A continuación, te presento una guía paso a paso para que tus alumnos de la asignatura de Diseño Experimental puedan calcular manualmente una tabla de análisis de varianza (ANOVA) de un factor. La guía está basada en las fórmulas que aparecen en tu imagen y se complementa con un ejemplo práctico para facilitar la comprensión.


Guía para el cálculo manual de la tabla ANOVA (un factor)

1. Introducción

El ANOVA de un factor se utiliza para comparar las medias de q grupos (tratamientos) y determinar si existen diferencias significativas entre ellas. La variabilidad total de los datos se descompone en dos fuentes: la variabilidad entre grupos (debida al factor) y la variabilidad dentro de los grupos (error experimental).

La tabla ANOVA resume estos cálculos y permite obtener el estadístico F, que se compara con un valor crítico para tomar una decisión estadística.


2. Notación

  • \(q\) = número de grupos (tratamientos)
  • \(n_j\) = tamaño de la muestra en el grupo \(j\) (con \(j = 1, 2, \dots, q\))
  • \(Y_{ij}\) = valor de la observación \(i\) en el grupo \(j\)
  • \(\overline{Y}_j\) = media del grupo \(j\)
  • \(\overline{Y}\) = media global (de todos los datos)
  • \(n = \sum_{j=1}^{q} n_j\) = tamaño total de la muestra

3. Paso a paso para completar la tabla ANOVA

3.1. Calcular las medias

Primero, calcula la media de cada grupo: \[ \overline{Y}_j = \frac{\sum_{i=1}^{n_j} Y_{ij}}{n_j} \]

Luego, la media global: \[ \overline{Y} = \frac{\sum_{j=1}^{q} \sum_{i=1}^{n_j} Y_{ij}}{n} \]

3.2. Sumas de cuadrados

Suma de cuadrados entre grupos (SC\(_{\text{entre}}\)): mide la variabilidad de las medias de los grupos alrededor de la media global. \[ SC_{\text{entre}} = \sum_{j=1}^{q} n_j (\overline{Y}_j - \overline{Y})^2 \]

Suma de cuadrados dentro de los grupos (SC\(_{\text{intra}}\)): mide la variabilidad de las observaciones dentro de cada grupo alrededor de su propia media. \[ SC_{\text{intra}} = \sum_{j=1}^{q} \sum_{i=1}^{n_j} (Y_{ij} - \overline{Y}_j)^2 \]

Suma de cuadrados total (SC\(_{\text{total}}\)): mide la variabilidad de todas las observaciones alrededor de la media global. \[ SC_{\text{total}} = \sum_{j=1}^{q} \sum_{i=1}^{n_j} (Y_{ij} - \overline{Y})^2 \]

Se cumple que: \[ SC_{\text{total}} = SC_{\text{entre}} + SC_{\text{intra}} \]

3.3. Grados de libertad

  • Grados de libertad entre grupos: \(gl_{\text{entre}} = q - 1\)
  • Grados de libertad dentro de grupos: \(gl_{\text{intra}} = \sum_{j=1}^{q} (n_j - 1) = n - q\)
  • Grados de libertad total: \(gl_{\text{total}} = n - 1\)

3.4. Cuadrados medios

El cuadrado medio es la suma de cuadrados dividida por sus grados de libertad: \[ CM_{\text{entre}} = \frac{SC_{\text{entre}}}{gl_{\text{entre}}} \] \[ CM_{\text{intra}} = \frac{SC_{\text{intra}}}{gl_{\text{intra}}} \]

3.5. Razón F

El estadístico de prueba se calcula como: \[ F = \frac{CM_{\text{entre}}}{CM_{\text{intra}}} \]

Bajo la hipótesis nula (todas las medias poblacionales son iguales), este estadístico sigue una distribución \(F\) con \(gl_{\text{entre}}\) y \(gl_{\text{intra}}\) grados de libertad.


