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試驗設計學 第一章至第九章精華篇 試驗研究五步驟: 1. 嚴謹設計 2. 資料搜集 3. 資料整理 4. 統計分析 5. 合理推論.

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1 試驗設計學 第一章至第九章精華篇 試驗研究五步驟: 1. 嚴謹設計 2. 資料搜集 3. 資料整理 4. 統計分析 5. 合理推論

2 嚴謹的試驗設計 – 似醫生的正確診斷 合適的統計方法 – 似醫生的有效處方
統計學家的職責 嚴謹的試驗設計 – 似醫生的正確診斷 合適的統計方法 – 似醫生的有效處方

3 試驗時最關心的兩個問題 如何獲得良好的試驗資料 如何選用合適的統計分析法

4 試驗誤差的作祟 如何管束試驗誤差,即為本文的主要任務
試驗時最傷腦筋的事情 試驗誤差的作祟 如何管束試驗誤差,即為本文的主要任務

5 一個好的研究必須要有嚴謹的設計 ,客觀的試驗過程及合理的推論。因此試驗時必須遵守下列三個原則
一、試驗研究重要三原則 一個好的研究必須要有嚴謹的設計 ,客觀的試驗過程及合理的推論。因此試驗時必須遵守下列三個原則 設置重複(set up replication) 隨機排列(random arrangement) 誤差控制(error control)

6 設置重複 同一處理(如食品、藥品、療法,品種)所使用的試驗單位數即為重複。 主要作用是估算試驗誤差以備統計推論之用。
若試驗只做一次(重複一次),則無法估算試驗誤差,也就無法做統計推論 重複次數愈多,理論上試驗誤差愈小,試驗結果會愈準確可靠。 一般來說,計量資料,如果誤差控制得好,設計均衡,10-20次即可,甚至還可小一些;而計數資料,即使誤差控制得好,也需要30-100左右 農作物田間試驗則僅需4-6次 試驗地(A、B、C代表作物品種) A B C ←試區 (系統排列法不妥當)

7 隨機排列 哪一個處理被安排於哪個試驗單位要機會均等,不能有人為的主觀偏見。
隨機排列與重複相結合,試驗數據就能估算無偏的(unbiased)試驗誤差,統計推論才合理可靠。 隨機法有:拋硬幣,擲骰子,抽籤,利用隨機數字表 試驗地之地利或水分均衡 B C A (各處理隨機排列法)

8 誤差來源有兩種 系統誤差(systematic error) 隨機誤差(random error)
誤差控制 誤差來源有兩種 系統誤差(systematic error) 隨機誤差(random error)

9 系統誤差 同一處理以不同儀器,或同儀器不同人或同人不同時間測得的數據皆不相同,而有偏差(bias),這種偏差稱為系統誤差。
系統誤差是一種有原因、有方向的偏差,這種偏差會影響試驗結果的準確性(accuracy)。 導致系統誤差的原因可能不只一種,方向也不一定相同。 規劃各種試驗設計就是用來排除系統誤差。

10 系統誤差示意圖 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 試驗地之 地力或水分不均衡 區集內試區之 地力相似 區 集 區集間試區之 地力相異
(參試處理在各區集內隨機排列) 區集內試區之 地力相似 區集間試區之 地力相異

11 隨機誤差 測驗一批性質相同的物品時,即使儀器相同,也由同一人同一時間測量,結果各個測量數據卻不會相同,這表示實驗數據有誤差,這種誤差完全不知道什麼原因造成的,是偶然發生的,我們稱之為隨機誤差。 隨機誤差就是試驗誤差,有正值,也有負值。 試驗過程中涉及隨機誤差的原因很多,如田間試驗的土壤差異,動物試驗的體質差異,甚至工作人員的操作不穩都可能是隨機誤差的來源 隨機誤差不能避免,但可以減小,這有賴試驗者的安排控制

