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Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
1. Ziele der Varianzanalyse
2. Formale Hypothesen
3. Strukturgleichung und Kodierung
4. Quadratsummenzerlegung
5. Erwartungswerte
6. F-Test
7. anova und glm in SPSS
8. Voraussetzungen der Varianzanalyse
9. Effektstärke
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1
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
Ziele der Varianzanalyse
• Vergleich von Mittelwerten
• Warum kein t-Test?!
• Einfaktorielle ANOVA mit zwei
Gruppen entspricht den t-Test!
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strukturell
5
7
3
bildhaft
12
7
8
4
6
M=5
10
13
M=10
2
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
t-Test:
Test bei unabhängigen Stichproben
Levene-Test der
Varianzgleichheit
MEM
Varianzen sind gleich
Varianzen sind nicht
gleich
F
1.455
T-Test für die Mittelwertgleichheit
Sig nifikanz
.262
T
-3.727
-3.727
8
Sig . (2-seitig)
.006
Mittlere
Differenz
-5.0000
Standardfehle
r der Differenz
1.34164
6.680
.008
-5.0000
1.34164
df
95% Konfidenzintervall
der Differenz
Untere
Obere
-8.09383
-1.90617
-8.20350
-1.79650
ANOVA (F-Test):
Tests der Zwischensubjekteffekte
Abhäng ige Variable: MEM
Quelle
Korrigiertes Modell
Konstanter Term
BED
Fehler
Gesamt
Korrigierte
Gesamtvariation
Quadratsum
me vom Typ III
62.500a
562.500
62.500
36.000
661.000
98.500
df
1
1
1
8
10
9
a. R-Quadrat = .635 (korrig iertes R-Quadrat = .589)
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Mittel der
Quadrate
62.500
562.500
62.500
4.500
F
13.889
125.000
13.889
Sig nifikanz
.006
.000
.006
Beide Tests sind äquivalent, d.h. sie liefern den
gleichen p-Wert.
Zudem gilt:
F = t² = (-3.73)² = 13.89
3
Alpha-Fehler Kumulierung
Mehrere Gruppen:
• Wenn drei Gruppen verglichen werden sollen, sind verschiedene
Vergleiche möglich:
(1) struk vs. bild:
t(8) = -3,73; p = .006
(2) struk vs. emo: t(8) = -9.04; p = .000
(3) bild vs. emo:
t(8) = -1.69; p = .129
• Frage: Hängt die Erinnerungsleistung von der Lernbedingung ab?
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4
Alpha-Fehler Kumulierung
Mehrere Gruppen:
• Bei jedem der 3 Vergleiche besteht die Gefahr fälschlicherweise
einen signifikanten Effekt zu finden (α = 0.05).
• Die Wahrscheinlichkeit, bei keinem der Vergleiche einen Fehler zu
machen beträgt nach dem Multiplikationstheorem:
p(kein Fehler) = 0.95 ∙ 0.95 ∙ 0.95 = 0.86
• Die Wahrscheinlichkeit (mindestens) einen Fehler zu machen
beträgt damit:
p(Fehler) = 1 - p(kein Fehler) = 1 – 0.86 = 0.14
p(Fehler) = 1 - (1- α)³
 Dies wird als α-Fehler-Kumulierung (bzw. α-Fehler-Inflation)
bezeichnet.
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5
Alpha-Fehler Kumulierung
Zwei-faktorielle Versuchspläne:
männlich
weiblich
•
strukturell
bildhaft
emotional
5
7
3
4
6
6
8
4
5
7
12
7
8
10
13
13
8
9
11
14
12
11
12
12
13
13
12
13
13
14
Bei 6 Gruppen gibt es bereits 15 Einzelvergleiche…
p(Fehler) = 1 - (.95)15 = 1 - .46 = .54
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6
Alpha-Fehler Kumulierung
Definition
Gruppen
Der kumulierte α-Fehler gibt
3
die Wahrscheinlichkeit an,
4
5
mindestens einen statistisch
6
Bedeutsamen Gruppen7
unterschied zu finden, obwohl
8
in der Population alle Gruppen
9
gleich sind.
10
11
12
13
14
15
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Vergleiche
3
6
10
15
21
28
36
45
55
66
78
91
105
Kumulierter
α-Fehler
0.143
0.264
0.401
0.537
0.659
0.762
0.842
0.901
0.940
0.966
0.982
0.991
0.995
7
Alpha-Fehler Kumulierung
Bonferroni-Korrektur
• Mit der Bonferoni-Korrektur wird das α-Fehler-Niveau für jeden
einzelnen Test soweit herabgesetzt, dass der kumulierte Fehler
nur noch .05 beträgt.
 adj 

