高级生物统计正交设计 (2)精选PPT.ppt
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1、高级生物统计正交设计第1页,此课件共63页哦 在实际工作中在实际工作中,常常需要同时考察,常常需要同时考察 3个或个或3个以上的试验因素个以上的试验因素,若进行全面试验,若进行全面试验,则试验的规模将很大则试验的规模将很大,往往因试验条件的限,往往因试验条件的限制而难于实施制而难于实施。正交设计正交设计就是安排多因素试验就是安排多因素试验、寻求最、寻求最优水平组合的一种优水平组合的一种 高效率试验设计方法。高效率试验设计方法。第2页,此课件共63页哦一、正交设计的概念及原理 (一)正交设计的基本概念 正交设计是利用正交表来安排与分析多正交设计是利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法。因
2、素试验的一种设计方法。它从试验的全部它从试验的全部水平组合中,挑选部分有代表性的水平组合水平组合中,挑选部分有代表性的水平组合进行试验,通过对这部分试验结果的分析了进行试验,通过对这部分试验结果的分析了解全面试验的情况,解全面试验的情况,找出最优水平组合。找出最优水平组合。第3页,此课件共63页哦 例如,例如,研究如下研究如下3个因素对某品种鸡生产性能的影响:个因素对某品种鸡生产性能的影响:A因素是饲料配方,设因素是饲料配方,设A1、A2、A3 3个水平个水平;B因素是光照因素是光照,设,设 B1、B2、B3 3个水平个水平;C因素是温度,设因素是温度,设C1、C2、C3 3个水平。个水平。这
3、是一个这是一个3因素因素3水平的试验水平的试验,各因素的水平之间全部,各因素的水平之间全部可能的组合有可能的组合有27种种。第4页,此课件共63页哦 如果试验方案包含各因素的全部水平组合,如果试验方案包含各因素的全部水平组合,即即进行全面试验进行全面试验,可以分析各因素的效应,可以分析各因素的效应,交,交互作用,也可选出最优水平组合互作用,也可选出最优水平组合。这是全面试验。这是全面试验的优点的优点。但全面试验包含的水平组合数较多,工。但全面试验包含的水平组合数较多,工作量大作量大,由于受试验场地、试验动物、经费等限,由于受试验场地、试验动物、经费等限制而难于实施制而难于实施。如果试验的主要目
4、的是寻求最优水平组合,如果试验的主要目的是寻求最优水平组合,则可利用正交设则可利用正交设计来安排试验来安排试验。第5页,此课件共63页哦 正交设计的正交设计的基本特点基本特点是:是:用部分试验来代用部分试验来代替全面试验,通过对部分试验结果的分析,了替全面试验,通过对部分试验结果的分析,了解全面试验的情况。解全面试验的情况。正交试验是用部分试验来代替全面试验,正交试验是用部分试验来代替全面试验,它不可能像全面试验那样对各因素效应、交互它不可能像全面试验那样对各因素效应、交互作用一一分析;作用一一分析;当交互作用存在时,有可能出当交互作用存在时,有可能出现交互作用的混杂现交互作用的混杂。第6页,
5、此课件共63页哦 如如对对于于上上述述3因因素素3水水平平试试验验,若若不不考考虑虑交交互互作作用用,可可利利用用正正交交表表L9(34)安安排排,试试验验方方案案仅仅包包含含9个个水水平平组组合合,就就能能反反映映试试验验方方案案包包含含27个个水水平平组组合合的的全全面面试试验验的的情情况况,找出最佳的生产条件。找出最佳的生产条件。第7页,此课件共63页哦(二二)正交设计的基本原理正交设计的基本原理 上例中,全面试验试验方案如表上例中,全面试验试验方案如表1所示所示。A1 A2 A3B3B2B1C1C2C3第8页,此课件共63页哦表表表表1 31 3因素因素因素因素3 3水平全面试验方案水
6、平全面试验方案水平全面试验方案水平全面试验方案第9页,此课件共63页哦 图图1 3因素因素3水平试验的均衡分散立体图水平试验的均衡分散立体图A1 A2 A3B3B2B1C1C2C3123654789第10页,此课件共63页哦 正正交交设设计计就就是是从从全全面面试试验验点点(水水平平组组合合)中中挑挑选选出出有有代代表表性性的的部部分分试试验验点点(水水平平组组合合)来来进进行行试试验验。图图1中中标标有有试试验验号号的的九九个个“()”,就就是是利利用用正正交交表表L9(34)从从27个个试试验验点点中中挑挑选选出出来的来的9个试验点。即:个试验点。即:(1)A1B1C1 (4)A2B1C2
