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Analysis
of Variance (ANOVA) |
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§
Consider a
situation in which we want to examine the effects of a drug but we are not
sure what the dosage, if any, should be. §
In this case,
we might want to carry out an experiment in which we form 5 groups of
subjects: one group (the control group) would receive a placebo and the
remaining four groups would receive different dosages of the drug. §
We would then
measure all 5 groups in terms of some dependent variable (e.g., depression). |
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§
Now we are interested in 5 populations (rather than
2 in the case of the t-test). §
We want to know
if there are significant differences among the groups. §
In other words,
we want to know whether the groups are sampled from populations with
different means. §
The Analysis of Variance (ANOVA) deals with this
situation. |
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§ Suppose that there are k (# of groups) populations
of interest. § The method of analysis of variance enables us (under
suitable conditions) to test the hypotheses: §
Hypothesis
testing in ANOVA is about whether the means of the samples differ more than
you would expect if the null hypothesis were true. §
This question
about means is answered by analyzing variances. §
Among other
reasons, you focus on variances because when you want to know how several
means differ, you are asking about the variances among those means. § |
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§
Within ANOVA,
as with the t test, you do not know the true population variances. §
As with the t
test, you can estimate the variance of each of the populations from the
scores in the samples. §
Also, as with
the t test, you assume in ANOVA that all populations have the same
variance. §
Because of this
assumption, you can average the estimates from each sample into a single
pooled estimate. § Null and Alternative Hypotheses in ANOVA: |
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§ Let us imagine that we are dealing with three groups
- say a control group and two drug groups. § Now, we could use three different t-tests to compare
the groups with the following hypotheses: |
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Why you
can’t use multiple T-tests instead of ANOVA? § Because we are conducting
multiple tests, there is a chance that one of the null hypotheses could be
rejected even if they are all correct. |
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§ In other words, by
carrying out multiple tests, we increase the chance of making a type I error
(the null hypothesis is true, but we reject it; falsely rejecting the null).
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The way you get around this problem
is by using an ANOVA. |
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§ ANOVA --> alpha = .05 Keeps the overall alpha =
.05 |
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§ Although there are procedures for compensating for
this problem, in ANOVA we usually start with an overall test that concerns
all the means and use (as described above) the following hypotheses: |
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§
The
following graph illustrates the null hypothesis in a case in which we have 5
populations. §
Each of the
histograms (i.e., curves) represents a population. §
The means of
the 5 populations are equal. |
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·
The graph
also illustrates one of the assumptions underlying ANOVA - the assumption of HOMOGENEITY
OF VARIANCE: the variances of the k populations (in
this case k=5) are equal. |
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·
The
populations are normally distributed and that the residual errors (the
difference between a particular value in a population and the mean of that
population) are independent. |
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Types of ANOVA: |
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§
One Way (One
Factor) ANOVA:
One
independent variable (IV) with more than two levels (more than 2 groups) |
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§
Two Way (Two Factor) ANOVA:
Two independent variables (simultaneous)
with each having two or more levels |
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§
You can also
have 3 way anova’s , 4 way, etc. etc. §
the numbers
refer to the number of independent variables (or factors) you are looking at |
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The Basic Idea Underlying ANOVA
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ANOVA example:
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§
Craik and
Lockhart (Journal of Verbal
Learning and Verbal Behavior, Vol. 11, 1972) proposed a memory model in which
memory for verbal material depends on initial processing or encoding. §
To evaluate
this model, Eysenck
(Devel Psychology, Vol. 10, 1974): §
Randomly
assigned 50 subjects into one of 5 groups: §
4 incidental
learning groups (the subjects in these groups were not told they would have
to recall items) and one intentional learning group: |
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The following data represents the scores
obtained. (They have actually been changed a little for explanatory purposes) |
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Number
of words recalled as a function of level of processing
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§ The mean of all 50 values in the data set is called
the grand mean SYMBOLIZED AS §
OR you can
take the average of all the groups means to get a Grand Mean |
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The following graph shows the data in
the above table: |
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·
·
First there
is considerable dispersion of values within each group. |
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·
However,
there is also some dispersion between groups as measured by the differences
among the means of the 5 groups. |
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· The following graph shows just the means of each of
the 5 groups: |
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· If the Null Hypothesis is true (i.e., µ1 = µ2
= .. .= µk): (i.e., if the 5 samples are
drawn from 5 populations with equal means = NO DIFFERENCES BETWEEN THE 5
GROUPS) - then both the variation within groups and
the variation between
groups reflect random or chance variation which we can
call experimental error. - AND we have
two estimates of experimental error. In other words, The basic idea of
ANOVA is to form a ratio of these two estimates. If the null hypothesis
is true, then these two estimates should be similar. |
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·
If the
Null Hypothesis is False (THERE ARE DIFFERENCES BETWEEN AT LEAST 1 OF THE
GROUIPS): -Then we will find that the variation between groups is large compared to
the variation within groups -And we might suspect that
there are real differences between the groups. - In other words, we might be
willing to reject the null hypothesis and argue that the samples (i.e.,
groups) are drawn from populations with different means. |
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Number
of Words recalled as a function of level of processing
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The grand mean is: |
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The
Logic of ANOVA
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· If H0 is true (i.e., µ1 = µ2
= .. .= µk) then:
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**More specifically, the F is the ratio
of the between-samples estimate of the population variance over the
within-samples estimate of the population variance**: |
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· Each
sample variance is an estimate of the variance of the population from which
the sample was drawn. Thus: · Because of the
assumption of homogeneity of variance, we Have:
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· Thus, we have k different estimates of the
population variance. · It makes sense to take an average of theses
estimates as our within-samples estimate · THIS IS REFERRED TO AS MSwithin
OR MSError. (Mean Squares
Within or Error)- the mean of the
squared deviations around the mean within a particular group
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· where k is the number of samples or groups · Importantly, MSwithin
does not depend on whether H0 is true or false. · This is because the variance within the populations
from which the samples (or groups) are drawn is independent of differences
between the populations. · In other words, MSwithin
is a measure of variability of individual differences of subjects and
measurement error · THUS MSwithin
is ALSO called MSerror |
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2.
