Análise de Variância e teste Kruskal–Wallis

É frequente termos a necessidade de verificar se as diferenças de uma variável medida em diversos grupos são significativas. Por exemplo, podemos querer testar a diferença dos comprimentos de peixes capturados em diferentes locais  ou da potência do motor de embarcações de diferentes grupos identificados em um cluster.

A seguir apresento uma sequencia básica para a realização da análise, incluindo testes à posteriori paramétricos e não paramétricos. Para a comparação múltipla não paramétrica é utilizado o pacote npmc. Os dados utilizados no exemplo são gerados no início da rotina.

# gera dados

GRP <- as.factor(rep(c("A","B","C","D"), c(30,50,40,20)))
UA <- round(rnorm(30,360,75),1)
UB <- round(rnorm(50,500,90),1)
UC <- round(rnorm(40,150,30),1)
UD <- round(rnorm(20,385,60),1)
U <- c(UA,UB,UC,UD)
dat.GRP <- data.frame(GRP,U)
rm(GRP,UA,UB,UC,UD,U)

# explora dados
attach(dat.GRP)
dat.GRP
summary(dat.GRP)
aggregate(U,by = list(GRP=GRP), FUN = "length")
aggregate(U,by = list(GRP=GRP), FUN = "min")
aggregate(U,by = list(GRP=GRP), FUN = "max")
aggregate(U,by = list(GRP=GRP), FUN = "mean")
aggregate(U,by = list(GRP=GRP), FUN = "sd")
aggregate(U,by = list(GRP=GRP), FUN = "median")
boxplot(U~GRP,notch=T,at=rank(tapply(U,GRP, median)))

# --- adaptado de Dalgaard 2008 Introductory Statistics with R
xbar <- tapply(U, GRP, mean)
s <- tapply(U, GRP, sd)
n <- tapply(U, GRP, length)
sem <- s/sqrt(n)
stripchart(U~GRP, method="jitter", jitter=0.05, pch=16, vert=T)
arrows(1:length(levels(GRP)),xbar+sem,1:length(levels(GRP)),xbar-sem,angle=90,code=3,length=.1)
lines(1:length(levels(GRP)),xbar,pch=4,type="b",cex=2)
rm(xbar,s,n,sem)
# ---

# ANOVA e teste de comparação múltipla de Tukey
aov.GRP<-aov(U~GRP)
summary(aov.GRP)
TukeyHSD(aov.GRP, ordered = TRUE)
plot(TukeyHSD(aov.GRP, ordered = TRUE))

# teste de Kruskal–Wallis e teste de comparação múltipla não paramétrica
kru.GRP<-kruskal.test(U~GRP)
kru.GRP

ori.names<-names(dat.GRP)
names(dat.GRP)<-c("class","var") # o pacote npmc requer que o nome da coluna que identifica o grupo seja class e a de valores var

library(npmc)
npmc(dat.GRP)

names(dat.GRP)<-ori.names
rm(ori.names)
detach(dat.GRP)

Gráfico de dipersão com boxplots

O gráfico de dispersão e uma forma bastante ilustrativa de representar a correlação entre duas variáveis. Informações sobre a distribuição das variáveis da ordenada e da abscissa podem ser representadas por boxplots colocados na margem do gráfico de dispersão.

Para o exemplo abaixo utilizei os dados e as curvas de regressão do tópico Relação comprimento-peso de peixes

# Plotagem do gráfico de dispersão

zones=matrix(c(2,0,1,3),ncol=2,byrow=TRUE)
layout(zones,widths=c(20,5),heights=c(5,20))
par(mar=c(8,8,0,0))
plot(P~C,subset=G=="M",pch=20,xlab="Ct (mm)",ylab="Pt (g)",cex.axis=1.3,cex.lab=1.3)

# para plotagem da regressão linear
curve(exp(coef(lm.CPm)[1])*x^(coef(lm.CPm)[2]),col="blue",add=T)
posicao<-locator(1) # clique no gráfico para indicar onde colocar a legenda
legend(posicao,bty="n",cex=1.5,text.col="blue",legend=substitute(Pt==a%*%Ct^b,list(a=exp(coef(lm.CPm)[1]),b=round(coef(lm.CPm)[2],3))))
posicao$y <- posicao$y-500
legend(posicao,bty="n",cex=1.5,text.col="blue",legend=substitute(R^2==r,list(r=round(summary(lm.CPm)$adj.r.squared,3))))

# para plotagem da regressão não linear
curve(coef(nls.CPm)[1]*x^coef(nls.CPm)[2], col="darkgreen",add=T)
posicao<-locator(1) # clique no gráfico para indicar onde colocar a legenda
legend(posicao,bty="n",cex=1.5,text.col="darkgreen",legend=substitute(Pt==a%*%Ct^b,list(a=coef(nls.CPm)[1],b=round(coef(nls.CPm)[2],3))))
posicao$y <- posicao$y-500
legend(posicao,bty="n",cex=1.5,text.col="darkgreen",legend=substitute(R^2==r,list(r=round(Rsq.ad(nls.CPm),3))))