12 隨機誤差示意圖 B C B A A B C C C A A B 僅有隨機誤差 B C A 包括系統誤差及隨機誤差

13 二、規劃試驗設計三原則 根據下列三原則可規劃出幾種常用試驗設計法 試驗材料(如人、動物、植物、昆蟲、 微生物、土壤等):是同質或異質。
試驗材料(如人、動物、植物、昆蟲、 微生物、土壤等):是同質或異質。 試驗空間(環境):是相同或不同。 試驗時間 :各處理是否同時進行試驗。

14 同質與異質比較示意圖 B C A C A B 1 2 3 B C A 同質、同時、同空間 異質或異時或異空間 Ⅰ Ⅱ Ⅲ
B C A 異質或異時或異空間 B C A C A B 兩向異質或異時及異空間

15 三、有效控制試驗誤差四種基本試驗設計 由上述試驗設計三原則可規劃出下列四種常用試驗設計
完全隨機設計(Completely Randomized Design:CRD) 適用於單向變方(變異數)分析(one-way analysis of variance: anova ) 隨機完全區集設計(Randomized Complete Block Design:RCBD) 適用於雙向變方(變異數)分析(two-way analysis of variance) 拉丁方設計(Latin square Design:LSD) 適用於雙向變方分析 交叉設計或輪換設計(Cross-over Design or Change-over Design: COD ) *規劃各種設計的主要原則是要讓參予試驗的各處理 有相同的待遇(均衡原則)

16 (一)完全隨機設計(Completely Randomized Design:CRD) (one-way classification))
採用本設計的條件 各處理(如以A、B、C代表三種食品、藥品,作物品種) 所使用的試驗材料要同質、同時於同環境進行試驗 各處理要隨機排列如下圖 本設計之優點:試驗最簡單,試驗結果效力最高,適合任意處理數及重複數的試驗。 B C A

17 【例1.1】設A、B、C為三種不同配方的食品(或作物品種),進行品質(或產量)比較試驗,試驗材料為同一天出生的天竺鼠(或白老鼠),每種食品(處理)重複四次共需3×4=12隻天竺鼠,飼養一段時間後增重紀錄(克)如下: (上列各資料減10) B 9 C 13 B 6 A 4 A 7 B 8 C 11 C 10 A 8 A 5 B 5

18 變方(變異數)分析 A 7 8 5 24 6 1.83 B 9 28 C 10 13 11 44 1.41 96 單向分類模式 假設檢定
重複 飼料 1 2 3 4 平均值 標準偏差 (SD) A 7 8 5 24 6 1.83 B 9 28 C 10 13 11 44 1.41 96 單向分類模式 假設檢定 各效應平方和求法 總平方和 SST= 處理平方和 SSt= 誤差平方和 SSE=SST-SSt= 82 – 56 = 26

19 變方(變異數)分析表(one-way anova)
變因 自由度 平方和 均方 F值 F(0.01) 處理(t) 2 56 28 8.0215 誤差(E) 9 26 2.9 總計(T) 11 82 結論:F=9.69> 三食品品質間有差異 若此結論下錯了,其錯誤率小於1% (此種錯誤統計學上稱為第一型錯誤:type I error)

20 各食品試驗結果平均值差異比較法 常用方法有: Fisher 的最小顯著差異法(LSD) Duncan 的多變域檢定法(MRT)
Bonferroni 的B值檢定法 Tukey 的H檢定法 Scheffe 的S值檢定法等多種 S>H>B>MRT>LSD

21 Fisher’s 最小顯著差異值(Least Significance Difference, LSD)

22 例:A,B,C三食品飼養天竺鼠平均增重比較 處理 均值 實測差異值 C 11 - B 7 4* - A 6 5* 1 -
*號表示兩處理均值間的差異達到5%顯著水準 處理 均值 實測差異值 C 11 - B 7 4* - A 6 5*

23 鄧氏新多變域測驗法 Duncan’s New Multiple Range Test(DMRT)
其臨界值之計算式如下:(見附表8) r=2, r=3,

24 鄧氏新多變域測驗法(DMRT) 處理 均值 實測差異值 ---------------------------------------
處理 均值 實測差異值 C B * - A * *號表示兩處理均值間的差異達到5%顯著水準

25 雪菲S法(Scheffe’s S Method)
兩處理均值差之臨界值計算式:

