11. Puissance des tests de l’analyse de la variance
11.1. Analyse de la variance ` a un facteur
11.1.1. Mod`ele `a effets fixes
On reprend ici les notations du paragraphe 3.1. On s’int´eresse `a la puissance 1−β, o`u β est le risque de commettre une erreur de deuxi`eme esp`ece, du test F d’analyse de la variance pour le test de l’hypoth`ese
H0 : α1 =α2 =· · ·=αI = 0 contre
H1 : Il existe i0 ∈ {1,2, . . . , I} tel que αi0 6= 0.
Cette puissance 1−β est donn´ee par la formule suivante : 1−β =P
h
F0(I−1, I(J−1);λ)> F(I−1, I(J−1); 1−α) i
,
o`uF(I−1, I(J−1); 1−α) est le 100(1−α) quantile de la loi de Fisher `aI−1 et I(J−1) degr´es de libert´e et F0(I −1, I(J −1);λ) est une variable al´eatoire qui suit une loi de
Fisher non-centrale `aI−1 etI(J−1) degr´es de libert´e et de param`etre de non-centralit´e λ. Ce param`etre de non-centralit´e λ vaut :
λ= J pa-ram`etre de non-centralit´eλ, on introduit souvent le param`etre de non-centralit´e normalis´e φ d´efini par :
φ =
r 2λ v1 + 1. On obtient ainsi dans notre situation :
φ =
Si le nombre de r´ep´etitions ni effectu´e pour chaque modalit´e Ai du facteur A n’est pas constant, c’est-`a-dire si le plan exp´erimental n’est pas ´equilibr´e, le param`etre de non-centralit´e λ devient :
Le param`etre de non-centralit´e normalis´e φ est alors :
φ = 1
On constate que la puissance ´evolue bien comme indiqu´e au d´ebut de cette lorsque αi, 16i6I, I, ni, 16i6I,σ etα varient.
Puissance a posteriori
On obtient la puissance a posteriori du test de l’absence d’effet du facteur A en rem-pla¸cant dans la formule appropri´ee ci-dessus. Le choix se fait en fonction du fait que le
plan exp´erimental est ´equilibr´e ou non, les valeurs des param`etres par les estimations que l’on a obtenues en r´ealisant l’analyse de la variance. G´en´eralement on consid`ere qu’une puissance de 0,8 est satisfaisante et qu’alors la d´ecision de ne pas rejeter l’hypoth`ese nulle H0 est«vraiment»associ´ee `a l’absence d’effet du facteur consid´er´e.
D´etermination du nombre de r´ep´etitions
Une autre approche, celle d´evelopp´ee lorsque l’on fait de la planification exp´erimentale, se-rait de d´eterminera priori le nombre de r´ep´etitionsJ n´ecessaires pour obtenir une valeur de puissance du test sup´erieure `a un niveau fix´e `a l’avance. L’int´erˆet de cette d´emarche r´eside dans le fait que l’on ne connaˆıt pas a priori si le test que l’on va r´ealiser une fois que les exp´eriences ont ´et´e r´ealis´ees sera significatif ou non `a un seuil α % fix´e `a l’avance. Le fait de ne pas rejeter l’hypoth`ese nulle en ayant un risque ´elev´e de commettre une erreur de deuxi`eme rendrait cette d´ecision tr`es peu fiable et ne permettrait pas de conclure avec une confiance suffisante `a l’absence d’un effet du facteur ´etudi´e sur la r´eponse. C’est pourquoi dans de nombreux domaines comme les ´etudes cliniques, o`u les exp´eriences peuvent durer plusieurs ann´ees, il est primordial de s’assurer que si une diff´erence existe il y aura un faible risque de ne pas la mettre en ´evidence. G´en´eralement on consid`ere qu’une puissance de 0,8 est satisfaisante ; dans certains cas on vise mˆeme une puissance de 0,9.
