第三讲实验设计方法课件.ppt
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- 第三 实验设计 方法 课件
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1、1第三讲第三讲 实验设计方法实验设计方法2统计设计统计设计 实验设计 现场调查设计3实验设计方法实验设计方法 1.配对设计(matchedpairs design)2.交叉试验设计(cross-over design)3.完全随机组设计(complete random design)4.配伍组设计(randomized block design)5.均衡不完全配伍组设计(balanced incomplete blocks design)4实验设计方法 6.拉丁方设计(Latin-Square design)7.析因设计(factorial design)8.正交设计(orthogonal d
2、esign)9.序贯实验设计(sequential trial)5一、配对设计一、配对设计(matchedpairs design)配对设计是将受试对象配成对子,随机给予每对中的两个体以不同处理。配对条件为主要的非处理因素。在动物试验中,常将种属、性别、年龄、体重相近的两动物配成对子;临床试验中,常将性别相同,年龄,生活条件、病情轻重等相似的两个病人配成对子。6配对设计的形式配对设计的形式 自身配对自身配对 同一对象接受两种处理,如同一标本用两种方同一对象接受两种处理,如同一标本用两种方法进行检验,同一患者接受两种处理方法。法进行检验,同一患者接受两种处理方法。异体配对异体配对 将条件相近的实
3、验对象配对,并分别给予两种将条件相近的实验对象配对,并分别给予两种处理。处理。7配对设计的特点配对设计的特点 配对设计的优点:比较理想地控制了非处配对设计的优点:比较理想地控制了非处理因素的影响,均衡性较好,减少抽样误理因素的影响,均衡性较好,减少抽样误差。差。缺点:观察对象要经过挑选,特别是临床缺点:观察对象要经过挑选,特别是临床试验中病例较少时,样本含量较少。试验中病例较少时,样本含量较少。8配对设计的统计分析配对设计的统计分析 当服从正态分布时,用配对比较的当服从正态分布时,用配对比较的t t检验;检验;当不服从正态分布或分布未知时,用配对当不服从正态分布或分布未知时,用配对符号秩和检验
4、。符号秩和检验。9二、交叉试验设计二、交叉试验设计 (cross-over design)(cross-over design)将将A A、B B两种处理先后施于同一批试验对象,随两种处理先后施于同一批试验对象,随机地使半数对象先接受机地使半数对象先接受A A,后接受,后接受B B;另一半对;另一半对象先接受象先接受B B,后接受,后接受A A。两种处理在全部试验过。两种处理在全部试验过程中程中“交叉交叉”进行,称为交叉试验。进行,称为交叉试验。由于由于A A和和B B处于先后两个试验阶段的机会是相等处于先后两个试验阶段的机会是相等的,因此平衡了试验顺序的影响,而且能把处的,因此平衡了试验顺序
5、的影响,而且能把处理方法之间的差别与时间先后之间的差别分开理方法之间的差别与时间先后之间的差别分开来分析。来分析。10交叉试验设计交叉试验设计 确定受试对象的例数必须是偶数,并编确定受试对象的例数必须是偶数,并编号,尽量使相邻的第号,尽量使相邻的第1 1、2 2号非处理因素号非处理因素近似,第近似,第3 3、4 4号非处理因素近似,余类号非处理因素近似,余类推。随机地确定各单号的接受两种处理推。随机地确定各单号的接受两种处理的顺序,而各双号的顺序,与其前一个的顺序,而各双号的顺序,与其前一个单号的顺序相反。单号的顺序相反。统计分析方法:当服从正态分布时,用统计分析方法:当服从正态分布时,用方差
6、分析;当不服从正态分布时,用秩方差分析;当不服从正态分布时,用秩和检验。和检验。11表4-116只大自鼠的痛阈值 编号 阶 段 合计12345678910111213141516A 2.5B 2.2A 2.3B 3.0B 2.0A 3.5B 3.2A 2.4A 1.9B 3.0B 2.5A 2.6B 2.1A 3.0A 3.8B 1.9B 2.0A 2.9B 1.6A 3.3A 2.4B 3.1A 3.9B 1.8B 1.6A 3.4A 3.2B 1.6A 2.8B 2.6B 3.2A 2.04.55.13.96.34.46.67.14.23.56.45.74.24.95.67.03.9合计4