4. Ejemplo práctico

Supongamos que queremos comparar el rendimiento de tres métodos de enseñanza (A, B, C) en una prueba de conocimiento. Se asignan aleatoriamente 4 estudiantes a cada método (datos ficticios):

Método A Método B Método C
75 80 85
78 82 88
72 79 84
70 81 87

4.1. Medias por grupo

  • Media A: \(\overline{Y}_A = \frac{75+78+72+70}{4} = \frac{295}{4} = 73.75\)
  • Media B: \(\overline{Y}_B = \frac{80+82+79+81}{4} = \frac{322}{4} = 80.5\)
  • Media C: \(\overline{Y}_C = \frac{85+88+84+87}{4} = \frac{344}{4} = 86\)

Media global:
Suma total = \(75+78+72+70+80+82+79+81+85+88+84+87 = 961\)
\(n = 12\)
\(\overline{Y} = \frac{961}{12} = 80.0833\)

4.2. Sumas de cuadrados

SC\(_{\text{entre}}\): \[ \begin{align*} SC_{\text{entre}} &= 4(73.75 - 80.0833)^2 + 4(80.5 - 80.0833)^2 + 4(86 - 80.0833)^2 \\ &= 4(-6.3333)^2 + 4(0.4167)^2 + 4(5.9167)^2 \\ &= 4(40.111) + 4(0.1736) + 4(35.014) \\ &= 160.444 + 0.6944 + 140.056 \\ &= 301.1944 \end{align*} \]

SC\(_{\text{intra}}\): calculamos para cada grupo las desviaciones respecto a su media.

Grupo A:
(75-73.75)² = 1.5625
(78-73.75)² = 18.0625
(72-73.75)² = 3.0625
(70-73.75)² = 14.0625
Suma A = 1.5625+18.0625+3.0625+14.0625 = 36.75

Grupo B:
(80-80.5)² = 0.25
(82-80.5)² = 2.25
(79-80.5)² = 2.25
(81-80.5)² = 0.25
Suma B = 0.25+2.25+2.25+0.25 = 5

Grupo C:
(85-86)² = 1
(88-86)² = 4
(84-86)² = 4
(87-86)² = 1
Suma C = 1+4+4+1 = 10

Entonces: \[ SC_{\text{intra}} = 36.75 + 5 + 10 = 51.75 \]

SC\(_{\text{total}}\) (opcional, para verificar):
Calculamos las desviaciones de cada dato respecto a la media global (80.0833). Podemos obtenerla también como suma de las dos anteriores:
\(SC_{\text{total}} = 301.1944 + 51.75 = 352.9444\)

4.3. Grados de libertad

  • \(gl_{\text{entre}} = 3 - 1 = 2\)
  • \(gl_{\text{intra}} = 12 - 3 = 9\)
  • \(gl_{\text{total}} = 12 - 1 = 11\)

4.4. Cuadrados medios

\[ CM_{\text{entre}} = \frac{301.1944}{2} = 150.5972 \] \[ CM_{\text{intra}} = \frac{51.75}{9} = 5.75 \]

4.5. Razón F

\[ F = \frac{150.5972}{5.75} = 26.19 \]

4.6. Tabla ANOVA resultante

Fuente Suma de Cuadrados G.L. Cuadrado Medio Razón F
Entre grupos 301.1944 2 150.5972 26.19
Intra grupos 51.75 9 5.75
Total 352.9444 11

4.7. Interpretación

Para un nivel de significancia \(\alpha = 0.05\), el valor crítico de \(F\) con 2 y 9 grados de libertad es aproximadamente 4.26 (puede consultarse en tablas). Como \(F = 26.19 > 4.26\), se rechaza la hipótesis nula. Concluimos que existen diferencias significativas entre los métodos de enseñanza.


5. Consejos para los alumnos

  • Verifiquen siempre que \(SC_{\text{total}} = SC_{\text{entre}} + SC_{\text{intra}}\); si no se cumple (por redondeo), revisen los cálculos.
  • Utilicen calculadora o software para evitar errores, pero es importante entender el proceso manual.
  • Practiquen con diferentes conjuntos de datos pequeños hasta dominar la mecánica.

Espero que esta guía sea de gran utilidad para tus alumnos. Si necesitas más ejemplos o aclaraciones, no dudes en pedirlo. ¡Éxito en tu curso!


