Transcript
  • Wykład 7Teoria eksperymentu

    Magdalena Frąszczak

    Wrocław, 19.04.2017r

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Układ niekompletnych bloków losowych

    Zrównoważone niekompletne bloki: Gdy wszystkie porównaniawyników są jednakowo ważne należy tak wybrać kombinacjeczynników pojawiających się w blokach, aby każda para czynnikówpojawiała się razem taką samą ilość razy.Taki układ zrównoważonych niekompletnych bloków otrzymamygdy:a - czynnnikówk - ilość czynników w każdym z bloków (k < a)(

    ak

    )- liczba sposobów, na które możemy wybrać czynniki do

    bloku

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Układ niekompletnych bloków losowych

    Analiza statystyczna

    a - poziomów badanego czynnika

    b - bloków

    każdy blok zawiera k poziomów czynnika

    każdy poziom czynnika ma r replikacji - pojawia się r razy

    N = ar = bk - całkowita liczba obserwacji

    każda para czynnika pojawia się w tym samym bloku

    λ =r(k − 1)a− 1

    gdy a = b - układ symetryczny

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Układ niekompletnych bloków losowych

    Analiza statystyczna

    a - poziomów badanego czynnika

    b - bloków

    każdy blok zawiera k poziomów czynnika

    każdy poziom czynnika ma r replikacji - pojawia się r razy

    N = ar = bk - całkowita liczba obserwacji

    każda para czynnika pojawia się w tym samym bloku

    λ =r(k − 1)a− 1

    gdy a = b - układ symetryczny

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Układ niekompletnych bloków losowych

    Analiza statystyczna

    a - poziomów badanego czynnika

    b - bloków

    każdy blok zawiera k poziomów czynnika

    każdy poziom czynnika ma r replikacji - pojawia się r razy

    N = ar = bk - całkowita liczba obserwacji

    każda para czynnika pojawia się w tym samym bloku

    λ =r(k − 1)a− 1

    gdy a = b - układ symetryczny

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Układ niekompletnych bloków losowych

    Analiza statystyczna

    a - poziomów badanego czynnika

    b - bloków

    każdy blok zawiera k poziomów czynnika

    każdy poziom czynnika ma r replikacji - pojawia się r razy

    N = ar = bk - całkowita liczba obserwacji

    każda para czynnika pojawia się w tym samym bloku

    λ =r(k − 1)a− 1

    gdy a = b - układ symetryczny

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Układ niekompletnych bloków losowych

    Model statystyczny

    yij = µ+ τi + βj + �ij

    τi - efekt i-tego poziomu czynnikaβj - efekt j - tego bloku�ij ∼ N(0, σ2) - iid. - błąd losowy.

    Całkowitą zmienność można zapisać:

    SST = SSczynnik dopasowany + SSB + SSE =a∑

    i=1

    b∑j=1

    y2ij −y2..N

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Układ niekompletnych bloków losowych

    Model statystyczny

    yij = µ+ τi + βj + �ij

    τi - efekt i-tego poziomu czynnikaβj - efekt j - tego bloku�ij ∼ N(0, σ2) - iid. - błąd losowy.

    Całkowitą zmienność można zapisać:

    SST = SSczynnik dopasowany + SSB + SSE =a∑

    i=1

    b∑j=1

    y2ij −y2..N

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Układ niekompletnych bloków losowych

    Model statystyczny

    Uwaga

    Suma kwadratów dla czynników jest dostosowana tak abyodseparować wpływ czynników od wpływu bloków. Taka poprawkajest konieczna ponieważ każdy poziom czynnika jestreprezentowany w różnych zbiorach r bloków.Bez wzięcia pod uwagę poprawki sumy y1., y2., . . . , ya. podlegająwpływom różnic między blokami.

    SSB =∑b

    j=1y2.jk −

    y2..N

    SScz dop =k∑a

    i=1Q2i

    λa

    Qi = yi . − 1k∑b

    j=1 nijyij , i = 1, 2, . . . , a

    nij =

    {1 czynnik i występuje w j− tym bloku0 poza tym

    Qi - dopasowana całókowita suma dla i-tego poziomu czynnikaMagdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Układ niekompletnych bloków losowych

    źródło suma stopnie średnizmienności kwadratów swobody kwadrat Fczynnik

    dopasowanyk∑a

    i=1Q2i

    λa a− 1SSczdopa−1

    MSczdopMSE

    do bloków

    bloki∑b

    j=1y2.jk −

    y2..N b − 1

    błąd dopełnienie N − a− b + 1 SSEN−a−b+1

    całkowita∑a

    i

    ∑bj y2ij −

    y2..N N − 1

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.1

    Inżynier chemik uważa, że czas reakcji pewnego procesuchemicznego jest funkcją użytego katalizatora. W użyciu są czterykatalizatory. Eksperyment polega na wybraniu próbek substancjibiorących udział w reakcji i przeprowadzeniu oddzielnych procesówprzy użyciu każdego z katalizatorów pomiaru czasu reakcji. Inżyniertraktuje próbki pochodzące od różnych producentów jako bloki.Niestety każda próbka pochodząca od jednego producentawystarcza na przeprowadzenie trzech kataliz. Chemik postanawiaskorzystać z układu zrównoważonych niekompletnych bloków.

    producent materiałukatalizator 1 2 3 4 yi .

