Тема: Однофакторный эксперимент. Определение линейного уравнения регрессии первого порядка




 

Цель работы

Освоение методов математической обработки результатов исследования свойств текстильных материалов; определение уравнения регрессии по данным однофакторного эксперимента.

Пособия и инструменты: таблицы значений критериев Кочрена, Стьюдента, Фишера; микрокалькулятор.

Содержание работы

1. Статистическая обработка первичных результатов эксперимента.

2. Расчет критерия Кочрена и проверка однородности дисперсии в опытах матрицы.

3. Определение средней дисперсии выходного параметра в опытах матрицы.

4. Определение коэффициентов регрессии и составление уравнения регрессии.

5. Определение адекватности уравнения регрессии. Расчет критерия Фишера.

6. Оценка значимости коэффициентов регрессии.

7. Определение доверительных интервалов средних и индивидуальных значений выходного параметра.

8. Построение графика полученного уравнения регрессии.

9. Анализ результатов работы. Формулировка выводов.

Общие сведения

В настоящее время при исследовании свойств текстильных материалов и других видов продукции широкое применение получили математико-статистические методы планирования экспериментов.

В задачу планирования эксперимента входят: выбор необходимых для эксперимента опытов, т.е. построение матрицы планирования, выбор методов математической обработки результатов эксперимента.

Существует два вида планирования активного эксперимента: традиционное (классическое) однофакторное и многофакторное (факторное).

В традиционном однофакторном планировании изучается влияние на выходной параметр одного входного параметра (фактора).

В результате обработки экспериментальных данных определяют взаимосвязь между выходным параметром (Y) и варьируемым на нескольких уровнях фактором (X). Математическая модель в общем виде описывается функцией отклика:

y = f(x) (1)

При существовании линейной связи между входными и выходными параметрами уравнение регрессии имеет следующий вид:

y = do+d1(x-x̃), (2)

где d0,d1 – коэффициенты уравнения регрессии.

Адекватность уравнения регрессии проверяется по критерию Фишера [1,4]. Если расчетное значение критерия Фишера (Fp) меньше табличного (Fm), то гипотеза об адекватности линейной модели не отвергается.

Выполнение работы

1. Статистическая обработка первичных результатов эксперимента

Полученные значения статистических характеристик заносим в соответствующие графы табл. 1.


Таблица 1

Расчёты статистических характеристик

№ опыта Фактор Х Значение параметра,Y S2 S Св
   
1. 1   9.93 9.47 9.70 0.106 0.325 3.353
2. 2   9.81 9.32 9.56 0.120 0.346 3.622
3. 3   9.76 9.21 9.48 0.151 0.389 4.1
4. 4   9.74 9.16 9.45 0.168 0.41 4.34
5.   9.73 9.12 9.42 0.186 0.431 4.577
6.   9.68 9.10 9.39 0.168 0.41 4.368
7.   9.67 9.07 9.37 0.180 0.424 4.528
8.   9.64 9.04 9.34 0.180 0.424 4.542
9.   9.63 9.01 9.32 0.192 0.438 4.704
10.   9.62 9.00 9.32 0.192 0.438 4.709
11.   9.61 8.99 9.30 0.192 0.438 4.714
12.   9.62 8.97 9.29 0.212 0.46 4.945
13.   9.60 8.95 9.27 0.212 0.46 4.955
14.   9.58 8.94 9.26 0.205 0.453 4.887
15.   9.57 8.92 9.24 0.212 0.46 4.972
16.   9.54 8.92 9.23 0.192 0.438 4.75
17.   9.55 8.93 9.22 0.192 0.438 4.745
18.   9.53 8.90 9.21 0.198 0.445 4.834
19.   9.53 8.89 9.21 0.205 0.453 4.914
20.   9.52 8.88 9.20 0.205 0.453 4.919
21.   9.51 8.86 9.18 0.212 0.46 5.004
22.   9.49 8.88 9.18 0.186 0.431 4.696
23.   9.49 8.85 9.17 0.205 0.453 4.935
24.   9.49 8.82 9.15 0.225 0.474 5.175
25.   9.47 8.82 9.14 0.212 0.46 5.026
26.   9.46 8.82 9.14 0.205 0.453 4.951
27.   9.45 8.82 9.13 0.225 0.474 5.175
28.   9.47 8.80 9.13 0.212 0.46 5.026
29.   9.46 8.80 9.13 0.218 0.467 5.112
30.   9.45 8.79 9.12 0.218 0.467 5.117

