Методы вторичной статистической обработки результатов эксперимента

С помощью вторичных методов статистический обработки экспериментальных данных непосредственно проверяются, до­казываются или опровергаются гипотезы, связанные с экспери­ментом. Эти методы, как правило, сложнее, чем методы первич­ной статистической обработки, и требуют от исследователя хо­рошей подготовки в области элементарной математики и статис­тики.

Обсуждаемую группу методов можно разделить на несколь­ко подгрупп: 1. Регрессионное исчисление. 2. Методы сравнения между собой двух или нескольких элементарных статистик (средних, дисперсий и т.п.), относящихся к разным выборкам. 3. Методы установления статистических взаимосвязей между пе­ременными, например их корреляции друг с другом. 4. Методы выявления внутренней статистической структуры эмпирических данных (например, факторный анализ). Рассмотрим каждую из выделенных подгрупп методов вторичной статистической обра­ботки на примерах.

Регрессионное исчисление — это метод математической ста­тистики, позволяющий свести частные, разрозненные данные к некоторому линейному графику, приблизительно отражающе­му их внутреннюю взаимосвязь, и получить возможность по зна­чению одной из переменных приблизительно оценивать вероят­ное значение другой переменной.

Воспользуемся для графического представления взаимосвязан­ных значений двух переменных х и у точками на графике (рис. 73). Поставим перед собой задачу: заменить точки на графике ли­нией прямой регрессии, наилучшим образом представляющей взаимосвязь, существующую между данными переменными. Иными словами, задача заключается в том, чтобы через скопле­ние точек, имеющихся на этом графике, провести прямую линию,

566

______ Глава 3. Статистический анализ экспериментальных данных ____

Рис.73. Прямая регрессии YnoX. х и у — средние значения переменных. От­клонения отдельных значений от линии регрессии обозначены вертикальны­ми пунктирными линиями. Величина y_t - у является отклонением измеренно­го значения переменной у. от оценки, а величина у - у является отклонением оценки от среднего значения (Цит. по: Иберла К. Факторный анализ. М., 1980. С. 23).

пользуясь которой по значению одной из переменных, х или у, можно приблизительно судить о значении другой переменной. Для того чтобы решить эту задачу, необходимо правильно найти коэффициенты а и Ь в уравнении искомой прямой:

у = ах + Ь.

Это уравнение представляет прямую на графике и называет­ся уравнением прямой регрессии.

567

Формулы для подсчета коэффициентов а и Ь являются сле­дующими:

Часть II. Введение в научное психологическое исследование

где х., у_{ — частные значения переменных X и Y, которым соот­ветствуют точки на графике;

х, у — средние значения тех же самых переменных;

п — число первичных значений или точек на графике.

Для сравнения выборочных средних величин, принадлежа­щих к двум совокупностям данных, и для решения вопроса о том, отличаются ли средние значения статистически достоверно друг от друга, нередко используют ^-критерий Стъюдента. Его основ­ная формула выглядит следующим образом:

где х_{ — среднее значение переменной по одной выборке данных;

х_г — среднее значение переменной по другой выборке данных;

т₁ит₂ — интегрированные показатели отклонений частных значений из двух сравниваемых выборок от соответствующих им средних величин.

/и, и т₂ в свою очередь вычисляются по следующим формулам:

— 2

где St — выборочная дисперсия первой переменной (по первой выборке);

— 2

5"г — выборочная дисперсия второй переменной (по второй выборке);

я, — число частных значений переменной в первой выборке;

п₂ — число частных значений переменной по второй выборке.

После того как при помощи приведенной выше формулы вы­числен показатель t, по таблице 32 для заданного числа степеней свободы, равного п_{ + п₂ - 2, и избранной вероятности допусти­мой ошибки¹ находят нужное табличное значение t и сравнива-

¹ Степени свободы и вероятность допустимой ошибки — специальные ма-тематико-статистические термины, содержание которых мы здесь не будем рас­сматривать.

568

Глава 3. Статистический анализ экспериментальных данных

Таблица 32 Критические значения ^-критерия Стъюдента для заданного числа степеней свободы и вероятностей допустимых ошибок, равных 0,05; 0,01 и 0,001

 

 

 

Число степеней свободы	Вероятность допустимой ошибки
	0,05            0,01             0,001
	Критические значения показателя t
(я, + п., - 2)
4	2,78	5,60	8,61
5	2,58	4,03	6,87
6	2,45	3,71	5,96
7	2,37	3,50	5,41
8	2,31	3,36	5,04
9	2,26	3,25	4,78
10	2,23	3,17	4,59
11	2,20	3,11	4,44'
12	2,18	3,05	4,32
13	2,16	3,01	4,22
14	2,14	2,98	4,14
15	2,13	2,96	4,07
16	2,12	2,92	4,02
17	2,11	2,90	3,97
18	2,10	2,88	3,92
19	2,09	2,86	3,88
20	2,09	2,85	3,85
21	2,08	2,83	3,82
22	2,07	2,82	3,79
23	2,07	2,81	3,77
24	2,06	2,80	3,75
25	2,06	2,79	3,73
26	2,06	2,78	3,71
27	2,05	2,77	3,69
28	2,05	2,76	3,67
29	2,05	2,76	3,66
30	2,04	2,75	3,65
40	2,02	2,70	3,55
50	2,01	2,68	3,50
60	2,00	2,66	3,46
80	1,99	2,64	3,42
100	1,98	2,63	3,39