    1 73 74 − 71 2182 − 75 67 72 2143 73 75 68 − 2164 75 − 72 75 222y.j 221 224 207 218 y.. = 870Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.1 - cd

    a = 4; b = 4; k = 3; r = 3; λ = 2; N = 12SST =

    ∑4i

    ∑4j y2ij −

    y2..N = 63.156−

    870212 = 81

    SSB =∑4

    j=1y2.j3 −

    y2..12 = 55

    Q1 = 218− 13(221 + 224 + 218) = −93

    Q2 = 214− 13(207 + 224 + 218) = −73

    Q3 = 216− 13(221 + 207 + 224) = −43

    Q4 = 222− 13(221 + 207 + 218) =203

    SScz dop =3∑4

    i=1Q2i

    2·4 = 22.75SSE = SST − SSB − SScz dop = 81− 22.75− 55 = 3.25

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.1 - cd

    źródło suma stopnie średnizmienności kwadratów swobody kwadrat Fkatalizator 22.75 3 7.58 11.66producent 55 3 -błąd 3.25 5 0.65całkowita 81 11

    F0 = 11.66 > 5.41 = F0.05(3, 5) - odrzucamy H0

    Katalizatory użyte w reakcjach mają istotny wpływ na czasprzebiegu reakcji.

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.1 - cd

    źródło suma stopnie średnizmienności kwadratów swobody kwadrat Fkatalizator 22.75 3 7.58 11.66producent 55 3 -błąd 3.25 5 0.65całkowita 81 11

    F0 = 11.66 > 5.41 = F0.05(3, 5) - odrzucamy H0

    Katalizatory użyte w reakcjach mają istotny wpływ na czasprzebiegu reakcji.

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.1 - cd

    źródło suma stopnie średnizmienności kwadratów swobody kwadrat Fkatalizator 22.75 3 7.58 11.66producent 55 3 -błąd 3.25 5 0.65całkowita 81 11

    F0 = 11.66 > 5.41 = F0.05(3, 5) - odrzucamy H0

    Katalizatory użyte w reakcjach mają istotny wpływ na czasprzebiegu reakcji.

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Estymacja parametrów metodą najmniejszych kwadratów

    Równania normalne w układzie zrównoważonych niekompletnychbloków mają postać:µ : Nµ̂+ r

    ∑ai=1 τ̂i + k

    ∑bj=1 β̂j = y..

    τi : r µ̂+ r ˆτi=1 +∑b

    j=1 nij + β̂j = yi ., i = 1, 2, . . . , a

    βj : kµ̂+∑a

    i=1 nij τ̂i + kβ̂j = y.j , j = 1, 2, . . . , a

    Przy założeniu, że∑τ̂i −

    ∑β̂j dostajemy µ̂ = y..

    Następnie korzystając z równania na {βj} aby wyeliminować efektybloków z równania na {τi} otrzymujemy:(?)rk τ̂i − r τ̂i −

    ∑bj=1

    ∑ap=1;p 6=i nijnpj τ̂p = kyi . −

    ∑bj=1 nijy.j

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Estymacja parametrów metodą najmniejszych kwadratów

    Równania normalne w układzie zrównoważonych niekompletnychbloków mają postać:µ : Nµ̂+ r

    ∑ai=1 τ̂i + k

    ∑bj=1 β̂j = y..

    τi : r µ̂+ r ˆτi=1 +∑b

    j=1 nij + β̂j = yi ., i = 1, 2, . . . , a

    βj : kµ̂+∑a

    i=1 nij τ̂i + kβ̂j = y.j , j = 1, 2, . . . , aPrzy założeniu, że

    ∑τ̂i −

    ∑β̂j dostajemy µ̂ = y..

    Następnie korzystając z równania na {βj} aby wyeliminować efektybloków z równania na {τi} otrzymujemy:(?)rk τ̂i − r τ̂i −

    ∑bj=1

    ∑ap=1;p 6=i nijnpj τ̂p = kyi . −

    ∑bj=1 nijy.j

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Estymacja parametrów metodą najmniejszych kwadratów

    Równania normalne w układzie zrównoważonych niekompletnychbloków mają postać:µ : Nµ̂+ r

    ∑ai=1 τ̂i + k

    ∑bj=1 β̂j = y..