NTests
• Beispiel: 6 Gruppen  15 Tests  αadj =.05 / 15 = .003
• Nachteil: Viele Gruppen  sehr niedriges Alpha-Niveau bei den
einzelnen Test  geringe Power (großer β-Fehler)
• Besser: Berechnung einer Varianzanalyse (Ein Test für alle
Mittelwerte!)
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8
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
1. Ziele der Varianzanalyse
2. Formale Hypothesen
3. Strukturgleichung und Kodierung
4. Quadratsummenzerlegung
5. Erwartungswerte
6. F-Test
7. anova und glm in SPSS
8. Voraussetzungen der Varianzanalyse
9. Effektstärke
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9
Hypothesen der Varianzanalyse
Varianzanalyse für Mittelwertsvergleiche?
H0: Alle Mittelwerte sind gleich:
μ1 = μ2 = … = μp  μi = μj (für alle i,j)
bzw.
H0: Alle Effekte sind Null
H0: α1 = α2 = … = αp = 0  αi = 0 (für alle i)
bzw.
H0: Die Varianz der Effekte ist Null
H0: σ²α = 0 oder σ²Effekt=0
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10
Hypothesen der Varianzanalyse
Varianzanalyse für Mittelwertsvergleiche?
H1: Mindestens zwei Mittelwerte sind verschieden
μi ≠ μj (für mind. ein Paar i, j)
bzw.
H1: Mindestens ein Effekt ist ungleich Null
αi ≠ 0 (für mindestens ein i)
bzw.
H1: Varianz der Effekte ist größer als Null
σ²α > 0 oder σ²Effekt>0
 globale (ungerichtete) Alternativhypothese
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11
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
1. Ziele der Varianzanalyse
2. Formale Hypothesen
3. Strukturgleichung und Kodierung
4. Quadratsummenzerlegung
5. Erwartungswerte
6. F-Test
7. anova und glm in SPSS
8. Voraussetzungen der Varianzanalyse
9. Effektstärke
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12
Strukturgleichung
• Nach dem Allgemeinen Linearen Modell kann der Wert der AV
für Vp i in der Bedingung j geschätzt werden als:
yij  a0  a j  ei, j
• Wobei gilt:
a0  y
aj  yj  y
• Und folglich:
yij  y  ( y j  y)  ei, j
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13
Strukturgleichung
Eigenschaften der Strukturgleichung
• Es gilt wiederum die Bedingung der kleinsten Quadrate:
2
e
i1 i  minimal
N
• Der Mittelwert der Fehler (ei,j) ist Null:
e 0
• Der Mittelwert der Effekte (aj) ist Null (ohne a0):
a 0
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14
Designmatrix: Dummy- und Effektkodierung
Y= X ∙ a + e
 5 1
 7 1
  
 3 1
  
 4 1
 6 1
 
12 1
 7 1
  
 8 1
10 1
  
13 1
AV
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1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
 0
 2
0
 