2. Расчёт критерия Кочрена и проверка однородности дисперсии в опытах матрицы

 

Для проверки однородности дисперсии и воспроизводимости эксперимента при одинаковой повторности (m) всех опытов рассчитываем значение критерия Кочрена Gp по формуле

 

(3)

где - максимальная дисперсия из всех опытов;

- сумма всех дисперсий эксперимента.

Далее расчётное значение Gp сравниваем с табличным значением GT. Дисперсии однородны и число повторных опытов одинаково, т.к. Gp < GT (0.039<0.3632).

3. Определение средней дисперсии выходного параметра в опытах матрицы

Т.к. в опытах матрицы дисперсии однородны и число повторных опытов одинаково, то среднюю дисперсию определяют по формуле

(4)

После этого определяем число степеней свободы средней дисперсии;

F(S2(1){y})=N(m-1)=30 (5)

Средняя дисперсия характеризует средний разброс значений выходного параметра относительно его средних значений, т.е. ошибку опытов в эксперименте.

4. Определение коэффициентов регрессии и составление уравнения регрессии

Дисперсии выходного параметра для каждого уровня фактора однородны, следлвательно, применяем метод наименьших квадратов.

Коэффициенты уравнения регрессии определяем по формулам:

(6)

(7)

 

где - среднее значение результата эксперимента;

xu - значение фактора на определенном u-уровне;

- среднее значение фактора.

Для удобства все промежуточные расчеты сводят в табл. 2.

 

Таблица 2

Расчет коэффициентов уравнения регрессии

№ опыта u Фактор xu xu- x̃ (xu- x̃)2 u (xu- x̃) Ỹu
1.   -110.567 12225.06 9.70 -1072.49
2.   -102.567 10519.99 9.56 -980.54
3.   -94.567 8942.91 9.48 -896.49
4.   -87.567 7667.98 9.45 -827.51
5.   -79.567 6331.38 9.42 -749.52
6.   -71.567 5121.84 9.39 -672.01
7.   -64.567 4168.89 9.37 -604.99
8.   -56.567 3199.83 9.34 -528.34
9.   -48.567 2358.75 9.32 -452.64
10.   -41.567 1727.82 9.32 -387.40
11.   -33.567 1126.74 9.30 -312.17
12.   -26.567 705.81 9.29 -246.81
13.   -18.567 344.73 9.27 -172.12
14.   -10.567 111.66 9.26 -97.85
15.   -3.567 12.72 9.24 -32.96
16.   4.433 19.65 9.23 40.92
17.   11.433 130.71 9.22 105.41
18.   19.433 377.64 9.21 178.98
19.   26.433 698.70 9.21 243.45
20.   34.433 1185.63 9.20 316.78
21.   41.433 1716.69 9.18 380.35
22.   49.433 2443.62 9.18 453.79
23.   56.433 3184.68 9.17 517.49
24.   64.433 4151.61 9.15 589.56
25.   71.433 5102.67 9.14 652.89
26.   79.433 6309.60 9.14 726.60
27.   86.433 7470.66 9.13 489.13
28.   94.433 8917.59 9.13 862.17
29.   101.433 10288.65 9.13 926.08
30.   109.433 11975.58 9.12 998.02

 

После определения коэффициентов составляют искомое уравнение регрессии:

yR = do+d1(x-x̃). (8)

5. Определение адекватности уравнения регрессии. Расчеты критерия Фишера. Для определения адекватности полученного уравнения (8) используют критерий Фишера, расчетное значение которого определяем по формуле

(9)

где S2(1) – средняя дисперсия или дисперсия воспроизводимости, определяемая но формуле (4);

S2(2) – дисперсия, характеризующая рассеивание средних экспериментальных значений уu относительно прямой линии, определяемой по формуле (8) (дисперсия адекватности).