Between-Samples Estimate of Variability
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If the null hypothesis is true, the
population variance:
can also be estimated from the sample means. From the central limit theorem we know
that the standard deviation of the sampling distribution of means is: |
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· The between-samples estimate of the population
variance is referred to as the mean squares between, or MSbetween. |
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· The two estimates of population variance differ in
one critical respect: - MSwithin
is independent of whether H0 is true or false. - MSbetween
is an estimate of the population only when the H0 is true. When the Ho is
false MSbetween
picks up on differences between the population and the sample group |
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· Thus, if the two estimates agree (Within and Between
estimates of population variability), we have support for retaining the H0
· If the two estimates disagree we have support for
rejecting the H0 |
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Properties of an F Distribution:
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·
The F distribution
is a family of probability distributions (like the t distribution) that
depend on the degrees of freedom associated with the F-test. |
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·
the F-test has degrees of freedom for the numerator and
the denominator of the F-ratio. |
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DEGREES
OF FREEDOM 1 way anova |
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·
The degrees of freedom for the numerator or BETWEEN GROUPS is: (k
– 1) =
called the DFbetween ·
where k
is the number of groups from which we draw samples (the # of groups). |
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· The degrees of freedom of
the denominator is: (N
– k) =
called the DFwithin · where N is the
total number of observations in all groups or samples, minus the k, the
number of groups. |
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(In many text
books, n is used to represent to the number of observations in each group or
sample and N represents the total number of observations) |
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· The degrees of freedom for the F-test are often
written as: |
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df = (k
- 1, N - k) or (dfbetween, dfwithin) |
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The following graph shows the F
distribution for 4 and 45 degrees of freedom. (Note that these are the df from the Eysenck example.) |
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·
The curve
represents that distribution of F values that would be obtained if the null
hypothesis is true and we repeated the experiment (with the same df) many, many times. |
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· Recall that the F ratio is:
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·
The value of F can never be negative (because a variance can not be
negative). |
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·
If the null hypothesis is true, the F value should be close to 1 most
of the time. However, if the null is not true, we can expect larger F values.
