторов. Обзор результатов анализа главных компонент.
Обзор результатов анализа главных компонент.

Посмотрим теперь на некоторые стандартные результаты анализа главных компонент. При повторных итерациях вы выделяете факторы с все меньшей и меньшей дисперсией. Для простоты изложения считаем, что обычно работа начинается с матрицы, в которой дисперсии всех переменных равны 1.0. Поэтому общая дисперсия равна числу переменных. Например, если вы имеете 10 переменных, каждая из которых имеет дисперсию 1, то наибольшая изменчивость, которая потенциально может быть выделена, равна 10 раз по 1. Предположим, что при изучении степени удовлетворенности жизнью вы включили 10 пунктов для измерения различных аспектов удовлетворенности домашней жизнью и работой. Дисперсия, объясненная последовательными факторами, представлена в следующей таблице:

Таблица 1
Таблица 1

STATISTICA
ФАКТОРНЫЙ
АНАЛИЗ Собственные значения (factor.sta)
Выделение: Главные компоненты
 
Значение Собственные
значения % общей
дисперсии Кумулят.
соб. знач. Кумулят.
%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	6.118369 1.800682 .472888 .407996 .317222 .293300 .195808 .170431 .137970 .085334	61.18369 18.00682 4.72888 4.07996 3.17222 2.93300 1.95808 1.70431 1.37970 .85334	6.11837 7.91905 8.39194 8.79993 9.11716 9.41046 9.60626 9.77670 9.91467 10.00000	61.1837 79.1905 83.9194 87.9993 91.1716 94.1046 96.0626 97.7670 99.1467 100.0000

Собственные значения
Собственные значения

Во втором столбце ( Собственные значения) таблицы результатов вы можете найти дисперсию нового, только что выделенного фактора. В третьем столбце для каждого фактора приводится процент от общей дисперсии (в данном примере она равна 10) для каждого фактора. Как можно видеть, первый фактор (значение 1) объясняет 61 процент общей дисперсии, фактор 2 (значение 2) - 18 процентов, и т.д. Четвертый столбец содержит накопленную или кумулятивную дисперсию. Дисперсии, выделяемые факторами, названы собственными значениями. Это название происходит из использованного способа вычисления.

Собственные значения и задача о числе факторов
Собственные значения и задача о числе факторов

Как только получена информация о том, сколько дисперсии выделил каждый фактор, вы можете возвратиться к вопросу о том, сколько факторов следует оставить. Как говорилось выше, по своей природе это решение произвольно. Однако имеются некоторые общеупотребительные рекомендации, и на практике следование им дает наилучшие результаты.

Критерий Кайзера.
Критерий Кайзера.

Сначала вы можете отобрать только факторы, с собственными значениями, большими 1. По существу, это означает, что если фактор не выделяет дисперсию, эквивалентную, по крайней мере, дисперсии одной переменной, то он опускается. Этот критерий предложен Кайзером (Kaiser, 1960), и является, вероятно, наиболее широко используемым. В приведенном выше примере на основе этого критерия вам следует сохранить только 2 фактора (две главные компоненты).

Критерий каменистой осыпи.
Критерий каменистой осыпи.

Критерий каменистой осыпи является графическим методом, впервые предложенным Кэттелем (Cattell, 1966). Вы можете изобразить собственные значения, представленные в таблице ранее, в виде простого графика.



Кэттель предложил найти такое место на графике, где убывание собственных значений слева направо максимально замедляется. Предполагается, что справа от этой точки находится только "факториальная осыпь" - "осыпь" является геологическим термином, обозначающим обломки горных пород, скапливающиеся в нижней части скалистого склона.


В соответствии с этим критерием можно оставить в этом примере 2 или 3 фактора.

Какой критерий следует использовать.
Какой критерий следует использовать.

Оба критерия были изучены подробно Брауном (Browne, 1968), Кэттелем и Джасперсом (Cattell, Jaspers, 1967), Хакстианом, Рожерсом и Кэттелем (Hakstian, Rogers, Cattell, 1982), Линном (Linn, 1968), Тюкером, Купманом и Линном (Tucker, Koopman, Linn, 1969). Теоретически, можно вычислить их характеристики путем генерации случайных данных для конкретного числа факторов. Тогда можно увидеть, обнаружено с помощью используемого критерия достаточно точное число существенных факторов или нет. С использованием этого общего метода первый критерий (критерий Кайзера) иногда сохраняет слишком много факторов, в то время как второй критерий (критерий каменистой осыпи) иногда сохраняет слишком мало факторов; однако оба критерия вполне хороши при нормальных условиях, когда имеется относительно небольшое число факторов и много переменных. На практике возникает важный дополнительный вопрос, а именно: когда полученное решение может быть содержательно интерпретировано. Поэтому обычно исследуется несколько решений с большим или меньшим числом факторов, и затем выбирается одно наиболее "осмысленное". Этот вопрос далее будет рассматриваться в рамках вращений факторов.

Анализ главных факторов
Анализ главных факторов

Прежде, чем продолжить рассмотрение различных аспектов вывода анализа главных компонент, введем анализ главных факторов. Вернемся к примеру вопросника об удовлетворенности жизнью, чтобы сформулировать другую "мыслимую модель". Вы можете представить себе, что ответы субъектов зависят от двух компонент. Сначала выбираем некоторые подходящие общие факторы, такие как, например, "удовлетворение своим хобби", рассмотренные ранее. Каждый пункт измеряет некоторую часть этого общего аспекта удовлетворения. Кроме того, каждый пункт включает уникальный аспект удовлетворения, не характерный для любого другого пункта.



Общности.
Общности.

Если эта модель правильна, то вы не можете ожидать, что факторы будут содержать всю дисперсию в переменных; они будут содержать только ту часть, которая принадлежит общим факторам и распределена по нескольким переменным. На языке факторного анализа доля дисперсии отдельной переменной, принадлежащая общим факторам (и разделяемая с другими переменными) называется общностью. Поэтому дополнительной работой, стоящей перед исследователем при применении этой модели, является оценка общностей для каждой переменной, т.е. доли дисперсии, которая является общей для всех пунктов. Доля дисперсии, за которую отвечает каждый пункт, равна тогда суммарной дисперсии, соответствующей всем переменным, минус общность. С общей точки зрения в качестве оценки общности следует использовать множественный коэффициент корреляции выбранной переменной со всеми другими (для получения сведений о теории множественной регрессии сошлемся на раздел Множественная регрессия). Некоторые авторы предлагают различные итеративные "улучшения после решения" начальной оценки общности, полученной с использованием множественной регрессии; например, так называемый метод MINRES (метод минимальных факторных остатков; Харман и Джоунс (Harman, Jones, 1966)), который производит испытание различных модификаций факторных нагрузок с целью минимизации остаточных (необъясненных) сумм квадратов.

Главные факторы в сравнении с главными компонентами.
Главные факторы в сравнении с главными компонентами.

Главные факторы в сравнении с главными компонентами. Основное различие двух моделей факторного анализа состоит в том, что в анализе главных компонент предполагается, что должна быть использована вся изменчивость переменных, тогда как в анализе главных факторов вы используете только изменчивость переменной, общую и для других переменных. Подробное обсуждение всех "за" и "против" каждого подхода находится за пределами данного введения. В большинстве случаев эти два метода приводят к весьма близким результатам.


Однако анализ главных компонент часто более предпочтителен как метод сокращения данных, в то время как анализ главных факторов лучше применять с целью определения структуры данных (см. следующий раздел).

В начало

Факторный анализ как метод классификации
Факторный анализ как метод классификации

Возвратимся к интерпретации результатов факторного анализа. Термин факторный анализ теперь будет включать как анализ главных компонент, так и анализ главных факторов. Предполагается, что вы находитесь в той точке анализа, когда в целом знаете, сколько факторов следует выделить. Вы можете захотеть узнать значимость факторов, то есть, можно ли интерпретировать их разумным образом и как это сделать. Чтобы проиллюстрировать, каким образом это может быть сделано, производятся действия "в обратном порядке", то есть, начинают с некоторой осмысленной структуры, а затем смотрят, как она отражается на результатах. Вернемся к примеру об удовлетворенности; ниже приведена корреляционная матрица для переменных, относящихся к удовлетворенности на работе и дома.