Дисперсия S2(2) характеризует точность аппроксимации зависимости ỹ=f(X) прямой линией, ее определяют по формуле

(10)

где и экспериментальное и расчетное значения выходного параметра.

После этого определяют число степеней свободы дисперсии адекватности

F{S2(2)}=N-2=28 (11)

Далее подставляем в формулу (9) значения дисперсии S2(1){y}и S2(2){y} рассчитывают критерий Фишера. Fp сравниваем с табличным значением критерия Фишера FT, которое определяют из [1.4] при доверительной вероятности α=0,95 и число степеней свободы f {S2(2)} и f { S2(1)}

FT =2.38, а Fр = 0.029

Fр < FT

Т.к. Fр < FT, то линейное уравнение адекватно.

Расчет суммы в формуле (10) сводим в табл. 3. Расчетные значения выходного параметра определяем из уравнения (8), подставляя значения Хu.

Таблица 3

Расчёт дисперсии адекватности

u xu d1xu YRu u u- YRu (ỹu- YRu)2
1.   -7.864×10-3 9.492 9.70 0.208 0.043
2.   -0.024 9.477 9.56 0.083 6.950×10-3
3.   -0.039 9.461 9.48 0.019 3.645×10-4
4.   -0.053 9.447 9.45 2.853× 10-3 8.140×10-6
5.   -0.069 9.431 9.42 -0.011 1.304×10-4
6.   -0.085 9.416 9.39 -0.026 6.601×10-4
7.   -0.098 9.402 9.37 -0.032 1.020×10-3
8.   -0.114 9.386 9.34 -0.046 2.135×10-3
9.   -0.130 9.370 9.32 -0.050 2.548×10-3
10.   -0.144 9.357 9.32 -0.037 1.348×10-3
11.   -0.159 9.341 9.30 -0.041 1.680×10-3
12.   -0.173 9.327 9.29 -0.037 1.386×10-3
13.   -0.189 9.312 9.27 -0.042 1.722×10-3
14.   -0.204 9.296 9.26 -0.036 1.280×10-3
15.   -0.218 9.282 9.24 -0.042 1.765×10-3
16.   -0.234 9.266 9.23 -0.036 1.317×10-3
17.   -0.248 9.253 9.22 -0.033 1.058×10-3
18.   -0.263 9.237 9.21 -0.027 7.180×10-4
19.   -0.277 9.223 9.21 -0.013 1.699×10-4
20.   -0.293 9.207 9.20 -7.308×10-3 5.340×10-5
21.   -0.307 9.194 9.18 -0.014 1.835×10-4
22.   -0.322 9.178 9.18 2.181×10-3 4.756×10-6
23.   -0.336 9.164 9.17 5.942×10-3 3.531×10-5
24.   -0.352 9.148 9.15 1.669×10-3 2.786×10-6
25.   -0.366 9.135 9.14 5.430×10-3 2.949×10-5
26.   -0.381 9.119 9.14 0.021 4.476×10-4
27.   -0.395 9.105 9.13 0.025 6.210×10-4
28.   -0.411 9.089 9.13 0.041 1.652×10-3
29.   -0.425 9.076 9.13 0.054 2.960×10-3
30.   -0.440 9.060 9.12 0.060 3.616×10-3

 

6. Оценка значимости коэффициентов регрессии

Для определения значимости полученных коэффициентов d0 и d1 уравнения (8) используется критерий Стьюдента [1], расчетное значение которого определяем по формуле

tp=|di|/S{di}=3,114 (12)

где S {di} - оценка среднеквадратического отклонения коэффициента регрессии di.

Дисперсию коэффициентов регрессии S2{do} и S2{d1} рассчитываем по формулам:

(13)

(14)

 

В формулы (13) и (14) входит дисперсия S2{y}, которая является сводной оценкой дисперсии случайной величины Yu выходного параметра при условии линейной связи. Эту дисперсию определяем по формуле

 

(15)


далее определяют число степеней свободы этой дисперсии:

f{S2}=mN-2=58(16)

Сравниваем табличное и расчётное значения критерия Стьюдента. Если tp>tт, то коэффициенты уравнения регрессии значимы и, следовательно, связь между Y и Х значима.