Therefore, the F-test is ALWAYS a NON-DIRECTIONAL
test Why F is always Non-Directional: ·
In testing the
hypothesis of no difference between two means, a distinction was made
between directional and nondirectional alternative
hypotheses. ·
Such a
distinction no longer makes sense when the number of means exceeds two. ·
A directional
test is possible only in situations where there are only two ways
(directions) that the null hypothesis could be false. ·
H0 may be false
in any number of ways. ·
Two or more
group means may be alike and the remainder differ,
all may be different, and so on. |
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The following graph again shows an F
curve with 4 and 45 df. The pink area represents
that upper 5% of the area under the curve. |
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§ The critical value of F
associated with 4 and 45 degrees of freedom and a level of significance
(alpha) of .05 is 2.61. §
Also located in appendix in the back of the book F Table
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In the book:
Numbers in regular font = p < 0.05; Numbers in bold = p < 0.01* |
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§ Because 45 is not in this table, but 40 is, always
round down; anytime the actual number is not listed always round down to the
next number so that the critical value is estimated to be larger (thus,
harder to find signficance) and not smaller
than it should be. § The critical value of F (4, 40) df is 2.61. § By selecting 40 instead of 60) we are being more
conservative F WITH DF (4, 60) = 2.53. In other words, by using 2.61
instead of 2.53 we are using a higher critical value and are less likely to
reject the null. If we do in fact reject that null, we can say that we did so
even though we were conservative. § table you round down to 40 The table depicted here
skips from 40 to 60 so use 40 instead § The table in the back of the book has values in
between 40 and 60 (40, 42 ,44, …60), so we can then use 44 as the df because we do not have a value for 45 listed, round
down to 44 |
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Examples of ANOVA Calculations
with Equal Sample Sizes
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|
|
Count |
X2 |
Rhyme |
X2 |
Adjective |
X2 |
Imagery |
X2 |
Intentional |
X2 |
|
Words |
9 |
81 64 36 64 100 16 36 25 49 49 |
7 |
49 81 36 36 36 121 36 9 64 49 |
11 |
121 169 64 36 196 121 169 169 100 121 |
12 |
144 121 256 121 81 484 144 100 361 121 |
10 |
100 361 196 25 100 121 196 225 121 121 |
|
|
7.0 |
520 |
6.9 |
517 |
11.0 |
1266 |
13.3 |
1933 |
12.0 |
1566 |
|
|
3.33 |
|
4.54 |
|
6.22 |
|
20.27 |
|
14.00 |
|
B) SSWithin is also called the SSError

T = (Σx)
for each score within each Treatment Group
|
|
Count |
X2 |
Rhyme |
X2 |
Adjective |
X2 |
Imagery |
X2 |
Intentional |
X2 |
|
Words |
9 |
81 64 36 64 100 16 36 25 49 49 |
7 |
49 81 36 36 36 121 36 9 64 49 |
11 |
121 169 64 36 196 121 169 169 100 121 |
12 |
144 121 256 121 81 484 144 100 361 121 |
10 |
100 361 196 25 100 121 196 225 121 121 |
|
|
7.0 |
520 |
6.9 |
517 |
11.0 |
1266 |
13.3 |
1933 |
12.0 |
1566 |
|
|
3.33 |
|
4.54 |
|
6.22 |
|
20.27 |
|
14.00 |
|
5802- (70)2 + (69)2 + (110)2 +
(133)2 + (120)2
10 10 10 10 10 =
5802 – 5385 = 417
C) SSbetween

T =
(Σx) for each score within each Treatment
Group
|
|
Count |
X2 |
Rhyme |
X2 |
Adjective |
X2 |
Imagery |
X2 |
Intentional |
X2 |
|
Words |
9 |
81 64 36 64 100 16 36 25 49 49 |
7 |
49 81 36 36 36 121 36 9 64 49 |
11 |
121 169 64 36 196 121 169 169 100 121 |
12 |
144 121 256 121 81 484 144 100 361 121 |
10 |
100 361 196 25 100 121 196 225 121 121 |
|
|
7.0 |
520 |
6.9 |
517 |
11.0 |
1266 |
13.3 |
1933 |
12.0 |
1566 |
|
|
3.33 |
|
4.54 |
|
6.22 |
|
20.27 |
|
14.00 |
|
(70)2 + (69)2 + (110)2 +
(133)2 + (120)2 (502)2
NOW WE NEED TO FIND THE Mean Square (MS)
Mean Square:
·
The Mean Square Is Just Each Different SS (Between
Or Within) Divided By The Respective df (Between Or
Within)
|
|
or |
|
|
|
or |
|
D) SSwithin/df within = 417
(N-
K) 45 = 9.27
where k is the number of
samples or groups. Note that this is the standard formula for variance. We
are simply computing the variance of the x scores means about each sample
mean. Plugging in the numbers
E) 344.92
4
= 86.23

F =
86.23/9.27 = 9.30
4) Find F
critical - we will use a 5% level of significance.
· The degrees of freedom for
the numerator (df between
groups) is df = k-1 = 5-1 = 4.
·
The degrees of freedom for the denominator can also be written as df = N-k = 50-5 = 45.
·
FIND F CRITICAL = USE F TABLE GIVE OR LOOK IN F TABLE IN THE BACK OF
THE BOOK
· F.05 = 2.58 OR 2.61
·
IF USING THE TABLE GIVEN DF (4, 45)= 2.61 (MUST USE COLUMN FOR 40)
·
IF USING TABLE IN BACK OF BACK DF (4, 45) = 2.58 (MUST USE COLUMN FOR 45)
· Decision: Because Fcalc
> Fcrit, we reject the null
hypothesis that the five samples are drawn from populations with the same
mean.
·
More specifically, we can say that, assuming that
the assumptions underlying ANOVA are satisfied, we have grounds for rejecting
the null hypothesis.
The results from the above example can be summarized in an ANOVA table
as follows:
|
Source
|
df |
SS
|
MS
|
F
|
|
Between Samples |
4 |
344.92 |
86.23 |
9.30 |
|
Within Samples |
45 |
417 |
9.27 |
|
|
Total |
49 |
761.92 |
|
|
Imagine
the following research and that the following data were obtained: