36214

Понятие плана эксперимента. Оптимизационные свойства планов экспериментов. Полный факторный план и его свойства

Доклад

Математика и математический анализ

Оптимизационные свойства планов экспериментов. Полный факторный план и его свойства. Одной из главных задач планирования экспериментов является выбор множества экспериментальных точек в некотором смысле оптимальных.

Русский

2013-09-21

46 KB

31 чел.

12 Вопрос

Понятие плана эксперимента. Оптимизационные свойства планов экспериментов. Полный факторный план и его свойства.

Пример 5.3. Пусть объект имеет один входной параметр х. На рис. 5.1 цифрой 1 обозначена прямая, соответствующая истинной зависимости выхода от входа. Предположим, что в точках х1 и х2, расположенных вблизи средины области определения входного параметра, проведены эксперименты, но, вследствие ошибок, результаты, – точки у1 и у2, не лежат на линии 1. Построив по экспериментальным точкам уравнение эмпирической зависимости, получим прямую 2, которая, как видно на рисунке, значительно отличается от истинной зависимости.

Пусть теперь эксперименты проведены в точках х3 и х4, расположенных по краям области определения входного параметра, с такой же величиной ошибок. По полученным точкам у3 и у4 построена зависимость, соответствующая прямой 3, которая, как видно из рисунка, значительно ближе к истинной линии, чем прямая 2.

Вывод: за счет рационального выбора экспериментальных точек можно значительно повысить точность создаваемой модели.

Одной из главных задач планирования экспериментов является выбор множества экспериментальных точек, в некотором смысле оптимальных.

Def.  Пусть х – область возможных значений входных параметров объекта, которую назовем областью планирования. Планом эксперимента называется некоторое подмножество Р(х)  х точек, в которых проводятся эксперименты. Обычно план задается матрицей значений входных параметров в экспериментальных точках Х=[] – матрицей планирования, i =1,…N, j = 1,…, m.

Рассмотрим три оптимизационных свойства планов эксперимента – ортогональность, D- и G-оптимальность.

1. Ортогональные планы

Def. План называется ортогональным, если его точки расположены так на х, что столбцы матрицы Ф ортогональны.

Отметим основные свойства ортогональных планов.

1. Матрица (ФТФ) диагональна.

Из этого вытекает диагональность и матрицы (ФТФ) –1, а следовательно – независимость (некоррелированность) МНК-оценок. Это значит, например, что замена нулем любого коэффициента в уравнении модели не изменит значений оценок остальных коэффициентов. Такое свойство ортогональных планов оказывается очень полезным, когда точный вид модели неизвестен и исследователь использует экспериментальные данные для отбора переменных, существенно влияющих на выходную величину. Кроме того, диагональность матрицы (ФТФ) существенно упрощает расчетные формулы нахождения МНК-оценок.

2. Ортогональный план минимизирует дисперсию МНК-оценок при плохой спецификации модели.

2. D- и G-оптимальные планы

Def. План называется D-оптимальным, если его точки расположены так на х, что достигается max detТФ) (или, что то же самое, – min detТФ) –1).

Величина определителя матрицы С = 2ТФ)–1, согласно свойству 8 собственных значений матриц, характеризует “объем” доверительного эллипсоида МНК-оценок, а, следовательно, является обобщенной характеристикой дисперсий МНК-оценок. Поэтому свойство D-оптимальности плана экспериментов эквивалентно свойству устойчивости оценок коэффициентов модели (2.1), их близости к истинным значениям коэффициентов.

Def. План называется G-оптимальным, если его точки расположены так, что достигается минимум максимального по хх значения дисперсии прогноза D[(x)].

Для того, чтобы свойства D- и G-оптимальности зависели не от количества проведенных экспериментов, а только от выбранных точек, используется нормированная дисперсионная матрица МНК-оценок: NТФ) –1 и, соответственно, нормированная дисперсия прогноза:

d(x) = N f(x)ТТФ) –1 f(x).

Обозначим dmax = max{d(x) | x х} – максимальное значение нормированной дисперсии прогноза. Согласно определению, значение dmax должно быть минимальным, если план Р(х) является G-оптимальным. Имеют место следующие свойства.

Теорема 5.3 (об эквивалентности оптимальных планов). Для любого плана следующие утверждения эквивалентны.

1) План является D-оптимальным.

2) План является G-оптимальным.

3) dmax = k, где k – число коэффициентов модели (2.1).

Эквивалентность пунктов 1) и 2) означает, что любой D-оптимальный план экспериментов является одновременно и G-оптимальным и наоборот. Пункт 3) указывает простой способ проверки качества любого плана по величине = (dmaxk) / k. Для D- и G-оптимальных планов = 0, для прочих планов > 0.

Теорема 5.4 (об инвариантности D-оптимального плана). D-оптимальный план инвариантен относительно любого невырожденного линейного преобразования базисных функций fj(x).

7. D-оптимальные и близкие к ним планы на гиперкубе

Достижение возможно большей точности модели связано с оптимальным использованием области планирования х при проведении экспериментов. Поэтому при использовании критериев D- или G-оптимальности вид области планирования является очень важным условием задачи и произвольное изменение ее конфигурации приводит к существенному изменению оптимального плана.

Будем считать, что областью значений входных параметров объекта является гиперкуб: х = [ –1, +1] m, т.е. хj[ –1, +1], j = 1,…m. Для произвольного отрезка [] легко найти замену переменных, переводящую его в         [ –1, +1]:

.

Согласно теореме 5.4, после такой замены план останется D-оптимальным.

7.1. Полный факторный план (ПФП) – это план, в котором каждый входной параметр принимает два значения: +1 и –1 и при этом перебираются все возможные комбинации. Число строк в матрице Х равно N =2m. Рассмотрим основные свойства ПФП.

1. Столбцы матрицы Ф для линейной y = b0 + b1x1 +…+ bmxm и неполной квадратичной y = b0 + b1x1 +…+ bmxm + b12 x1 x2 + b13 x1 x3 + … + bm –1, m    xm –1 xm моделей в ПФП ортогональны, а, следовательно, матрица ФТФ диагональна и равна NIk.

Свойство легко проверяется.

2. Для линейной и неполной квадратичной моделей ПФП является D-оптимальным.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35576. Проектирование и эксплуатация газо- и водоочистки 1.88 MB
  Более того десульфурацию проводили вдувая каустическую соду в контур охлаждающей воды рис. В процессе Эрфайн можно выделить три основные стадии: охлаждения отделения пыли и обработки воды. Крупные частицы фракцией 10мкм удаляются в результате вспрыскивания распыленной циркуляционной воды в противоток отходящему газу посредством форсунок работающих на одном виде жидкости. На стадии обработки воды взвешенные твердые частицы и тяжелые металлы удаляют из сбросовых стоков данного процесса в установке обработки воды в три этапа: отделяют...
35577. АНТИПРИГОЖИН. УПРАВЛЯЕМЫЙ ХАОС 1.69 MB
  Вместо физического времени в ней использовался обратимый эрзац. Человек будучи вне времени становится богоподобным или намного ближе к квазибожественному состоянию.Ньютон же считал что вмешательство бога требуется в каждый момент времени отсюда эпигенез и гениальное предвидение И. Это вернуло прежний интерес к конструктивной роли времени.
35578. Социология. Курс лекций в схемах 2.05 MB
  Предмет и история социологии. Общество как социокультурная система. Социальные группы и общности. Массовое сознание и общественное мнение. Методология социологических исследований.
35579. История Белоруссии 492 KB
  В истории Белоруси выявлено много белых пятенБНРВКЛсоздание БССР и т.Полоцкая земля находилась на терр сев Белорусии в землях кривичейвключала в себя современную Вит обл.На границе 1314в Полоцкое княжество вошло в состав ВКЛ.В конце 13начале14 веков Туровская земля была включена в состав ВКЛ.
35580. История беларускiх зямель 228.5 KB
  Тэрмiн зясялення тэрыторыi Беларусi 40 тыс. Iндаеўрапейскi перыяд пачаўся ў бронзавым веку з часу рассялення iндаеўрапейскiх плямён на тэрыторыi Беларусi 3 2 тыс. Засяленне славянамi Беларусi адбывалася ў вынiку мiграцыi славян са сваёй прарадзiмы тэрыторыi памiж р. Славяне асiмiлiравалi балтаў i ў вынiку славянабалцкага ўзаемадзеяння ўзнiклi новыя этнiчныя супольнасцi: ва ўсходняй Еўропе больш за 15 на тэрыторыi Беларусi 3 гэта крывiчы дрыгавiчы радзiмiчы.
35581. История Руси от древних времен до ХХ столетия 221 KB
  Древние славяне - большая этническая группа: Восточные (русские, украинцы, белорусы); Западные (Чехи, Поляки); Южные (болгары, сербы, хорваты, македонцы). Соседи с севера: угро-финские племена, норманны, балты. С норманнами были напряженные отношения т.к. они промышляли грабежами, плавали во Францию, Испанию, Италию. Славяне часто платили им дань.
35582. АДМИНИСТРАТИВНОЕ ПРАВО КАК ОТРАСЛЬ ПРАВА 138.5 KB
  Административное право как отрасль современного права появилась тогда когда в правовой системе достаточное место заняли нормы закрепляющие права личности гарантии от административного произвола. Реализация в законодательстве идей естественных и неотъемлемых прав гражданина разделения властей контроля за государственной администрацией необходимое условие превращения полицейского права в административное. Административное право очень важная отрасль права так как роль государственной администрации в России очень велика.
35583. Общее понятие экономической безопасности страны 97 KB
  Понятие национальной безопасности шире понятия экономической безопасности страны оно включает оборонную экологическую энергетическую безопасность и т. Сущность экономической безопасности можно определить как такое состояние экономики и институтов власти при которых обеспечиваются гарантированная защита национальных интересов социально направленное развитие страны в целом достаточный оборонный потенциал даже при наиболее неблагоприятном условии развития внутренних и внешних процессов. Мировая практика показывает что даже при существенном...