Ejercicio: Efecto del sistema de riego en el rendimiento de un cultivo

Se realiza un experimento para evaluar si el tipo de sistema de riego influye en el rendimiento (en toneladas por hectárea) de un cultivo de maíz. Se prueban tres sistemas: goteo, aspersión y superficial. Se asignan aleatoriamente 5 parcelas a cada sistema y se registran los siguientes rendimientos:

Goteo Aspersión Superficial
5.2 4.8 4.0
5.5 4.9 4.2
5.0 4.7 3.9
5.3 5.0 4.1
5.4 4.6 3.8

Con un nivel de significancia del 5%, ¿existen diferencias significativas entre los sistemas de riego?

Tareas:

  1. Calcular las medias de cada grupo y la media global.
  2. Calcular la suma de cuadrados entre grupos (SC\(_{\text{entre}}\)) y dentro de grupos (SC\(_{\text{intra}}\)).
  3. Determinar los grados de libertad correspondientes.
  4. Calcular los cuadrados medios y la razón F.
  5. Construir la tabla ANOVA.
  6. Comparar el valor de F con el valor crítico de la tabla F (con \(\alpha = 0.05\), \(gl_1 = 2\), \(gl_2 = 12\)) y concluir.

Solución paso a paso (para que los alumnos verifiquen)

1. Medias por grupo y global

  • Goteo:
    \(\overline{Y}_G = \frac{5.2 + 5.5 + 5.0 + 5.3 + 5.4}{5} = \frac{26.4}{5} = 5.28\)

  • Aspersión:
    \(\overline{Y}_A = \frac{4.8 + 4.9 + 4.7 + 5.0 + 4.6}{5} = \frac{24.0}{5} = 4.80\)

  • Superficial:
    \(\overline{Y}_S = \frac{4.0 + 4.2 + 3.9 + 4.1 + 3.8}{5} = \frac{20.0}{5} = 4.00\)

  • Media global:
    \(\overline{Y} = \frac{26.4 + 24.0 + 20.0}{15} = \frac{70.4}{15} = 4.6933\) (aproximadamente)

2. Sumas de cuadrados

SC\(_{\text{entre}}\):
\[ \begin{align*} SC_{\text{entre}} &= n_G(\overline{Y}_G - \overline{Y})^2 + n_A(\overline{Y}_A - \overline{Y})^2 + n_S(\overline{Y}_S - \overline{Y})^2 \\ &= 5(5.28 - 4.6933)^2 + 5(4.80 - 4.6933)^2 + 5(4.00 - 4.6933)^2 \\ &= 5(0.5867)^2 + 5(0.1067)^2 + 5(-0.6933)^2 \\ &= 5(0.3442) + 5(0.01138) + 5(0.4807) \\ &= 1.721 + 0.0569 + 2.4035 \\ &= 4.1814 \end{align*} \]

SC\(_{\text{intra}}\): calculamos las desviaciones dentro de cada grupo.

  • Goteo:
    (5.2-5.28)² = 0.0064
    (5.5-5.28)² = 0.0484
    (5.0-5.28)² = 0.0784
    (5.3-5.28)² = 0.0004
    (5.4-5.28)² = 0.0144
    Suma = 0.1480

  • Aspersión:
    (4.8-4.80)² = 0.00
    (4.9-4.80)² = 0.01
    (4.7-4.80)² = 0.01
    (5.0-4.80)² = 0.04
    (4.6-4.80)² = 0.04
    Suma = 0.10

  • Superficial:
    (4.0-4.00)² = 0.00
    (4.2-4.00)² = 0.04
    (3.9-4.00)² = 0.01
    (4.1-4.00)² = 0.01
    (3.8-4.00)² = 0.04
    Suma = 0.10

\[ SC_{\text{intra}} = 0.1480 + 0.10 + 0.10 = 0.3480 \]

SC\(_{\text{total}}\) (verificación):
\(SC_{\text{total}} = SC_{\text{entre}} + SC_{\text{intra}} = 4.1814 + 0.3480 = 4.5294\)

3. Grados de libertad

  • \(gl_{\text{entre}} = q - 1 = 3 - 1 = 2\)
  • \(gl_{\text{intra}} = n - q = 15 - 3 = 12\)
  • \(gl_{\text{total}} = n - 1 = 14\)

4. Cuadrados medios

\[ CM_{\text{entre}} = \frac{SC_{\text{entre}}}{gl_{\text{entre}}} = \frac{4.1814}{2} = 2.0907 \] \[ CM_{\text{intra}} = \frac{SC_{\text{intra}}}{gl_{\text{intra}}} = \frac{0.3480}{12} = 0.0290 \]