  2
0

 
0
 1

 7.5
 1
0 

   2.5   
1 
2

 2.5
  3
1 

 
1
  2
 0
1

 
 3
1 
Designmatrix Effekte
(Indikatorvariablen)
Fehler
15
Designmatrix: Dummy- und Effektkodierung
yij  a0  x0  a1  x1  a2  x2  a3  x3  eij
y12  a0 1  a1  0  a2 1  a3  0  e12
 a0  a2  e12
Die Varianzanalyse verwendet jedoch nur 2 Variablen (k-1), um die Zugehörigkeit
zu den 3 Gruppen zu kodieren.
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16
Designmatrix: Dummykodierung
yij  a0  x0  a1  x1  a2  x2  eij
y13  a0 1  a1  0  a2  0  e12
 a0  e13
Nachteil: Der Effekt für Gruppe 3 kann nicht mehr angegeben werden!
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17
Designmatrix: Effektkodierung
yij  a0  x0  a1  x1  a2  x2  eij
y13  a0 1  a1  (1)  a2  (1)  e13
 a0  a1  a2  e13
 a0  a3  e13
a1  a2  a3  0  a3  a1  a2
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18
Kodierung
• Je nachdem, ob die Dummycodierung oder die Effektkodierung
gewählt wird, ergibt sich eine unterschiedliche Strukturgleichung
für „letzte“ Gruppe.
 Bei der Dummykodierung:
yij=a0+eij
Annahme: kein Effekt in Gruppe j (Kontrollgruppe)
 Bei der Effektkodierung:
yij=a0+aj+eij
Annahme: Effekt in Gruppe j (z.B. Placebo)
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Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
1. Ziele der Varianzanalyse
2. Formale Hypothesen
3. Strukturgleichung und Kodierung
4. Quadratsummenzerlegung
5. Erwartungswerte
6. F-Test
7. anova und glm in SPSS
8. Voraussetzungen der Varianzanalyse
9. Effektstärke
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20
Quadratsummen
Quadratsummen werden zur Berechnung der Varianz verwendet:
Quadratsumme
n
ˆ 
2
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 y
i 1
 y
2
i
n 1
Freiheitsgrade
21
Quadratsummen
• Die Varianz entspricht der „mittleren Quadratsummen“ (Mean
Sum of Squares, MS)
„Quadratsumme“ (QS) oder „Sum of Squares“ (SS)
n
SS
ˆ  MS 

df
2
 y  y
i 1
2
i
n 1
Freiheitsgrade oder „degrees of freedom“
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22
Beispiel: Quadratsumme
strukturell
bildhaft
y11=5
y12=12
y21=7
y22=7
y31=3
y32=8
y41=4
y42=10
y51=6
y52=13
M1=5
M2=10
G=7.5
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SStotal    yij  y 
n
p
i 1
j 1
2
SStotal  (5 - 7.5)2  (7 - 7.5)2  (3 - 7.5)2 
(4 - 7.5)2  (6 - 7.5)2  (12- 7.5)2 
(7 - 7.5)2  (8 - 7.5)2  (10- 7.5)2 
(13- 7.5)2
SStotal  6.25 0.25 20.25 12.25 2.25
20.25 0.25 0.25 6.25 30.25
 98.50
23
Beispiel: Freiheitsgrade der Quadratsumme
strukturell
bildhaft
y11=5
y12=12
y21=7
y22=7
y31=3
y32=8
y41=4
y42=10
y51=6
y52=13
M1=5
M2=10
G=7.5
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dftotal  N 1  n  p  1
dftotal  10  1
 5  2 1
9
24
Beispiel: Gesamtvarianz
strukturell
bildhaft
y11=5
y12=12
y21=7
y22=7
y31=3
y32=8
y41=4
y42=10
y51=6
y52=13
M1=5
M2=10
G=7.5
05_anova1
ˆ
2
total
SStotal

