Este documento describe el análisis de covarianza (ANCOVA), un método estadístico apropiado para estudios que incluyen covariables. ANCOVA ajusta las diferencias entre grupos usando covariables para reducir la variabilidad. El documento analiza un estudio hipotético sobre Plaza Sésamo usando ANCOVA y discute cuando ANCOVA puede o no ser apropiado.

1. Análisis de covarianza Joane M. De Jesús Dátiz Estadística Avanzada Profesor Balbino García 20 de mayo de 2010

2. Análisis de covarianza ANCOVA es apropiada para experimentos y estudios de observación que incluyen uno o mas portadores numéricos (covariables). Las covariables corresponden a influencias molestosas que hacen a las unidades muestrales o experimentales diferentes. Por lo tanto se dificulta la comparación de tratamientos o poblaciones distintas.

3. Por que y cuando usar ancova

4. Ventajas de ANCOVA Incluyendo covariables en el modelo: Se puede reducir tendencia, ajustando por diferencias entre grupos tratados Se puede reducir el residuo de la suma de los cuadrados, ajustando y removiendo la variabilidad sistemática.

5. Plaza sésamo: uso razonable de ancova

6. Diseño Supongamos que queremos diseñar un estudio para saber si ver Plaza Sésamo durante un año incrementará el entendimiento numérico de niñas de cuatro años. Es natural administrar una pre-prueba antes de realizar el estudio y una post-prueba un año después.

7. Datos

8. posibilidades Una de las posibilidades podría ser utilizar las puntuaciones de la pre-prueba para definir los pares y realizar el estudio como un experimento de bloques completos al azar. Otro enfoque sería utilizar el cambio en puntuaciones, post-pre, como la respuesta. El análisis de covarianza es similar a este segundo enfoque, pero en vez de decidir de antemano como ajustar las puntuaciones de la pre-prueba, ANCOVA utiliza la relación observada entre las puntuaciones de la pre y la post-prueba para escoger el ajuste.

9. Estructura BF del estudio Los sujetos se dividieron en dos grupos: Tratados Los que vieron Plaza Sésamo durante un año Control Los que no vieron el programa por el periodo de tiempo estipulado La respuesta son las puntuaciones de la post-prueba. Cada sujeto fue sometido a una pre y post prueba, donde la post-prueba es la covariable.

10. datos importantes sobre las puntuaciones Las puntuaciones de la post-prueba (respuesta) muestran mucha variabilidad. En promedio, los dos grupos tienen valores bastante diferentes para la pre-prueba. (covariable) Un análisis de covarianza nos puede ayudar a lidiar con ambos problemas.

11. análisis

12. Ajustando para las puntuaciones de la pre-prueba se incrementa la diferencia en el promedio de las respuestas de 2 a 6, y se reduce el residuo de la suma de los cuadrados de 152 a 88. Aquí ANCOVA tiene dos ventajas sobre ANOVA: Se ajusta para la tendencia de promedios desiguales para las dos condiciones Reduce significativamente el residuo de la suma de los cuadrados.

13. Modelos de Ancova que pueden ser no apropiados Los modelos de ANCOVA pueden ser no apropiados si: La relación entre la respuesta y la covariable no es lineal. Si la relación es lineal, pero las líneas ajustadas al grupo de puntos tienen pendientes diferentes Si el ajuste de las diferencias de los grupos viola el sentido común

14. Nivel de actividad mental: un candidato pobre para ancova

15. En ocasiones la forma del diagrama de dispersión (“scatterplot”) excluye ANCOVA. A pesar de que el diseño de tu estudio sugiera que este tipo de análisis es viable. El experimento de actividad mental sugiere esto.

16. Experimento de actividad mental 24 temas proporcionan bloques de horarios en un diseño RCB para comparar los efectos del placebo, morfina e inyecciones de heroína en índices de actividad mental. Los índices tomados dos horas después de las inyecciones nos sirven de respuesta y los tomados justo antes de la inyección como la covariable.

17. DIAGRAMAS DE DISPERSION PARA LOS DATOS DE LA ACTIVIDAD MENTAL

18. Análisis de las graficas Notemos que aunque la gráfica del placebo sugiere un globo ovalado, las gáaficaspara la morfina y la heroína no tienen esta forma. Esto debido a que muchos de los puntos de ambas tienen un resultado después=0. Si ignoramos la forma de las gráficas y ajustamos líneas de todos modos, las líneas de morfina y especialmente la de la heroína son mucho menos empinadas que la línea del placebo. Este conjunto de datos no es un buen candidato para un análisis de covarianza.

19. comparación En el ejemplo de Plaza Sésamo, se comparaban dos grupos. De acuerdo con las puntuaciones de la pre-prueba los grupos comenzaron desiguales. Uno tenia una puntuación promedio que era el doble de la del grupo anterior. Utilizando el análisis de covarianza, se ajustó el promedio de las respuestas para lograr la comparación que tendríamos si las dos grupos hubiesen tenido la misma puntuación promedio en la pre-prueba.

20. En el ejemplo de actividad mental: El estudio fue planificado para ser analizado mediante el análisis de covarianza. Sin embargo, las formas de los diagramas de dispersión nos demostraron que el modelo ANCOVA no se ajustaría bien y que por lo tanto no deberíamos utilizar este análisis. Existen otras situaciones en las que a pesar de que el modelo de líneas paralelas se ajusta bien, el ajuste de covarianza violaría el sentido común.

21. Altura y tamaño de zapatos: un ajuste sin sentidode covarianza

22. experimento Supongamos que queremos comparar la altura de estudiantes de primer grado con estudiantes de décimo grado, utilizando el tamaño de zapatos como la covariable. Los dos grupos comienzan don valores diferentes para la covariable, y por lo tanto utilizamos ANCOVA para ajustar las diferencias en una altura promedio. Para calcular la diferencia tenemos que encontrar si los dos grupos comenzaron con promedios iguales para la covariable.

23. Por lógica, sabemos que los estudiantes de primer grado son bajos de estatura y tienen pies pequeños, mientras que los estudiantes de décimo grado son más altos y tienen pies grandes. Para obtener una manera más significativa para comparar las alturas de los dos grupos, “ajustamos” el tamaño de zapatos, esto es, calculamos cual sería el promedio de las alturas si en promedio los estudiantes de primer y décimo grado tuvieran el mismo tamaño de zapatos.

24. Esto resulta en que los estudiantes de primer y décimo grado tienen la misma altura. En principio, podemos realizar este tipo de análisis pero es mucho más sensato pensar en los estudiantes de primer y decimo grado como dos poblaciones diferentes. O sea, no utilizar un método que intente hacer ambos grupos equivalentes.

25. Ancova o bloqueo?

26. Si el valor de la covariable es conocido antes de que se asignen tratamientos, utilizar la covariable para definir los bloques es mejor que ANCOVA. Si las condiciones que queremos comparar son experimentales, y es posible organizar las unidades en bloques con valores similares de la covariable en cada uno, entonces el bloqueo es una estrategia ordinariamente mejor que ANCOVA.

27. Esto sucede porque ANCOVA es más restrictiva pues requiere que la relación entre la respuesta y la covariable sea lineal, con una pendiente sencilla para todos los grupos tratados. El bloqueo trabaja aun si las pendientes son desiguales, o sea la relación no es lineal. De todas formas, el bloqueo no debe ser una opción.

28. ejemplo Plaza Sésamo Era posible usar la covariable para organizar los datos de las 8 niñas en 4 bloques de 2 niñas cada uno. Para esto se parean las puntuaciones de la pre-prueba de la siguiente forma: 0 y 2; 4 y 6; 8 y 8; 10 y 10 Si fuera posible asignar las condiciones (vio o no vio la serie), entonces el modelo de bloque sería mejor que ANCOVA. Porque no solo se controlaría la influencia de las molestias, sino que estaremos seguros de que comparamos niños similares.

29. El diseño ANCOVA en el ejemplo requiere la comparación de niñas diferentes. En la realidad, no podemos forzar a las niñas en el grupo en tratamiento a ver la serie, de la misma forma que no podemos prevenir que los componentes del grupo control vean el programa. En este ejemplo la condición de interés es observada, por lo que el bloqueo no es una opción. Es por esto, que como en la mayoría de los experimentos en los que se comparan los resultados de la condición, ANCOVA es la mejor opción.

30. Actividad de nivel mental Dado que el tratamiento eran inyecciones de drogas, pues entonces estamos haciendo un experimento. Las unidades experimentales son intervalos de tiempo, un bloque por tema, por lo que no es practico usar la covariable para pre-organizar estas unidades en bloques de acuerdo con la pre-prueba de actividad mental. En este ejemplo, ANCOVA parece ser la mejor estrategia, esto hasta que los patrones en los datos hacen de este análisis no viable.

31. Como ajustar el modelo ANCOva: reglas de computación

32. pasos Ajustar el modelo ANCOVA requiere tres pasos: Un conjunto para ajustar el modelo Un segundo conjunto para ajustar los efectos del tratamiento Un tercer conjunto para probar la hipótesis de que los efectos del tratamiento son cero.