5. Razón F

\[ F = \frac{CM_{\text{entre}}}{CM_{\text{intra}}} = \frac{2.0907}{0.0290} = 72.09 \]

6. Tabla ANOVA

Fuente Suma de Cuadrados G.L. Cuadrado Medio Razón F
Entre grupos 4.1814 2 2.0907 72.09
Intra grupos 0.3480 12 0.0290
Total 4.5294 14

7. Interpretación

El valor crítico de F para \(\alpha = 0.05\), con 2 y 12 grados de libertad, es aproximadamente 3.89 (puede consultarse en tablas). Dado que \(F = 72.09 > 3.89\), se rechaza la hipótesis nula. Por lo tanto, existen diferencias estadísticamente significativas entre los sistemas de riego en cuanto al rendimiento del cultivo.


Este ejercicio permite a los estudiantes practicar cada etapa del cálculo manual y verificar sus resultados. Si lo deseas, puedes pedirles que además realicen una prueba post-hoc (como Tukey) para identificar qué sistemas difieren entre sí. ¡Espero que sea de utilidad!

Tabla F

¡Excelente pregunta! Contar con la tabla F es esencial para poder interpretar los resultados de tu ANOVA. Aquí te cuento dónde puedes conseguirla y cómo usarla con el ejemplo que ya resolvimos.

📊 ¿Dónde encontrar la tabla F?

Tienes varias opciones, desde las tradicionales hasta las más modernas y digitales, ideales para compartir con tus alumnos.

  • Opción 1: Tablas F impresas (formato físico) La mayoría de los libros de texto de estadística y diseño experimental incluyen un apéndice con tablas estadísticas, entre ellas, la tabla de la distribución F de Fisher. Si tienes algún libro de cabecera de la asignatura, es muy probable que la encuentres al final. Es la opción clásica y confiable.

  • Opción 2: Sitios web especializados (formato digital) Es la forma más rápida y práctica de consultar los valores críticos. Un sitio muy útil es numiqo.es . En esta página, no solo explican qué es la distribución F, sino que presentan tablas completas e interactivas para los niveles de significancia más comunes, como α = 0.05 (también llamado p=0.05) y α = 0.01 . Es un recurso excelente para que tus alumnos consulten rápidamente.

  • Opción 3: Aplicaciones móviles (formato app) Para la era digital, existen aplicaciones que convierten tu teléfono en una herramienta estadística. Por ejemplo, la app “Tabla F” disponible en Google Play . Su ventaja es que no necesitas conexión a internet una vez descargada y es muy intuitiva: solo seleccionas el nivel de significancia y los grados de libertad para obtener el valor crítico .

🔍 ¿Cómo se usa la tabla F con el ejercicio de los riegos?

Recordemos el ejemplo que resolvimos juntos. Comparamos tres sistemas de riego, por lo que tenemos: * Grados de libertad del numerador (gl₁): que corresponde a los gl de Entre grupos = 2. * Grados de libertad del denominador (gl₂): que corresponde a los gl de Intra grupos = 12. * Nivel de significancia (α): Usamos un α = 0.05 (el 5% que se menciona en el ejercicio).

Para encontrar el valor crítico, busca la tabla de α = 0.05. Localiza la columna con gl₁ = 2 y la fila con gl₂ = 12. El valor en el que se cruzan es el valor crítico de F.

Aquí te muestro una parte de la tabla de numiqo.es para que veas cómo se hace :

df2 1 2 3 4 5
11 4.844 3.982 3.587 3.357 3.204
12 4.747 3.885 3.49 3.259 3.106
13 4.667 3.806 3.411 3.179 3.025

Como puedes ver, el valor crítico es 3.885. En el ejercicio, calculamos una F experimental de 72.09. Como 72.09 es mucho mayor que 3.885, nuestro resultado está en la zona de rechazo de la hipótesis nula, lo que confirma que sí existen diferencias significativas entre los sistemas de riego.

🧠 Conclusión para tus alumnos

Para tu clase, puedes recomendarles que utilicen la tabla del sitio numiqo.es por su claridad y facilidad de uso. Si prefieren algo que puedan llevar siempre consigo, la app “Tabla F” es una gran alternativa. Lo importante es que practiquen la localización de los valores según sus grados de libertad y nivel de significancia.