On peut utiliser directement la formule ci-dessus pour d´eterminer le nombre de r´ep´etitions n´ecessaires `a l’obtention d’un valeur minimale de puissance. Il faut n´eanmoins avoir une id´ee de la valeur minimale que peut prendre la sommePI
i=1niα2i et la valeur maximale que peut avoir σ2. Ces valeurs doivent ˆetre d´etermin´ees par un expert du domaine consid´er´e.
D´etermination du nombre de r´ep´etitions `a l’aide de la plus petite diff´erence d´etectable
Dans ce type d’´etude prospective, la situation est compliqu´ee par le fait qu’il est diffi-cile d’´evaluer le terme PI
i=1α2i. On introduit alors le concept de plus petite diff´erence d´etectable ∆, ce qui revient `a ´evaluer le sensibilit´e du test en terme d’amplitude entre les effets des diff´erents niveaux du facteur ´etudi´e. Ainsi on cherchera `a ce que la probabilit´e de d´etecter une amplitude |αi−αj| entre les effets αi et αj de deux modalit´es Ai et Aj diff´erentes du facteur ´etudi´e strictement sup´erieure `a ∆ soit ´elev´ee.
Ainsi pour faire le calcul de la puissance on se place dans le pire des cas, c’est-`a-dire celui pour lequel tous les effets sont nuls sauf deux αi0 etαj0 pour lesquels il existe un ´ecart en valeur absolue ´egal `a ∆. Alors|αi0|=|αj0|= ∆/2. On obtient alors :
λ = J
2σ2
I
X
i=1
α2i
= J
2σ2 α2i
0 +α2j
0
= J 2σ2
∆ 2
2
+ ∆
2 2!
= J
4σ2∆2.
On utilise la formule ci-dessus pour d´eterminer les valeurs deJ pour lesquelles la puissance 1−β est sup´erieure `a une valeur 1− β0 fix´ee `a l’avance, g´en´eralement 0,8 soit 80 %.
Remarquons que l`a encore il est n´ecessaire de connaˆıtre σ2 ou au moins d’avoir une id´ee pr´ecise de la valeur de ce param`etre ce qui n’est malheureusement g´en´eralement pas le cas. Dans cette situation on consid`ere plutˆot le param`etre de sensibilit´e ∆/σ `a la place de ∆.
11.1.2. Mod`ele `a effets al´eatoires
On reprend ici les notations du paragraphe 3.2. On s’int´eresse `a la puissance 1−β, o`u β est le risque de commettre une erreur de deuxi`eme esp`ece, du test F d’analyse de la variance pour le test de l’hypoth`ese
H0 : σ2A= 0 contre H1 :σA2 6= 0.
Cette puissance 1−β est donn´ee par la formule suivante : 1−β =P
F(I−1, I(J−1)) > F(I−1, I(J −1); 1−α) 1 +Jσ2A
σ2
,
o`uF(I−1, I(J−1); 1−α) est le 100(1−α) quantile de la loi de Fisher `aI−1 et I(J−1) degr´es de libert´e etF(I−1, I(J−1)) est une variable al´eatoire qui suit une loi de Fisher
`
a I−1 et I(J−1) degr´es de libert´e.
La diff´erence fondamentale entre ce cas et le cas o`u le facteur est `a effets fixes, expos´es au paragraphe 11.1.1, est que le calcul de la puissance repose une loi de Fisher et non sur une loi de Fisher non-centrale.
Puissance a posteriori
On obtient alors la puissance a posteriori du test de l’absence d’effet du facteur A en rempla¸cant dans la formule appropri´ee ci-dessus, le choix se fait en fonction du fait que le plan exp´erimental est ´equilibr´e ou non, les valeurs param`etres par les estimations que l’on a obtenues en r´ealisant l’analyse de la variance. G´en´eralement on consid`ere qu’une puissance de 0,8 est satisfaisante et qu’alors la d´ecision de ne pas rejeter l’hypoth`ese nulle H0 est«vraiment»associ´ee `a l’absence d’effet du facteur consid´er´e.