    τi : r µ̂+ r ˆτi=1 +∑b

    j=1 nij + β̂j = yi ., i = 1, 2, . . . , a

    βj : kµ̂+∑a

    i=1 nij τ̂i + kβ̂j = y.j , j = 1, 2, . . . , aPrzy założeniu, że

    ∑τ̂i −

    ∑β̂j dostajemy µ̂ = y..

    Następnie korzystając z równania na {βj} aby wyeliminować efektybloków z równania na {τi} otrzymujemy:(?)rk τ̂i − r τ̂i −

    ∑bj=1

    ∑ap=1;p 6=i nijnpj τ̂p = kyi . −

    ∑bj=1 nijy.j

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Estymacja parametrów metodą najmniejszych kwadratów

    Zauważmy, że prawa strona tego równania jest równa kQi , gdzie:Qi = yi . − 1k

    ∑bj=1 nijy.j - i - ta dopasowana suma.

    Ponieważ:∑b

    j=1 nijnpj = λ, gdy p 6= ioraz n2pj = npj (ponieważ npj = 0 ∨ 1)Zatem możemy (?) zapisać w postaci:r(k − 1)τ̂i − λ

    ∑ap=1;p 6=i τ̂p = kQi ; i = 1, 2, . . . , a

    Dalej:∑ai=1 τ̂i = 0⇒

    ∑ap=1;p 6=i τ̂p = −τ̂i

    co z warunkiem:λ = r(k−1)a−1daje λaτ̂i = kQi ; i = 1, 2, . . . , aZatem estymator NK ma postać:

    τ̂i =kQiλa

    , i = 1, 2, . . . , a

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.1 - cd

    Q1 = −93, Q2 = −

    73, Q3 = −

    43, Q4 =

    203,

    τ̂1 =3·(−9/3)2·4 = −

    98 τ̂3 == −

    48

    τ̂2 =3·(−7/3)2·4 = −

    78 τ̂3 == −

    208

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.1 - cd

    Q1 = −93, Q2 = −

    73, Q3 = −

    43, Q4 =

    203,

    τ̂1 =3·(−9/3)2·4 = −

    98 τ̂3 == −

    48

    τ̂2 =3·(−7/3)2·4 = −

    78 τ̂3 == −

    208

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Yates (1940) zauważył, że jeśli efekty pochodzące od przynależeniado bloku są nieskorelowanymi zmiennymi losowymi o średniej zero iwariancji σ2β, to możemy otrzymać dodatkową informację na tematbadanego czynnika

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Analiza międzyblokowaRozpatrzmy sumy w blokach y.j jako b obserwacji.Modelem dla tych obserwacji jest

    y.j = kµ+a∑

    i=1

    nijτi + (kβj +a∑

    i=1

    �ij)

    Międzyblokowymi estymatorami parametrów µ i τi są estymatorywyznaczomen MNK otrzymane przez minimalizację funkcji:

    L =b∑

    j=1

    (y.j − kµ−

    a∑i=1

    nijτi

    )2

    co prowadzi do równań: µ : Nµ̃+ r∑a

    i=1 τ̃i = y..τi : kr µ̃+ r τ̃i + λ

    ∑ap=1 τ̃p =

    ∑bj=1 nijy.j , i = 1, 2, . . . , a.

    Rozwiązując twe równania dostajemy estymatory międzyblokoweparametrów µ̃ i τ̃i .

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Biorąc pod uwagę warunek

    a∑i=1

    τ̃i = 0

    możemy przedstawić rozwiązanie równania (?) w postaci:

    µ̃ = ȳ..

    τ̃i =

    ∑bj=1

    nijy.j−kr ȳ..r−λ i = 1, 2, . . . , a

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Uwaga

    Można pokazać, że estymatory międzyblokwe {τ̃i} i estymatorywewnątrzblokowe {τ̂i} są nieskorelowane.

    Można połączyć estymatory międzyblokwe {τ̃i} i estymatorywewnątrzblokowe {τ̂i} aby otrzymać jeden nieobciążony estymatoro minimalnej wariancji parametru τi

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Uwaga

    Można pokazać, że estymatory międzyblokwe {τ̃i} i estymatorywewnątrzblokowe {τ̂i} są nieskorelowane.