# para plotagem dos boxplots
par(mar=c(0,8,0,0))
boxplot(C,subset=G=="M",axes=FALSE, space=0, horizontal=TRUE)
par(mar=c(8,0,0,0))
boxplot(P,subset=G=="M",axes=FALSE, space=0)
 

Relação comprimeto-peso em peixes

A relação comprimento-peso (comprimento-massa) é utilizada para descrever a variação de peso em função da variação de comprimento, ou seja, para estimar o peso de um peixe a partir de um dado comprimento. Normalmente esta relação é descrita por um modelo de potência, P=a×C^b (veja Sparre e Venema, 1997 item 2.6).

A relação comprimento-peso também é utilizada para indicar a condição física ou higidez do organismo e seu padrão de crescimento como isométrico ou alométrico. Diz-se que o crescimento é isométrico quando o organismo cresçe na mesma taxa em todas as dimensões. Neste caso o valor de "b" será 3. A condição de isometria é um pressuposto para alguns métodos de avaliação de estoque.

A seguir posto uma sequencia para o ajuste dos parâmetros da relação comprimento-peso (a e b) pelos métodos linearizado e não linearizado, para a avaliação da significância da diferença entre os parâmetros ajustados para machos e fêmeas, e para a determinação da significância da diferença do parâmetro "b" do valor 3 (teste de isometria).

O juste linear é realizado com a função ln sobre os dados logaritmizados.  O ajuste não linear é realizado pela função nls. Os intervalos de confiança das estimativas são estimados pela função confint e o R2 do ajuste não linear pela função Rsq.ad do pacote qpcR. A isometria é verificada pelo teste t para a comparação de duas inclinações (Zar, Biostatistical Analysis). A comparação entre os modelos lineares ajustados é realizado através da ANCOVA (Faraway, 2002 pg 160). A comparação dos modelos não lineares é realizada por máxima verossimilhança, adaptado do método proposto por Kimura, 1980. Neste á utilizado a estatística qui-quadrado (pchisq)

No início da sequencia os dados de comprimento e peso de machos e fêmeas são gerados para termos um conjunto de dados para nos permitir seguir o exemplo.
Para fazer gráficos mais elaborados veja o tópico "Gráfico de Dispersão com Boxplots". 

# gera dados (C, P)
# =======================
# rotina para gerar um conjunto de dados
# Ma, Mb, Fa e Fb são os parâmetros do modelo de potência que
# que descrevem a relação comprimento-peso. MC, MP, FC e FP
# são os comprimentos e pesos de machos e fêmeas

Ma <- 2.45E-05
Fa <- 2.45E-05
Mb <- 3.0152
Fb <- 2.9164
MC <- round(rnorm(100,400,70),0)
FC <- round(rnorm(100,300,65),0)
MP <- round((Ma*MC^Mb)+((Ma*MC^Mb)*rnorm(100,0,0.08)),1)
FP <- round((Fa*FC^Fb)+((Fa*FC^Fb)*rnorm(100,0,0.08)),1) 

# prepara conjunto de dados
# =========================
# organiza os dados gerados em um conjunto (data.frame),
# indicando quais dados são de machos e quais são de fêmeas

dat.CPm <- data.frame(MC,MP)
names(dat.CPm)<-c("C","P")
dat.CPf <- data.frame(FC,FP)
names(dat.CPf)<-c("C","P")
dat.CP <- rbind(dat.CPm,dat.CPf)
dat.CP$G<-as.factor(rep(c("M","F"),each=100,1))

# visualiza dados
# ===============

attach(dat.CP)
summary(dat.CP)
boxplot(C~G,ylab="Lt mm")
plot(P~C,subset=G=="M")
plot(P~C,subset=G=="F")
plot(P~C,subset=G=="M",col="blue",ylim=c(0,6000))
points(P~C,subset=G=="F",col="red")

# ajusta curva de potência pelo método de linearização
# ====================================================
# a transformação logarítmica das variáveis P e C é
# aplicadas para a linearização na relação.

lm.CPm <- lm(log(P)~log(C),subset=G=="M")
summary(lm.CPm)
confint(lm.CPm)
lm.CPf <- lm(log(P)~log(C),subset=G=="F")
summary(lm.CPf)
confint(lm.CPf)

plot(log(P)~log(C),subset=G=="M",col="blue",ylim=c(log(35),log(6000)))
points(log(P)~log(C),subset=G=="F",col="red")
abline(lm.CPm,col="blue")
abline(lm.CPf,col="red")

# verifica isometria pelo teste t
# ===============================

tm<-(coef(summary(lm.CPm))[2,1]-3)/coef(summary(lm.CPm))[2,2]
dt(tm,nrow(dat.CP)-2)

tf<-(coef(summary(lm.CPf))[2,1]-3)/coef(summary(lm.CPf))[2,2]
dt(tf,nrow(dat.CP)-2)