Таблица 2
Таблица 2

STATISTICA
ФАКТОРНЫЙ
АНАЛИЗ Корреляции (factor.sta)
Построчное удаление ПД
n=100 Переменная РАБОТА_1 РАБОТА_2 РАБОТА_3 ДОМ_1 ДОМ_2 ДОМ_3

РАБОТА_1 РАБОТА_2 РАБОТА_3 ДОМ_1 ДОМ_2 ДОМ_3	1.00 .65 .65 .14 .15 .14	.65 1.00 .73 .14 .18 .24	.65 .73 1.00 .16 .24 .25	.14 .14 .16 1.00 .66 .59	.15 .18 .24 .66 1.00 .73	.14 .24 .25 .59 .73 1.00

Переменные, относящиеся к удовлетворенности на работе, более коррелированы между собой, а переменные, относящиеся к удовлетворенности домом, также более коррелированы между собой. Корреляции между этими двумя типами переменных (переменные, связанные с удовлетворенностью на работе, и переменные, связанные с удовлетворенностью домом) сравнительно малы. Поэтому кажется правдоподобным, что имеются два относительно независимых фактора (два типа факторов), отраженных в корреляционной матрице: один относится к удовлетворенности на работе, а другой к удовлетворенности домашней жизнью.



Факторные нагрузки.
Факторные нагрузки.

Теперь проведем анализ главных компонент и рассмотрим решение с двумя факторами. Для этого рассмотрим корреляции между переменными и двумя факторами (или "новыми" переменными), как они были выделены по умолчанию; эти корреляции называются факторными нагрузками.

Таблица 3
Таблица 3

STATISTICA
ФАКТОРНЫЙ
АНАЛИЗ Факторные нагрузки (Нет вращения)
Главные компоненты
Переменная Фактор 1 Фактор 2

РАБОТА_1 РАБОТА_2 РАБОТА_3 ДОМ_1 ДОМ_2 ДОМ_3	.654384 .715256 .741688 .634120 .706267 .707446	.564143 .541444 .508212 -.563123 -.572658 -.525602
Общая дисперсия Доля общей дисп.	2.891313 .481885	1.791000 .298500

По-видимому, первый фактор более коррелирует с переменными, чем второй. Это следовало ожидать, потому что, как было сказано выше, факторы выделяются последовательно и содержат все меньше и меньше общей дисперсии.

Вращение факторной структуры.
Вращение факторной структуры.

Вы можете изобразить факторные нагрузки в виде диаграммы рассеяния. На этой диаграмме каждая переменная представлена точкой. Можно повернуть оси в любом направлении без изменения относительного положения точек; однако действительные координаты точек, то есть факторные нагрузки, должны, без сомнения, меняться. Если вы построите диаграмму для этого примера, то увидите, что если повернуть оси относительно начала координат на 45 градусов, то можно достичь ясного представления о нагрузках, определяющих переменные: удовлетворенность на работе и дома.

Методы вращения.
Методы вращения.

Существуют различные методы вращения факторов. Целью этих методов является получение понятной (интерпретируемой) матрицы нагрузок, то есть факторов, которые ясно отмечены высокими нагрузками для некоторых переменных и низкими - для других. Эту общую модель иногда называют простой структурой (более формальное определение можно найти в стандартных учебниках). Типичными методами вращения являются стратегии варимакс, квартимакс, и эквимакс.

Идея вращения по методу варимакс была описана выше (см. Выделение главных компонент), и этот метод можно применить успешно и к рассматриваемой задаче.


Как и ранее, вы хотите найти вращение, максимизирующее дисперсию по новым осям; другими словами, вы хотите получить матрицу нагрузок на каждый фактор таким образом, чтобы они отличались максимально возможным образом и имелась возможность их простой интерпретации. Ниже приведена таблица нагрузок на повернутые факторы.

Таблица 4
Таблица 4

STATISTICA
ФАКТОРНЫЙ
АНАЛИЗ Факторные нагрузки (Варимакс нормализ.)
Выделение: Главные компоненты
Переменная Фактор 1 Фактор 2

РАБОТА_1 РАБОТА_2 РАБОТА_3 ДОМ_1 ДОМ_2 ДОМ_3	.862443 .890267 .886055 .062145 .107230 .140876	.051643 .110351 .152603 .845786 .902913 .869995
Общая дисперсия Доля общей дисп.	2.356684 .392781	2.325629 .387605

Интерпретация факторной структуры.
Интерпретация факторной структуры.

Теперь картина становится более ясной. Как и ожидалось, первый фактор отмечен высокими нагрузками на переменные, связанные с удовлетворенностью на работе, а второй фактор - с удовлетворенностью домом. Из этого вы должны заключить, что удовлетворенность, измеренная вашим вопросником, составлена из двух частей: удовлетворенность домом и работой, следовательно, вы произвели классификацию переменных.

Рассмотрим следующий пример, здесь к предыдущему примеру добавились четыре новых переменных Хобби.



На этом графике факторных нагрузок 10 переменных были сведены к трем факторам - фактор удовлетворенности работой (work), фактор удовлетворенности домом (home), и фактор удовлетворенности хобби (hobby/misc). Заметим, что факторные нагрузки для каждого фактора имеют сильно различающиеся значения для остальных двух факторов, но большие значения именно для этого фактора. Например, факторные нагрузки для переменных, относящихся к хобби (выделены зеленым цветом) имеют и большие, и малые значения для  "дома" и "работы", но все четыре переменные имеют большие факторные нагрузки для фактора "хобби".

Косоугольные факторы.
Косоугольные факторы.

Некоторые авторы (например, Харман (Harman, 1976), Дженнрих и Сэмпсон (Jennrich, Sampson, 1966); Кларксон и Дженнрих (Clarkson, Jennrich, 1988)) обсуждали довольно подробно концепцию косоугольных (не ортогональных) факторов, для того чтобы достичь более простой интерпретации решений.


В частности, были развиты вычислительные стратегии, как для вращения факторов, так и для лучшего представления "кластеров" переменных без отказа от ортогональности (т.е. независимости) факторов. Однако косоугольные факторы, получаемые с помощью этих процедур, трудно интерпретировать. Возвратимся к примеру, обсуждавшемуся выше, и предположим, что вы включили в вопросник четыре пункта, измеряющих другие типы удовлетворенности (Хобби). Предположим, что ответы людей на эти пункты были одинаково связаны как с удовлетворенностью домом (Фактор 1), так и работой (Фактор 2). Косоугольное вращение должно дать, очевидно, два коррелирующих фактора с меньшей, чем ранее, выразительностью, то есть с большими перекрестными нагрузками.

Иерархический факторный анализ.
Иерархический факторный анализ.

Вместо вычисления нагрузок косоугольных факторов, для которых часто трудно дать хорошую интерпретацию, вы можете использовать стратегию, впервые предложенную Томсоном (Thompson, 1951) и Шмидтом и Лейманом (Schmidt, Leiman, 1957), которая было подробно развита и популяризирована Верри (Wherry, 1959, 1975, 1984). В соответствии с этой стратегией, вначале определяются кластеры и происходит вращение осей в пределах кластеров, а затем вычисляются корреляции между найденными (косоугольными) факторами. Полученная корреляционная матрица для косоугольных факторов затем подвергается дальнейшему анализу для того, чтобы выделить множество ортогональных факторов, разделяющих изменчивость в переменных на ту, что относятся к распределенной или общей дисперсии (вторичные факторы), и на частные дисперсии, относящиеся к кластерам или схожим переменным (пунктам вопросника) в анализе (первичные факторы). Применительно к рассматриваемому примеру такой иерархический анализ может дать следующие факторные нагрузки:

Таблица 5
Таблица 5

STATISTICA
ФАКТОРНЫЙ
АНАЛИЗ Вторичные и первичные факторные нагрузки

  Фактор Вторич. 1 Первич. 1 Первич. 2

РАБОТА_1 РАБОТА_2 РАБОТА_3 ДОМ_1 ДОМ_2 ДОМ_3 ХОББИ_1 ХОББИ_2 ХОББИ_3 ХОББИ_4	.483178 .570953 .565624 .535812 .615403 .586405 .780488 .734854 .776013 .714183	.649499 .687056 .656790 .117278 .079910 .065512 .466823 .464779 .439010 .455157	.187074 .140627 .115461 .630076 .668880 .626730 .280141 .238512 .303672 .228351

Внимательное изучение позволяет сделать следующие заключения: Имеется общий (вторичный) фактор удовлетворенности, которому, по-видимому, подвержены все типы удовлетворенности, измеренные для 10 пунктов; Имеются вероятно две первичные уникальных области удовлетворения, которые могут быть описаны как удовлетворенностью работой, так и удовлетворенностью домашней жизнью. Верри (Wherry, 1984) обсудил подробно примеры такого иерархического анализа и объяснил, каким образом могут быть получены значимые и интерпретируемые вторичные факторы.