dftotal
 y
n

ˆ
2
total
i 1
p
j 1
 y
2
ij
n  p 1
98.5

 10.94
9
25
Quadratsummenzerlegung
• Gesamt-Quadratsumme (QStotal,
SStotal)
 y
• Quadratsumme innerhalb der
Gruppen (QSinnerhalb, QSFehler,
SSwithin , SSError)
  y
• Quadratsumme zwischen den
Gruppen (QSzwischen, QSEffekt,
SSbetween, SSTreatment)
 n y
05_anova1
n
i 1
n
i 1
ij
 y
ij
 yj
p
j 1
p
j 1
2
p
j 1
2
j
 y
2
j
26
Beispiel: Varianz innerhalb der Gruppen
SSwithin   yij  y j 
n
strukturell
bildhaft
y11=5
y12=12
y21=7
y22=7
y31=3
y32=8
y41=4
y42=10
y51=6
y52=13
M1=5
M2=10
G=7.5
2
i 1 j 1
SSwithin  (5 - 5)²  (7 - 5)²  (3 - 5)²  (4 - 5)²  (6 - 5)² 
(12- 10)² (7 - 10)² (8 - 10)² (10- 10)² (13- 10)²
 0  4  4 11 4  9  4  0  9
 36
dfwithin  N  p  10  2  8
ˆ
05_anova1
p
2
within
36

 4.5
8
27
Beispiel: Varianz zwischen den Gruppen
SSbetween   n j  y j  y 
p
strukturell
bildhaft
y11=5
y12=12
y21=7
y22=7
y31=3
y32=8
y41=4
y42=10
y51=6
y52=13
M1=5
M2=10
G=7.5
2
j 1
SSbetween  5  (5 - 7.5) 2  5  (10- 7.5) 2
 5  (-2.5)2  5  (2.5) 2
 31.25  31.25
 62.50
dfbetween  p 1  2 1  1
ˆ
05_anova1
2
between
62.50

 62.50
1
28
Beispiel: Zwischenergebnisse
SS total 98.50


 10.94
dftotal
9
Gesamtvarianz
ˆ
2
total
Varianz innerhalb
ˆ
2
within
Varianz zwischen
ˆ
2
between
05_anova1
SSwithin 36


 4.50
dfwithin
8
SSbetween 62.50


 62.50
dfbetween
1
29
Beispiel: Zwischenergebnisse
Additivität
• Quadratsummen sind additiv!
QStotal  QSzwischen  QSinnerhalb
• Freiheitsgrade sind additiv!
dftotal  dfzwischen  dfinnerhalb
• Varianzen sind nicht additiv!
ˆ
05_anova1
2
total
 ˆ
2
zwischen
 ˆ
2
innerhalb
30
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
1. Ziele der Varianzanalyse
2. Formale Hypothesen
3. Strukturgleichung und Kodierung
4. Quadratsummenzerlegung
5. Erwartungswerte
6. F-Test
7. anova und glm in SPSS
8. Voraussetzungen der Varianzanalyse
9. Effektstärke
05_anova1
31
Erwartungswerte
Gedankenexperiment 1: „Die H0 gilt in der Population“
• Gegeben seien zwei Populationsverteilungen, mit µ1 = µ2 = 7.5 und identischen
Populationsvarianzen von σ1 = σ1 = 2.25
• Aus jeder Population wird eine Stichprobe der Größe N=5 gezogen und es wird
die Varianz innerhalb und die Varianz zwischen den Bedingungen berechnet
• Der Vorgang wird sehr oft wiederholt und der Mittelwert (Erwartungswert)
der beiden Varianzen wird berechnet
05_anova1
32
Gedankenexperiment 1: „Die H0 gilt“
Gedankenexperiment 1: „Die H0 gilt in der Population“
• Varianz innerhalb der Gruppen:
2
2
2
E(ˆ innerhalb
)   innerhalb
  Fehler
 2.25
– „Varianz innerhalb“ schätzt die Fehlervarianz
• Varianz zwischen den Gruppen:
2
2
2
ˆ
E( zwischen )  n Effekt   Fehler  2.25
– „Varianz zwischen“ schätzt Effekt- und Fehlervarianz
– Unter der Nullhypothese ist Effektvarianz=0
05_anova1
33
Gedankenexperiment 1: „Die H0 gilt“
Gedankenexperiment 1: „Die H0 gilt in der Population“
• Unter der Nullhypothese schätzt die Stichprobenvarianz innerhalb der
Gruppen die Fehlervarianz in der Population
• Die Stichprobenvarianz zwischen den Gruppen schätzt ebenfalls die
Fehlervarianz in der Population
05_anova1
34
Gedankenexperiment 2: „Die H1 gilt“
Gedankenexperiment 2: „Die H1 gilt in der Population“
• Gegeben seien zwei Populationsverteilungen, mit µ1 = 5 und µ2 = 10 und
identischen Populationsvarianzen von σ1 = σ2 = 2.25
• Aus jeder Population wird eine Stichprobe der Größe N=5 gezogen und es wird
die Varianz innerhalb und die Varianz zwischen den Bedingungen berechnet
• Der Vorgang wird sehr oft wiederholt und der Mittelwert (Erwartungswert)
der beiden Varianzen berechnet
05_anova1
35
Gedankenexperiment 2: „Die H1 gilt“
Gedankenexperiment 2: „Die H1 gilt in der Population“
• Varianz innerhalb der Gruppen:
2
2
2
E(ˆ innerhalb
)   innerhalb
  Fehler
 2.25
– „Varianz innerhalb“ schätzt die Fehlervarianz
• Varianz zwischen den Gruppen:
2
2
2
E(ˆ zwischen
)  n Effekt
  Fehler
 5 12.5  2.25  64.75
p
2
 Effekt