7、1.941.483.3A参数合计 45.9 B参数合计 37.412表4-3 表4-1资料的秩和检验 编号 阶 段 -+差 秩次和 秩次按A-B顺序136891214152.5 2.02.3 1.63.5 3.12.4 1.81.9 1.62.6 1.63.0 2.63.8 3.20.5 120.7 150.4 100.6 140.3 91.0 160.4 110.6 13 1004.5 73.9 2.56.6 13.54.2 4.53.5 14.2 4.55.6 107.0 15 58按B-A顺序2457101113162.2 2.93.0 3.32.0 2.43.2 3.93.0 3.42
8、.5 3.22.1 2.81.9 2.0-0.7 1-0.3 7-0.4 5-0.7 2-0.4 6-0.7 3-0.7 4-0.1 8 365.1 96.6 13.54.4 67.1 166.4 125.7 114.9 83.9 2.5 7813交叉试验设计的特点交叉试验设计的特点 交叉设计的优点是节省样本数,且均衡交叉设计的优点是节省样本数,且均衡性较好。但要求两种观察时间不能过长,性较好。但要求两种观察时间不能过长,处理没有持久效果,使两种处理能够很处理没有持久效果,使两种处理能够很快区分开。如比较两种抗菌素治疗肺炎快区分开。如比较两种抗菌素治疗肺炎的效果,病人一旦痊愈就不能再用另一的效
9、果,病人一旦痊愈就不能再用另一种抗生素,就不适用。当药物有蓄积作种抗生素,就不适用。当药物有蓄积作用或排泄缓慢,使得第二次处理不能很用或排泄缓慢,使得第二次处理不能很快排除第一次的干扰,而影响第二次处快排除第一次的干扰,而影响第二次处理,也不适于应用。理,也不适于应用。14三、完全随机组设计三、完全随机组设计(complete random design)(complete random design)完全随机组设计是将受试对象,随机地完全随机组设计是将受试对象,随机地分配到各个处理组中进行实验观察,或分配到各个处理组中进行实验观察,或者从不同总体中随机抽样进行对比观察者从不同总体中随机抽样进
10、行对比观察的一种试验设计。在实验研究中可先将的一种试验设计。在实验研究中可先将实验对象编号,再用随机数字表或随机实验对象编号,再用随机数字表或随机排列表把它们随机地分成两组或多组,排列表把它们随机地分成两组或多组,分别用各种处理进行实验观察,各组实分别用各种处理进行实验观察,各组实验对象例数可以相等,也可以不相等。验对象例数可以相等,也可以不相等。15完全随机组设计的特点完全随机组设计的特点 此种设计的优点是设计和统计分析比较简此种设计的优点是设计和统计分析比较简单。单。缺点是试验效率较低,且只能分析一个因缺点是试验效率较低,且只能分析一个因素。素。16完全随机组设计的统计分析完全随机组设计的
11、统计分析 一、两处理组一、两处理组1.1.大样本大样本(当当nl及及n2均大于均大于5050时时)当资料为当资料为计量时可用计量时可用u检验,当资料为计数时可用检验,当资料为计数时可用2检验。检验。2.2.小样本小样本 计量资料:当服从正态分布且计量资料:当服从正态分布且方差齐时,采用方差齐时,采用t t检验;当服从正态分布检验;当服从正态分布但方差不齐时,采用但方差不齐时,采用tt检验,当不服从检验,当不服从正态分布或分布未知时,采用秩和检验;正态分布或分布未知时,采用秩和检验;当资料为计数时可用确切概率法。当资料为计数时可用确切概率法。17完全随机组设计的统计分析完全随机组设计的统计分析二
12、、多个处理组二、多个处理组 为计量资料时:当服从正态分布且方差为计量资料时:当服从正态分布且方差齐时,采用方差分析;当不服从正态分齐时,采用方差分析;当不服从正态分布或分布未知时,采用秩和检验。当资布或分布未知时,采用秩和检验。当资料为计数时采用料为计数时采用2 2检验。检验。18四、配伍组设计四、配伍组设计(randomized block design)配伍设计是配对设计的扩大。当处理组数配伍设计是配对设计的扩大。当处理组数为三个或三个以上时,将受试对象的非处为三个或三个以上时,将受试对象的非处理因素相同或相似者组成配伍组,每个配理因素相同或相似者组成配伍组,每个配伍组的受试对象随机地分配
13、到各个处理组。伍组的受试对象随机地分配到各个处理组。19配伍组设计的特点配伍组设计的特点 各个处理组中的受试对象不仅数量相同,各个处理组中的受试对象不仅数量相同,而且比较均衡。这种试验设计,既减小了而且比较均衡。这种试验设计,既减小了抽样误差,还可以分析出处理组及配伍组抽样误差,还可以分析出处理组及配伍组两个因素的影响。两个因素的影响。其缺点和配对设计相同,受试对象要经过其缺点和配对设计相同,受试对象要经过挑选。挑选。20 缺项估计缺项估计 配伍组试验的特点是各处理组的受试对配伍组试验的特点是各处理组的受试对象数相等,各配伍组的受试对象数也相象数相等,各配伍组的受试对象数也相等。如在试验过程中