    Można połączyć estymatory międzyblokwe {τ̃i} i estymatorywewnątrzblokowe {τ̂i} aby otrzymać jeden nieobciążony estymatoro minimalnej wariancji parametru τi

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Uwaga

    Można pokazać, że τ̃i i τ̂i są estymatorami nieobciążonymi oraz, że:

    Var(τ̂i ) =k(a−1)λa2

    σ2

    Var(τ̃i ) =k(a−1)a(r−λ) (σ

    2 + kσ2β)

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Rozpatrzmy liniową kombinację:

    τ∗i = α1τ̂i + α2τ̃i

    jako estymator τi

    Estymator postaci τ∗i będzie miał minimalną wariancję i będzienieobciążony gdy

    α1 =u1

    u1 + u2α2 =

    u2u1 + u2

    gdzie:

    u1 =1

    Var(τ̂i )u2 =

    1Var(τ̃i )

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Rozpatrzmy liniową kombinację:

    τ∗i = α1τ̂i + α2τ̃i

    jako estymator τiEstymator postaci τ∗i będzie miał minimalną wariancję i będzienieobciążony gdy

    α1 =u1

    u1 + u2α2 =

    u2u1 + u2

    gdzie:

    u1 =1

    Var(τ̂i )u2 =

    1Var(τ̃i )

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Z wcześniejszych wzorów otrzymujemy, że:

    τ∗i =τ̂i

    k(a−1)a(r−λ) (σ

    2 + kσ2β) + τ̃ik(a−1)λa2

    σ2

    (r − λ)σ2 + λa(σ2 + kσ2β), i = 1, 2, . . . , a

    co sprowadza się do:

    τ∗i =kQi (σ

    2 + kσ2β) + (∑b

    j=1 nijy.j − kr ȳ..)σ2

    (r − λ)σ2 + λa(σ2 + kσ2β), i = 1, 2, . . . , a

    Niestety problemem jest nieznajomość σ2 i σ2β.Postępujemy standardowo - zastępujemy nieznane waretościparametrów ich estymatorami

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Z wcześniejszych wzorów otrzymujemy, że:

    τ∗i =τ̂i

    k(a−1)a(r−λ) (σ

    2 + kσ2β) + τ̃ik(a−1)λa2

    σ2

    (r − λ)σ2 + λa(σ2 + kσ2β), i = 1, 2, . . . , a

    co sprowadza się do:

    τ∗i =kQi (σ

    2 + kσ2β) + (∑b

    j=1 nijy.j − kr ȳ..)σ2

    (r − λ)σ2 + λa(σ2 + kσ2β), i = 1, 2, . . . , a

    Niestety problemem jest nieznajomość σ2 i σ2β.Postępujemy standardowo - zastępujemy nieznane waretościparametrów ich estymatorami

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Z wcześniejszych wzorów otrzymujemy, że:

    τ∗i =τ̂i

    k(a−1)a(r−λ) (σ

    2 + kσ2β) + τ̃ik(a−1)λa2

    σ2

    (r − λ)σ2 + λa(σ2 + kσ2β), i = 1, 2, . . . , a

    co sprowadza się do:

    τ∗i =kQi (σ

    2 + kσ2β) + (∑b

    j=1 nijy.j − kr ȳ..)σ2

    (r − λ)σ2 + λa(σ2 + kσ2β), i = 1, 2, . . . , a

    Niestety problemem jest nieznajomość σ2 i σ2β.

    Postępujemy standardowo - zastępujemy nieznane waretościparametrów ich estymatorami

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Z wcześniejszych wzorów otrzymujemy, że:

    τ∗i =τ̂i

    k(a−1)a(r−λ) (σ

    2 + kσ2β) + τ̃ik(a−1)λa2

    σ2

    (r − λ)σ2 + λa(σ2 + kσ2β), i = 1, 2, . . . , a

    co sprowadza się do:

    τ∗i =kQi (σ

    2 + kσ2β) + (∑b

    j=1 nijy.j − kr ȳ..)σ2

    (r − λ)σ2 + λa(σ2 + kσ2β), i = 1, 2, . . . , a

    Niestety problemem jest nieznajomość σ2 i σ2β.Postępujemy standardowo - zastępujemy nieznane waretościparametrów ich estymatorami

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Bierzemy:σ̂2 = MSE

    Następnie korzystając z:

    MSBloki =1

    b − 1

    k∑ai=1Q2iλa

    +b∑

    j=1

    y2.jk−

    a∑i=1

    y2i .r

    można pokazać, że

    E [MSB ] = σ2 +

    a(r − 1)b − 1

    σ2β

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Bierzemy:σ̂2 = MSENastępnie korzystając z:

    MSBloki =1

    b − 1

    k∑ai=1Q2iλa

    +b∑

    j=1

    y2.jk−

    a∑i=1

    y2i .r

    można pokazać, że

    E [MSB ] = σ2 +

    a(r − 1)b − 1

    σ2β

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Bierzemy:σ̂2 = MSENastępnie korzystając z:

    MSBloki =1

    b − 1

    k∑ai=1Q2iλa

    +b∑

    j=1

    y2.jk−

    a∑i=1

    y2i .r

    można pokazać, że

    E [MSB ] = σ2 +

    a(r − 1)b − 1

    σ2β

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Zatem jeśli MSBloki > MSE :