A continuación tienes un nuevo ejercicio que integra todo lo que hemos practicado: el cálculo manual del ANOVA, la consulta de la tabla F y la interpretación de resultados para la toma de decisiones.


Ejercicio integrador: Efecto de fertilizantes en el crecimiento de plantas

Un investigador está estudiando el efecto de tres tipos de fertilizantes (Orgánico, Químico y Mixto) en el crecimiento de plantas de tomate. Para ello, asigna aleatoriamente 6 plantas a cada tipo de fertilizante y, después de 4 semanas, mide la altura de las plantas (en cm). Los resultados obtenidos son:

Orgánico Químico Mixto
25.2 28.1 27.3
24.8 29.3 26.9
26.1 27.8 28.2
24.5 30.2 27.8
25.9 28.7 29.1
26.3 29.5 28.4

Objetivo

Determinar si existe evidencia estadística suficiente para afirmar que al menos uno de los fertilizantes produce un crecimiento diferente, utilizando un nivel de significancia del 5%.


Parte 1: Cálculo de la tabla ANOVA

Tareas para los estudiantes

1. Calcular las medias:

  • Media del grupo Orgánico: \(\overline{Y}_O = \frac{25.2 + 24.8 + 26.1 + 24.5 + 25.9 + 26.3}{6} = \frac{152.8}{6} = 25.47\)
  • Media del grupo Químico: \(\overline{Y}_Q = \frac{28.1 + 29.3 + 27.8 + 30.2 + 28.7 + 29.5}{6} = \frac{173.6}{6} = 28.93\)
  • Media del grupo Mixto: \(\overline{Y}_M = \frac{27.3 + 26.9 + 28.2 + 27.8 + 29.1 + 28.4}{6} = \frac{167.7}{6} = 27.95\)
  • Media global: \(\overline{Y} = \frac{152.8 + 173.6 + 167.7}{18} = \frac{494.1}{18} = 27.45\)

2. Calcular la suma de cuadrados entre grupos (SC\(_{\text{entre}}\)):

\[ \begin{align} SC_{\text{entre}} &= \sum_{j=1}^{3} n_j (\overline{Y}_j - \overline{Y})^2 \\ &= 6(25.47 - 27.45)^2 + 6(28.93 - 27.45)^2 + 6(27.95 - 27.45)^2 \\ &= 6(-1.98)^2 + 6(1.48)^2 + 6(0.50)^2 \\ &= 6(3.9204) + 6(2.1904) + 6(0.25) \\ &= 23.5224 + 13.1424 + 1.5 \\ &= 38.1648 \end{align} \]

3. Calcular la suma de cuadrados dentro de los grupos (SC\(_{\text{intra}}\)):

Para el grupo Orgánico: \[ \begin{align} &(25.2-25.47)^2 = 0.0729 \\ &(24.8-25.47)^2 = 0.4489 \\ &(26.1-25.47)^2 = 0.3969 \\ &(24.5-25.47)^2 = 0.9409 \\ &(25.9-25.47)^2 = 0.1849 \\ &(26.3-25.47)^2 = 0.6889 \\ &\text{Suma} = 2.7334 \end{align} \]

Para el grupo Químico: \[ \begin{align} &(28.1-28.93)^2 = 0.6889 \\ &(29.3-28.93)^2 = 0.1369 \\ &(27.8-28.93)^2 = 1.2769 \\ &(30.2-28.93)^2 = 1.6129 \\ &(28.7-28.93)^2 = 0.0529 \\ &(29.5-28.93)^2 = 0.3249 \\ &\text{Suma} = 4.0934 \end{align} \]

Para el grupo Mixto: \[ \begin{align} &(27.3-27.95)^2 = 0.4225 \\ &(26.9-27.95)^2 = 1.1025 \\ &(28.2-27.95)^2 = 0.0625 \\ &(27.8-27.95)^2 = 0.0225 \\ &(29.1-27.95)^2 = 1.3225 \\ &(28.4-27.95)^2 = 0.2025 \\ &\text{Suma} = 3.1350 \end{align} \]

\[ SC_{\text{intra}} = 2.7334 + 4.0934 + 3.1350 = 9.9618 \]