Подтверждающий факторный анализ.
Подтверждающий факторный анализ.

Последние 15 лет так называемые методы подтверждения имели все большую популярность (например, см. Joreskog, Sorbom, 1979). Можно априори выбрать набор факторных нагрузок для некоторого числа ортогональных или косоугольных факторов, а затем проверить, может ли быть наблюдаемая корреляционная матрица воспроизведена при этом выборе. Подтверждающий факторный анализ может быть проведен с помощью Моделирования структурными уравнениями (SEPATH).

В начало

Другие результаты и статистики
Другие результаты и статистики

Значения факторов.
Значения факторов.

Вы можете оценить действительные значения факторов для отдельных наблюдений. Эти значения используются, когда желают провести дальнейший анализ факторов.

Воспроизведенные и остаточные корреляции.
Воспроизведенные и остаточные корреляции.

Дополнительным способом проверки числа выделенных факторов является вычисление корреляционной матрицы, которая близка исходной, если факторы выделены правильно. Эта матрица называется воспроизведенной корреляционной матрицей. Для того чтобы увидеть, как эта матрица отклоняется от исходной корреляционной матрицы (с которой начинался анализ), можно вычислить разность между ними. Полученная матрица называется матрицей остаточных корреляций. Остаточная матрица может указать на "несогласие", т.е. на то, что рассматриваемые коэффициенты корреляции не могут быть получены с достаточной точностью на основе имеющихся факторов.



Плохо обусловленные матрицы.
Плохо обусловленные матрицы.

Если имеются избыточные переменные, то нельзя вычислить обратную матрицу. Например, если переменная является суммой двух других переменных, отобранных для этого анализа, то корреляционная матрица для такого набора переменных не может быть обращена, и факторный анализ принципиально не может быть выполнен. На практике это происходит, когда вы пытаетесь применить факторный анализ к множеству сильно коррелированных (зависимых) переменных, что иногда случается, например, в исследованиях вопросников. Тогда вы можете искусственно понизить все корреляции в матрице путем добавления малой константы к диагональным элементам матрицы, и затем стандартизировать ее. Эта процедура обычно приводит к матрице, которая может быть обращена, и поэтому к ней применим факторный анализ; более того, эта процедура не влияет на набор факторов. Однако оценки оказываются менее точными.

Таблица 6
Таблица 6

STATISTICA
ФАКТОРНЫЙ
АНАЛИЗ Вторичные и первичные факторные нагрузки
 
  Фактор Вторич. 1 Первич. 1 Первич. 2

РАБОТА_1 РАБОТА_2 РАБОТА_3 ДОМ_1 ДОМ_2 ДОМ_3 ХОББИ_1 ХОББИ_2 ХОББИ_3 ХОББИ_4	.483178 .570953 .565624 .535812 .615403 .586405 .780488 .734854 .776013 .714183	.649499 .687056 .656790 .117278 .079910 .065512 .466823 .464779 .439010 .455157	.187074 .140627 .115461 .630076 .668880 .626730 .280141 .238512 .303672 .228351

Внимательное изучение позволяет сделать следующие заключения: Имеется общий (вторичный) фактор удовлетворенности, которому, по-видимому, подвержены все типы удовлетворенности, измеренные для 10 пунктов; Имеются вероятно две первичные уникальных области удовлетворения, которые могут быть описаны как удовлетворенностью работой, так и удовлетворенностью домашней жизнью. Верри (Wherry, 1984) обсудил подробно примеры такого иерархического анализа и объяснил, каким образом могут быть получены значимые и интерпретируемые вторичные факторы.

В начало

(c) Copyright StatSoft, Inc., 1984-2001
STATISTICA является торговой маркой StatSoft, Inc.

Графические методы анализа данных

Графические методы анализа данных

Краткий обзор типов графиков

2М графики   Столбцы   Отклонения   По левой оси Y   По правой оси Y   Столбцы сверху   Столбцы по X   Размах   Вероятностные с исключ. трендом   Полунорм. вероятностные   Висячие стобцы   Гистограммы   Линейные   Круговые диаграммы   Вероятностные   Вероят.-вероятн.   Квант.-квантиль   Диапазоны   Диаграммы рассеяния   Послед./Налож.   Диагр. Вороного 3М XYZ графики   Карты линий уровня   Отклонения   Диаграммы рассеяния   Пространств.

Спектральные   Трассировочные 3М последовательные графики   Гистограммы двух переменных   Размах   Диапазоны   Дискретные карты линий уровня   Последоват. карты линий уровня   Послед. поверхн.   Всплески   Поверхность по исх. данным 4М/Тернарные графики   Диагр.рассеяния   3М тернарные   Карты зон   Карты линий   3М отклонения   3М пространст. 2М категоризованные графики   Вероятностные с исключ. трендом   Полунормальн. вероятностные   Норм. вероятн.   Вероят.-вероятн.   Квант.-квантиль

3М категоризованные графики   Линии уровня   Отклонения   Диагр. рассеян.   Пространств.   Спектральн.   Поверхности Тернарные категоризованные графики   Тернарные карты зон   Тренарные карты линий   Тернарные диагр. рассеяния n-мерные пиктографики   Лица Чернова   Столбцы   Линии   Круг. диагр.   Многоугольн.   Профили   Звезды   Лучи Матричные графики   Столбчатые диаграммы   Линейные графики   Диаграммы рассеяния

Типичные методы визуализации

Категоризованные графики Что такое категоризованные графики? Методы категоризации Гистограммы Диаграммы рассеяния Вероятностные графики Графики квантиль-квантиль Графики вероятность-вероятность Линейные графики Диаграммы размаха Круговые диаграммы Графики пропущенных значений и диапазонов 3М графики Тернарные графики Закрашивание Сглаживание двумерных распределений Послойное сжатие Проекции трехмерных наборов данных Пиктографики Анализ пиктографиков Систематизация пиктографиков Стандартизация значений Применения Близкие способы графического представления Типы графиков Маркировка пиктограмм Выборка данных Вращение (в трехмерном пространстве) Категоризованные графики
Категоризованные графики

Одним из наиболее мощных аналитических методов исследования является разделение ("разбиение") данных на группы для сравнения структуры получившихся подмножеств. Эти методы широко применяются как в разведочном анализе данных, так и при проверке гипотез и известны под разными названиями (классификация, группировка, категоризация, разбиение, расслоение и пр.). Например, взаимосвязь между возрастом и риском инфаркта может отличаться для мужчин и женщин (для мужчин эта зависимость сильнее). Или например, зависимость между приемом лекарств и снижением уровня холестерина может наблюдаться только для женщин с пониженным давлением и в возрасте 30-40 лет.   Производительность или  гистограммы мощности могут различаться для временных промежутков, когда управление осуществляется разными операторами. Разным экспериментальным группам также могут   соответствовать разные наклоны линий регрессии.

Для количественного описания различий между группами наблюдений разработаны многочисленные вычислительные методы, основанные на группировке данных (например,  дисперсионный анализ). Однако графические средства (такие как рассматриваемые в этом разделе категоризованные графики) дают особые преимущества и позволяют выявить закономерности, которые трудно поддаются количественному описанию и которые весьма сложно обнаружить с помощью вычислительных процедур (например, сложные взаимосвязи, исключения или аномалии). В этих случаях графические методы предоставляют уникальные возможности многомерного аналитического исследования  или "добычи" данных.

Что такое категоризованные графики
Что такое категоризованные графики

Термин "категоризованные графики" впервые был использован в программе STATISTICA компании StatSoft в 1990 году (кроме того, Becker, Cleveland и Clark из Bell Labs называют их  графиками на решетке).


Эти графики представляют собой наборы двумерных, трехмерных, тернарных или n-мерных графиков (таких как гистограммы, диаграммы рассеяния, линейные графики, поверхности, тернарные диаграммы рассеяния и пр.), по одному графику для каждой выбранной категории (подмножества) наблюдений, например, опрашиваемых из Нью-Йорка, Чикаго или Далласа. Эти "входящие" графики располагаются последовательно в одном графическом окне, позволяя сравнивать структуру данных для каждой из указанных подгрупп (например, городов).

Для выбора подгрупп можно использовать множество методов, самый простой из них - это введение категориальной переменной (например, переменной City с значениями New York, Chicago и Dallas). На следующем графике показаны  гистограммы переменной, представляющей данные о самооценке стресса жителями каждого из трех городов.



На основе этих данных можно сделать вывод о том, что жители Далласа не очень подвержены стрессам, в то время как распределения уровня стресса в Нью-Йорке и Чикаго довольно похожи.