14、,因故造成某个数等。如在试验过程中,因故造成某个数据丢失,例如试验过程中死去一只动物,据丢失,例如试验过程中死去一只动物,或由于仪器故障。此时如果将此配伍组或由于仪器故障。此时如果将此配伍组整个去掉,对信息是一种损失。但由于整个去掉,对信息是一种损失。但由于缺少一个数据,无法进行方差分析。可缺少一个数据,无法进行方差分析。可以采用缺项估计加以解决。以采用缺项估计加以解决。2122111111tTbBSXtbBtXMSt tTbXMSb b处理配伍的偏差的偏差22缺项估计自由度的处理缺项估计自由度的处理 补入的X的值不占自由度,总的自由度应减1,即bt-2。误差自由度也应减1,而处理及配伍的误差
15、自由度不变。23五、均衡不完全配伍组设计五、均衡不完全配伍组设计(balanced incomplete blocks design)一般每个一般每个配伍组的受试对象个数配伍组的受试对象个数k应等于应等于处理组数处理组数v,但有时处理组数,但有时处理组数v多于多于配伍配伍组组所能容纳的所能容纳的受试对象受试对象个数,即个数,即v vk k。此。此时每个配伍组不能把所有的处埋都安排时每个配伍组不能把所有的处埋都安排进去,可采用进去,可采用均衡不完全配伍组设计,均衡不完全配伍组设计,简称简称BIB设计。设计。24均衡不完全配伍组设计均衡不完全配伍组设计 设有设有A、B、C、D四种处理,每四种处理,
16、每个配伍组个配伍组只能按排只能按排3 3个处理,不能安排所有的个处理,不能安排所有的4 4个处个处理,因此是不完全的。如果按照表理,因此是不完全的。如果按照表5 51 1设设计,则每个处理因素出现的次数都相同计,则每个处理因素出现的次数都相同 (3(3次次);且任意两个因素在同一配伍组内的次;且任意两个因素在同一配伍组内的次数也是相同的数也是相同的(2(2次次),因此设计是均衡的。,因此设计是均衡的。25表表51 均衡不完全配伍组设计均衡不完全配伍组设计配伍组号处 理 因 素1234AAABBBCCCDDD26均衡不完全配伍组设计要求均衡不完全配伍组设计要求 设设v v为处理组数,为处理组数,
17、k k为每个配伍组受试对为每个配伍组受试对象的个数,象的个数,b b为配伍组组数,为配伍组组数,r r为每种处为每种处理重复数,理重复数,为每两种处理同为每两种处理同 时出现的时出现的配伍组组数。配伍组组数。1 1 2 2 必须是整数必须是整数11r kvrvbk=27均衡不完全配伍组设计表均衡不完全配伍组设计表 书中附表达式书中附表达式6给出了各种不同情况下的给出了各种不同情况下的均衡不完全配伍组设计表,选择的原则均衡不完全配伍组设计表,选择的原则是由:是由:v:实验设计所确定的处理因素实验设计所确定的处理因素的水平数。的水平数。k:实验条件所能提供配伍组内实验条件所能提供配伍组内实验的对象
18、(动物)数或实验同时进行实验的对象(动物)数或实验同时进行的实验的对象(动物)数的实验的对象(动物)数28六、拉丁方设计六、拉丁方设计(Latin-Square design)用用r r个拉丁字母排成个拉丁字母排成r r行行r r列的方阵,使每列的方阵,使每行及每列中每个字母都只出现一次,这行及每列中每个字母都只出现一次,这样的方阵称为样的方阵称为r r阶拉丁方,或阶拉丁方,或r rr r拉丁方。拉丁方。例:例:3 33 3拉丁方拉丁方 I I 1 A B C 1 A B C 2 B C A 2 B C A 3 C A B 3 C A B 29拉丁方的基本型拉丁方的基本型 第第1行及第行及第列
19、都是按某自然的或标准的次列都是按某自然的或标准的次序,如按拉丁字母的次序排成的。序,如按拉丁字母的次序排成的。r rr r基本型的拉丁方个数基本型的拉丁方个数N Nr r为为 r 2 3 4 5 6r 2 3 4 5 6 N Nr r 1 1 4 56 9408 1 1 4 56 9408 30l4 44 4拉丁方拉丁方 I I 1 A B C D 1 A B C D 2 B A D C 2 B A D C 3 C D A B 3 C D A B 4 D C B A 4 D C B A31正交拉丁方设计正交拉丁方设计 A B CA B C B C AB C A C A BC A B A B C
20、 A B C B B C C A A C C A A B B32拉丁方设计使用与统计分析拉丁方设计使用与统计分析 拉丁方实验设计用于三个因素,每个因素拉丁方实验设计用于三个因素,每个因素的水平数相同,且因素间没有交互作用。的水平数相同,且因素间没有交互作用。优点:试验次数减少到最小,并且均衡。优点:试验次数减少到最小,并且均衡。统计分析:方差分析统计分析:方差分析33444 拉丁方设计拉丁方设计浓度峰合计1234A 0.80B 0.50C 0.38D 0.22B 0.74A 0.36D 0.44C 0.25C 0.31D 0.18A 0.17B 0.36D 0.48C 0.20B 0.42A
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