# ANCOVA - análise de covariância
# ===============================
 
# testa inclinação
lm.b <- lm(log(P)~log(C)*G)
summary(lm.b)

# testa intercepto
lm.a <- lm(log(P)~log(C)+G)
summary(lm.a)

# ajusta curva de potência pelo método não linear
# ===============================================

require(qpcR)
nls.CPm<-nls(P~a*C^b,subset=G=="M",start=list(a=1E-05,b=3))
summary(nls.CPm)
confint(nls.CPm)
Rsq.ad(nls.CPm)

nls.CPf<-nls(P~a*C^b,subset=G=="F",start=list(a=1E-05,b=3))
summary(nls.CPf)
confint(nls.CPf)
Rsq.ad(nls.CPf)

plot(P~C,subset=G=="M",col="blue",ylim=c(0,6000))
points(P~C,subset=G=="F",col="red")
curve(coef(nls.CPm)[1]*x^coef(nls.CPm)[2], col="blue",add=T)
curve(coef(nls.CPf)[1]*x^coef(nls.CPf)[2], col="red",add=T)

# compara modelos por verossimilhança
# ===================================
# adaptado de Kimura 1980 Likelihood methods for the von Bertalanffy growth curve
 
# número médio de observações
par.NMed <- mean(c(nrow(subset(dat.CP,G=="M")),
nrow(subset(dat.CP,G=="F"))))

# cria objetos com os parâmetros das curvas de machos e fêmeas
par.CPf <- c(coef(nls.CPf),deviance(nls.CPf))
names(par.CPf)<- c("a","b","SSQ")

par.CPm <- c(coef(nls.CPm),deviance(nls.CPm))
names(par.CPm)<- c("a","b","SSQ")

# calcula a soma dos quadrados residual total
par.SSQ <- par.CPm[c("SSQ")]+ par.CPf[c("SSQ")]

par.CPf
par.CPm
par.SSQ

# ajuste do modelo com coef. linear (a) comum
nls.CPa <- nls(P ~ a*C^(ifelse(G=="M",bm,bf)),
start=list(a=1E-05,bm=3,bf=3))
par.CPa <- c(coef(nls.CPa),deviance(nls.CPa))
names(par.CPa)<- c("a","bm","bf","SSQ")

# ajuste do modelo com coef. angular (b) comum
nls.CPb <- nls(P ~ (ifelse(G=="M",am,af))*C^b,
start=list(am=1E-05,af=1E-05,b=3))
par.CPb <- c(coef(nls.CPb),deviance(nls.CPb))
names(par.CPb)<- c("am","af","b","SSQ")

# ajuste do modelo com ambos coef. comuns
nls.CPab <- nls(P ~ a*C^b,
start=list(a=1E-05,b=3))
par.CPab <- c(coef(nls.CPab),deviance(nls.CPab))
names(par.CPab)<- c("a","b","SSQ")

# lista o conjunto de parâmetros calculadas
par.NMed
par.CPf
par.CPm
par.SSQ
par.CPa
par.CPb
par.CPab

# teste Chi2 (Qui quadrado) para coef. linear
par.Chia <- -2*log((par.SSQ/par.CPa[c("SSQ")])^par.NMed)
names(par.Chia) <- "Chi2"
par.Chia # valor calculado de Chi2
1-pchisq(par.Chia, 1) # valor p da estatística Chi2

# teste Chi2 para coef. angular
par.Chib <- -2*log((par.SSQ/par.CPb[c("SSQ")])^par.NMed)
names(par.Chib) <- "Chi2"
par.Chib # valor calculado de Chi2
1-pchisq(par.Chib, 1) # valor p da estatística Chi2

# teste Chi2 para o modelo conjunto
par.Chiab <- -2*log((par.SSQ/par.CPab[c("SSQ")])^par.NMed)
names(par.Chiab) <- "Chi2"
par.Chib # valor calculado de Chi2
1-pchisq(par.Chiab, 2) # valor p da estatística Chi2

Dicas para Barplot

Apresento aqui mais algumas dicas para a barplots. Sobre barplots veja também esta postagem.

Tabela exemplo:

	G1	G2	G3
Local C	3	30	70
Local B	10	80	30
Local A	50	15	5

# gráfico de barras simples

dados<- read.delim("clipboard",row.names=1)
barplot(as.matrix(dados), ylim=c(0,140),
xlab="grupos",ylab="nº de viagens",
legend.text=row.names(dados),

args.legend=list(x = "topleft", bty="n"))
box()

para transpor a matriz:  t(as.matrix(dados))

para obter a frequência relativa: prop.table(as.matrix(dados),2)

para barras justapostas: beside=T

para barras horizontais: horiz=T

adiciona uma linha abaixo das barras (Opção ao box): axis.lty=1