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&Six Advanced Statistics_DOE1 1 實實實實 : &13 DOE 實實 實 y 實實實實實實實實實 實實實實 x 1 , x 2 , …, x p 實 y 實實實實實實 實實實實 x 1 , x 2 , …, x p 實 y 實實實實實實 實實實實 x 1 , x 2 , …, x p 實實實實實實實 z 1 , z 2 , …, z p 實實實實實

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&Six Advanced Statistics_DOE1 1

實驗目的 :

&13 DOE 簡介

對 y 影響最大的變數為何?

如何設定 x1, x2, …, xp使 y 值趨近最佳值?

如何設定 x1, x2, …, xp使 y 值得變異最小?

如何設定 x1, x2, …, xp

使不可控制因素 z1, z2, …, zp 之影響最小?

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An Example: Play Golf Objective: Lower score without much practicing. Response Variable: Score (per round) Possible Factors:

The type of driver used (oversized or regular-sized)

The type of ball used (balata or three-piece) Walking or riding in a golf cart Beverage Type (water or beer) Time (in the morning or afternoon) Weather (cool or hot, windy or calm) The type of golf shoe spike (metal or soft)

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一般實驗進行方式 Best-guess approach

No Good, Guess Again Switching the levels of one (perhaps two) factors for

the next test based on the outcome of the current test

Good Enough, Stop! On-factor-at-a-

time Selecting a baseline starting point Varying each factor over its range with the other

factors held constant at the baseline level Interactions ruin everything

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最佳因子水準組合為? Driver: Regular Mode of travel: Ride Beverage: Water

But what if…………………

Results of the one-factor-a-time strategy for the golf experiment

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The two-factor factorial design for the golf experiment (I)

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The two-factor factorial design for the golf experiment (II)

Ball Effect = ? Ball-Driver Interaction Effect = ?

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Other Designs for the Golf Experiment

Four-factor factorial design

Three-factor factorial design

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Other Designs for the Golf Experiment

Four-factor fractional factorial design

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實驗計劃法 (DOE) 在一個或連串的試驗中刻意地改變製程輸入參數值 ,

以便觀察並找出影響製程輸出變數之因素 .

應用 : 改進製程產出率 降低製程變異 , 改善產品品質 降低研發時間 降低總體成本 評估各種可行之設定值 評估各替代原料 確定影響產品特性之因素

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Example:Optimizing a Process

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基本原則 複製 (Replication)

隨機化 (Randomization)

區隔化 (Blocking)

增進實驗之精確度

估計自然誤差 中央極限定理

“Averaging out” the effects from uncontrollable variables

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DOE 之程序 問題之認知與陳述 選擇因子與其水準 選擇反應變數 選擇適當之實驗設計 執行實驗 資料分析 結論與建議

Follow-up run and confirmation test Iterative No more than 25% of available resources should be invested in t

he first experiment

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Notes

使用統計以外之專業知識 實驗之設計與分析應愈簡單愈好 實驗之統計分析結果與現實上之差異

成本 技術 時間

實驗通常是遞迴式的 前幾次實驗通常只是學習經驗而已

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二因子實驗設計 二因子無交互作用

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二因子有交互作用

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One-factor at a time 之方法

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二因子實驗設計之模式

0 oneleast at :

, allfor ,0: 3.

0 oneleast at :

0: 2.

0 oneleast at :

0: 1.

:

1

0

1

210

1

210

ij

ij

j

b

i

a

H

jiH

H

H

H

H

TestingHypothesis

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Data Sheet

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ANOVA 表 – Two-Factor Factorial

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a

i

b

j

ijsubtotals abn

y

n

ySS

1 1

2...

2.

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Example

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決策模式: 因為 F0(Primer Types) = 28.63 > F0.05,2,12 = 3.89

F0(Application Methods) = 61.38 > F0.05,1,12 = 4.75

所以此二因子對黏著力皆有顯著影響。 但 F0(Interaction) = 1.5 < F0.05,2,12 = 3.89 ,所以此二因子的交互作

用對黏著力無明顯之影響。

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Another Example

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ANOVA Results

Computer Output (Model Adequacy Checking)

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Multiple Comparisons

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&6 2k 因子階層設計 k 個因子,每個因子 2 個水準 (+,-) ,共 2k次實驗(當

n = 1 時)。

在因子數不多的狀況下,常用於實驗初期,來了解因子對反應變數之可能影響。

只能看出因子對反應變數之線性作用 (linear effect) ,無法預估高階曲面作用。

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The 22 Factorial Design

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The Calculation (I)

Effects

Contrast

baabn

ababn

AB

ababn

baabn

B

baabn

ababn

A

12

11

2

1

12

11

2

1

12

11

2

1

12

1

1

1

kA

AB

B

A

n

ContrastA

baabContrast

ababContrast

baabContrast

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Sum of Square Errors

The Calculation (II)

ABBATE

ijkijkT

kAB

AB

kB

B

kA

A

SSSSSSSSSSn

yyyySS

n

ContrastSS

n

ContrastSS

n

Contrast

n

baabSS

4

2

2

24

1

222

2

2

22

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The AVONA Table

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The Regression Model Since the effect of AB is not significant, the

regression model would be

22110 xxy

The estimates of these coefficients are

2

2

2

^

^

1

^

0

B

A

Effect

Effect

y

Why?

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The Residuals

Residuals at x1=1 and x2 = -1

Computer Output

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23 因子階層設計

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23 因子階層設計 _ 符號表

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計算 各因子之 Contrast = (Sign) (Treatment Combination)

ContrastA = -(1)+a-b+ab-c+ac-bc+abc ContrastB = -(1)-a+b+ab-c-ac+bc+abc ContrastAB =

各因子之效用 Effect = Contrast / (n 2k-1)

各因子之 Sum of Square = Contrast / (n 2k) SSA = {-(1)+a-b+ab-c+ac-bc+abc}2 / 8n

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Example for 23 Design

A: 速度 B: 切割深度 C: 切刀角度

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計算 _Example 各因子之效用

各因子之 Sum of Square SSA = {-(1)+a-b+ab-c+ac-bc+abc}2 / 8n = (27)2 / (82) = 45.5625

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ANOVA 表 _Example

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Example for 24 Design

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24 因子階層設計 _ 符號表

請完成

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ANOVA 表 _Example

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AD 交互作用與迴歸函數

2/

2/

2/

3

2

1

3210

之效用為

之效用為

之效用為

AD

D

A

ADDAy

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2k Design with Center Points

增加預估曲線作用之能力

不破壞設計之平衡性 (Balanced Design)

只需增加少數幾個實驗

cF

cFcFquadraticpure nn

yynnSS

)(

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Example

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ANOVA 表 _Example

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2k 因子實驗之區隔化與混雜化 22 factorial design with Blocking

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The ANOVA

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Confounding( 混雜化 ) 受限於資源(時間、金錢、人力等),無法再每一個

區隔皆有完整的因子實驗。

Confounding is a design technique for arranging a complete factorial design in blocks, where the block size is smaller than the number of treatment combinations in one replicate.

It causes information about certain treatment effects (usually high-order interactions) to be indistinguishable from, or confounded with, blocks.

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Confounding in 2 blocks

Effect AB confounded with block.

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The 23 Design Confounded(I)

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The 23 Design Confounded(II)

The Degrees of Freedom

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The 23 Design Confounded(III) Replications => n = 4.

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The 23 Design Confounded(IV)

Replications => n = 4.

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An Example

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The ANOVA

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Confounding in 4 blocks

ADE and BCE are confounded, in addition, ABCD is also confounded. Why?

Suggested Blocking => pp. 298, Table 7-8.