В нашем случае tр=3,114, а tt=2,0. Следовательно, связь между Y и Х значима.

После этого определяем абсолютные ошибки коэффициентов регрессии ε{di}:

ε {di}=S{di}·tT[α,f{S2}]. (17)

ε {d0}=2,314

ε {d1}=0,035

Тогда для истинных значений коэффициентов регрессии δ0 и δ1в линейном уравнении (8) доверительные интервалы определяются неравенством

di-ε{di}≤ δi≤ds+ ε{di}. (18)

6,961≤ δ0≤5,289

-0,036967≤ δ1≤-0,033

7. Определение доверительных интервалов средних и индивидуальных значений выходного параметра

Чтобы определить степень отклонения расчетных значений выходного параметра YRu от истинного его значения при каждом уровне фактора Xu, определяем доверительные ошибки ε{YRu} расчетного значения выходного параметра и доверительные интервалы средних и индивидуальных значений выходного параметра.

Доверительные ошибки расчетных значений выходного параметра для каждого уровня фактора рассчитывают по формуле

εm{YRu}=Sm{yRu}·tT[α,f{S2}] (19)

где Sm{yRu} – оценка среднеквадратического отклонения расчетного значения выходного параметраYRu для каждого значения xu.

Оценку среднеквадратического отклонения рассчитывают по формуле

(20)

Расчеты εm{YRu} и Sm{YRu} заносим в табл.4.

Далее в таблицу заносят расчетные значения yRu, полученные по уравнению регрессии (8).

Зная ошибки расчетной величины, определяем доверительные интервалы для испытанных средних значений выходного параметра.

Нижний доверительный интервал определяют:

Ym(н)=yRu- εm,(21)

верхний доверительный интервал:

Ym(в)=yRu+ εm, ( 22 )

Значения верхних и нижних значений доверительных интервалов для каждого опыта заносим в табл. 4.

 

Таблица 4

Доверительные интервалы средних значений

u xu (xu- x̃)2 Sm2 Sm εm YRu Ym(н) Ym(в)
1.   12225.06 4.871e 0.070 8.096 9.492 1.397 17.588
2.   10519.99 4.192e 0.065 7.510 9.477 1.967 16.987
3.   8942.91 3.563e 0.060 6.924 9.461 2.537 16.385
4.   7667.98 3.055e 0.055 6.412 9.447 3.035 15.859
5.   6331.38 2.523e 0.050 5.826 9.431 3.605 15.258
6.   5121.84 2.041e 0.045 5.241 9.416 4.175 14.656
7.   4168.89 1.661e 0.041 4.728 9.402 4.674 14.130
8.   3199.83 1.275e 0.036 4.142 9.386 5.244 13.529
9.   2358.75 9.401e 0.031 3.557 9.370 5.814 12.927
10.   1727.82 6.888e 0.026 3.044 9.357 6.312 12.401
11.   1126.74 4.493e 0.021 2.459 9.341 6.882 11.800
12.   705.81 2.816e 0.017 1.947 9.327 7.381 11.274
13.   344.73 1.377e 0.012 1.361 9.312 7.950 10.673
14.   111.66 4.488e 0.0067 0.777 9.296 8.519 10.073
15.   12.72 5.467e 0.002338 0.271 9.282 9.011 9.553
16.   19.65 8.228e 0.002868 0.333 9.266 8.934 9.599
17.   130.71 5.247e 0.007244 0.840 9.253 8.412 10.093
18.   377.64 1.509e 0.012 1.425 9.237 7.812 10.662
19.   698.70 2.788e 0.017 1.937 9.223 7.286 11.160
20.   1185.63 4.728e 0.022 2.522 9.207 6.685 11.729
21.   1716.69 6.843e 0.026 3.035 9.194 6.159 12.228
22.   2443.62 9.739e 0.031 3.620 9.178 5.558 12.798
23.   3184.68 1.269e 0.036 4.133 9.164 5.031 13.297
24.   4151.61 1.654e 0.041 4.718 9.148 4.430 13.867
25.   5102.67 2.033e 0.045 5.231 9.135 3.904 14.365
26.   6309.60 2.514e 0.050 5.816 9.119 3.302 14.935
27.   7470.66 2.977e 0.055 6.329 9.105 2.776 15.434
28.   8917.59 3.553e 0.060 6.915 9.089 2.175 16.004
29.   10288.65 4.099e 0.064 7.427 9.076 1.648 16.503
30.   11975.58 4.771e 0.069 8.013 9.060 1.047 17.073

 

Далее определяем границы доверительного интервала для индивидуальных значений выходного параметра Y при каждом уровне фактора.