7、 (7)A3B1C3(2)A1B2C2 (5)A2B2C3 (8)A3B2C1(3)A1B3C3 (6)A2B3C1 (9)A3B3C2第11页,此课件共63页哦 上述选择上述选择,保证了,保证了A因素的每个水平与因素的每个水平与B因素因素、C 因因 素的各个水平在试验中各搭配一次。素的各个水平在试验中各搭配一次。从图从图1中可以看到,中可以看到,9个个试验点分布是均衡试验点分布是均衡的的,在立方体的每个平面上,在立方体的每个平面上,都恰是,都恰是3个试验个试验点;在立方体的每条线上也恰有一个试验点。点;在立方体的每条线上也恰有一个试验点。9个试验点均衡地分布于整个立方体内个试验点均衡地分布于
8、整个立方体内,有很强的代表性,能够比较全面地反映全面试有很强的代表性,能够比较全面地反映全面试验的基本情况。验的基本情况。第12页,此课件共63页哦二、正交表及其特性 (一)正交表 表表2 是一张正交表,记号为是一张正交表,记号为L8(27),其,其中中“L”代表正交表代表正交表;L 右下角的数字右下角的数字“8”表示有表示有8行,用这张正交表安排试验包含行,用这张正交表安排试验包含8个个处理处理(水平组合水平组合);括号内的底数;括号内的底数“2”表示因表示因素的水平数,括号内素的水平数,括号内2的指数的指数“7”表示有表示有7列列,用这张正交表最多可以安排,用这张正交表最多可以安排7个个2
9、水平因素。水平因素。第13页,此课件共63页哦表表表表2 2 L L8 8(2(27 7)正交表正交表正交表正交表第14页,此课件共63页哦 常常用用的的正正交交表表已已由由数数学学工工作作者者制制定定出出来来,供供进进行行正正交交设设计计时时选选用用。2水水平平正正交交表表除除L8(27)外外,还还有有L4(23)、L16(215)等等;3水水平平正正交交表表有有L9(34)、L27(313)等。等。第15页,此课件共63页哦(二二)正交表的特性正交表的特性 1 1、任一列中,不同数字出现的次数相等、任一列中,不同数字出现的次数相等 例如例如L8(27)中不同数字只有中不同数字只有1和和2,
10、它们,它们各出现各出现4次;次;L9(34)中不同数字有中不同数字有1、2和和3,它,它们各出现们各出现3次次。第16页,此课件共63页哦 2 2、任两列中,同一横行所组成的数字对出、任两列中,同一横行所组成的数字对出现的次数相等现的次数相等 例如例如 L8(27)中中(1,1),(1,2),(2,1),(2,2)各出现两次;各出现两次;L9(34)中中(1,1),(1,2),(1,3),(2,1),(2,2),(2,3),(3,1),(3,2),(3,3)各出现各出现1次。即每个因素的一个水平与另一因次。即每个因素的一个水平与另一因素的各个水平互碰次数相等,表明任意两列各个数字之素的各个水平
11、互碰次数相等,表明任意两列各个数字之间的间的搭配是均匀搭配是均匀的。的。第17页,此课件共63页哦 根据以上两个特性,我们用正交表安排的根据以上两个特性,我们用正交表安排的试验,具有试验,具有均衡分散均衡分散和和整齐可比整齐可比的特点。的特点。所谓所谓均衡分散均衡分散,是指用正交表挑选出来的是指用正交表挑选出来的各因素水平组合在全部水平组合中的分布是均各因素水平组合在全部水平组合中的分布是均衡的衡的。由由 图图1可以看出,在立方体中可以看出,在立方体中,任一,任一平面内都包含平面内都包含 3 个个“()”,任一直线上都任一直线上都包含包含1个个“()”。第18页,此课件共63页哦 整齐可比整齐
12、可比是指每一个因素的各水平间具有可是指每一个因素的各水平间具有可比性比性。因为正交表中每一因素的任一水平下都均因为正交表中每一因素的任一水平下都均衡地包含着另外因素的各个水平,当比较某因衡地包含着另外因素的各个水平,当比较某因素不同水平时,其它因素的效应都彼此抵消。素不同水平时,其它因素的效应都彼此抵消。如在如在A、B、C 3个因素中,个因素中,A因素的因素的 3 个水平个水平 A1、A2、A3 条件下各有条件下各有 B、C 的的 3 个不同水个不同水平,即:平,即:第19页,此课件共63页哦 第20页,此课件共63页哦 在在这这9个个水水平平组组合合中中,A因因素素各各水水平平下下包包括括了
