POLI 205

profileBoomer18
Tokunaga_Ch09LectuerNotes.pdf

11/7/2017

1

Chapter 9: Testing the Difference Between Two

Means

• In Chapter 7, we compared    to μ,  where one sample was drawn from one  population

• In this chapter, we’ll test the difference  between two samples drawn from two populations

Testing the Difference Between Two Means

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

2

An Example…

• Will people take longer to leave a  parking space when another driver is  waiting (“Intruder”) compared to when  no other driver is waiting (“No  intruder”)?

• Observational study with 15 drivers in  each condition (Ruback & Juieng, 1997)

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

An Example…

Intruder No Intruder

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

3

• Bar chart − One nominal variable as IV − Bar height represents mean on DV − Error bars represent 1 standard error of the mean 

above and below the mean (± 1 s   )

An Example…

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

An Example…

• Are the two groups different from each  other?

– Chapter 7:  evaluated a sample mean using  a distribution of sample means (the  sampling distribution of the mean)

– Now:  Evaluate the difference between two  sample means using a distribution of  differences between sample means (the  sampling distribution of the difference).

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

4

Sampling Distribution of the Difference

• Sampling distribution of the difference:   distribution of all possible differences  between two sample means when an  infinite number of pairs of samples of  size N are randomly drawn from two  populations 

– Used to determine the probability of  obtaining any particular difference between  two sample means

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Sampling Distribution of the Difference

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

• Lets assume that two populations are not  different

• We randomly draw samples from each  population and calculate differences   between the two sample means

• Although we expect there to be no (zero)  differences between the sample means,  because of sampling error, we will get a  distribution of differences

11/7/2017

5

The Sampling Distribution of the Difference: Characteristics

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

• Modality − Mean = 0

• Symmetry − Approximately normal − Shape determined by sample size

• Variability − Standard error of the difference 

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

State the null and alternative hypotheses (H0 and H1)

Make a decision about the null hypothesis

Draw a conclusion from the analysis

Relate the result of the analysis to the research  hypothesis

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

6

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

• State the null and alternative hypotheses

H0: µIntruder =  µNo intruder H1: µIntruder  µNo intruder

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

State the null and alternative hypotheses (H0 and H1)

Make a decision about the null hypothesis

Draw a conclusion from the analysis

Relate the result of the analysis to the research  hypothesis

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

7

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

• Make a decision about the null  hypothesis

– Calculate the degrees of freedom (df)

– Set alpha (α), identify the critical values,  and state a decision rule

– Calculate a statistic:  t‐test for independent  means

– Make a decision whether to reject the null  hypothesis

– Determine the level of significance 

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

• Make a decision about the null  hypothesis

– Calculate the degrees of freedom (df)

– Because we have two samples from two  populations, 

df = (N1 – 1) + (N2 – 1)

= (15 – 1) + (15 – 1)

= 28

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

8

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

• Make a decision about the null  hypothesis

– Set alpha (α), identify the critical values,  and state a decision rule

• For α = .05 (two‐tailed) and df = 28, critical  value  =  2.048

• If t < ‐2.048 or > 2.048, reject H0; otherwise,  do not reject H0

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

• Make a decision about the null  hypothesis.

− Calculate a statistic: t‐test for independent  means

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

9

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

• Make a decision about the null  hypothesis − Calculate the standard error of the 

difference

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

• Make a decision about the null  hypothesis. − Calculate the t‐statistic for independent 

means:

t = 2.42

11/7/2017

10

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

• Make a decision about the null  hypothesis

– Make a decision whether to reject the null  hypothesis

t = 2.42 > 2.048  reject H0 (p < .05) – Determine the level of significance

• For  = .01, critical value = 2.763 • t = 2.42 < 2.763  p < .05 (but not < .01)

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

• Make a decision about the null hypothesis

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

11

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

State the null and alternative hypotheses (H0 and H1)

Make a decision about the null hypothesis

Draw a conclusion from the analysis

Relate the result of the analysis to the research  hypothesis

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

• Draw a conclusion from the analysis – The mean departure time for the 15  drivers in the Intruder group (M = 40.73s)  is significantly greater than the mean  departure time for the 15 drivers in the No  intruder group (M = 31.67s), t(28) = 2.42, p  < .05.

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

12

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

State the null and alternative hypotheses (H0 and H1)

Make a decision about the null hypothesis

Draw a conclusion from the analysis

Relate the result of the analysis to the research  hypothesis

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

• Relate the result to the research  hypothesis

– “The present series of studies is consistent  with prior findings that people display  territorial defense in public  territories...What is new about the present  research is that it suggests people  sometimes display territorial behavior  merely to keep others from possessing the  space even when it no longer has any value  to them” (Ruback & Juieng, 1997, p. 831).

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

13

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

• Assumptions of the t‐test for  independent means

– Assumption of normality: the distribution  of scores in the two populations from  which the samples are drawn are normal

– Homogeneity of variance: variance of  scores in the two populations is the same

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample Means

• If the assumptions are violated,  researchers may make the wrong  decision regarding the null hypothesis

• However, the t‐statistic is robust – Able to withstand moderate violations of  the assumptions

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

14

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample  Means (unequal sample sizes)

• Example: − Researchers tested the effects of a healthy  living and exercise intervention on  kindergarten and first grade students’ (N1 =  16) ability to jump rope for 30 seconds.  They compared these scores to a control  group (N2 = 11) who did not receive the  intervention.