ют с ними вычисленное значение t. Если вычисленное значение t больше или равно табличному, то делают вывод о том, что срав­ниваемые средние значения из двух выборок действительно ста-

569

______ Часть II. Введение в, научное психологическое исследование ___

тистически достоверно различаются с вероятностью допустимой ошибки, меньшей или равной избранной. Рассмотрим процеду­ру вычисления t- критерия Стъюдента и определения на его ос­нове разницы в средних величинах на конкретном примере.

Допустим, что имеются следующие две выборки эксперимен­тальных данных: 2, 4, 5, 3, 2, 1, 3, 2, 6, 4 и 4, 5, 6, 4, 4, 3, 5, 2, 2, 7. Средние значения по этим двум выборкам соответственно рав­ны 3,2 и 4,2. Кажется, что они существенно друг от друга отлича­ются. Но так ли это и насколько статистически достоверны эти различия? На данный вопрос может точно ответить только ста­тистический анализ с использованием описанного статистичес­кого критерия. Воспользуемся этим критерием.

Поставим найденные значения дисперсий в формулу для под­счета mat к вычислим показатель t

Определим сначала выборочные дисперсии для двух срав­ниваемых выборок значений:

Сравним его значение с табличным для числа степеней сво­боды 10+10-2 = 18. Зададим вероятность допустимой ошибки, равной 0,05, и убедимся в том, что для данного числа степеней свободы и заданной вероятности допустимой ошибки значение t должно быть не меньше чем 2,10. У нас же этот показатель ока­зался равным 1,47, т.е. меньше табличного. Следовательно, ги­потеза о том, что выборочные средние, равные в нашем случае 3,2 и 4,2, статистически достоверно отличаются друг от друга, не подтвердилась, хотя на первый взгляд казалось, что такие раз­личия существуют.

Вероятность допустимой ошибки, равная и меньшая чем 0,05, считается достаточной для научно убедительных выводов. Чем меньше эта вероятность, тем точнее и убедительнее делаемые вы­воды. Например, избрав вероятность допустимой ошибки, рав-

570

Глава 3. Статистический анализ экспериментальных данных

ную 0,05, мы обеспечиваем точность расчетов 95% и допускаем ошибку, не превышающую 5%, а выбор вероятности допустимой ошибки 0,001 гарантирует точность расчетов, превышающую 99,99%, или ошибку, меньшую чем 0,01%.

Описанная методика сравнения средних величин по крите­рию Стъюдента в практике применяется тогда, когда необходи­мо, например, установить, удался или не удался эксперимент, оказал или не оказал он влияние на уровень развития того пси­хологического качества, для изменения которого предназначал­ся. Допустим, что в некотором учебном заведении вводится но­вая экспериментальная программа или методика обучения, рас­считанная на то, чтобы улучшить знания учащихся, повысить уровень их интеллектуального развития. В этом случае выясня­ется причинно-следственная связь между независимой перемен­ной — программой или методикой и зависимой переменной — знаниями или уровнем интеллектуального развития. Соответ­ствующая гипотеза гласит: «Введение новой учебной програм­мы или методики обучения должно будет существенно улучшить знания или повысить уровень интеллектуального развития уча­щихся».

Предположим, что данный эксперимент проводится по схе­ме, предполагающей оценки зависимой переменной в начале и в конце эксперимента. Получив такие оценки и вычислив средние по всей изученной выборке испытуемых, мы можем воспользо­ваться критерием Стъюдента для точного установления нали­чия или отсутствия статистически достоверных различий меж­ду средними до и после эксперимента. Если окажется, что они действительно достоверно различаются, то можно будет сделать определенный вывод о том, что эксперимент удался. В против­ном случае нет убедительных оснований для такого вывода даже в том случае, если сами средние величины в начале и в конце эксперимента по своим абсолютным значениям различны.

Иногда в процессе проведения эксперимента возникает спе­циальная задача сравнения не абсолютных средних значений не­которых величин до и после эксперимента, а частотных, напри­мер процентных, распределений данных. Допустим, что для экс­периментального исследования была взята выборка из 100 уча-

571

______ Часть II. Введение в научное психологическое исследование ___

щихся и с ними проведен формирующий эксперимент. Предпо­ложим также, что до эксперимента 30 человек успевали на «удов­летворительно», 30 — на «хорошо», а остальные 40 — на «отлич­но». После эксперимента ситуация изменилась. Теперь на «удов­летворительно» успевают только 10 учащихся, на «хорошо» — 45 учащихся и на «отлично» — остальные 45 учащихся. Можно ли, опираясь на эти данные, утверждать, что формирующий экс­перимент, направленный на улучшение успеваемости, удался? Для ответа на данный вопрос можно воспользоваться статис­тикой, называемой х²-критерий («хи-квадрат критерий»). Его формула выглядит следующим образом:

где Р_к — частоты результатов наблюдений до эксперимента;

V_k — частоты результатов наблюдений, сделанных после экс­перимента;

т — общее число групп, на которые разделились результаты наблюдений.

Воспользуемся приведенным выше примером для того, что­бы показать, как работает хи-квадрат критерий. В данном при­мере переменная Р_к принимает следующие значения: 30%, 30%, 40%, а переменная V_k — такие значения: 10%, 45%, 45%.

Подставим все эти значения в формулу для %² и определим его величину:

Воспользуемся теперь таблицей 33, где для заданного числа степеней свободы можно выяснить степень значимости образо­вавшихся различий до и после эксперимента в распределении оценок. Полученное нами значение х² = 21,5 больше соответст­вующего табличного значения т - 1 = 2 степеней свободы, со­ставляющего 13,82 при вероятности допустимой ошибки мень­ше чем 0,001. Следовательно, гипотеза о значимых изменениях, которые произошли в оценках учащихся в результате введения новой программы или новой методики обучения, эксперимен-

572

Глава 3, Статистический анализ экспериментальных данных ___

Таблица 33 Граничные (критические) значения х²-критерия, соответствующие разным вероятностям допустимой ошибки и разным степеням свободы

 

 

Число
степеней свободы	Вероятность допустимой ошибки
(т-1)	0,05	0,01	0,001
1	3,84	6,64	10,83
2	5,99	9,21	13,82
3	7,81	11,34	16,27
4	9,49	13,28	18,46
5	11,07	15,09	20,52
6	12,59	16,81	22,46
7	14,07	18,48	24,32
8	15,51	20,09	26,12
9	16,92	21,67	27,88
10	18,31	23,21	29,59
11	19,68	24,72	31,26
12	21,03	26,05	32,91
13	22,36	27,69	34,53
14	23,68	29,14	36,12
15	25,00	30,58	37,70

тально подтвердилась: успеваемость значительно улучшилась, и это мы можем утверждать, допуская ошибку, не превышающую 0,001%.

Иногда в психолого-педагогическом эксперименте возника­ет необходимость сравнить дисперсии двух выборок для того, чтобы решить, различаются ли эти дисперсии между собой. До­пустим, что проводится эксперимент, в котором проверяется ги­потеза о том, что одна из двух предлагаемых программ или ме­тодик обучения обеспечивает одинаково успешное усвоение зна­ний учащимися с разными способностями, а другая программа или методика этим свойством не обладает. Демонстрацией спра­ведливости такой гипотезы было бы доказательство того, что ин­дивидуальный разброс оценок учащихся по одной программе или методике больше (или меньше), чем индивидуальный разброс оценок по другой программе или методике.

573

______ Часть II. Введение в научное психологическое исследование ____

Подобного рода задачи решаются, в частности, при помощи критерия Фишера. Его формула выглядит следующим образом:

где п₁ —■ количество значения признака в первой из сравнивае­мых выборок; п₂ — количество значений признака во второй из сравниваемых выборок; {п₁ — 1, п₂ — 1) — число степеней свобо­ды; 5f — дисперсия по первой выборке; Si — дисперсия по вто­рой выборке.

Вычисленное с помощью этой формулы значение F-крите-рия сравнивается с табличным (табл. 34), и если оно превосхо­дит табличное для избранной вероятности допустимой ошибки и заданного числа степеней свободы, то делается вывод о том, что гипотеза о различиях в дисперсиях подтверждается. В про­тивоположном случае такая гипотеза отвергается и дисперсии считаются одинаковыми¹.

Таблица 34

Граничные значения F-критерия для вероятности допустимой ошибки 0,05 и числа степеней свободы и, и и₂

 

я, \.	3	4	5	6	8	12	16	24	50
3	9,28	9,91	9,01	8,94	8,84	8,74	8,69	8,64	8,58
4	6,59	6,39	6,26	6,16	6,04	5,91	5,84	5,77	5,70
5	5,41	5,19	5,05	4,95	4,82	4,68	4,60	4,58	4,44
6	4,76	4,53	4,39	4,28	4,15	4,00	3,92	3,84	3,75
8	4,07	3,84	3,69	3,58	3,44	3,28	3,20	3,12	3,03
12	3,49	3,26	3,11	3,00	2,85	2,69	2,60	2,50	2,40
16	3.-24	3,0	2,85	2,74	2,59	2,42	2,33	2,24	2,13
24	3,01	2,78	2,62	2,51	2,36	2,18	2,09	1,98	1,86
50	2,79	2,56	2,40	2,29	2,13	1,95	1,85	1,74	1,60

¹ Если отношение выборочных дисперсий в формуле F-критерия оказы­вается меньше единицы, то числитель и знаменатель в этой формуле меняют местами и вновь определяют значения критерия.

574

Глава 3. Статистический анализ экспериментальных данных

Примечание. Таблица для граничных значений ^распреде­ления приведена в сокращенном виде. Полностью ее можно найти в справочниках по математической статистике, в частности в тех, которые даны в списке дополнительной литературы к этой главе.

Пример. Сравним дисперсии следующих двух рядов цифр с целью определения статистически достоверных различий меж­ду ними. Первый ряд: 4,6, 5,7,3,4,5,6. Второй ряд: 2,7, 3,6,1,8, 4, 5. Средние значения для двух этих рядов соответственно рав­ны: 5,0 и 4,5. Их дисперсии составляют: 1,5 и 5,25. Частное от деления большей дисперсии на меньшую равно 3,5. Это и есть искомый показатель F. Сравнивая его с табличным граничным значением 3,44, приходим к выводу о том, что дисперсии двух сопоставляемых выборок действительно отличаются друг от дру­га на уровне значимости более 95% или с вероятностью допусти­мой ошибки не более 0,05%.

Следующий метод вторичной статистической обработки, по­средством которого выясняется связь или прямая зависимость между двумя рядами экспериментальных данных, носит назва­ние метод корреляций. Он показывает, каким образом одно яв­ление влияет на другое или связано с ним в своей динамике. По­добного рода зависимости существуют, к примеру, между вели­чинами, находящимися в причинно-следственных связях друг с другом. Если выясняется, что два явления статистически досто­верно коррелируют друг с другом и если при этом есть уверен­ность в том, что одно из них может выступать в качестве причи­ны другого явления, то отсюда определенно следует вывод о на­личии между ними причинно-следственной зависимости.

Имеется несколько разновидностей данного метода: линей­ный, ранговый, парный и множественный. Линейный корреля­ционный анализ позволяет устанавливать прямые связи между переменными величинами по их абсолютным значениям. Эти связи графически выражаются прямой линией, отсюда название «линейный». Ранговая корреляция определяет зависимость не между абсолютными значениями переменных, а между поряд­ковыми местами, или рангами, занимаемыми ими в упорядочен­ном по величине ряду. Парный корреляционный анализ вклю­чает изучение корреляционных зависимостей только между па-

575

Часть II. Введение в научное психологическое исследование

рами переменных, а множественный, или многомерный, — меж­ду многими переменными одновременно. Распространенной в прикладной статистике формой многомерного корреляционно­го анализа является факторный анализ.

На рис. 74 в виде множества точек представлены различные виды зависимостей между двумя переменными X и Y (различ­ные поля корреляций между ними).

На фрагменте рис. 74, отмеченном буквой А, точки случай­ным образом разбросаны по координатной плоскости. Здесь по величине X нельзя делать какие-либо определенные выводы о величине У. Если в данном случае подсчитать коэффициент кор­реляции, то он будет равен 0, что свидетельствует о том, что до­стоверная связь между X и У отсутствует (она может отсутство­вать и тогда, когда коэффициент корреляции не равен 0, но бли­зок к нему по величине). На фрагменте Б рисунка все точки ле­жат на одной прямой, и каждому отдельному значению перемен­ной X можно поставить в соответствие одно и только одно зна­чение переменной У, причем, чем большее, тем больше Y. Такая связь между переменными X и У называется прямой, и если это прямая, соответствующая уравнению регрессии, то связанный с ней коэффициент корреляции будет равен +1. (Заметим, что в жизни такие случаи практически не встречаются; коэффициент корреляции почти никогда не достигает величины единицы.)

На фрагменте В рисунка коэффициент корреляции также бу­дет равен единице, но с отрицательным знаком: -1. Это означает обратную зависимость между переменными X и У, т.е., чем боль­ше одна из них, тем меньше другая.

На фрагменте Г рисунка точки также разбросаны не случай­но, они имеют тенденцию группироваться в определенном на­правлении. Это направление приближенно может быть представ­лено уравнением прямой регрессии. Такая же особенность, но с противоположным знаком, характерна для фрагмента Д. Соот­ветствующие этим двум фрагментам коэффициенты корреляции приблизительно будут равны +0,50 и -0,30. Заметим, что кру­тизна графика, или линии регрессии, не оказывает влияния на величину коэффициента корреляции.

576