Thiết kế thí nghiệm

Tổng quan• Thuật ngữ (Terminology)• Nguyên tắc (Principles of experimental design)• Thiết kế thí nghiệm 1 yếu tố (Single-factor design)• Thiết kế thí nghiệm 2 yếu tố (Two-factor design)• Ngẫu nhiên hóa (Randomization)

Thuật ngữ• Đơn vị nghiên cứu (experimental unit)

– Đối tượng nghiên cứu• Yếu tố can thiệp (factors)

– Biến độc lập hoặc biến giải thích– Vd: Giống lúa

• Mức độ can thiệp (treatment levels) – Giá trị của một yếu tố can thiệp– Đánh giá cảm quan bia (với 3 loại bia khác nhau)

• Nghiệm thức (Treatment): Là mỗi mức độ của một yếu tố can thiệp hay một tổ hợp mức độ của các yếu tố can thiệp.

• Nhóm (block) – Nhóm đối tượng (nam, nữ…)– Cân đối hoặc không cân đối

• Tiêu chí (response variable) – Vị đắng trong nghiên cứu đo lường vị đắng

Một ví dụ về thí nghiệm cảm quan• 30 khách hàng: nam và nữ, tuổi 20-50• Thử 3 loại cà phê: A, B, C• Nhóm I, II, III

– Nhóm I: 10 người thử A và B– Nhóm II: 10 người thử B và C– Nhóm III: 10 người thử A và C

• Vị đắng được đo bằng thang 5 điểm

• Đơn vị nghiên cứu: Người tiêu dùng • Yếu tố can thiệp: Loại cà phê• Nhóm: I,II,III• Tiêu chí: Độ đắng trên thang 5

Ví dụ: doanh số cà phê• Một nghiên cứu tiếp thị được tiến hành để khảo sát ảnh hưởng của thương

hiệu và vị trí bày bán trên kệ hàng đến doanh số bán cà phê mỗi tuần. Doanh số bán cà phê được thu thập cho 2 thương hiệu (A và B) tại 3 vị trí bày bán trên kệ (dưới cùng, giữa, trên cùng). Sáu tổ hợp giữa thương hiệu và vị trí bày bán trên kệ hàng (2 thương hiệu x 3 vị trí = 6 tổ hợp) được thay đổi theo mỗi tuần trong một khoảng thời gian là 18 tuần.

Thương hiệu

Vị trí bày bán trên kệ

A

Dưới cùng Giữa Trên cùng Tuần 1 9 14

Tuần 2 7 16

Tuần 4 12 17

B

Tuần 5 10 13

Tuần 3 8 18

Tuần 6 11 15

Ví dụ: doanh số cà phê• Đơn vị nghiên cứu: do doanh số bán cà phê được thu thập theo

từng tuần trong suốt 18 tuần nên đơn vị nghiên cứu là 1 tuần• Tiêu chí: y = doanh số bán cà phê mỗi tuần. Đây là biến định lượng.• Yếu tố can thiệp: Do vấn đề nghiên cứu là ảnh hưởng của thương

hiệu và vị trí bày bán trên kệ nên yếu tố can thiệp là thương hiệu và vị trí bày bán trên kệ. Đây là hai biến định tính.

• Mức độ can thiệp: thương hiệu được đo đạt ở hai mức (A và B) và vị trí trên kệ ở 3 mức (Dưới cùng, Giữa, và Trên cùng).

• Nghiệm thức: Do doanh số bán cà phê được thu thập cho mỗi tổ hợp giữa thương hiệu và vị trí bày bán trên kệ nên thí nghiệm này có 6 nghiệm thức: (thương hiệu A, vị trí Dưới cùng), (thương hiệu A, vị trí Giữa), (thương hiệu A, vị trí Trên cùng), (thương hiệu B, vị trí Dưới cùng), (thương hiệu B, vị trí Giữa), (thương hiệu B, vị trí Trên cùng) (hình 6.1).

Ba nguyên tắc của một thí nghiệm• Ngẫu nhiên hóa (randomization)

– Đảm bảo tính hợp lí của nghiên cứu và phân tích thống kê, quân bình hóa các yếu tố can thiệp

• Lặp lại nhiều lần (replication)– Đảm bảo khoa học tính

• Phân nhóm (blocking)– Giảm độ dao động trong từng nhóm

Những yếu tố cần quan tâm• Hiệu ứng placebo

– 35% các thuốc có hiệu quả là do hiệu ứng placebo• Hiệu ứng Hawthorne

– Quen thuộc với sản phẩm• Bảo mật

– Giữ kín danh tính tình nguyện viên– Khách quan trong đánh giá (blinding)

Nguyên tắc thiết kế thí nghiệm: một ví dụ• Nghiên cứu:

– Sinh tố C cho điều trị cảm cúm– 100 đối tượng tình nguyện– Nên thiết kế như thế nào ?

• Phương án 1. – Cho 100 người uống sinh tố C trong vòng 6 tháng– Ghi nhận số lần cảm cúm. – Kết quả: tần số cảm cúm trung bình là 1.4 lần / đối tượng.