− Data from Matvienko and Ahrabi‐Fard (2010)

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Intervention (N1 = 16) Control (N2 = 11)

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample 

Means (unequal N)

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

15

• State the null and alternative  hypotheses

H0: µIntervention=  µControl H1: µIntervention   µControl

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample 

Means (unequal N)

• Make a decision about the null  hypothesis

– Calculate the degrees of freedom (df)

df = (N1 – 1) + (N2 – 1)

= (16 – 1) + (11 – 1)

=25

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample 

Means (unequal N)

11/7/2017

16

• Make a decision about the null hypothesis – Set alpha (α), identify the critical values, and state  a decision rule

• For α = .05 (two‐tailed) and df = 25, critical  value  =  2.060

• If t < ‐2.060 or > 2.060, reject H0; otherwise, do  not reject H0

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample 

Means (unequal N)

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample 

Means (unequal N)

• Make a decision about the null  hypothesis − Calculate a statistic: t‐test for independent 

means:

11/7/2017

17

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample 

Means (unequal N)

• Make a decision about the null hypothesis − Calculate the standard error of the difference

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample 

Means (unequal N)

11/7/2017

18

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample 

Means (unequal N)

• Make a decision about the null  hypothesis − Calculate a statistic: t‐test for independent 

means:

t = 3.97

• Make a decision about the null  hypothesis

– Make a decision whether to reject the null  hypothesis

t = 3.97 > 2.060  reject H0 (p < .05) – Determine the level of significance

• For  = .01, critical value = 2.787 • t = 3.97 > 2.787  p < .01

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample 

Means (unequal N)

11/7/2017

19

• Make a decision about the null hypothesis

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample 

Means (unequal N)

• Draw a conclusion from the analysis – The average number of rope jumps in 30  seconds is significantly greater for the 16  students who received the intervention (M = 27.31) than for the 11 students in the  Control group who did not receive the  intervention (M = 11.91), t(25) = 3.97, p <  .01.

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample 

Means (unequal N)

11/7/2017

20

• Relate the result to the research  hypothesis

– “This finding suggests that programs  emphasizing the enhancement of basic  motor skills that children apply in a variety  of games and sports may be an effective  approach to increasing overall activity and  fitness levels of young children” (Matvienko & Ahrabi‐Fard, 2010, p. 303).

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Two Sample 

Means (unequal N)

Testing the Difference Between Two Sample Means

• In the examples we’ve discussed so far,  we’ve compared samples from two  different populations

• These would be considered between‐ subjects research designs

– Each participant appears in only one group

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

21

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means

• Within‐subjects research designs test  differences (or change) within the same  participant

– Differences within a person regarding  different situations

– Repeated administrations (longitudinal  designs)

– Pre‐test – post‐test design

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means

• Example: − A sample of 20 parents were tested on  their knowledge of childhood depression  and anxiety. Three weeks later, following a  web‐based program, the same parents  were re‐tested on their knowledge

− Data from Deitz et al. (2009)

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

22

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means

Pre‐test Post‐test

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means

• Consequences of the same people  appearing in both conditions

– We explicitly identify the paired data by  calculating a difference between the two  scores

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

23

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means

• State the null and the alternative  hypotheses

H0: µD  =  0

H1: µD   0 µD: Mean difference between the two scores

µD  =  0 is the same as µPre‐test  = µPost‐test

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

24

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means

• Make a decision about the null  hypothesis

– Calculate the degrees of freedom (df)

df = (ND – 1)

= (20 – 1)

= 19

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means

• Make a decision about the null  hypothesis

– Set alpha (α), identify the critical values,  and state a decision rule

• For α = .05 (two‐tailed) and df = 19, critical value   =  2.093

• If t < ‐2.093 or > 2.093, reject H0; otherwise, do  not reject H0

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

25

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

• Make a decision about the null  hypothesis − Calculate a statistic: t‐test for dependent 

means:

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

• Make a decision about the null  hypothesis − Calculate standard error of the difference 

scores:

11/7/2017

26

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

• Make a decision about the null  hypothesis − Calculate t‐statistic for dependent means

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means

• Make a decision about the null  hypothesis

– Make a decision whether to reject the null  hypothesis

t = ‐5.77 < ‐2.093 reject H0 (p < .05) – Determine the level of significance

• For  = .01, critical value for t = ‐2.861 • t = ‐5.77 < ‐2.861 p < .01

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

27

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means

• Make a decision about the null hypothesis

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means

• Draw a conclusion from the analysis: – The average knowledge scores for the 20  parents were significantly higher after  completing the web‐based intervention  program (M = 21.15) than before  beginning the program (M = 15.55), t(19) =  ‐5.77, p < .01.

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

28

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means • Relate the result to the research  hypothesis – “These findings indicate that the program  can be an effective intervention for  improving parents’ knowledge of children’s  mental health problems and boost their  confidence in handling such issues …The  study findings lend support to the growing  literature on the utility of offering web‐ based programs to improve the health of  the general population” (Dietz et al, 2009,  p. 492).

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

Inferential Statistics: Testing the  Difference between Paired Means

• Assumptions of the t‐test for  dependent means

– Assumption of normality • Larger sample sizes make meeting this  assumption more likely

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016

11/7/2017

29

Looking Ahead • In this chapter, we explored the process of  hypothesis testing using a situation slightly  more complicated than those presented in  earlier chapters. However, we still use the  same basic steps in hypothesis testing. 

• Because we must rely on probability, there  exists the possibility that the decision made  about the null hypothesis may be in error.  The  next chapter discusses these errors in greater  detail, as well as what researchers can do to  minimize the possibility and impact of making  these errors.

Howard T. Tokunaga, Fundamental Statistics for the Social and Behavioral Sciences © SAGE Publications, 2016