Некоторые программы (например, система  STATISTICA) поддерживают двухвходовую или многомерную категоризацию, где для задания подгрупп используется не один (например, City), а два или более критериев (например, City и Time ). Двухвходовые категоризованные графики можно рассматривать как "таблицы графиков", где каждый входящий график находится на "пересечении" определенных значений первой (например, City) и второй (например, Time)  группирующих переменных.



Добавление второго фактора показывает, что картины стрессовых нагрузок в Нью-Йорке и Чикаго в действительности сильно различаются, если учитывается время опроса, в то время как фактор времени практически ничего не меняет в Далласе.

Категоризованные и матричные графики. Матричные графики  также состоят из нескольких графиков; однако здесь каждый из них основывается (или может основываться) на одном и том же множестве наблюдений, и графики строятся для всех комбинаций переменных из одного или двух списков.


Для категоризованных графиков требуется такой же выбор переменных, как и для некатегоризованных графиков соответствующего типа (например, две переменных для диаграммы рассеяния). В то же время для категоризованных графиков необходимо указать по крайней мере одну группирующую переменную (или способ разбиения наблюдений на категории), где содержалась бы информация о принадлежности каждого наблюдения к определенной подгруппе (например, Chicago, Dallas). Группирующая переменная не будет непосредственно изображена на графике (т.е. не будет построена), однако она будет служить критерием для разделения всех анализируемых наблюдений на отдельные подгруппы. Как показано выше, для каждой группы (категории), определяемой группирующей переменной, будет построен один график.

Общие и независимые шкалы.
Общие и независимые шкалы.

Каждый элементарный график, входящий в состав категоризованного графика, может быть масштабирован в соответствии со своим собственным диапазоном значений (независимые шкалы).



Или все графики могут иметь общую шкалу, достаточно широкую, чтобы охватить весь диапазон значений.



Общий масштаб позволяет сравнивать диапазоны и распределения значений разных категорий. Однако, если эти диапазоны сильно различаются (что приводит к очень большой общей шкале), то исследование некоторых графиков может быть затруднено. Использование независимого масштаба может упростить выявление трендов и определенных закономерностей внутри категорий, но в то же время затруднить сравнение диапазонов значений разных подгрупп.

Методы категоризации
Методы категоризации

Существует пять основных методов категоризации значений, которые будут кратко описаны в этом разделе: целые числа, категории, границы, коды и сложные подгруппы. Обратите внимание, что одни и те же методы категоризации можно использовать как для разбиения наблюдений по входящим графикам, так и для категоризации наблюдений внутри входящих графиков ( например, на гистограммах или диаграммах размаха).

Целые числа.
Целые числа.

При использовании этого режима для определения категорий будут использованы целые значения выбранной группирующей переменной, и для всех наблюдений, принадлежащих каждой категории (заданной этими целыми числами), будет построено по одному графику.


Если выбранная группирующая переменная содержит не целочисленные значения, то программа автоматически округлит каждое значение выделенной переменной до целого числа. 



Категории.
Категории.

В этом режиме категоризации нужно указать желаемое число категорий. Программа разделит весь диапазон значений выбранной группирующей переменной (от минимального до максимального) на указанное число интервалов равной длины.



Границы.
Границы.

Метод границ также представляет собой интервальную категоризацию, однако в этом случае интервалы могут иметь произвольную (например, различную) длину, определяемую пользователем (например, "меньше -10", "больше или равно -10, но меньше 0", "больше или равно 0, но меньше 10" и "больше или равно 10").



Коды.
Коды.

Этот метод следует использовать в том случае, если выбранная группирующая переменная содержит "коды " (т.е. особые смысловые значения, такие как Male, Female), по которым можно разбить данные на категории.



Сложные подгруппы.
Сложные подгруппы.

Этот метод дает возможность пользователю использовать для выделения подгрупп более одной переменной. Другими словами, категоризация, основанная на выделении сложных подгрупп, может представлять не распределения конкретных переменных, а распределения частот определенных "событий" при заданной комбинации значений любого числа переменных текущего набора данных. Например, можно указать шесть категорий, задаваемых комбинациями значений трех переменных Gender, Age и Employment.



Гистограммы
Гистограммы

Гистограммы используются для изучения распределений частот значений переменных. Такое частотное распределение показывает, какие именно конкретные значения или диапазоны значений исследуемой переменной встречаются наиболее часто, насколько различаются эти значения, расположено ли большинство наблюдений около среднего значения, является распределение  симметричным или асимметричным, многомодальным (т.е.


имеет две или более вершины) или одномодальным и т.д. Гистограммы также используются для сравнения наблюдаемых и теоретических или ожидаемых распределений.

Категоризованные гистограммы представляют собой наборы гистограмм, соответствующих различным значениям одной или нескольких категоризующих переменных или наборам логических условий категоризации (см. Методы категоризации).

Частотные распределения могут представлять интерес по двум основным причинам. По форме распределения можно судить о природе исследуемой переменной (например, бимодальное распределение позволяет предположить, что выборка не является однородной и содержит наблюдения, принадлежащие двум различным множествам, которые в свою очередь нормально распределены). Многие статистики основываются на определенных предположениях о распределениях анализируемых переменных;  гистограммы позволяют проверить, выполняются ли эти предположения. Как правило, работа с новым набором данных начинается с построения  гистограмм всех переменных.

Гистограммы и группировка. Категоризованные гистограммы предоставляют такую же информацию о данных, как и группировка (например, среднее, медиану, минимум, максимум, разброс и т.п.; см. главу Основные статистики и таблицы). Хотя конкретные (числовые) значения описательных статистик легко увидеть в таблице, в то же время общую структуру и глобальные характеристики распределения проще изучать на графике. Более того, график дает качественную информацию о распределении, которую невозможно отразить с помощью какого-либо одного параметра. Например, по  асимметрии распределения значений дохода можно сделать вывод о том, что большинство населения имеет низкий, а не высокий уровень доходов. Если помимо этого провести группировку данных по этническому и половому признакам, то можно обнаружить, что в некоторых подгруппах эта структура распределения станет еще более ярко выраженной. Хотя эта информация содержится в значении коэффициента асимметрии (для каждой подгруппы), но она легче воспринимается и запоминается, будучи графически представленной  на гистограмме. Кроме того, на гистограмме можно наблюдать некоторые "впадины и выпуклости", которые могут свидетельствовать о социальном расслоении в исследуемой группе населения или об аномалиях в распределении дохода отдельных подгрупп, связанных с недавней налоговой реформой.



Категоризованные гистограммы и диаграммы рассеяния. Полезное применение категоризации для непрерывных переменных - это представление взаимосвязи трех переменных одновременно. Ниже показана диаграмма рассеяния для двух переменных Load 1 и Load 2.



Предположим, к ним нужно добавить третью переменную (Output) и исследовать ее распределение при различных значения совместного распределения переменных Load 1 и Load 2. Для этого можно построить следующий график:



На этом графике обе переменные Load 1 и Load 2 сгруппированы в 5 интервалов, и для каждой комбинации этих интервалов вычислено распределение переменной Output. Обратите внимание, что внутри "прямоугольника" (параллелограмма) находятся наблюдения, одинаковые для обоих показанных выше графиков.

Диаграммы рассеяния
Диаграммы рассеяния

Двумерные диаграммы рассеяния используются для визуализации взаимосвязей между двумя переменными X и Y (например, весом и ростом). На этих диаграммах отдельные точки данных представлены маркерами на плоскости, где оси соответствуют переменным. Две координаты (X и Y), определяющие положение точки, соответствуют значениям переменных. Если между переменными существует сильная взаимосвязь, то точки на графике образуют упорядоченную структуру (например, прямую линию или характерную кривую). Если переменные не взаимосвязаны, то точки образуют "облако".

Можно построить также категоризованные диаграммы рассеяния, сгруппированные по значениям одной или нескольких переменных, а с помощью метода сложных подгрупп (см. Методы категоризации) - диаграммы рассеяния, категоризованные по заданным логическим условиям выбора подгрупп наблюдений.

Категоризованные диаграммы рассеянияпредставляют собой мощный исследовательский и аналитический метод для изучения взаимосвязей между двумя и более переменными среди различных подгрупп.

Однородность двумерных распределений (форма взаимосвязей).Диаграммы рассеяния обычно используются для выявления природы взаимосвязи двух переменных (например, кровяного давления и уровня холестерина), поскольку они предоставляют гораздо больше информации, чем коэффициент корреляции.