    σ̂2β =[MSBloki −MSE ](b − 1)

    a(r − 1)

    jeśli MSBloki ¬ MSE , wówczas σ̂2β = 0

    Stąd

    τ∗i =

    kQi (σ̂

    2+kσ̂2β)+(∑b

    j=1nijy.j−kr ȳ..)σ̂2

    (r−λ)σ̂2+λa(σ̂2+kσ̂2β

    ), σ̂2β > 0

    yi.− 1a y..r , σ̂

    2β = 0

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Zatem jeśli MSBloki > MSE :

    σ̂2β =[MSBloki −MSE ](b − 1)

    a(r − 1)

    jeśli MSBloki ¬ MSE , wówczas σ̂2β = 0Stąd

    τ∗i =

    kQi (σ̂

    2+kσ̂2β)+(∑b

    j=1nijy.j−kr ȳ..)σ̂2

    (r−λ)σ̂2+λa(σ̂2+kσ̂2β

    ), σ̂2β > 0

    yi.− 1a y..r , σ̂

    2β = 0

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.1 - cd

    Wyznaczymy estymatory parametów modelu:σ̂2 = MSE = 0.65

    MSBloki = 22.03, a zatem MSBloki ¬ MSE , czyli estymator σ2β jestpostaci:σ̂2β =

    (22.03−0.65)·34(3−1) = 8.02

    Estymatory dla parametórw τi .

    est.wewnątrzblokowy est.międzyblokowy est.kombinowanyτ1 −1.12 10.5 −1.09τ2 −0.88 −3.5 −0.88τ3 −0.5 −0.5 −0.5τ4 2.5 −6.5 2.47

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.1 - cd

    Wyznaczymy estymatory parametów modelu:σ̂2 = MSE = 0.65MSBloki = 22.03, a zatem MSBloki ¬ MSE , czyli estymator σ2β jestpostaci:σ̂2β =

    (22.03−0.65)·34(3−1) = 8.02

    Estymatory dla parametórw τi .

    est.wewnątrzblokowy est.międzyblokowy est.kombinowanyτ1 −1.12 10.5 −1.09τ2 −0.88 −3.5 −0.88τ3 −0.5 −0.5 −0.5τ4 2.5 −6.5 2.47

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Częściowo zrównoważone niekompletne bloki

    Przykład 7.2

    Mamy 8 - poziomów badanego czynnika, a każdy blok możezawierać 3 poziomy.

    Aby λ ∈ Z musimy mieć minimum r = 21 replikacji. Wówczasukład będzie miał 56 bloków, co z praktycznego punktu widzeniamoże być zbyt dużą wartością.

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Częściowo zrównoważone niekompletne bloki

    Przykład 7.2

    Mamy 8 - poziomów badanego czynnika, a każdy blok możezawierać 3 poziomy.

    Aby λ ∈ Z musimy mieć minimum r = 21 replikacji.

    Wówczasukład będzie miał 56 bloków, co z praktycznego punktu widzeniamoże być zbyt dużą wartością.

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Częściowo zrównoważone niekompletne bloki

    Przykład 7.2

    Mamy 8 - poziomów badanego czynnika, a każdy blok możezawierać 3 poziomy.

    Aby λ ∈ Z musimy mieć minimum r = 21 replikacji. Wówczasukład będzie miał 56 bloków, co z praktycznego punktu widzeniamoże być zbyt dużą wartością.

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Częściowo zrównoważone niekompletne bloki

    Uwaga

    W celu redukcji bloków niezbędnych do utworzenia układuniekompletnych bloków można odejść od założenia całkowitegozrównoważenia na korzyść częściowego zrównoważenia, w którymniektóre pary występują razem λ1 razy, niektóre λ2 razy, . . . , apozostałe λm razy.

    Pary występujące razem λi razy nazywamy i - stowarzyszonymi.Mówimy, że układ ma m stowarzyszonych klas.

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Częściowo zrównoważone niekompletne bloki

    Uwaga

    W celu redukcji bloków niezbędnych do utworzenia układuniekompletnych bloków można odejść od założenia całkowitegozrównoważenia na korzyść częściowego zrównoważenia, w którymniektóre pary występują razem λ1 razy, niektóre λ2 razy, . . . , apozostałe λm razy.Pary występujące razem λi razy nazywamy i - stowarzyszonymi.Mówimy, że układ ma m stowarzyszonych klas.

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.3 (częściowo zrównoważonego układuniekompletnych bloków)

    1 2 3 4 5 61 x x x2 x x x3 x x x4 x x x5 x x x6 x x x

    blok kombinacje poz. bad. czynnika1 1 2 32 3 4 53 2 5 64 1 2 45 3 4 66 1 5 6

    Układ ma dwi klasy stowarzyszeniaPozimy czynnika występujące λ1 = 2 razy: 1 i 2, 3 i 4,5 i 6, 5 i 6Pozimy czynnika występujące λ2 = 1 razy: 4 i 5, 2 i 6, 1 i 3, itd.