05_anova1
 
i 1
 
2
i
p 1

5  7.52  10  7.52
1
 12.5
36
Gedankenexperiment 2: „Die H1 gilt“
Gedankenexperiment 2: „Die H1 gilt in der Population“
• Unter der Alternativhypothese schätzt die Stichprobenvarianz innerhalb der
Gruppen die Fehlervarianz in der Population
• Die Stichprobenvarianz zwischen den Gruppen schätzt die Summe aus Effektund Fehlervarianz in der Population
05_anova1
37
Gedankenexperimente: Zwischenergebnisse
Ergebnisse:
2
2
2
ˆ zwischen
schätztnEffekt  Fehler
2
ˆinnerhalb
schätzt2Fehler
2
ˆ zwischen
2
ˆ innerhalb
05_anova1
schätzt
2
2
n Effekt
  Fehler
2
 Fehler
38
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
1. Ziele der Varianzanalyse
2. Formale Hypothesen
3. Strukturgleichung und Kodierung
4. Quadratsummenzerlegung
5. Erwartungswerte
6. F-Test
7. anova und glm in SPSS
8. Voraussetzungen der Varianzanalyse
9. Effektstärke
05_anova1
39
Der F-Test
Der F-Test vergleicht zwei Varianzen:
Fdf Zähler ,df Nenner
Var1

Var2
• Hypothesen:
– H0: Varianzen gleich groß  F ≤ 1
– H1: Zählervarianz größer  F > 1
• Wenn Femp > Fkrit wird die H0 verworfen
• Fkrit hängt ab von …
– dfZähler
– dfNenner
– α
05_anova1
40
Der F-Test
Der F-Bruch für die einfaktorielle ANOVA
Fdf zwischen ,df innerhalb
ˆ

ˆ
2
zwischen
2
innerhalb
schätzt
2
2
n Effekt
  Fehler
2
 Fehler
2
H0 : i   j ( für alle i, j) oder Effekt
0
2
H1 : i   j ( für ein Paari, j) oder Effekt
0
05_anova1
41
Der F-Test
Der F-Bruch für die einfaktorielle ANOVA
H0 : F 
H1 : F 
•
2
2
n Effekt
  Fehler
2
 Fehler
2
2
n Effekt
  Fehler