Верхняя граница интервала:

y l (в)=yRu+S l ·tт[α,f{S2}]. (23)

Нижняя граница интервала:

y l (в)=yRu-S l ·tт[α,f{S2}]. (23)

Предварительно определяем ошибку:

(25)

Используя значения Sm из табл. 4 и ранее определенные по уравнению (15) значения S2{у} и критерий Стьюдента, определяем верхние и нижние границы искомой зоны по формулам (23) и (24), сводя все расчеты в табл. 5,

 

Таблица 5

u xu Sm2 S l 2 S l YRu tт· S l Y l (н) Y l (в)
1.   4.871e 0.107 0.328 9.492 0.656 8.837 10.148
2.   4.192e 0.107 0.327 9.477 0.653 8.823 10.130
3.   3.563e 0.106 0.326 9.461 0.652 8.809 10.112
4.   3.055e 0.106 0.325 9.447 0.650 8.797 10.097
5.   2.523e 0.105 0.324 9.431 0.648 8.783 10.080
6.   2.041e 0.105 0.323 9.416 0.647 8.769 10.063
7.   1.661e 0.104 0.323 9.402 0.646 8.756 10.048
8.   1.275e 0.104 0.322 9.386 0.644 8.742 10.031
9.   9.401e 0.103 0.322 9.370 0.643 8.727 10.014
10.   6.888e 0.103 0.321 9.357 0.643 8.714 9.999
11.   4.493e 0.103 0.321 9.341 0.642 8.699 9.983
12.   2.816e 0.103 0.321 9.327 0.641 8.686 9.969
13.   1.377e 0.103 0.320 9.312 0.641 8.671 9.952
14.   4.488e 0.103 0.320 9.296 0.641 8.655 9.936
15.   5.467e 0.103 0.320 9.282 0.640 8.642 9.923
16.   8.228e 0.103 0.320 9.266 0.640 8.626 9.907
17.   5.247e 0.103 0.320 9.253 0.641 8.612 9.893
18.   1.509e 0.103 0.320 9.237 0.641 8.596 9.878
19.   2.788e 0.103 0.321 9.223 0.641 8.582 9.864
20.   4.728e 0.103 0.321 9.207 0.642 8.565 9.849
21.   6.843e 0.103 0.321 9.194 0.643 8.551 9.836
22.   9.739e 0.104 0.322 9.178 0.644 8.534 9.821
23.   1.269e 0.104 0.322 9.164 0.644 8.520 9.808
24.   1.654e 0.104 0.323 9.148 0.646 8.503 9.794
25.   2.033e 0.105 0.323 9.135 0.647 8.488 9.781
26.   2.514e 0.105 0.324 9.119 0.648 8.471 9.767
27.   2.977e 0.106 0.325 9.105 0.650 8.455 9.755
28.   3.553e 0.106 0.326 9.089 0.651 8.438 9.741
29.   4.099e 0.107 0.327 9.076 0.653 8.422 9.729
30.   4.771e 0.107 0.328 9.060 0.655 8.405 9.715

 

Выводы: в процессе выполнения лабораторной работы были изучены методы математической обработки результатов исследования свойств текстильных материалов, приведён расчёт критерия Кочрена и проверка однородности дисперсии в опытах матрицы, определена средняя дисперсия выходного параметра в опытах матрицы, коэффициенты регрессии, адекватность уравнения регрессии, расчёт критерия Фишера, определены уравнения регрессии по данным однофакторного эксперимента, доверительные интервалы средних и индивидуальных значений выходного параметра, построен график полученного уравнения регрессии.




Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-12-18 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: