Trois engrais, quatre régimes, cinq méthodes d'enseignement : les moyennes observées diffèrent toujours un peu. L'analyse de la variance dit si ces différences dépassent ce que le hasard produit d'habitude, en comparant la dispersion entre les groupes à la dispersion à l'intérieur des groupes.
On dispose de k groupes de mesures (par exemple le rendement de parcelles traitées par k engrais). L'hypothèse nulle H₀ dit que toutes les moyennes de population sont égales : μ₁ = μ₂ = … = μk. L'alternative dit qu'au moins une diffère.
Pourquoi ne pas comparer les groupes deux à deux par des tests t ? Parce qu'avec k groupes il y a k(k − 1)/2 comparaisons (6 pour 4 groupes, 15 pour 6), et les risques de fausse alerte s'additionnent. L'ANOVA fait un seul test global. Son idée, due à Ronald Fisher dans les années 1920 à la station agronomique de Rothamsted, tient en une phrase : si les groupes ne diffèrent pas, leurs moyennes ne devraient pas être plus dispersées que ce que laisse prévoir la variabilité à l'intérieur de chaque groupe.
SCE (somme des carrés expliquée, ou inter-groupes) mesure l'écart des moyennes de groupe à la moyenne générale ; SCR (somme des carrés résiduelle, ou intra-groupes) mesure l'écart de chaque mesure à la moyenne de son groupe. N est le nombre total de mesures. Sous H₀, F tourne autour de 1 ; un F nettement plus grand signale un vrai effet.
Idée en une phrase : l'écart de chaque mesure à la moyenne générale se coupe en deux morceaux, l'écart de son groupe à la moyenne générale et son écart propre à la moyenne de son groupe, et leurs carrés s'additionnent exactement.
Chaque point est une mesure, rangée dans la colonne de son groupe. Le trait gris est la moyenne générale, les traits colorés les moyennes de groupe. Pour un point, la flèche violette va de la moyenne générale à la moyenne du groupe (part expliquée par le groupe), la flèche orange de la moyenne du groupe au point (part résiduelle). L'animation parcourt les points un à un. À droite, les trois sommes de carrés : la somme totale SCT est toujours égale à SCE + SCR, c'est la formule de Huygens. Rapprochez les moyennes ou augmentez la dispersion interne : F s'effondre.
Idée en une phrase : en répétant une expérience où H₀ est vraie, on voit les valeurs de F s'empiler selon une courbe précise, la loi de Fisher-Snedecor, qui sert à calculer la p-valeur.
Sous H₀ et si les mesures sont normales de même variance, F suit la loi F de Fisher-Snedecor à (k − 1, N − k) degrés de liberté. L'animation simule des milliers d'expériences avec des moyennes toutes égales et empile leurs F : l'histogramme épouse la densité théorique. Le seuil critique laisse 5 % de la courbe à sa droite ; la proportion des F simulés qui le dépassent doit donc valoir 5 %. Le curseur « vrai effet » permet aussi de voir ce que devient la distribution quand H₀ est fausse.
Idée en une phrase : l'ANOVA dit qu'au moins un groupe se distingue sans dire lequel ; pour comparer les groupes deux à deux sans multiplier les fausses alertes, Tukey propose un seuil unique fondé sur l'écart entre la plus grande et la plus petite moyenne.
La méthode HSD de Tukey (honestly significant difference, 1949) déclare deux groupes différents si l'écart de leurs moyennes dépasse q · √(CMR/n), où q est le quantile de la loi de l'étendue studentisée : la loi de (plus grande moyenne − plus petite moyenne)/erreur-type quand les k groupes sont identiques. La page calcule cette loi par une double intégrale. On compare avec la méthode naïve, un test t à 5 % pour chaque paire, dont le risque global de fausse alerte est mesuré par simulation.
Idée en une phrase : l'ANOVA classique suppose que tous les groupes ont la même variance ; si un petit groupe est beaucoup plus dispersé, son risque réel de fausse alerte peut doubler ou tripler.
La loi F n'est exacte que si les mesures sont normales et de même variance dans tous les groupes (homoscédasticité). On simule ici des expériences où H₀ est vraie (mêmes moyennes) mais où les tailles et les dispersions des groupes diffèrent, et l'on mesure la proportion de rejets à 5 % de trois tests : l'ANOVA classique ; l'ANOVA de Welch (1951), qui pondère chaque groupe par ni/si² et corrige les degrés de liberté ; et le test de Kruskal-Wallis (1952), qui travaille sur les rangs des mesures et ne suppose pas la normalité, mais compare des distributions plutôt que des moyennes.
Idée en une phrase : avec deux facteurs croisés, la variabilité se coupe en quatre morceaux, dont un mesure l'interaction ; et toute ANOVA n'est qu'une régression linéaire sur des variables indicatrices.
À Rothamsted, Fisher croisait des variétés et des engrais. On cultive ici 3 variétés (facteur A) avec 3 engrais (facteur B), avec r parcelles par combinaison. Il y a interaction quand l'effet de l'engrais dépend de la variété : sur le graphique des moyennes, les lignes ne sont plus parallèles. Avec autant de parcelles dans chaque case (plan équilibré), la somme totale des carrés se découpe exactement en quatre : SCT = SCA + SCB + SCAB + SCR, et chaque effet reçoit son propre test F.
Codons l'appartenance au groupe par des variables indicatrices : x₂ = 1 si la mesure vient du groupe 2 et 0 sinon, de même x₃, …, xk. Le modèle de régression y = β₁ + β₂x₂ + … + βkxk + erreur, ajusté par les moindres carrés, donne exactement les moyennes de groupe comme valeurs ajustées : β₁ est la moyenne du groupe 1 et βj l'écart du groupe j au groupe 1. La SCR de la régression est celle de l'ANOVA, son R² est η², et le test F « tous les βj nuls sauf la constante » est le test F de l'ANOVA. La page résout les équations normales (XᵀX)β = Xᵀy par élimination de Gauss, sans utiliser les moyennes de groupe, et compare.
Décomposer SCT en SCE + SCR, diviser chaque somme par ses degrés de liberté, faire le rapport F et le comparer à la loi F(k − 1, N − k).
Mesures indépendantes, à peu près normales, et variances comparables entre groupes. Si les variances diffèrent, préférer Welch ; si les données sont très asymétriques, regarder aussi Kruskal-Wallis.
Un F significatif dit seulement qu'au moins une moyenne diffère. Les comparaisons de Tukey disent lesquelles, et η² dit quelle part de la variabilité les groupes expliquent.
Pourquoi la loi F. Sous H₀, SCE/σ² et SCR/σ² suivent des lois du χ² indépendantes à k − 1 et N − k degrés de liberté (théorème de Cochran) ; le rapport de deux χ² divisés par leurs degrés de liberté suit par définition une loi F.
L'étendue studentisée. Si Z₁, …, Zk sont normales centrées réduites indépendantes, la probabilité que leur étendue soit au plus w vaut k ∫ φ(z) [Φ(z) − Φ(z − w)]k−1 dz. On divise ensuite par l'écart-type estimé, ce qui ajoute une intégrale sur la loi de s/σ.
Plans déséquilibrés. Avec des effectifs différents dans les cases d'un plan à deux facteurs, les sommes de carrés ne sont plus orthogonales : la décomposition dépend de l'ordre des facteurs (sommes de type I, II ou III).
Mesures répétées. Quand les mêmes sujets sont mesurés dans chaque condition, les mesures ne sont plus indépendantes ; l'ANOVA à mesures répétées ou les modèles mixtes retirent la variabilité propre à chaque sujet.