2
Fehler
2
2
n  0   Fehler
 Fehler

 2 1
2
 Fehler
 Fehler
1
Interpretation des F-Wertes:
– F = 1  σbetween = 0
– F > 1  σbetween > 0
05_anova1
 H0 annehmen
 H0 verwerfen
42
Der F-Test
Darstellung von F-Tests in Forschungsberichten:
• Signifikante Ergebnisse:
• „Es findet sich ein signifikanter Einfluss des Faktors Therapiemethode, F(2, 37) = 5.34;
p < .05.“
• „Es findet sich ein signifikanter Einfluss des Faktors Therapiemethode (F[2, 37] =
5.34; p < .01).“
• Nicht-signifikante Ergebnisse:
– „Es findet sich kein signifikanter Einfluss des Faktors Therapiemethode, F(2, 37) =
1.44; n.s.“
– „Es findet sich kein signifikanter Einfluss des Faktors Therapiemethode (F[2, 37] =
1.44; p =.25).“
– „Es findet sich kein signifikanter Einfluss des Faktors Therapiemethode, F < 1.“
05_anova1
43
Der F-Test
Darstellung von F-Tests in Forschungsberichten:
• Die Angaben zum F-Test werden in der Regel am Ende des Satzes mit Komma
getrennt (oder in Klammern) angegeben.
• Folgende Angaben müssen aufgeführt werden:
– F-Wert
– Zähler und Nennerfreiheitsgrade
– p-Wert (exakt oder Signifikanzniveau)
• Für F und p werden immer exakt zwei Nachkommastellen angegeben
• Ausnahmen:
– Bei nicht-signifikanten Ergebnissen darf die Angabe des p-Werts weggelassen
werden. In diesem Fall wird einfach „n.s.“ für „nicht signifikant“ angehängt.
– Bei F<1 darf die Angabe der Freiheitsgrade und des p-Werts weggelassen werden.
05_anova1
44
Beispiel: F-Test
Beispiel: Durchführung des F-Tests
• Gedächtnisexperiment
– drei Gruppen, je n=5
• UV: Instruktion
– Konsonanten zählen
– bildlich vorstellen
– Emotionalität beurteilen
• AV: Anzahl erinnerter Wörter
05_anova1
45
Beispiel: F-Test
Schritte bei der Durchführung des F-Tests
1. Gruppen- und Gesamtmittelwerte bilden
2. Quadratsummen berechnen
3. Freiheitsgrade berechnen
4. Mittlere Quadratsummen berechnen
5. Empirischen F-Wert berechnen
6. Vergleich mit kritischem F-Wert
05_anova1
46
1. Gruppen- und Gesamtmittelwerte bilden
strukturell
bildhaft
emotional
y11=5
y12=12
y13=12
y21=7
y22=7
y23=11
y31=3
y32=8
y33=12
y41=4
y42=10
y43=12
y51=6
y52=13
y53=13
y1  5
y2  10
y3  12
y  9.00
05_anova1
5  7  3  4  6 25
y1 