Например, неоднородность выборки, по которой рассчитываются корреляции, может привести к искажению значений коэффициента корреляции. Предположим, коэффициент корреляции рассчитывается по данным, полученным в двух экспериментальных группах, но этот факт при вычислениях игнорируется. Пусть эксперимент в одной из подгрупп привел к увеличению значений обеих переменных, и на диаграмме рассеяния данные из каждой группы образуют отдельные "облака" (как показано на картинке).



В этом примере большое значение коэффициента корреляции целиком обусловлено распределением по группам и не отражает "истинную" взаимосвязь между двумя переменными, которая практически близка к 0 (это хорошо видно, если рассматривать каждую группу отдельно).

Если вы предполагаете, что подобная структура присутствует и в ваших данных, и знаете, каким образом выделить "подгруппы" наблюдений, то имеет смысл построить категоризованную диаграмму рассеяния.



Такой график поможет вам прояснить структуру взаимосвязей между переменными X и Y внутри каждой подгруппы (после соответствующего разбиения наблюдений).

Нелинейные зависимости. С помощью диаграмм рассеяния можно исследовать и нелинейные взаимосвязи между переменными. При этом не существует каких-либо "автоматических" или простых способов оценки нелинейности. Стандартный коэффициент корреляции Пирсона  r позволяет оценить только линейность связи, а некоторые непараметрические корреляции, например, Спирмена R, дают возможность оценить нелинейность, но только для монотонных зависимостей. На диаграммах рассеяния можно изучить структуру взаимосвязей, чтобы затем с помощью преобразования привести данные к линейному виду или выбрать подходящую нелинейную подгонку.

Дополнительную информацию можно найти в разделах Основные статистики, Непараметрическая статистика и распределения, Множественная регрессия и Нелинейное оценивание.

Вероятностные графики
Вероятностные графики

Существует три типа категоризованных вероятностных графиков: нормальные, полунормальные и с исключенным трендом.


Нормальные вероятностные графики - это быстрый способ визуальной проверки степени соответствия данных нормальному распределению.

В свою очередь категоризованные вероятностные графики дают возможность исследовать близость к нормальному распределению различных подгрупп данных .



Категоризованные нормальные вероятностные графики представляют собой эффективный инструмент для исследования однородности группы наблюдений с точки зрения соответствия нормальному распределению.



Графики квантиль-квантиль
Графики квантиль-квантиль

Категоризованные графики квантиль-квантиль (или К-К) используются для поиска в определенном семействе распределений того распределения, которое наилучшим образом описывает имеющиеся данные.



В случае категоризованных графиков К-К строится набор графиков квантиль-квантиль, по одному для каждого значения категориальных переменных (X или X и Y) или для заданных условий выбора сложных подгрупп (см. Методы категоризации). Для графиков К-К используются следующие семейства распределений:  экспоненциальное, экстремальное, нормальное, Релея, бета-, гамма-, логнормальное и Вейбулла.

Графики вероятность-вероятность
Графики вероятность-вероятность

Категоризованные графики вероятность-вероятность (или В-В) используются для проверки соответствия конкретного теоретического распределения имеющимся исходным данным. На этих графиках для каждого значения категориальных переменных (X или X и Y) или для заданных условий выбора сложных подгрупп (см. Методы категоризации) создается по одному графику вероятность-вероятность.



На графиках В-В строится наблюдаемая функция распределения (доля непропущенных значений x) в зависимости от теоретической функции распределения, чтобы оценить соответствие этой теоретической функции наблюдаемым данным. Если все точки этого графика располагаются на диагонали (содержащей точку 0 и имеющей наклон 1), то можно заключить, что наблюдаемое распределение хорошо аппроксимируется данной теоретической функцией.



Если не все точки данных располагаются на диагональной линии, то на таком графике можно визуально выделить группы наблюдений, соответствующие и не соответствующие искомому распределению (если, к примеру, точки образуют кривую S-образной формы вокруг диагональной линии, то к ним можно применить определенное преобразование для приведения к нужной форме распределения).

Линейные графики
Линейные графики

На  линейных графиках   отдельные точки данных соединяются линиями. Это простой способ визуального представления последовательности значений (например, цены на фондовом рынке за несколько дней торгов). Категоризованные линейные графики строятся в том случае, если необходимо разбить данные на несколько групп (категоризовать) с помощью  группирующей переменной   (например, цены при закрытии рынка по понедельникам, вторникам и т.д.) или с помощью логических условий, составленных по нескольким переменным (например, цены при закрытии рынка в те дни, когда две другие акции и индекс Доу Джонса выросли по сравнению с другими ценами закрытия; см.  Методы категоризации).



Диаграммы размаха
Диаграммы размаха

На диаграммах размаха  (этот термин был впервые использован Тьюки в 1970 году) представлены диапазоны значений выбранной переменной (или переменных) для отдельных групп наблюдений. Для выделения этих групп используются от одной до трех категориальных (группирующих) переменных или набор логических условий выбора подгрупп.

Для каждой группы наблюдений вычисляется центральная тенденция  (медиана или  среднее), а также размах или изменчивость (квартили, стандартные ошибки или стандартные отклонения). Выбранные параметры отображаются на графике одним из пяти способов (Прямоугольники-Отрезки, Отрезки, Прямоугольники, Столбцы или Верхние-нижние засечки). На этом графике можно показать и выбросы (см. разделы о  выбросах   и крайних точках).

На следующем графике, например, выбор факторов можно было бы считать вполне удачным, если бы не "досадное" несоответствие, на которое указывают выделенные на рисунке выбросы (в данном случае это значения, попадающие за пределы 1,5 квартильных размахов):





А на следующем рисунке не показаны ни выбросы, ни крайние точки.



Можно выделить два основных направления использования  диаграмм размаха: (a) отображение диапазонов значений отдельных элементов, наблюдений или выборок (например, типичные минимаксные графики цен на акции или товары или графики агрегированных данных с диапазонами), (б) отображение изменения значений в отдельных группах или выборках (например, когда точкой внутри прямоугольника представлено  среднее значение для каждой выборки, сам прямоугольник соответствует значениям  стандартной ошибки, а меньший прямоугольник или пара "отрезков" обозначает  стандартное отклонение от среднего).

С помощью диаграмм размаха,  на которых представлены характеристики изменчивости, можно быстро оценить и "интуитивно представить" силу связи между группирующей и зависимой переменной. Предположив, что зависимая переменная нормально распределена, и зная долю наблюдений, попадающих, к примеру, в интервал   ±1 или ±2 стандартных отклонения  от среднего (см. Элементарные понятия статистики), можно сделать, например,  вывод о том, что  95% наблюдений из экспериментальной группы 1 попадают в другой диапазон значений, нежели  95% наблюдений из группы 2.

На этих графиках можно изобразить и так называемые усеченные средние   (этот термин был впервые использован Тьюки в 1962 году), которые вычисляются после исключения заданного пользователем процента наблюдений с концов (хвостов) распределения.

Круговые диаграммы
Круговые диаграммы

Одним из наиболее широко используемых типов графического представления данных являются  круговые диаграммы, на которых показаны пропорции или сами значения переменных. Категоризованные графики этого типа состоят из нескольких круговых диаграмм, где данные разделены по группам с помощью одной или нескольких  группирующих переменных  (например, gender) или категоризованы согласно логическим условиям выбора подгрупп (см.


Методы категоризации).

В дальнейшем, говоря о категоризации этих графиков, мы будем иметь ввиду  круговые диаграммы частот (в противоположность  круговым диаграммам значений). Эти типы графиков, называемые также частотными круговыми диаграммами, представляют данные аналогично гистограммам. Все значения выбранной переменной категоризуются с помощью заданного метода категоризации, а затем относительные значения частот отображаются в виде сегментов круговой диаграммы пропорционального размера. Таким образом, эти графики являются альтернативным представлением гистограммы частот  (см. раздел о категоризованных гистограммах).



Диаграммы рассеяния круговых диаграмм. Еще одно очень полезное применение категоризованных круговых диаграмм - это представление относительных частот значений какой-либо переменной в различных "местах" совместного распределения двух других переменных. Например:



Обратите внимание, что круговые диаграммы изображены только в тех "местах", где имеются данные.  Показанный выше график напоминает диаграмму рассеяния (переменных  L1 и L2), где маркерами точек являются круговые диаграммы. Однако помимо обычной информации, содержащейся в диаграмме рассеяния, здесь в каждой точке дополнительно показано относительное распределение третьей переменной (а именно, доля значений Low, Medium и High Quality).

Графики пропущенных значений и данных вне диапазона
Графики пропущенных значений и данных вне диапазона

На этих графиках можно наглядно представить структуру распределения точек данных, содержащих пропущенные значения или находящихся "вне диапазонов", заданных пользователем. При этом строится по одной двумерной диаграмме для каждой группы наблюдений, выделенной с помощью группирующих переменных или с помощью условий выбора сложных подгрупп (см. Методы категоризации).





Эти типы графиков используются в  разведочном анализе данных, чтобы определить, является ли случайным распределение точек с пропущенными значениями, а также для оценки их  диапазона.

Трехмерные (3М) графики
Трехмерные (3М) графики

Трехмерные диаграммы рассеяния (пространственные, спектральные,  трассировочные и диаграммы отклонений), карты линий уровня и поверхности   также можно построить для подгрупп наблюдений, заданных с помощью выбранной категориальной переменной или логических условий выбора (см. Методы категоризации). Основная задача этих графиков - упростить сравнение взаимосвязей между тремя и более переменными для различных групп или категорий наблюдений.



Применения. Трехмерные графики в координатах  XYZ отображают взаимосвязи между тремя переменными. С помощью различных способов категоризации можно исследовать эти зависимости при различных условиях (т.е. в разных группах).

Изучая, например, показанный ниже категоризованный график поверхности, можно сделать вывод о том, что величина допуска прибора не влияет на измерения (переменные Depend1, Depend2 и Height), кроме случая, когда она  3.



Этот вывод становится еще более очевидным, если использовать вместо поверхности карту линий уровня.



Тернарные графики
Тернарные графики

Категоризованные тернарные графики используются для исследования взаимосвязей между тремя и более переменными, три из которых представляют собой компоненты смеси (т.е. для каждого наблюдения значения их суммы являются постоянной величиной), при этом отдельный график строится для каждого уровня  группирующей переменной.



Для построения  тернарных графиков  используется треугольная система координат на плоскости или в пространстве и строится зависимость между четырьмя (или более) переменными (компонентами X, Y и Z и откликами V1, V2 и т.д.). При этом накладываются ограничения на относительные значения каждой из компонент, чтобы они в сумме давали одинаковую величину для каждого наблюдения (например, 1).

На категоризованных тернарных графиках строится по одному графику для каждого значения   группирующей переменной (или заданного пользователем подмножества данных), и все они отображаются в одном графическом окне, чтобы можно было сравнивать различные подгруппы наблюдений.



Применения. Эти графики применяются для анализа результатов эксперимента, в котором измеряемый отклик зависит от относительного соотношения трех компонент (например, трех химических веществ при составлении смесей), которое варьируется с целью определения его оптимального значения.  Эти типы графического представления можно использовать и в других случаях, когда взаимосвязь между переменными, на которые наложены определенные ограничения, необходимо исследовать для различных групп или категорий наблюдений.

В начало

Закрашивание
Закрашивание

Закрашивание является одним из первых и, по-видимому, наиболее широко распространенных методов, известных как графический разведочный анализ данных. Этот метод позволяет интерактивно выделять на экране отдельные точки или подмножества данных и задавать их характеристики, или исследовать их влияние на взаимосвязи между переменными (например, на  матрицах диаграмм рассеяния) и идентифицировать выбросы(например, с помощью меток). 

Связи между переменными можно наглядно представить с помощью аппроксимирующих функций (например, двумерных кривых или трехмерных поверхностей) и доверительных интервалов. Интерактивно удаляя или добавляя определенные подгруппы наблюдений, можно наблюдать за изменениями этих функций и их параметров. Одно из применений метода закрашивания - это, например, выделение на  матричной диаграмме рассеяния  всех точек данных, принадлежащих определенной категории (например, на показанном ниже рисунке на правом верхнем графике выделена группа наблюдений, соответствующих значению "среднего" уровня дохода).



Такое исследование помогает определить, как эти конкретные наблюдения влияют на связи между другими переменными того же набора данных (например, на корреляцию между "расходами" и "активами").

В режиме "динамического закрашивания" (см. следующий пример) или "автоматического обновления функции подгонки" можно задать движение кисти по определенным последовательным диапазонам выбранной переменной (например, непрерывной, а не дискретной, как на показанном ранее примере) и исследовать динамику вклада этой переменной в связи между другими переменными этого набора данных.

В начало

Сглаживание двумерных распределений
Сглаживание двумерных распределений

Для наглядного представления таблицы значений двух переменных используются трехмерные гистограммы. Их можно рассматривать как объединение двух простых гистограмм для совместного анализа частот значений двух переменных. Чаще всего на этом графике для каждой "ячейки" таблицы нарисован один трехмерный столбец, а его высота соответствует частоте значений в этой ячейке. При построении трехмерной гистограммы для каждой из двух переменных можно использовать свой метод категоризации (см. ниже).



Когда предусмотрены процедуры сглаживания данных, то трехмерное представление частот значений можно аппроксимировать поверхностью. Такое сглаживание можно осуществить для любой трехмерной гистограммы. Для достаточно простой структуры данных (как на предыдущем рисунке) такое сглаживание не имеет особого смысла.



Однако, в случае более сложной картины распределения частот эта процедура может оказаться эффективным инструментом разведочного анализа данных



и позволит выявить особенности, которые трудно обнаружить на обычной трехмерной гистограмме (например, показанную выше "волновую структуру" поверхности).

В начало

Послойное сжатие
Послойное сжатие

На графиках этого типа за счет сокращения области основного графика освобождается место для графиков на полях, которые располагаются в правой и верхней части графического окна (включая маленький угловой график). Эти графики на полях представляют собой соответственно вертикально и горизонтально сжатые изображения основного графика.

Послойное сжатие двумерных графиков является методом разведочного анализа данных, который дает возможность скрытые тренды и структуры двумерных наборов данных. Рассмотрим следующий рисунок.



Здесь на примере, приведенном Кливландом (Cleveland, 1993), можно убедиться, что в каждом цикле солнечной активности число пятен уменьшается гораздо медленнее, чем нарастает в начале цикла.


Такое поведение совершенно не очевидно при исследовании обычного линейного графика, в то время как сжатый график позволяет обнаружить эту скрытую картину.

В начало

Проекции трехмерных наборов данных
Проекции трехмерных наборов данных

Полезным методом изучения и аналитического исследования структуры поверхности (созданной, как правило, по трехмерным наборам данных) является построение ее проекции на плоскость в виде карты линий уровня.



Эти графики менее эффективны для быстрого визуального анализа формы трехмерных структур по сравнению с графиками поверхности,



однако их преимущество заключается в возможности точного исследования формы поверхности -



на картах линий уровня отображается ряд не искаженных горизонтальных "сечений".

В начало

Пиктографики
Пиктографики

На пиктографиках каждое наблюдение представлено в виде многомерного символа, что позволяет использовать эти типы графического представления данных в качестве не очень простого, но мощного исследовательского инструмента. Главная идея такого метода анализа основана на человеческой способности "автоматически" фиксировать сложные связи между многими переменными, если они проявляются в последовательности элементов (в данном случае "пиктограмм"). Иногда понимание (или "чувство") того, что некоторые элементы "чем-то похожи" друг на друга, приходит раньше, чем наблюдатель (аналитик) может объяснить, какие именно переменные обусловливают это сходство (Lewicki, Hill, & Czyzewska, 1992). Конкретную природу проявившихся взаимосвязей между переменными позволяет выявить уже последующий анализ данных, основанный на изучении этого интуитивно обнаруженного сходства.



Основная идея пиктографиков заключается в представлении элементарных наблюдений как отдельных графических объектов, где значения переменных соответствуют определенным чертам или размерам объекта (обычно одно наблюдение = одному объекту). Это соответствие устанавливается таким образом, чтобы общий вид объекта менялся в зависимости от конфигурации значений.





Таким образом, объекты имеют определенный "внешний вид", который уникален для каждой конфигурации значений и может быть идентифицирован наблюдателем. Изучение таких пиктограмм помогает выявить как простые связи, так и сложные взаимодействия между переменными.

Анализ пиктографиков
Анализ пиктографиков

Целесообразно проводить анализ пиктографиков в пять этапов. Сначала выберите порядок анализируемых переменных. В большинстве случаев наилучшим вариантом оказывается случайная последовательность. Кроме того, можно попробовать расположить их в порядке, соответствующем полученному уравнению множественной регрессии, факторным нагрузкам или объясняемым факторам (см. главу Факторный анализ). Таким образом можно упростить и сделать более "однородным" общий вид пиктограмм, чтобы легче идентифицировать слабо выраженные различия. В то же время такой подход может затруднить идентификацию некоторых структур. На этом этапе можно дать только один универсальный совет: прежде чем использовать какие-либо сложные методы, попробуйте наиболее простой и быстрый вариант, а именно, случайную последовательность переменных. Попробуйте обнаружить какие-либо закономерности, например, сходства между группами пиктограмм, выбросы или определенные связи между элементами (например, " если первые два луча звезды длинные, то как правило, с другой стороны есть один или два коротких луча"). На этом этапе лучше использовать пиктографики кругового типа. При обнаружении закономерностей постарайтесь сформулировать их в терминах конкретных переменных. Измените соответствие переменных и элементов пиктограмм (или переключитесь на один из последовательных пиктографиков), чтобы проверить обнаруженную структуру взаимосвязей (например, попробуйте переместить ближе друг к другу элементы, между которыми обнаружена связь). В некоторых случаях в конце этого этапа целесообразно исключить из рассмотрения те переменные, которые не вносят явного вклада в обнаруженную структуру. И наконец, используйте один из численных методов (таких как регрессионный анализ, нелинейное оценивание, дискриминантный или кластерный анализ), чтобы проверить и попытаться количественно оценить обнаруженные закономерности или хотя бы их часть. Систематизация пиктографиков


Систематизация пиктографиков

Большинство пиктографиков можно отнести к одной из двух групп: круговые и последовательные.


Круговые пиктографики. Круговые пиктографики (звезды, лучи, многоугольники) имеют вид "велосипедного колеса", на них значения переменных представлены расстояниями между центром пиктограммы ("втулкой") и их концами.



Такие графики могут помочь в обнаружении связей между переменными, которые проявляются в общей структуре пиктограмм и зависят от конфигурации значений самих переменных.

Чтобы описать такую " общую картину" в терминах конкретных моделей или проверить имеющиеся предположения, имеет смысл использовать последовательные пиктографики, которые могут оказаться более эффективными, если уже известно, что именно требуется обнаружить.

Последовательные пиктографики. Последовательные пиктографики (столбцы, профили, линии) представляют собой набор картинок с маленькими последовательными графиками (различных типов).
Последовательные пиктографики. Последовательные пиктографики (столбцы, профили, линии) представляют собой набор картинок с маленькими последовательными графиками (различных типов).



Значения переменных представлены здесь расстояниями между основанием пиктограммы и последовательными точками (например, высотами показанных выше столбцов). Эти графики менее эффективны на начальной стадии разведочного анализа, поскольку пиктограммы очень похожи между собой. Однако, как уже упоминалось ранее, такое представление может быть весьма полезным для проверки уже сформулированной гипотезы.

Пиктограммы круговых диаграмм. Эти пиктографики нельзя однозначно отнести к одной из двух групп. Все они имеют круговую форму, но в то же время последовательно разделены в соответствии с значениями переменных.
Пиктограммы круговых диаграмм. Эти пиктографики нельзя однозначно отнести к одной из двух групп. Все они имеют круговую форму, но в то же время последовательно разделены в соответствии с значениями переменных.





Их можно отнести скорее к последовательным, чем к круговым пиктографикам, но можно использовать и в том, и в другом случае.

"Лица Чернова". Этот тип пиктографиков составляет отдельную группу. Здесь каждое наблюдение представляет собой схематичное изображение лица, определенным чертам которого соответствуют относительные значения выбранных переменных.
"Лица Чернова". Этот тип пиктографиков составляет отдельную группу. Здесь каждое наблюдение представляет собой схематичное изображение лица, определенным чертам которого соответствуют относительные значения выбранных переменных.



Некоторые исследователи рассматривают этот способ графического представления данных как уникальный многомерный метод разведочного анализа, позволяющий выявить такие скрытые картины взаимосвязей между переменными, которые не могут быть обнаружены другими методами. Вероятно, такое заявление можно считать преувеличением. Кроме того, следует заметить, что этот способ исследования весьма непрост в применении и требует большого опыта в том, что касается сопоставления переменных чертам лица. См. также раздел Методы "добычи данных" .

Стандартизация значений
Стандартизация значений

Как правило, при построении пиктографиков значения переменных должны быть стандартизованы, чтобы их можно было сравнивать в пределах одной пиктограммы. Исключения составляют те случаи, когда на пиктограммах необходимо отобразить глобальные различия диапазонов выбранных переменных. Поскольку масштаб пиктограммы определяется наибольшим значением, то на пиктограмме могут отсутствовать те переменные, которые имеют значения другого порядка малости, например, на пиктограмме звезды некоторые лучи могут оказаться настолько короткими, что совсем не будут видны..

Применения
Применения

Пиктографики обычно используются: (1) для обнаружения структур или кластеров наблюдений и (2) для исследования сложных взаимосвязей между несколькими переменными. Первый вариант соответствует кластерному анализу; т.е. процедуре классификации наблюдений.

Предположим, вы изучали характеры актеров и записали их ответы на вопросы анкеты.


С помощью пиктографика можно определить, существуют ли группы артистов, которые отличаются по их ответам на заданные вопросы (можно, к примеру, обнаружить, что некоторые артисты являются творческими, недисциплинированными и независимыми личностями, в то время как другая группа состоит из умных, дисциплинированных людей, которые ценят свою популярность).

Другая область применений - изучение взаимосвязей между переменными - напоминает факторный анализ, который используется для исследования вопроса о зависимости переменных. Предположим, изучалось мнение группы людей о различных марках автомобилей. В файле данных записаны средние оценки по каждому из свойств (рассматриваемых как переменные) для каждого из автомобилей (рассматриваемых как наблюдения).

При изучении "лиц Чернова" (где каждое лицо представляет мнение об одном из автомобилей) может оказаться, что улыбающиеся лица обычно имеют большие уши; при этом, если цене соответствует "ширина" улыбки, а динамическим качествам - размер ушей, то это "открытие" означает, что быстрые машины являются более дорогими. Разумеется, это очень простой пример; однако при реальном анализе данных применение этого метода может сделать более очевидными сложные взаимосвязи между многими переменными.

Близкие способы графического представления
Близкие способы графического представления

Связи между переменными из одного или двух списков могут быть представлены на матричных графиках. Использование матричных графиков одновременно с выделением подгрупп позволяет получить информацию, подобную той, которая отображается на пиктографиках.

Если использовать методы выделения подгрупп на диаграммах рассеяния, то для исследования взаимосвязей между двумя переменными можно использовать обычные 2М диаграммы рассеяния; а в случае трех переменных - 3Мдиаграммы рассеяния.

Типы графиков
Типы графиков

Существуют различные типы пиктографиков.

"Лица Чернова". Для каждого наблюдения рисуется отдельное "лицо"; при этом относительные значения выбранных переменных соответствуют форме и размерам определенных его черт (например, длине носа, изгибу бровей, ширине лица).





Дополнительно см. абзац "Лица Чернова" в разделе Систематизация пиктографиков.

Звезды. Это пиктографики кругового типа. Для каждого наблюдения рисуется пиктограмма в виде звезды; относительные значения выбранных переменных соответствуют относительным длинам лучей каждой звезды (по часовой стрелке, начиная с 12:00). Концы лучей соединены линиями.



Лучи. Эти пиктографики также относятся к круговому типу. Для каждого наблюдения строится одна пиктограмма. Каждый луч соответствует одной из выбранных переменных (по часовой стрелке, начиная с 12:00), и на нем отложено значение соответствующей переменной. Эти значения соединены линиями.



Многоугольники. Это пиктографикикругового типа. Для каждого наблюдения рисуется отдельный многоугольник; относительные значения выбранных переменных соответствуют расстояниям вершин от центра многоугольника (по часовой стрелке, начиная с 12:00).



Круговые диаграммы. Это пиктографики кругового типа. Для каждого наблюдения рисуется круговая диаграмма; относительные значения выбранных переменных соответствуют размерам сегментов диаграммы (по часовой стрелке, начиная с 12:00).



Столбцы. Это пиктографики последовательного типа. Для каждого наблюдения строится столбчатая диаграмма; относительные значения выбранных переменных соответствуют высотам последовательных столбцов.



Линии. Это пиктографики последовательного типа.



Для каждого наблюдения строится линейный график; относительные значения выбранных переменных соответствуют расстояниям точек излома линии от основания графика.

Профили. Это пиктографики последовательного типа. Для каждого наблюдения строится зонный график; относительные значения выбранных переменных соответствуют расстояниям последовательных пиков сечения над линией основания.



