Thiết kế và phân tích thí nghiệm Chương 1 Giới thiệu môn Xác suất thống kê | Trường Đại học Cần Thơ

Thiết kế và phân tích thí nghiệm
Design and Analysis of Experiments (DOE) Chương 1 Giới thiệu TS. Trần Thanh Hùng
Khoa Công nghệ, Đại học Cần Thơ Email: tthung@ctu.edu.vn © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
Ví dụ: Có quy trình sản xuất hóa chất
- Làm sao để tăng sản lượng?
- Làm sao để tìm điểm có sản lượng cao nhất? Tại sao phải học? Mục tiêu học phần Mục tiêu chương 1
y = f ( x , x 1 2 ) Các khái niệm F)0 ( cơ bản x2 Các nguyên tắc Temp 80% cơ bản 145 Các bước thiết x1 2 Time (hours) kế thí nghiệm 2 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
• Tại sao phải làm thí nghiệm? CHƯƠNG 1
• Mục tiêu thí nghiệm: Tại sao phải học?
1. Xác định biến tác động nhiều
nhất đến đáp ứng ngõ ra. Mục tiêu học phần
2. Xác định tập hợp các giá trị của Mục tiêu chương 1
x để ngõ ra đạt giá trị gần mong Các khái niệm muốn nhất. cơ bản
3. Xác định tập hợp các giá trị của Các nguyên tắc
x để sự biến động của y là nhỏ cơ bản nhất. Các bước thiết
4. Xác định tập hợp các giá trị của kế thí nghiệm
x để tối thiểu hóa ảnh hưởng của z. 3 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
Sau khi học xong học phần này, người học có thể:
1. Phân tích được kết quả thí nghiệm bằng t-test hoặc CHƯƠNG 1 ANOVA
2. Xác định được yếu tố làm phiền và cách đối phó yếu Tại sao phải học? tố làm phiền Mục tiêu học phần
3. Thiết kế được thí nghiệm giai thừa và phân tích, diễn giải kết quả Mục tiêu chương 1
4. Áp dụng được phương pháp bề mặt đáp ứng để tìm Các khái niệm
điểm có đáp ứng tối ưu cơ bản
5. Phát hiện và giải quyết vấn đề Các nguyên tắc
6. Thiết kế, thực hiện thí nghiệm, phân tích dữ liệu, cơ bản
đánh giá kết quả để giải quyết vấn đề Các bước thiết
7. Làm việc hiệu quả trong nhóm để giải quyết vấn đề kế thí nghiệm
8. Giao tiếp và trình bày kết quả thí nghiệm hiệu quả 4 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
Sau khi học xong học Chương 1, người học có thể: CHƯƠNG 1
1. Hiểu các khái niệm và nguyên tắc của DOE Tại sao phải học?
2. Hiểu thí nghiệm là một quá trình Mục tiêu học phần
3. Liệt kê các bước thiết kế thí nghiệm Mục tiêu chương 1 Các khái niệm cơ bản Các nguyên tắc cơ bản Các bước thiết kế thí nghiệm 5 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
1. Yếu tố thí nghiệm (Experimental factors): CHƯƠNG 1
Biến được lựa chọn để nghiên cứu tác động đến ngõ ra. Tại sao phải học?
2. Yếu tố làm phiền (Nuisance factors): Mục tiêu học phần
Biến không được lựa chọn, không Mục tiêu chương 1
được quan tâm nhưng có thể ảnh hưởng đến ngõ ra. Các khái niệm cơ bản
Cần đối phó yếu tố làm phiền! Các nguyên tắc
3. Biến đáp ứng (Responses): cơ bản
Biến ở ngõ ra được chọn để đo ảnh Các bước thiết
hưởng của yếu tố thí nghiệm. kế thí nghiệm 6 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
1. Lập lại (replication): lập lại thí nghiệm nhiều lần để tăng độ chính xác. CHƯƠNG 1 ) (g a Sữ Tại sao phải học? 7 ,6 9 ,8 Mục tiêu học phần 100 Mục tiêu chương 1 50 8 ,7 5 ,6 Các khái niệm cơ bản 100 200 Đường (g)
Số lần lặp = Sample size (Kích thước mẫu) Các nguyên tắc cơ bản
2. Ngẫu nhiên hóa (randomization): phải ngẫu nhiên
trong thứ tự tiến hành thí nghiệm, trong chọn Các bước thiết
nguyên liệu, chọn người làm thí nghiệm… để tăng độ kế thí nghiệm tin cậy. 7 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
3. Đóng khối (blocking): chia thí nghiệm làm các CHƯƠNG 1
khối theo yếu tố làm phiền để ngăn chặn sai lệch do yếu tố làm phiền. Tại sao phải học?