13、了B、C因因素素的的3个个水水平平,虽虽然然搭搭配配方方式式不不同同,但但B、C皆皆处处于于同同等等地地位位,当当比比较较A因因素素不不同同水水平平时时,B因因素素不不同同水水平平的的效效应应相相互互抵抵消消,C因因素素不不同同水水平平的的效效应应也也相相互互抵抵消消。所所以以A因因素素3个个水水平平间间具具有有可可比比性性。同同样样,B、C因因素素3个水平间亦具有可比性个水平间亦具有可比性。第21页,此课件共63页哦(三)正交表的类别 1、相相同同水水平平正正交交表表 各各列列中中出出现现的的最最大大数数字字相相同同的的正正交交表表称称为为相相同同水水平平正正交交表表。如如L4(23)、L8
14、(27)、L12(211)等等各各列列中中最最大大数数字字为为2,称称为为两两水水平平正正交交表表;L9(34)、L27(313)等等各各列中最大数字为列中最大数字为3,称为,称为3水平正交表。水平正交表。第22页,此课件共63页哦 2、混混合合水水平平正正交交表表 各各列列中中出出现现的的最最大大数数字字不不完完全全相相同同的的正正交交表表称称为为混混合合水水平平正正交交表表。如如L8(424)表表中中有有一一列列最最大大数数字字为为4,有有4列列最最大大数数字字为为2。也也就就是是说说该该表表可可以以安安排排一一个个4水水平平因因素素和和4个个2水水平平因因素素。再再如如L16(4423)
15、,L16(4212)等都混合水平正交表。等都混合水平正交表。第23页,此课件共63页哦三、正交设计方法 【例例1】在在 进进 行行 矿矿 物质元素对架子猪物质元素对架子猪补饲试验中,考察补饲配方、用量、食盐补饲试验中,考察补饲配方、用量、食盐3个个因素,每个因素都有因素,每个因素都有3个水平。试安排一个正个水平。试安排一个正交试验方案。交试验方案。第24页,此课件共63页哦(一一)确定因素和水平确定因素和水平 影响试验结果的因素很多,我们不可能把所有影响因影响试验结果的因素很多,我们不可能把所有影响因素通过一次试验都予以研究,只能根据以往的经验,挑选素通过一次试验都予以研究,只能根据以往的经验
16、,挑选和确定若干对试验指标影响最大、有较大经济意义而又了和确定若干对试验指标影响最大、有较大经济意义而又了解不够清楚的因素来研究。同时还应根据实际经验和专业解不够清楚的因素来研究。同时还应根据实际经验和专业知识,定出各因素适宜的水平,列出因素水平表。知识,定出各因素适宜的水平,列出因素水平表。【例例1】的因素水平表如表的因素水平表如表3所示。所示。第25页,此课件共63页哦水水 平平因因 素素矿矿物物质质元素元素补补饲饲配方配方(A)用用 量量(g)(B)食食 盐盐(g)(C)1配方配方I(A1)15(B1)0(C1)2配方配方II(A2)25(B2)4(C2)3配方配方III(A3)20(B
17、3)8(C3)表表3 因素水平表因素水平表第26页,此课件共63页哦(二)选用合适的正交表 根根据据因因素素、水水平平及及需需要要考考察察的的交交互互作作用用的多少来选择合适的正交表。的多少来选择合适的正交表。选选用用正正交交表表的的原原则则是是:既既要要能能安安排排下下试试验验的的全全部部因因素素,又又要要使使部部分分水水平平组组合合数数(处处理数)尽可能地少理数)尽可能地少。第27页,此课件共63页哦 一一般般情情况况下下,试试验验因因素素的的水水平平数数应应恰恰好好等等于于正正交交表表记记号号中中括括号号内内的的底底数数;因因素素的的个个数数(包包括括交交互互作作用用)应应不不大大于于正
18、正交交表表记记号号中中括括号号内内的的指指数数;各各因因素素及及交交互互作作用用的的自自由由度度之之和和要要小小于于所所选选正正交交表表的的总总自自由由度度,以以便便估估计计试试验验误误差差。若若各各因因素素及及交交互互作作用用的的自自由由度度之之和和等等于于所所选选正正交交表表总总自自由由度,则可采用有重复正交试验来估计试验误差。度,则可采用有重复正交试验来估计试验误差。第28页,此课件共63页哦 此此例例有有3个个3水水平平因因素素,若若不不考考察察交交互互作作用用,则则各各因因素素自自由由度度之之和和为为(水水平平数数-1)因因素素数数个个数数=(3-1)3=6,小小于于L9(34)总总
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