Маркировка пиктограмм
Маркировка пиктограмм

Если программа позволяет вам выделять подгруппы наблюдений, то это свойство можно использовать и для маркировки соответствующих пиктограмм.


При этом вокруг выделенных пиктограмм будут нарисованы рамки.



Шаблоны рамок, идентифицирующих заданные подгруппы, будут показаны в условных обозначениях рядом с текстом соответствующих условий выбора наблюдений. На следующем графике показан пример маркированных подгрупп.



Все наблюдения, удовлетворяющие условию для подгруппы 1 (значение переменной Iristype равно значению переменной Setosa и номер наблюдения меньше 100), обозначены специальной рамкой вокруг пиктограммы.

А все наблюдения, которые удовлетворяют условию для подгруппы 2 (значение переменной Iristype равно значению переменной Virginic и номер наблюдения меньше 100), обозначены на графике рамкой другого цвета.

В начало

Выборка данных
Выборка данных

Иногда отображение на графике слишком большого числа точек данных затрудняет изучение их структуры (см. следующий рисунок). Если файл данных слишком большой, то имеет смысл показать на графике лишь подмножество наблюдений, чтобы общая картина не была скрыта маркерами точек.



Некоторые программы предлагают методы выборки (или оптимизации) данных, которые в ряде случаев могут оказаться весьма полезны. При этом пользователь может задать целое число n, меньшее числа наблюдений в файле данных, а программа случайным образом выберет из этого файла приблизительно n допустимых наблюдений и именно их построит на графике.

Заметим, что такие методы сокращения набора данных (или размера выборки) эффективно отображают случайную структуру этих данных. Очевидно, эти методы принципиально отличаются от методов выделения конкретного подмножества или подгруппы наблюдений с помощью определенных критериев (например, по полу, области или уровню холестерина). Последние можно применять интерактивно (например, в режиме динамического закрашивания) или каким-либо другим способом (например, на категоризованных графиках или с помощью условий выбора наблюдений). Все эти методы в равной мере могут помочь в идентификации сложной структуры большого набора данных.

В начало

Вращение (в трехмерном пространстве)
Вращение (в трехмерном пространстве)

Изменение угла зрения при отображении трехмерной диаграммы рассеяния (простой, спектральной или пространственной) может оказаться эффективным средством для выявления некоторой структуры, которая видна только при определенном повороте "облака" точек (см. следующий рисунок).



Некоторые программы предоставляют полезный инструмент для интерактивного изменения перспективы и вращения изображения. Эти средства контроля изображения позволяют подобрать подходящий угол зрения и перспективу, чтобы найти наиболее удачное расположение "точки зрения" на график, а также дают возможность управлять его вращением в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Эти инструменты могут оказаться весьма полезными не только при начальном разведочном анализе данных, но и при исследовании факторного пространства (см.Факторный анализ) или пространства размерностей (см. Многомерное шкалирование).

В начало

(c) Copyright StatSoft, Inc., 1984-2001
STATISTICA является торговой маркой StatSoft, Inc.

ISO 9000 Bases

Основы ISO 9000

Введение Изучаемые темы ISO 9000, с чего начать? Основы Система STATISTICA Сравнение стандартов ISO 9000 Терминология и основные понятия Регистратор Аудиторы Технический специалист Ведущие аудиторы Поставщик Покупатель Аудиты первой, второй и третьей стороны Регистрация Инспектирование Консультант Документы I, II и III уровня Цель ISO 9000 Преимущества ISO 9000 Как внедрить ISO 9000 Этапы Пример регистрации компании Регистрационный процесс в подробностях До вызова регистратора Подбор регистратора и его действия Регистрация Подведем некоторые итоги Что спросить у регистратора Как подобрать консультанта Девять основных Требований ISO 9000, SPC. Введение Управление процессами Корректирующие и упреждающие действия Статистические методы Идентификация продукции и прослеживаемость Регистрация данных о качестве Контроль и проведение испытаний Статус контроля и испытаний Контроль документов и данных Контрольное, измерительное и испытательное оборудование Резюме

Введение Изучаемые темы ISO 9000, с чего начать? Основы Система STATISTICA Сравнение стандартов ISO 9000 Терминология и основные понятия Регистратор Аудиторы Технический специалист Ведущие аудиторы Поставщик Покупатель Аудиты первой, второй и третьей стороны Регистрация Инспектирование Консультант Документы I, II и III уровня Цель ISO 9000 Преимущества ISO 9000 Как внедрить ISO 9000 Этапы Пример регистрации компании Регистрационный процесс в подробностях До вызова регистратора Подбор регистратора и его действия Регистрация Подведем некоторые итоги Что спросить у регистратора Как подобрать консультанта Девять основных Требований ISO 9000, SPC. Введение Управление процессами Корректирующие и упреждающие действия Статистические методы Идентификация продукции и прослеживаемость Регистрация данных о качестве Контроль и проведение испытаний Статус контроля и испытаний Контроль документов и данных Контрольное, измерительное и испытательное оборудование Резюме

Введение

ISO 9000 - это добровольный международный стандарт для системы управления процессом проверки качества. В этом курсе рассмотрены основные принципы стандарта, способ регистрации и реальные преимущества, которыми обладают зарегистрированные организации перед теми, кто еще не получил сертификат.

Изучаемые темы
Изучаемые темы

В рамках этого курса вы освоите следующее: сущность и особенности ISO 9000 элементы системы управления процессом проверки качества различные способы регистрации доступные компаниям как подготовить компанию к регистрации как обеспечить управление качеством требования SPC (статистического контроля процессов) ISO 9000, с чего начать? Если Вы не знакомы с ISO 9000, пожалуйста, прочтите эти страницы. Я полагаю, Вы знаете очень мало по данному предмету, но Вам необходимо узнать о нем максимально много.

Недавно я посетил несколько конференций и семинаров по различным тематикам, начиная с юридических, заканчивая образовательными. ISO 9000 был основной темой для обсуждения. Возможно, это наиболее динамически развивающийся стандарт в области контроля качества, с тех пор, как были введены статистические методы.

Основы
Основы

Лучше всего начать изложение с основ. Во-первых, стандарт называется ISO 9000, но в действительности он объединяет пять стандартов. ISO 9001 - Модель контроля качества в Проектировании, Разработке, Производстве, Монтаже и Обслуживании ISO 9002 - Модель контроля качества в области Производства, Монтажа и Обслуживания ISO 9003 - Модель для обеспечения качества при контроле и испытаниях готовой продукции Указания по регистрационным стандартам: ISO 9000-1 - Общие руководства по Выбору и Использованию ISO 9004-2 - Управление качеством и элементы Системы качества - Указания Фундаментальное положение, которое следует запомнить, заключается в том, что ISO 9000 является моделью управления системой контроля качества. Другими словами, главное внимание уделяется управлению Вашей компанией, от начала и до конца. Стандарт не является руководством по организации структуры отдела, занимающегося контролем качества.

Штаб-квартира IOS в Женеве

Международная Организация по Стандартизации (IOS= International Organization for Standardization) расположена в Женеве (Швейцария). ISO 9000 - это один из стандартов, который создала и успешно распространяет эта организация. Термин "iso" происходит от латинской основы "equal" - "равный."

Стандарт сообщается каждой стране - участнице организации, которая, в свою очередь, дает стандарту собственное национальное название. Например, авторскими провами на этот стандарт в США обладает Американский Национальный Институт Стандартов (ANSI=American National Standards Institute). Стандарт так же распространяется и поддерживается Американским Обществом Качества (ASQ= American Society for Quality). Таким образом, в США, он носит название ANSI/ASQ Q-9000: 1994. На данный момент, свыше 90 стран используют этот стандарт, и более 50 из них присвоили стандарту свои национальные обозначения. После принятия Россией международного стандарта ISO 9001-94 последовало его превращение в национальный ГОСТ P ИСО 9001-96. (Это справедливо и по отношению к стандартам ISO 9002 и 9003).

Каждый из трех регистрационных стандартов приведенных выше, является моделью для формирования системы управления качеством. Другими словами, как главное управление организует распределение полномочий по проверке качества в масштабах всей компании. Первоначально предполагалось, что ISO 9000 будет общим стандартом для компаний-заказчиков, предназначенным для сертификации продукции их поставщиков (это называется аудитом второго лица "second-party audit"). Однако, в 1990-х годах, ориентированные на потребителя требования по ISO 9000 быстро превратили его в аудит третьей стороны "third-party audit". Обычно компании требуется аудит третьей стороны для того, чтобы удовлетворить требованиям сразу нескольких заказчиков. Это тем более верно для компании участвующей в международной торговле.