Ví dụ: Bột mua ở 2 cửa hàng khác nhau Mục tiêu học phần Mục tiêu chương 1 Các khái niệm cơ bản Các nguyên tắc cơ bản Các bước thiết kế thí nghiệm 8 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
4. Thiết kế đa yếu tố (Multi-factor Design): cùng lúc
thay đổi nhiều yếu tố thí nghiệm để có thể phát CHƯƠNG 1
hiện được tương tác giữa các yếu tố. Tại sao phải học? Mục tiêu học phần Mục tiêu chương 1 Các khái niệm cơ bản Các nguyên tắc cơ bản Các bước thiết kế thí nghiệm 9 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
1. Xác định và trình bày vấn đề:
Trong bước này phải trình bày: CHƯƠNG 1
- Đối tượng thí nghiệm: Nghiên cứu trên đối tượng nào? Tại sao phải học?
- Mục tiêu thí nghiệm: Làm thí nghiệm để làm gì? Phải nhớ Mục tiêu học phần
- Giả thuyết/câu hỏi: Giả thuyết ban đầu/Những câu hỏi
mong muốn được trả lời (sau khi làm thí nghiệm). Mục tiêu chương 1 Các khái niệm Ví dụ: cơ bản
- Đối tượng thí nghiệm: Quy trình sản xuất bia. Các nguyên tắc
- Mục tiêu thí nghiệm: Tìm được quy trình sản xuất bia cơ bản chất lượng ngon nhất. Các bước thiết
- Giả thuyết: Chất lượng bia phụ thuộc vào khối lượng kế thí nghiệm men. 10 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
2. Chọn yếu tố, phạm vi, số mức:
Trong bước này phải trình bày: CHƯƠNG 1
-Tên các yếu tố thí nghiệm, lý do chọn yếu tố thí nghiệm đó. Tại sao phải học? Mục tiêu học phần
-Bảng các yếu tố thí nghiệm, giá trị từng mức. Mục tiêu chương 1
- Yếu tố nào cố định, giá trị yếu tố. Các khái niệm
- Yếu tố nào là yếu tố làm phiền và cách đối phó. cơ bản Ví dụ: Các nguyên tắc
STT Yếu tố thí nghiệm Mức 1 Mức 2 - Cố định: cơ bản 1 Khối lượng men (Kg) 1 2
• Khối lượng lúa mạch 500Kg 2 Nhiệt độ nấu (oC) 90 100 Các bước thiết 3 Thời gian nấu (giờ) 2 4 • Nước: 400 lit kế thí nghiệm 4 Thời gian ủ (ngày) 1 2
- Làm phiền: *nhiệt độ môi trường, *người làm thí nghiệm 11 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
3. Chọn biến đáp ứng: CHƯƠNG 1
Trong bước này phải trình bày:
-Tên biến đáp ứng được chọn. Phù hợp mục tiêu. Tại sao phải học?
-Phương pháp đo biến đáp ứng. Đo bằng thiết bị/quy trình nào? Mục tiêu học phần
-Sai số đo bao nhiêu, do đâu? Sai số tuyệt đối/tương đối. Mục tiêu chương 1 Ví dụ: Các khái niệm cơ bản
- Tên biến đáp ứng: Độ ngon của bia.
- Phương pháp đo: Mời 20 người niếm thử, cho theo Các nguyên tắc cơ bản
thang điểm 1-10, với 10 là ngon nhất, 1 là tệ nhất, bước tăng 1. Các bước thiết kế thí nghiệm
- Sai số: ±2 do cảm nhận chủ quan của từng người. 12 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
4. Chọn thiết kế thí nghiệm (kế hoạch thí nghiệm):
Trong bước này phải trình bày: CHƯƠNG 1
- Tên phương pháp thiết kế thí nghiệm được chọn. Tại sao phải học?
- Số lượng yếu tố thí nghiệm được chọn. Mục tiêu học phần - Số mức mỗi yếu tố. Mục tiêu chương 1
- Số lần lặp/kích thước mẫu. Các khái niệm
- Tổng số thí nghiệm phải làm. cơ bản
- Có đóng khối hay không? Các nguyên tắc Lý do? cơ bản Các bước thiết
- Bảng kế hoạch thí nghiệm. kế thí nghiệm 13 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
5. Tiến hành thí nghiệm:
Tiến hành thí nghiệm theo kế hoạch. Lưu ý: CHƯƠNG 1
• Kiểm tra cẩn thận để đảm bảo mọi thứ thực hiện
đúng như kế hoạch: giá trị mức các yếu tố đúng? Tại sao phải học? Mục tiêu học phần
• Thu dữ liệu đúng cách. Mục tiêu chương 1
Đôi khi cần chạy thử thí nghiệm trước khi làm thật để: Các khái niệm cơ bản
+ Xem vật liệu thí nghiệm có đồng nhất, Các nguyên tắc + Kiểm tra hệ thống đo, cơ bản + Ước lượng sai số, Các bước thiết kế thí nghiệm
+ Thực hành kỹ thuật thí nghiệm tổng thể. 14 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
5. Tiến hành thí nghiệm: CHƯƠNG 1
Trong bài báo cáo, bước này phải trình bày:
-Địa điểm thí nghiệm: Thí nghiệm được thực hiện tại Tại sao phải học? đâu? Mục tiêu học phần
-Thời gian thí nghiệm: Thí nghiệm được thực hiện từ Mục tiêu chương 1 ngày nào đến ngày nào? Các khái niệm
-Mô tả thí nghiệm: Thí nghiệm phức tạp, cần thực cơ bản
hiện qua nhiều bước thì mô tả rõ từng bước. Các nguyên tắc cơ bản
-Bảng kết quả thí nghiệm. Các bước thiết kế thí nghiệm 15 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
6. Phân tích thống kê dữ liệu: CHƯƠNG 1
• Sử dụng phương pháp thống kê để
phân tích dữ liệu. Dùng phần mềm chuyên dụng. Tại sao phải học?
• Các phương pháp đồ họa đơn giản đóng một Mục tiêu học phần
vai trò quan trọng trong việc phân tích và giải thích dữ liệu. Mục tiêu chương 1 Các khái niệm
Trong bài báo cáo, bước này phải trình bày: cơ bản
-Kết quả phân tích dạng số liệu. Các nguyên tắc cơ bản
-Kết quả phân tích dạng đồ họa. Các bước thiết kế thí nghiệm 16 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
7. Kết luận, kiến nghị: CHƯƠNG 1
Dựa trên kết quả phân tích: Tại sao phải học?
• Rút ra kết luận hoặc suy luận về kết quả, Mục tiêu học phần
• Giải thích ý nghĩa vật lý của những kết quả này, Mục tiêu chương 1
xác định tầm quan trọng của những phát hiện, Các khái niệm
• Đưa ra các đề xuất/kiến nghị tiếp theo. cơ bản Các nguyên tắc cơ bản Các bước thiết kế thí nghiệm 17 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU
Tài liệu tham khảo: CHƯƠNG 1
[1] Design and Analysis of Experiments by Douglas C. Montgomery, ebook Tại sao phải học? Mục tiêu học phần
[2] A First Course in Design and Analysis of Mục tiêu chương 1
Experiments by Gary W. Oehlert, ebook Các khái niệm
[3] Statistical design and analysis of experiments cơ bản
with applications to engineering and science by Các nguyên tắc
Robert L. Mason, Richard F. Gunst, and James L. cơ bản Hess, ebook Các bước thiết kế thí nghiệm 18 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU Thực hành: CHƯƠNG 1
1.Tải và cài đặt phần mềm: Tại sao phải học?
• MiniTab: http://www.minitab.com/en- Mục tiêu học phần
us/products/minitab/free-trial/ Mục tiêu chương 1 Các khái niệm cơ bản
2.Đọc: Introduction to Using Minitab Các nguyên tắc
https://onlinecourses.science.psu.edu/statprogram/ cơ bản minitab Các bước thiết kế thí nghiệm 19 © Dr. Tran Thanh Hung, CTU