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.3 (częściowo zrównoważonego układuniekompletnych bloków)

    1 2 3 4 5 61 x x x2 x x x3 x x x4 x x x5 x x x6 x x x

    blok kombinacje poz. bad. czynnika1 1 2 32 3 4 53 2 5 64 1 2 45 3 4 66 1 5 6

    Układ ma dwi klasy stowarzyszeniaPozimy czynnika występujące λ1 = 2 razy: 1 i 2, 3 i 4,5 i 6, 5 i 6Pozimy czynnika występujące λ2 = 1 razy: 4 i 5, 2 i 6, 1 i 3, itd.

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Analiza częściowo zrównoważonych niekompletnych bloków z dwoma klasami stowarzyszenia

    1 a - poziomów czynnika, b - bloków, r - replikacji, k - poz.czynnika w bloku

    2 pary poz. czynnika, które są i - stowarzyszone występująrazem w λi , i = 1, 2 blokach

    3 Każdy poziom czynnika ma dokładnie ni - stowarzyszonychLiczba ni jest niezależna od wyboru czynnik

    4 Jeżeli dwa poziomy czynnika są i - stowarzyszone, to liczbapoziomów czynnika, które z jednym z tych poziomów są jstowarzyszone, a z drugim k - stowarzyszone wynosi pijk

    Wygodznie jest pisać pijk jako macierz 2x2, gdzie pijk jest

    elementem jk-tym macierzy i

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Analiza częściowo zrównoważonych niekompletnych bloków z dwoma klasami stowarzyszenia

    1 a - poziomów czynnika, b - bloków, r - replikacji, k - poz.czynnika w bloku

    2 pary poz. czynnika, które są i - stowarzyszone występująrazem w λi , i = 1, 2 blokach

    3 Każdy poziom czynnika ma dokładnie ni - stowarzyszonychLiczba ni jest niezależna od wyboru czynnik

    4 Jeżeli dwa poziomy czynnika są i - stowarzyszone, to liczbapoziomów czynnika, które z jednym z tych poziomów są jstowarzyszone, a z drugim k - stowarzyszone wynosi pijk

    Wygodznie jest pisać pijk jako macierz 2x2, gdzie pijk jest

    elementem jk-tym macierzy i

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.3 - cd

    W przykładzie mamy:a = 6; b = 6, k = 3, r = 3, λ1 = 2, λ2 = 1, n1 = 1, n2 = 4

    {p1jk

    }=

    [0 00 4

    ] {p2jk

    }=

    [0 11 2

    ]

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.3 - cd

    Jak wyznaczono pijk?

    Weźmy parę 1 i 2: dla 1 1-wszym stowarzyszeniem jest: 22-gim stowarzyszeniem jest: 3, 4, 5, 6

    dla 2 1-wszym stowarzyszeniem jest: 12-gim stowarzyszeniem jest: 3, 4, 5, 6

    Konstruujemy tabelkę:czynnik 2 (2)

    czynnika 1 (1) 1-wcze stow 2-gie stow1-wsze stow. - -2-gie stow. - 3, 4, 5, 6

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.3 - cd

    Jak wyznaczono pijk?

    Weźmy parę 4 i 5: dla 4 1-wszym stowarzyszeniem jest: 32-gim stowarzyszeniem jest: 5, 2, 1, 6

    dla 2 1-wszym stowarzyszeniem jest: 62-gim stowarzyszeniem jest: 1, 2, 3, 4

    Konstruujemy tabelkę:czynnik 2 (5)

    czynnika 1 (4) 1-wcze stow 2-gie stow1-wsze stow. - 32-gie stow. 6 1, 2

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Model statystyczny dla układu częściowo zrównoważonychniekompletnych bloków z dwaoma stowarzyszonymi klasami

    yij = µ+ τi + βj + �ij , �ij ∼ N(0, σ2) iid

    Obliczamy dopasowaną sumę dla i - tego poziomu czynnika:

    Qi = yi .−1k

    b∑j=1

    nijy.j , nij =

    {1, i − ty poz występuje w j − tym bloku0, poza tym

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Model statystyczny dla układu częściowo zrównoważonychniekompletnych bloków z dwaoma stowarzyszonymi klasami

    yij = µ+ τi + βj + �ij , �ij ∼ N(0, σ2) iid

    Obliczamy dopasowaną sumę dla i - tego poziomu czynnika:

    Qi = yi .−1k

    b∑j=1

    nijy.j , nij =

    {1, i − ty poz występuje w j − tym bloku0, poza tym

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Definiujemy: S1(Qi ) =∑

    s Qs , s i i są 1-stowarzyszone.