• Phương án 2. – Chia 100 người thành 2 nhóm nam và nữ. – Cả hai nhóm được điều trị bằng sinh tố C trong vòng 6 tháng. – Tần số cảm cúm trung bình trong nhóm nam là 1.4 lần / đối

tượng, còn nhóm nữ tần số này là 1.9 lần / đối tượng.

Nguyên lí thí nghiệm: một ví dụ• Phương án 3.

– Ngẫu nhiên chia thành 2 nhóm và điều trị 6 tháng: • 50 người nhóm sinh tố C• 50 người nhóm placebo

– Kết quả: tần số cảm cúm trung bình trong nhóm 1 là 1.4 lần / đối tượng, còn nhóm placebo là 1.9 lần / đối tượng .

50 người

Nhóm 1

Nhóm 2

Sinh tố C

Giả dược

Nguyên lí thí nghiệm: một ví dụ• Phương án 4:

100 người

Nam

Nữ

Sinh tố C

Giả dược

So sánh tần số cảm cúm

Sinh tố C

Giả dược

So sánh tần số cảm cúm

Nhận xét chung các phương án?

Thí nghiệm với một yếu tố (single-factor designs)

• Nghiên cứu ảnh hưởng của phân bón đến sự tăng trưởng của lúa.

• Ba liều lượng urê được sử dụng (thấp, trung bình, và cao).

• Chọn 6 địa điểm (A, B, C, D, E, và F)• Mỗi địa điểm có 3 mảnh đất để thí nghiệm (1, 2, 3).

Phương án 1: Completely randomized designThiết kế ngẫu nhiên hoàn toàn (CRD)

Địa điểm Mảnh đất 1 Mảnh đất 2 Mảnh đất 3

A Low High Low

B Medium Medium High

C High Medium Low

D Medium Low High

E Medium Low Medium

F Low High High

Phương án 2: Incomplete block design Thiết kế khối không hoàn toàn

Địa điểm Mảnh đất 1 Mảnh đất 2

A Low High

B Medium Low

C High Medium

D Medium Low

E High Low

F Low High

Phương án 3: Randomized Complete block design (Thiết kế ngẫu nhiên theo khối hoàn chỉnh)

Địa điểm Mảnh đất 1 Mảnh đất 2 Mảnh đất 3

A Low High Medium

B Medium Low High

C High Medium Low

D Medium Low High

E High Low Medium

F Low High Medium

Latin square designThiết kế hình vuông Latin

So sánh hiệu suất (đo bằng cây số - km - trên mỗi lít) của 4 loại dầu (A, B, C và D). Công ty có được 4 tài xế và 4 loại xe.

Tài xế Loại xe

Ford Toyota Honda Nissan

1 D B C A

2 B C A D

3 C A D B

4 A D B C

Thiết kế 22 factorial design:Ảnh hưởng của nhiệt độ (thấp và cao) và vật liệu (A và B) đến độ mạnhcủa giấy.

Nhóm can thiệp Nhiệt độ Vật liệu

1 Thấp A

2 Cao A

3 Thấp B

4 Cao B

Thiết kế 23 factorial designẢnh hưởng của nhiệt độ (thấp và cao), vật liệu (A và B), và phươngpháp sản xuất (cơ khí và hóa chất) đến độ mạnh của giấy.

Nhóm can thiệp Nhiệt độ Vật liệu Phương pháp

1 Thấp A Cơ khí

2 Cao A Cơ khí

3 Thấp B Cơ khí

4 Cao B Cơ khí

5 Thấp A Hóa chất

6 Cao A Hóa chất

7 Thấp B Hóa chất

8 Cao B Hóa chất

Các dạng thiết kế factorial khác: Ví dụ• Thiết kế 3 × 3 × 2 factorial design:

– Ảnh hưởng của nhiệt độ (thấp, trung bình, cao), vật liệu(A, B, và C), và phương pháp sản xuất (cơ khí và hóachất) đến độ mạnh của giấy.

• Thiết kế 2 x 2 x 3 factorial design:– Ảnh hưởng của loại bột (A, B), cách nhào bột (cách 1,

cách 2) và nhiệt độ nướng (170oC, 175oC, 180oC) lên cấu trúc của bánh.

Phương pháp ngẫu nhiên hóa

• Trước hết, chúng ta lập danh sách 8 đối tượng: T1 T1 T1 T2 T2 T3 T3 T3

• Dùng hàm sample để chọn ngẫu nhiên (sample(1:8) có chức năng tạo ra một dãy số ngẫu nhiên từ 1 đến 8):> sample(1:8)

[1] 7 2 5 4 1 8 6 3

• Nhập hai dãy số với nhau, chúng ta có: T1 T1 T1 T2 T2 T3 T3 T37 2 5 4 1 8 6 3

T1 T2 T3n=3 n=2 n=3

Chuẩn đầu ra của môn học (CLO)1. Cài đặt và thao tác được trong phần mềm R2. Trình bày được các khái niệm cơ bản của các đại

lượng như thang đo, cỡ mẫu, biến liên tục, rời rạc.3. Thực hiện được các phân tích thống kê mô tả và

thống kê suy diễn4. Thực hiện được các tính toán mối quan hệ giữa các

đại lượng thống kê5. Thiết kế các thí nghiệm hai/nhiều yếu tố một cách

hiệu quả