5
5
5
y2 
12  7  8  10  13 50

 10
5
5
12  11  12  12  13 60
y3 

 12
5
5
5  10  12 27
y

9
3
3
47
2. Quadratsummen berechnen
strukturell bildhaft emotional
y11=5
y12=12
y13=12
y21=7
y22=7
y23=11
y31=3
y32=8
y33=12
y41=4
y42=10
y43=12
y51=6
y52=13
y53=13
y1  5
y2  10
y  9.00
05_anova1
y3  12
Quadratsumme zwischen:
2
SSbetween   n   y j  y 
p
j 1
SSbetween  5  (5  9) 2  5  (10  9) 2  5  (12  9) 2
 5  (4) 2  5 12  5  32
 130.00
48
2. Quadratsummen berechnen
strukturell bildhaft emotional
y11=5
y12=12
y13=12
y21=7
y22=7
y23=11
y31=3
y32=8
y33=12
y41=4
y42=10
y43=12
y51=6
y52=13
y53=13
y1  5
y2  10
y  9.00
y3  12
Quadratsumme innerhalb:
2
SSwithin    yij  y j 
p
n
j 1 i 1
SSwithin  0 2  2 2  ( 2) 2  ( 1) 2  12
 2 2  ( 3) 2  ( 2) 2  0 2  32
 0 2  ( 1) 2  0 2  0 2  12
 38.00
05_anova1
49
3. Freiheitsgrade berechnen
strukturell bildhaft emotional
dfwithin  N  p
y11=5
y12=12
y13=12
 15  3
y21=7
y22=7
y23=11
 12
y31=3
y32=8
y33=12
y41=4
y42=10
y43=12
y51=6
y52=13
y53=13
y1  5
y2  10
y3  12
dfbetween  p  1
 3 1
2
y  9.00
05_anova1
50
4. Mittlere Quadratsummen
SSbetween  130.00
SSwithin  38.00
dfbetween  2
dfwithin  12
05_anova1
130 .00
MS between 
 65.00
2
38 .00
MS within 
 3.17
12
51
5. Empirischer F-Wert
MSbetween  65.00
MSwithin  3.17
65.00
Femp 2, 12  
 20.50
3.17
05_anova1
52
6. Kritischer F-Wert
05_anova1
53
6. Kritischer F-Wert
Femp 2, 12  20.50
Fkrit 2, 12  3.89
Interpretation:
 Die H0 wird verworfen
 Die H1 wird angenommen
 Es gibt eine Effektvarianz
 Die Gruppen unterscheiden sich voneinander
05_anova1
54
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
1. Ziele der Varianzanalyse
2. Formale Hypothesen
3. Strukturgleichung und Kodierung
4. Quadratsummenzerlegung
5. Erwartungswerte
6. F-Test
7. anova und glm in SPSS
8. Voraussetzungen der Varianzanalyse
9. Effektstärke
05_anova1
55
anova und glm in SPSS
05_anova1
56
anova in SPSS
Syntax:
oneway wörter by bedingung.
05_anova1
57
anova in SPSS
ONEWAY ANOVA
wörter
Quadrat
summe
Zwischen den
Gruppen
Innerhalb der
Gruppen
Gesamt
05_anova1
Mittel der
Quadrate
df
130,000
2
65,000
38,000
12
3,167
168,000
14
F
20,526
Signifikanz
,000
58
glm in SPSS
Syntax:
unianova wörter by bedingung.
oder
glm wörter by bedingung.
05_anova1
59
glm in SPSS
Tests der Zwischensubjekteffekte
Abhängige Variable:wörter
Quelle
Korrigiertes Modell
Konstanter Term
bedingung
Fehler
Gesamt
Korrigierte
Gesamtvariation
Quadratsu
mme vom
Typ III
Mittel der
Quadrate
df
F
Signifikanz
130,000a
2
65,000 20,526
,000
1215,000
1
1215,000 383,684
,000
130,000
2
65,000 20,526
,000
38,000
1383,000
12
15
168,000
14
3,167
a. R-Quadrat = .774 (korrigiertes R-Quadrat = .736)
05_anova1
60
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
1. Ziele der Varianzanalyse
2. Formale Hypothesen
3. Strukturgleichung und Kodierung
4. Quadratsummenzerlegung
5. Erwartungswerte
6. F-Test
7. anova und glm in SPSS
8. Voraussetzungen der Varianzanalyse
9. Effektstärke
05_anova1
61
Voraussetzungen der Varianzanalyse
Voraussetzungen der Varianzanalyse
• Intervallskalierte, normalverteilte abhängige Variable (AV) 
Berechnung von Varianzen
• Mindestens 20 Elemente pro Gruppe
• Ähnlich Gruppengrößen in den Zellen
 nmax  1.5
nmin
• Varianzhomogenität
05_anova1
62
Prüfung der Varianzhomogenität
Zur Überprüfung der Varianzhomogenität stehen verschiedene
Tests zur Verfügung:
a) Barlett-Test (sehr empfindlich gegenüber der
Verletzungen der Normalverteilung)
b) Levene-Test (relativ unempfindlich gegenüber
Verletzungen der Normalverteilung)
c) Fmax-Statistik (Hartley Test)
(Nur bei gleichen Gruppen-Größen)
05_anova1
63
Der Levene-Test
• Der Levene-Test ist eine Varianzanalyse über die Abweichung der
individuellen Messwerte vom Gruppenmittelwert:
d ij  yij  y j
H0:
d1  d2  ...  d j
• Wird der Levene-Test signifikant (p < .05), dann ist die Annahme
der Varianzgleichheit verletzt.
 In diesem Fall sollte (streng genommen) keine Varianzanalyse
verwendet werden.
05_anova1
64
Der Levene-Test in SPSS
Test der Homogenität der Varianzen
wörter
LeveneStatistik
3,840
05_anova1
df1
df2
2
Signifikanz
12
,051
p >.05  ANOVA darf
verwendet werden!
65
Voraussetzungen der Varianzanalyse
Die Varianzanalyse ist robust!
• Bei Verletzungen der Annahmen resultieren meistens trotzdem
sinnvolle Ergebnisse (Insbesondere bei großen Stichproben).
• Wenn nur eine der Annahmen verletzt ist, können die Ergebnisse
einer ANOVA dennoch in aller Regel verwendet werden.
– Allerdings muss dann berichtet werden, dass die Annahme verletzt ist,
damit der Leser weiß, das die Ergebnisse mit Vorsicht zu interpretieren
sind!
• Wenn allerding mehrere Voraussetzungen verletzt sind, sollte
keine ANOVA mehr verwendet werden.
05_anova1
66
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
Einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)
1. Ziele der Varianzanalyse
2. Formale Hypothesen
3. Strukturgleichung und Kodierung
4. Quadratsummenzerlegung
5. Erwartungswerte
6. F-Test
7. anova und glm in SPSS
8. Voraussetzungen der Varianzanalyse
9. Effektstärke
05_anova1
67
Berechnung der Effektstärke
Effektstäre
• Wenn eine ANOVA ein signifikantes Ergebnis hat, stellt sich die
Frage nach der Effektstärke.
• Formulierungen der H1:
–
–
„Es besteht ein statistisch bedeutsamer Zusammenhang zwischen UV und AV
„Die UV erklärt einen bedeutsamen Anteil der Varianz der AV“
 Der Anteil aufgeklärter Varianz (R²) kann als Maß für die
Effektstärke interpretiert werden.
 Der Anteil aufgeklärter Varianz wird bei der ANOVA als (partielles) η² (Eta²)
bezeichnet.
05_anova1
68
Berechnung der Effektstärke
SSbetween
R²   ² 
SStotal
130
² 
 0.77
168
Eta² kann auch aus dem F-Wert berechnet werden:
F  ( p  1)
² 
F  ( p  1)  ( N  p)
20.53 (3  1)
41.06
² 

 0.77
20.53 (3  1)  (15  3) 53.06
05_anova1
69
Effektstärke in SPSS
05_anova1
70
Effektstärke in SPSS
Tests der Zwischensubjekteffekte
Abhängige Variable:wörter
Quelle
Korrigiertes Modell
Konstanter Term
bedingung
Fehler
Gesamt
Korrigierte
Gesamtvariation
05_anova1
Quadratsu
mme vom
Mittel der
Typ III
df Quadrate
F
Signifi Partielles
kanz Eta-Quadrat
130,000a
2
20,526
,000
,774
1215,000
1 1215,000 383,684
,000
,970
130,000
2
65,000
,000
,774
38,000
1383,000
12
15
3,167
168,000
14
65,000
20,526
71
Zusammenfassung ANOVA
1.
Warum Varianzanalyse?
• Alphafehlerkummulierung
• Bonferoni-Korrektur
2.
Hypothesen
• H0:
Alle Mittelwerte sind gleich
• H1:
Nicht alle Mittelwerte sind gleich
3.
Strukturgleichung und Kodierung
• Y= X ∙ a + e
• Dummy vs. Effektcodierung
05_anova1
72
Zusammenfassung ANOVA
4.
Quadratsummenzerlegung
SStotal    yij  y 
n
p
i 1
j 1
2
SSwithin   yij  y j 
p
n
2
i 1 j 1
SSbetween   n   y j  y 
p
2
j 1
5.
Erwartungswerte
• Unter der H0: σ²between = σ²within
• Unter der H1: σ²between > σ²within
05_anova1
73
Zusammenfassung ANOVA
6.
F-Test:
MSbetween
Femp dfZ , dfN  
MSwithin
7.
8.
anova und glm in SPSS
Voraussetzungen der Varianzanalyse
• Intervallskalenniveau, Normalverteilung
• Ni ≥ 20
• Nmax / Nmin < 1.5
• Varianzhomogenität
9. Effektstärke (η²) = Aufgeklärte Varianz (R²)
05_anova1
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