    ∆ =1k2

    [(rk − r + λ1)(rk − r + λ2) + (λ1 − λ2)

    (r(k − 1)(p112 − p212) + λ2p112 − λ1p212

    )]c1 =

    1k∆

    [λ1(rk − r + λ2) + (λ1 − λ2)(λ2p112 − λ1p212)

    ]c2 =

    1k∆

    [λ2(rk − r + λ1) + (λ1 − λ2)(λ2p112 − λ1p212)

    ]

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Estymatorem wpływu i-tego poziomu czynnika jest

    τ̂i =1

    r(k − 1)[(k − c2)Qi + (c1 − c2)S1(Qi )]

    dopasowana suma kwadratów czynnika jest równa:

    SSczdop =a∑

    i=1

    τ̂iQi

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przebieg analizy wariancji

    źródło suma stopnie średnizmienności kwadratów swobody kwadrat F

    czynnik dopasowany∑a

    i=1 τ̂iQi a− 1SSczdopa−1

    MSczdopMSE

    bloki∑b

    j=1y2.jk −

    y2..bk b − 1

    błąd dopełnienie ak − b − a + 1 SSEN−a−b+1

    całkowita∑a

    i

    ∑bj y2ij −

    y2..bk bk − 1

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Można pokazać, że wariancja τ̂u − τ̂v jest postaci:

    Var(τ̂u − τ̂v ) =2(k − ci )σ2

    r(k − 1),

    gdzie u i v są i- stowarzyszone (i = 1, 2)

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Kwadrat Youdena (niekompletny kwadrat łaciński)

    Kwadrat Youdena to kwadrat łaciński z brakującą conajmniej jednąkolumną lub wierszem lub przekątną) ale niekoniecznie kwadratłaciński z brakującą kolumną to kwadrat Youdena.W ogólności usuwanie kolumn z kwadratu łacińskiego możezakłócić jego równowagę.Kwadrat Youdena jest układem symetrycznych zrównoważonychniekompletnych bloków z wierszami odpowiadającymi blokom.

    Przykładowy kwadrat:

    kolumnywiersze 1 2 3 4

    1 A B C D2 B C D E3 C D E A4 D E A B5 E A B C

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Kwadrat Youdena (niekompletny kwadrat łaciński)

    Kwadrat Youdena to kwadrat łaciński z brakującą conajmniej jednąkolumną lub wierszem lub przekątną) ale niekoniecznie kwadratłaciński z brakującą kolumną to kwadrat Youdena.W ogólności usuwanie kolumn z kwadratu łacińskiego możezakłócić jego równowagę.Kwadrat Youdena jest układem symetrycznych zrównoważonychniekompletnych bloków z wierszami odpowiadającymi blokom.

    Przykładowy kwadrat:

    kolumnywiersze 1 2 3 4

    1 A B C D2 B C D E3 C D E A4 D E A B5 E A B C

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Model matematyczny

    yijh = µ+ αi + τj + βh + �ijh, �ijh ∼ N(0, σ2) iid

    µ - średniaαi - efekt i - tego blokuτj - efekt j - tego poziomu czynnikaβh - efekt h - tego położenia.

    Analiza wygląda jak w przypadku układu zrównoważonychniekompletnych bloków z tą różnicą, że należy jeszcze obliczyćsumę kwadratów dla położeń.

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Model matematyczny

    yijh = µ+ αi + τj + βh + �ijh, �ijh ∼ N(0, σ2) iid

    µ - średniaαi - efekt i - tego blokuτj - efekt j - tego poziomu czynnikaβh - efekt h - tego położenia.

    Analiza wygląda jak w przypadku układu zrównoważonychniekompletnych bloków z tą różnicą, że należy jeszcze obliczyćsumę kwadratów dla położeń.

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.4

    Inżynier przemysłowy bada pięć poziomów oświetlenia ze względu nawystępowanie wad montażu. Ponieważ czas jest czynnikiem w tymeksperymencie decyduje się na przeprowadzenie doświadczenia w pięciu blokachreprezentujących dni tygodnia. Ponadto dział, w którym przeprowadza sięeksperyment posiada cztery stacje badawcze i stacje te stanowią potencjalneźródło zmienności. Inżynier decyduje sie przeprowadzić eksperyment zgodnie zukładem kwadratu Youdena z 5-cioma wierszami (dni/bloki) 4-romakolumnami (stanowisko pracy) i 5 poziomami czynnika (poziom oświetlenia).Dane przedstawiają się następująco:

    dzień stanowisko badawcze(blok) 1 2 3 4 yi..1 A = 3 B = 1 C = −2 D = 0 22 B = 0 C = 0 D = −1 E = 7 63 C = −1 D = 0 E = 5 A = 3 74 D = −1 E = 6 A = 4 B = 0 95 E = 5 A = 2 B = 1 C = −1 7y..h 6 9 7 9 y... = 31

    y.1. = 12 (A)y.2. = 2 (B)y.3. = −4 (C)y.4. = −2 (D)y.5. = 23 (E)

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.4 - cd

    Rozważamy to jako problem układu zrównoważonychniekompletnych bloków.a = b = 5, r = k = 4, λ = 3.

