如何区别fixed factors(固定变量)、random factors(随机变量)和covariates(协变量)?

Keykure @ 2011-08-02:

我有一个非常简单的问题就是，在SPSS里输入自变量的时候怎么来区分fixed factors, random factors 和covariates，我经常搞混淆这三者。比如我的问题中X是连续变量，是不是就不能放到fixed factors中去，只能放到covariates中？

庄主 @ 2011-08-06:

你的问题涉及两对概念之区别：一是factors(因子)与covariates(协变量)；二是fixed与random。前者易懂、后者较难，经常有人问我。

其实并不简单，涉及到两方面的基本知识：一是心理学实验的术语体系（你好像就是读心理学的？）；二是数据的unit of analysis（分析单元）和格式问题。因此，经常有人感到困惑。

一、因子与协变量之区别：

首先，两者都是自变量。区别在于测量水平：前者是名目或定类变量（只含两至数个类别，每个类别中至少要有30个案例），后者是连续或定距变量（可以含成千上百个类别，每个类别中只含一至数个案例）。当你通过这种区别、将每个自变量的测量水平告知SPSS或其它统计软件之后，软件就知道如何计算了。作为普通用户，知道这些就够了。

那么，为何SPSS不直接了当地将有关输入区标为“名目自变量”和“连续自变量”？这应该是历史遗留问题。“因子”和“协变量”是实验研究的基本概念，而实验数据传统上用ANOVA(方差分析，只含名目变量的因子)或ANCOVA(协方差，同时含名目因子和连续变量的协变量)来分析。GLM(general linear model)是ANCOVA的扩展，其中的术语也沿用了实验研究体系。这对于习惯“自变量”、“因变量”、“控制变量”等术语的回归分析用户来说，是个挑战。SPSS中很多统计子程序都有这种历史阴影。

提醒大家一下：上述是在测量层面(operationalization)上讨论“因子”和“协变量”之间的区别，它们在理论(conceptualization)上的含义很不同，不要混淆：因子可以是自变量（如外生因子）、也可以说因变量（如内生因子），两者即可以是名目变量、也可以是连续变量；协变量则被用来指“控制变量”（也是对因变量有影响的自变量、但不是理论上所关心的，所以引入以过滤其影响），可以是连续变量（如年龄）、也可以是名目变量（如性别）。

二、固定变量与随机变量之区别：

如上所述，这里的“变量”可以是因子、也可以是协变量。一个变量到底是固定还是随机的？大部分统计教科书并不详细解释，即使有讨论也较费解。以下让我用“非正式”的语言（即只讲结论不讲理由）说一下其中的关键问题。

在GLM范畴内，所谓“固定”和“随机”变量，表面上是指自变量，其实是涉及数据结构。什么意思？一、你的因变量有几个？二、你的自变量之间是“同级并列”（如个人特征）还是“上下主从”（如个人特征在下、机构或社区特征在上）？这两个维度相交，形成了下表中的四种情况。

	自变量之间关系
因变量个数	同级并列	上下主从
单个	I. 固定	II. 随机
多个	III. 随机	IV. 随机

I. 单个因变量和并列自变量：这是最常见（但也是最有局限）的数据，自变量必定是固定的。

II. 单个因变量和主从自变量：由于自变量之间有从属关系，所以形成了multilevel(多层)结构。为了与III和IV相区别，我将这种多层结构叫做“variances between-subjects”（BS差异或人际差异）。下层的自变量为随机而上层的自变量为固定。如果有3+层的话，最高一层为固定、以下各层均为随机。

III. 多个因变量和并列自变量：这时，虽然自变量之间是并列的，但因变量之间存在着明显（如同一概念时间先后的测量）或隐含（同一大概念下面的众多子概念）的关系，所以形成了与BS差异不同的另一种多层结构，我称之为variances within-subjects（WS差异或自身差异）。这种结构中，多个因变量的序号构成了下层自变量的值；而其上层自变量并不存在，需要在GLM或类似程序中构建相应的虚拟变量（我知道，这句话对没有实际操作经验者来说是很难懂的，如不理解就暂且跳过吧）。但是，WS差异结构与BS差异结构相同的是，最高层的自变量总是固定的，而以下各层的自变量均是随机的。

IV. 多个因变量和主从自变量：这种结构同时兼有BS差异和WS差异（即BS-WS差异），其最上层的BS自变量和WS自变量都是固定的而以下各层各种变量都是随机的。这当然是最丰富、也是最难得的数据，如固定样本数据的SEM模型。

希望上述分类有助于大家理解或判断固定和随机变量的表面区别。需要注意的是，随机变量可以当作固定变量处理（当然有犯Type-I错误，即可能过高估计自变量的影响。实际研究上，很多II类数据被当作I类处理）。但是反之不亦然，固定变量不可能成为随机变量。