7237

Статистическое планирование эксперимента

Лекция

Социология, социальная работа и статистика

Лекция 5. Статистическое планирование эксперимента Чтобы провести экспериментальные исследования наиболее эффективно необходим научный подход к его планированию. Инициатором применения статистических методов в планировании экспериментов является Рон...

Русский

2013-01-20

41 KB

45 чел.

Лекция 5.

Статистическое планирование эксперимента

Чтобы провести экспериментальные исследования наиболее эффективно необходим научный подход к его планированию.

Инициатором применения статистических методов в планировании экспериментов является Рональд Фишер.

Под статистическим планированием эксперимента будем понимать такую организацию экспериментального исследования, которая позволит собрать необходимые данные, применить для их анализа статистические методы и сделать правильные и объективные выводы.

В любой экспериментальной задаче два аспекта: планирование эксперимента и статистический анализ данных.

В основе планирования эксперимента лежат два основных принципа – репликация и рандомизация.

Репликация – это повторение основного эксперимента. Повторные опыты обладают важными свойствами. Они позволяют получить более точную оценку исследуемого в эксперименте эффекта, а также оценку ошибки эксперимента (случайной погрешности).

Рандомизация – это принцип, в соответствии с которым распределение экспериментального материала и порядок, в котором должны проводится отдельные опыты, устанавливается случайным образом. Для применения статистических методов требуется чтобы наблюдения были независимыми случайными переменными. Рандомизация обеспечивает справедливость этого допущения.

Этапы проведения экспериментальных исследований

  1.  Формулировка задачи.
  2.  Выбор модели объекта исследований, факторов и уровней их варьирования.

В качестве наиболее подходящей модели объекта исследований рекомендуется выбирать так называемый черный ящик.

                                                z

x                                                                                                 y

                                                w

Входы, обозначенные стрелками, направленными к объекту, характеризуют все способы возможного воздействия на объект исследований (это входные параметры). Выходы, обозн. стрелками, направленными от объекта, характеризуют качество объекта исследований (это выходные параметры или критерии оптимизации).

К числу входных параметров относят управляющие, контролируемые и возмущающие параметры.

Управляющие параметры x1, x2, …, xk – основные, на них можно воздействовать с целью изменения значений критериев оптимизации.

Контролируемые параметры z1, z2, …, zn – измеряют в процессе исследования, их не изменяют целенаправленно, возможность воздействия на них отсутствует.

Возмущающие параметры w1, w2, …,wr – неконтролируемые,  их значения изменяются случайным образом.

Фактором называется управляемая независимая переменная, соответствующая одному из возможных способов воздействия на объект исследований.

При планировании эксперимента необходимо отобрать те факторы, которые будут повергаться исследованию.

Факторы могут принимать определенные значения, которые называют уровнями варьирования факторов. Каждому состоянию черного ящика соответствует определенное сочетание уровней всех факторов.

На данной стадии работы необходимо принять ограничения на факторы и определить положение нулевой точки – точки из которой желательно начинать эксперимент.

  1.  Выбор критериев оптимизации.

Задачи могут быть однокритериальные и многокритериальные.

При выборе единичного критерия необходимо, чтобы он однозначно и с достаточной полнотой количественно характеризовал качество объекта исследований.

  1.  Выбор плана эксперимента

На данном этапе определяется количество проводимых опытов,  порядок сбора данных, метод рандомизации. Также на данном шаге необходимо согласовать между собой статистическую точность и стоимость эксперимента.

  1.  Проведение эксперимента.
  2.  Анализ данных

Для анализа данных эксперимента применяются статистические методы. При этом широко применяется вычислительная техника и графические методы.

  1.  Выводы и рекомендации

По завершении анализа данных необходимо сделать выводы относительно своих результатов. Необходимо дать физическую интерпретацию статистических выводов.

Важной особенностью планирования эксперимента является стадия движения в область оптимума, которая часто позволяет значительно сократить объем экспериментальной работы. Не имеет смысла тщательно изучать ту область факторного пространства, в которой заведомо отсутствует искомый оптимум.

Планирование эксперимента связано с изучением зависимости критериев оптимизации от величины управляющих параметров

где y – критерий оптимизации, величина которого контролируется в ходе эксперимента

- факторы, которые решено варьировать при проведении эксперимента.

В данном случае о функции цели говорят как о функции отклика, поскольку величина критерия оптимизации является откликом (реакцией) на воздействие факторов.

Если аналитический вид функции цели неизвестен, то ее аппроксимируют полиномом:

Аппроксимацию начинают с первой степени и повышают только если целесообразность этого доказана на предыдущем этапе.

По величине коэффициентов регрессии судят о степени влияния соответствующих факторов на величину критерия оптимизации.

Для поиска оптимума (минимума или максимума) целевой функции применяются, в зависимости от ситуации, различные методы.

Это методы линейного и нелинейного программирования, градиентные методы, методы случайного поиска, генетические методы и т.д.

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

15296. Определение молярной массы и плотности газа 55 KB
  В результате проделанной работы я получил конечные значения молярной массы и плотности воздуха. Сравнил с табличными значениями: оказалось, что разница между полученными и табличными значениями очень мала, лишь небольшое расхождение
15297. Изучение магнитного поля соленоида балестическим методом 81 KB
  В результате проделанной работы я познакомился с баллестическим методом измерения магнитного поля соленоида, получил зависимость его от силы тока и от расстояния от центра соленоида. В результате измерений получил конкретные значения, сравнил с теоретическими
15298. Изучение явления поляризации света 58.5 KB
  В результате проделанной работы я познакомился с методами получения значения концентрации веществ в водном растворе с помощью специальных устройств, действие которых основано на измерении угла поляризации света. В итоге получил определённые значения. Также получил и погрешности в результате
15299. Снятие кривой намагничивания ферромагнитного образца 69.5 KB
  В результате проделанной работы я познакомился с методами получения кривой намагничивания ферромагнитного образца, построил графики зависимости В(В0) и М(В0). Получившаяся кривая практически совпадает с табличными значениями. Не значительные расхождения свазаны с наличием погрешностей в данной лабораторной работе
15300. Измерение удельного заряда электрона методом магнетрона 56.5 KB
  В результате проделанной работы я познакомился с измерением заряда электрона методом магнетрона, получил зависимость анодного тока от тока в соленоиде. В результате получил конкретные значения, которые сравнил с теоретическими
15301. Изучение дифракционных решеток. Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки 55.5 KB
  В результате проделанной мною работы я познакомился с методами изучения дифракционных решеток и определения длины световой волны с помощью дифракционной решетки. Получил определённые значения с погрешностями
15302. Исследования полупроводникового резистора 52 KB
  В результате проделанной работы я получил конечные значения запрещённой зоны проводника, изучил вольт-амперную характеристику полупроводника Германия. Также получил зависимость ln R от 1000/T произведение тангенца угла наклона на постоянную Больцмана умноженное на 2 численно равно величине запирающего слоя
15303. Растровый редактор Gimp 4.09 MB
  Лабораторная работа № 5. Растровый редактор Gimp Вариант 1 Задание к лабораторной роботе: Выполнить задание по инструкции Творчески доработать картинку добавить чтото свое В отчет: Текстовый фал тема название задания скриншот картинки Файл рисунка...
15304. Творческая работа в растровом редакторе Gimp 2.44 MB
  Лабораторная работа № 5. Растровый редактор Gimp Вариант 2 Задание к лабораторной роботе: Выполнить задание по инструкции Творчески доработать картинку добавить чтото свое В отчет: Текстовый фал тема название задания скриншот картинки Файл рисун...