    SST =∑i

    ∑j

    ∑h

    y2ijh −y2...N

    = 183− 312

    20= 134.95

    Sumy dopasowane dla czynników: Q1 = 12− 14(2 + 7 + 9 + 7) =234

    Q2 = 2− 14(2 + 6 + 9 + 7) = −164

    Q3 = −4− 14(2 + 7 + 7 + 7) = −384

    Q4 = −2− 14(2 + 6 + 7 + 9) = −324

    Q5 = 24− 14(6 + 7 + 9 + 7) =634

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.4 - cd

    Rozważamy to jako problem układu zrównoważonychniekompletnych bloków.a = b = 5, r = k = 4, λ = 3.

    SST =∑i

    ∑j

    ∑h

    y2ijh −y2...N

    = 183− 312

    20= 134.95

    Sumy dopasowane dla czynników: Q1 = 12− 14(2 + 7 + 9 + 7) =234

    Q2 = 2− 14(2 + 6 + 9 + 7) = −164

    Q3 = −4− 14(2 + 7 + 7 + 7) = −384

    Q4 = −2− 14(2 + 6 + 7 + 9) = −324

    Q5 = 24− 14(6 + 7 + 9 + 7) =634

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykłąd 7.4 - cd

    SScz dop =k∑a

    i=1Q2i

    λa=

    4((234

    )2+(−164

    )2+(−384

    )2+(−324

    )2+(634

    )2)3 · 5

    = 120.37

    SSdni =b∑

    i=1

    y2i ..k− y

    2...

    N= 6.70

    SSstanowisko =k∑

    h=1

    y2..hb− y

    2...

    N= 1.35

    SSE = SST − SScz dop − SSdni − SSstanowisko = 6.53

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.4 - cd

    bloki/efekty dla dni mogą być obliczane jak dopasowane sumy:

    Q ′1 = 2− 14 (12 + 2− 4− 2) = 0Q ′2 = 6− 14 (2− 3− 2 + 23) =

    54

    Q ′3 = 7− 14 (12− 4− 2 + 23) = −14

    Q ′4 = 9− 14 (12 + 2− 2 + 23) =14

    Q ′5 = 7− 14 (12 + 2− 4 + 23) = −54

    SSdni(dop) =r∑b

    j=1Q′2j

    λb=

    4 ·(

    0 +(54

    )2+(−14)2

    +(14

    )2+(−54)2)

    3 · 5= 0.87

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.4 - cd

    bloki/efekty dla dni mogą być obliczane jak dopasowane sumy:

    Q ′1 = 2− 14 (12 + 2− 4− 2) = 0Q ′2 = 6− 14 (2− 3− 2 + 23) =

    54

    Q ′3 = 7− 14 (12− 4− 2 + 23) = −14

    Q ′4 = 9− 14 (12 + 2− 2 + 23) =14

    Q ′5 = 7− 14 (12 + 2− 4 + 23) = −54

    SSdni(dop) =r∑b

    j=1Q′2j

    λb=

    4 ·(

    0 +(54

    )2+(−14)2

    +(14

    )2+(−54)2)

    3 · 5= 0.87

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.4 - cd

    źródło suma stopnie średnizmienności kwadratów swobody kwadrat Fpoziom ośw. (dop) 120.37 4 30.09 36.87dni (niedop) 6.7 4 -dni (dop) (0.87) (4) 0.22stanowisko pracy 1.35 3 0.45błąd 6.53 8 0.82całkowita 134.95 19

    F0 = 36.87 > 3.83 = F0.95(4, 8), zatem odrzucamy hipotezęzerową, jest istotny wpływ oświetlenia.

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Przykład 7.4 - cd

    źródło suma stopnie średnizmienności kwadratów swobody kwadrat Fpoziom ośw. (dop) 120.37 4 30.09 36.87dni (niedop) 6.7 4 -dni (dop) (0.87) (4) 0.22stanowisko pracy 1.35 3 0.45błąd 6.53 8 0.82całkowita 134.95 19

    F0 = 36.87 > 3.83 = F0.95(4, 8), zatem odrzucamy hipotezęzerową, jest istotny wpływ oświetlenia.

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu

  • Polecane literatura:

    S. Czaja, T. Poskrobko et.al Wyzwania współczesnejekonomii, 2012, Warszawa

    D.C. Montgomery Design and Analysis of Experiments, 1991

    P.I. Good, Resampling Methods. A Practical Guide to DataAnalysis, 2005

    E.L. Lehmann,Teoria estymacji punktowej, PWN Warszawa1991

    Magdalena Frąszczak Wykład 7 Teoria eksperymentu