4. Calcular los grados de libertad:

  • \(gl_{\text{entre}} = q - 1 = 3 - 1 = 2\)
  • \(gl_{\text{intra}} = n - q = 18 - 3 = 15\)
  • \(gl_{\text{total}} = n - 1 = 17\)

5. Calcular los cuadrados medios:

  • \(CM_{\text{entre}} = \frac{SC_{\text{entre}}}{gl_{\text{entre}}} = \frac{38.1648}{2} = 19.0824\)
  • \(CM_{\text{intra}} = \frac{SC_{\text{intra}}}{gl_{\text{intra}}} = \frac{9.9618}{15} = 0.6641\)

6. Calcular la razón F:

\[ F = \frac{CM_{\text{entre}}}{CM_{\text{intra}}} = \frac{19.0824}{0.6641} = 28.74 \]

7. Completar la tabla ANOVA:

Fuente Suma de Cuadrados G.L. Cuadrado Medio Razón F
Entre grupos 38.1648 2 19.0824 28.74
Intra grupos 9.9618 15 0.6641
Total 48.1266 17

Parte 2: Uso de la tabla F y toma de decisiones

Preguntas guiadas para los estudiantes

1. Localización del valor crítico:

Utilizando la tabla F para \(\alpha = 0.05\): - Grados de libertad del numerador (\(gl_1\)): _____ - Grados de libertad del denominador (\(gl_2\)): _____ - Valor crítico de F (\(F_{\text{crítico}}\)): _____

(Respuesta: \(gl_1 = 2\), \(gl_2 = 15\), \(F_{\text{crítico}} = 3.68\) aproximadamente)

2. Comparación:

  • \(F_{\text{calculado}} = 28.74\)
  • \(F_{\text{crítico}} = 3.68\)
  • ¿Es \(F_{\text{calculado}} > F_{\text{crítico}}\)? _____

(Respuesta: Sí, 28.74 > 3.68)

3. Decisión estadística:

Con base en la comparación anterior, ¿se rechaza o no se rechaza la hipótesis nula? \[H_0: \mu_O = \mu_Q = \mu_M\]

(Respuesta: Se rechaza \(H_0\))

4. Conclusión en contexto del problema:

Redacte una conclusión apropiada para el investigador sobre el efecto de los fertilizantes en el crecimiento de las plantas de tomate.

(Respuesta esperada: Existe evidencia estadística suficiente (F = 28.74, p < 0.05) para concluir que al menos uno de los fertilizantes produce un efecto diferente en el crecimiento de las plantas de tomate)

5. Cálculo aproximado del valor p:

Sabiendo que: - Si \(F_{\text{calculado}} = 3.68\), entonces \(p = 0.05\) - Si \(F_{\text{calculado}} = 6.36\), entonces \(p = 0.01\) - Si \(F_{\text{calculado}} = 10.57\), entonces \(p = 0.001\)

¿Cómo es el valor p de nuestro experimento en relación con estos valores?

(Respuesta: Dado que 28.74 es mucho mayor que 10.57, el valor p es menor que 0.001, es decir, \(p < 0.001\))


Parte 3: Preguntas de reflexión adicional

  1. Supuestos del ANOVA: ¿Qué supuestos deben cumplirse para que los resultados de este análisis sean válidos? ¿Cómo podrías verificarlos?

  2. Pruebas post-hoc: Dado que rechazamos la hipótesis nula, ¿qué procedimiento estadístico recomendarías para identificar qué fertilizantes son diferentes entre sí? ¿Por qué?

  3. Tamaño del efecto: Calcula el tamaño del efecto usando eta cuadrado (\(\eta^2 = SC_{\text{entre}} / SC_{\text{total}}\)). ¿Cómo interpretarías este valor?

    (Respuesta: \(\eta^2 = 38.1648 / 48.1266 = 0.793\), lo que indica que aproximadamente el 79.3% de la variabilidad en la altura de las plantas se debe al tipo de fertilizante, un tamaño del efecto grande)


Este ejercicio integrador permite a los estudiantes practicar todos los pasos del proceso: desde los cálculos manuales hasta la interpretación de resultados utilizando la tabla F. ¿Te gustaría que prepare también la clave de respuestas completa para facilitar la corrección?

Clave de respuestas: Ejercicio integrador de ANOVA

Aquí tienes la clave de respuestas completa para el ejercicio integrador, con todos los cálculos detallados y las explicaciones necesarias para que puedas corregir el trabajo de tus alumnos de manera eficiente.

Ejercicio: Efecto de fertilizantes en el crecimiento de plantas


Parte 1: Cálculo de la tabla ANOVA

1. Medias por grupo y global

Grupo Suma de datos (cm) n Media (\(\overline{Y}_j\)) Cálculo
Orgánico 25.2+24.8+26.1+24.5+25.9+26.3 = 152.8 6 \(\overline{Y}_O = 152.8/6 = \mathbf{25.47}\)
Químico 28.1+29.3+27.8+30.2+28.7+29.5 = 173.6 6 \(\overline{Y}_Q = 173.6/6 = \mathbf{28.93}\)
Mixto 27.3+26.9+28.2+27.8+29.1+28.4 = 167.7 6 \(\overline{Y}_M = 167.7/6 = \mathbf{27.95}\)
Global 152.8 + 173.6 + 167.7 = 494.1 18 \(\overline{Y} = 494.1/18 = \mathbf{27.45}\)

2. Suma de cuadrados entre grupos (\(SC_{entre}\))

Fórmula: \(SC_{entre} = \sum_{j=1}^{3} n_j (\overline{Y}_j - \overline{Y})^2\)

Grupo \(n_j\) \(\overline{Y}_j\) \(\overline{Y}_j - \overline{Y}\) \((\overline{Y}_j - \overline{Y})^2\) \(n_j \times (\overline{Y}_j - \overline{Y})^2\)
Orgánico 6 25.47 25.47 - 27.45 = -1.98 3.9204 6 × 3.9204 = 23.5224
Químico 6 28.93 28.93 - 27.45 = 1.48 2.1904 6 × 2.1904 = 13.1424
Mixto 6 27.95 27.95 - 27.45 = 0.50 0.25 6 × 0.25 = 1.5
Total \(\mathbf{SC_{entre} = 38.1648}\)

3. Suma de cuadrados dentro de los grupos (\(SC_{intra}\))

Fórmula: \(SC_{intra} = \sum_{j=1}^{3} \sum_{i=1}^{n_j} (Y_{ij} - \overline{Y}_j)^2\)

Grupo Orgánico (\(\overline{Y}_O = 25.47\))

\(Y_{iO}\) \((Y_{iO} - 25.47)\) \((Y_{iO} - 25.47)^2\)
25.2 -0.27 0.0729
24.8 -0.67 0.4489
26.1 0.63 0.3969
24.5 -0.97 0.9409
25.9 0.43 0.1849
26.3 0.83 0.6889
Suma 2.7334

Grupo Químico (\(\overline{Y}_Q = 28.93\))

\(Y_{iQ}\) \((Y_{iQ} - 28.93)\) \((Y_{iQ} - 28.93)^2\)
28.1 -0.83 0.6889
29.3 0.37 0.1369
27.8 -1.13 1.2769
30.2 1.27 1.6129
28.7 -0.23 0.0529
29.5 0.57 0.3249
Suma 4.0934

Grupo Mixto (\(\overline{Y}_M = 27.95\))

\(Y_{iM}\) \((Y_{iM} - 27.95)\) \((Y_{iM} - 27.95)^2\)
27.3 -0.65 0.4225
26.9 -1.05 1.1025
28.2 0.25 0.0625
27.8 -0.15 0.0225
29.1 1.15 1.3225
28.4 0.45 0.2025
Suma 3.1350

Suma total:
\(SC_{intra} = 2.7334 + 4.0934 + 3.1350 = \mathbf{9.9618}\)

4. Grados de libertad

  • \(gl_{entre} = q - 1 = 3 - 1 = \mathbf{2}\)
  • \(gl_{intra} = n - q = 18 - 3 = \mathbf{15}\)
  • \(gl_{total} = n - 1 = 18 - 1 = \mathbf{17}\)

5. Cuadrados medios

  • \(CM_{entre} = \frac{SC_{entre}}{gl_{entre}} = \frac{38.1648}{2} = \mathbf{19.0824}\)
  • \(CM_{intra} = \frac{SC_{intra}}{gl_{intra}} = \frac{9.9618}{15} = \mathbf{0.6641}\)

6. Razón F

\(F = \frac{CM_{entre}}{CM_{intra}} = \frac{19.0824}{0.6641} = \mathbf{28.74}\)

7. Tabla ANOVA completa

Fuente Suma de Cuadrados G.L. Cuadrado Medio Razón F
Entre grupos 38.1648 2 19.0824 28.74
Intra grupos 9.9618 15 0.6641
Total 48.1266 17

Nota: \(SC_{total}\) se obtiene también como \(SC_{entre} + SC_{intra} = 38.1648 + 9.9618 = 48.1266\), y coincide con la suma de cuadrados total calculada directamente (opcional).


Parte 2: Uso de la tabla F y toma de decisiones

1. Localización del valor crítico

  • Grados de libertad del numerador (\(gl_1\)): 2
  • Grados de libertad del denominador (\(gl_2\)): 15
  • Nivel de significancia: \(\alpha = 0.05\)
  • Valor crítico de F (\(F_{\text{crítico}}\)): 3.68 (aproximadamente; el valor exacto en tablas puede ser 3.682 o 3.68)

2. Comparación

  • \(F_{\text{calculado}} = 28.74\)
  • \(F_{\text{crítico}} = 3.68\)
  • ¿Es \(F_{\text{calculado}} > F_{\text{crítico}}\)?

3. Decisión estadística

  • \(H_0: \mu_O = \mu_Q = \mu_M\) (las medias poblacionales de los tres fertilizantes son iguales)
  • Dado que \(F_{\text{calculado}} > F_{\text{crítico}}\), se rechaza \(H_0\)

4. Conclusión en contexto del problema

Respuesta esperada:
“Existe evidencia estadística suficiente (F = 28.74, p < 0.05) para concluir que al menos uno de los fertilizantes produce un efecto diferente en el crecimiento de las plantas de tomate. Por lo tanto, el tipo de fertilizante influye significativamente en la altura de las plantas.”

5. Cálculo aproximado del valor p

  • \(F_{\text{crítico}} = 3.68\) corresponde a \(p = 0.05\)
  • \(F_{\text{crítico}} = 6.36\) corresponde a \(p = 0.01\)
  • \(F_{\text{crítico}} = 10.57\) corresponde a \(p = 0.001\)

Nuestro \(F_{\text{calculado}} = 28.74\) es mucho mayor que 10.57, por lo tanto:

El valor p es menor que 0.001 (\(p < 0.001\))


Parte 3: Preguntas de reflexión adicional

1. Supuestos del ANOVA

Respuesta:
Para que los resultados del ANOVA sean válidos, deben cumplirse los siguientes supuestos:

  • Independencia: Las observaciones dentro de cada grupo y entre grupos son independientes (asegurado por la aleatorización).
  • Normalidad: Los residuos (o los datos dentro de cada grupo) siguen aproximadamente una distribución normal. Se puede verificar con pruebas de normalidad (Shapiro-Wilk) o gráficos Q-Q.
  • Homocedasticidad (homogeneidad de varianzas): Las varianzas de los grupos son iguales. Se puede verificar con la prueba de Levene o la prueba de Bartlett.

2. Pruebas post-hoc

Respuesta:
Dado que se rechazó la hipótesis nula, es necesario identificar qué grupos difieren entre sí. Se recomienda una prueba post-hoc como:

  • Tukey HSD (Honestly Significant Difference): Compara todos los pares de medias controlando la tasa de error familiar.
  • Bonferroni: Ajusta el nivel de significancia dividiendo \(\alpha\) entre el número de comparaciones.
  • Scheffé: Más conservador, útil para comparaciones complejas.

En este caso, Tukey es una opción común y apropiada.

3. Tamaño del efecto (eta cuadrado)

Cálculo:
\(\eta^2 = \frac{SC_{entre}}{SC_{total}} = \frac{38.1648}{48.1266} = 0.793\)

Interpretación:
Aproximadamente el 79.3% de la variabilidad total en la altura de las plantas se explica por el tipo de fertilizante utilizado. Según los criterios de Cohen (1988), un \(\eta^2\) de 0.14 se considera grande, por lo que 0.793 indica un tamaño del efecto muy grande. Esto refuerza la conclusión de que el fertilizante tiene un impacto sustancial en el crecimiento.