33. ajustandoel modelo de la línea paralela Nuestra meta es ajustar líneas paralelas, una para cada grupo en tratamiento y para el diagrama de dispersión de respuesta versus la covariable. Hacer esto requiere dos pasos, los cuales son: Calcular el punto promedio para cada grupo Encontrar la pendiente común

34. Encontrando el punto de promedios (ANOVA) Comenzamos utilizando ANOVA para descomponer la respuesta y luego la covariable utilizando el modelo BF. Este paso nos brinda el promedio de tratamiento para la respuesta y la covariable para cada grupo en tratamiento. Gr Avg + TrEff

35. Encontrando la pendiente común (regresión) Deseamos que las pendientes para ambas líneas ajustadas sean iguales, el paso anterior ya ha ajustado los puntos anclas, la pendiente que deseamos es la misma que obtendríamos del diagrama de dispersión de los conjuntos de los residuos del paso de ANOVA, ajustando una sola línea a todos los puntos. En otras palabras, los residuos de la respuesta sirven como el “cambio en y” y los residuos de la covariable como el “cambio en x”.

36. resumen

37. Ya que se han dibujado las líneas paralelas: El paso ANOVA nos da un punto ancla para cada grupo El paso de la regresión nos da la pendiente para cada línea.

38. Ajustando el efecto del tratamiento Las descomposiciones en los de ANOVA y de regresión nos muestra la necesidad que tenemos de graficar dos líneas paralelas del modelo ajustado de ANCOVA. Sin embargo numéricamente hay más de un paso de ajuste del modelo: Ajuste de los efectos del tratamiento

39. Los efectos del tratamiento calculados en el paso de ANOVA se basan simplemente en los promedios y no toman en consideración la covariable. El ajuste que queremos corresponde a escoger un valor x común para todos los grupos, localizando nuevos puntos anclas todos con este mismo valor x y utilizando los valores de y para compararlos grupos tratados.

40. La covariable de los efectos de tratamiento nos dice cuanto cambio en x es necesario para cada grupo, y multiplicando por la pendiente común obtenemos el cambio correspondiente en y.

41. Probando la hipótesis de cero efecto en el tratamiento Desafortunadamente, la lógica simple de comparación de hipótesis que funciona en diseños balanceados no funciona con ANCOVA. Esto sucede porque los valores de la covariable no están balanceados con respecto al resto del diseño.

42. Para probar que los efectos del tratamiento son cero, ajustamos dos modelos, uno con efectos de tratamiento, uno sin efectos, y comparamos por el residual de la suma de los cuadrados. El modelo completo, el que tiene efectos del tratamiento, es la línea paralela al modelo anterior.

43. El modelo nulo, sin efectos de tratamiento, corresponde a una línea de regresión, ajustada a todos los puntos del diagrama de dispersión de la respuesta versus la covariable. Modelo completo Líneas paralelas, una por cada grupo Modelo nulo Una línea para todos los grupos juntos

44. Comparación de ambos modelos Para comparar los dos modelos, calculamos el residual de la suma de los cuadrados para cada uno. Para el modelo completo tenemos SSRES(adj) para el denominador de la razón-F. Para el modelo nulo, el residual de la suma de los cuadrados proviene en parte del riesgo de error, pero (a menos que el efecto de tratamiento sea cero) en parte de la diferencia de tratamiento, los cuales no son parte del modelo.

45. La suma de los cuadrados funciona como Pitágoras. La razón-F para probar los efectos del tratamiento corresponde a la pendiente. Cambio en x/cambio en y

46. Si los efectos de tratamiento son grandes, el modelo nulo no se ajusta tan bien como el modelo completo, por lo que tendremos un residual de la suma de los cuadrados mas grande.

47. Calculando la razón-f

48. RAZON-F AJUSTADA PARA ANCOVA

49. PROBAR LA Hipótesis DE CERO EFECTOS EN EL TRATAMIENTO

50. Tabla de anova La siguiente tabla resume la descomposición utilizando el modelo completo.

51. Modelo nulo Para ajustar el modelo nulo, ajustamos una líneas a los ocho puntos de los datos. Podemos verificar que el punto promedio es (7,6), la pendiente es 0.5 y la descomposición es la siguiente:

52. Modelo completo Residual suma de los cuadrados ajustado = 88 Grados de libertad = 5 Modelo nulo Suma de los cuadrados del tratamiento mas el efecto = 136 Grados de libertad = 6 La diferencia de la suma de los cuadrados es 136-88=48. Lo que quiere decir que 48 es la reducción en la suma de los cuadrados dado el tratamiento y entonces los grados de libertad son 6-1=5

53. Comparación de anova y ancova

54. Ajustando la covariable