26 雪菲S法(Scheffe’s S Method)
處理 均值 實測差異值 C B * - A * *號表示兩處理均值間的差異達到5%顯著水準

27 Bonferroni多重比較方法 顯著水準:α,兩兩比較個數:k 調整顯著水準: α*=α/k Bonferroni(1-α)%信賴區間
決策方法:若處理i與i´之Bonferroni(1-α)%信賴區間不包括0  處理i與i´之平均值間有顯著差異

28 例 A,B,C三食品飼養天竺鼠平均增重比較 比較 A VS. B (-5.73,3.73) A VS. C (-9.73,-0.27)*
B VS. C (-8.73,0.73)

29 Tukey忠誠顯著差異值 (Honest Significance Distance,HSD)
Qα, m, dfE 決策方法:若處理i與i´之HSD不包括0  處理i與i´之平均值間有顯著差異

30 例 A,B,C三食品飼養天竺鼠平均增重比較 比較 HSD A VS. B (-7.26,5.26) A VS. C
(-11.26,1.26) B VS. C (-10.26,2.26)

31 [例1.2]A,B,C三食品品質比較,試驗材料為 12隻白老鼠,試驗結果增重如下
重複 飼料 1 2 3 4 平均值 標準偏差 (SD) A 14 19 20 15 68 17 B 24 18 22 84 21 C 23 28 25 100 單向分類模式 假設檢定 各效應平方和求法 總平方和 處理平方和 誤差平方和 SSE=SST-SSt= 200 –128 =72

32 變方(變異數)分析表(one-way anova)
變因 自由度 平方和 均方 F值 F(0.05) 處理(t) 2 128 64 8 4.26 誤差(E) 9 72 總計(T) 11 200 結論:F=8> 三食品品質間有差異 若此結論下錯了,其錯誤率小於5% (此種錯誤統計學上稱為第一型錯誤:type I error)

33 Fisher’s 最小顯著差異(Least Significance Difference, LSD)
若實測處理i與i´之間的差異比理論的LSD大,表示處理i與i´之平均值間有顯著差異

34 [例1.2]A,B,C三食品品質比較 處理 均值 實測差異值 C 25 - B 21 4 - A 17 8* 4 -
號表示兩處理均值間的差異達到5%顯著水準 處理 均值 實測差異值 C 25 - B 21 4 - A 17 8*

35 【例1. 3】設由A,B,C三水稻品種示範田中以矩陣隨機抽樣法各調查六個單位(每單位20株)之螟害發生情況,各品種螟害率如下,如何檢驗三水稻品種對螟虫之抵抗性是否有差異
(%) 1 8.9 10.6 7.6 2 10.2 13.7 6.7 3 7.4 11.6 11.2 4 12.8 19.0 4.9 5 9.2 9.8 6.0 6 6.3 10.5 10.4 平均值( ) 9.13 13.37 7.8 標準偏差(SD) 5.1347 6.2440 6 6 6

36 變方(變異數)分析表 (one-way anova) 結論:三處理平均值間有差異 變 因 自由度 平方和 均方 F值 F(0.05)
變 因 自由度 平方和 均方 F值 F(0.05) 處理(t) 2 6.51 3.6823 誤差(E) 15 7.7858 總計(T) 17 結論:三處理平均值間有差異

37 水稻三品種螟害率差異比較 利用Fisher的LSD比較 品種 A B C 9.13a 13.37b 7.80a
結論:B品種螟害率比A,C品種高,而A,C兩品種則無 差異

38 非成對t值檢定(unpaired t test)
僅兩處理完全隨機設計(CRD),亦稱平行設計(parallel design)。 將試驗單位(動物:同質)完全隨機分成兩組 試驗單位 n=20 隨機分配 第 1組 10 第 2組 10 A藥品 B藥品

39 【例1.3】由【例1.1】資料,A、B兩食品品質比較
飼料 1 2 3 4 平均值 標準差 A 7 8 5 24 6 1.83 B 9 28 平方和 共同均方(誤差均方) MSE=(SSA+SSB)/(4+4-2)=20/6=3.3333 兩食品品質無差異

40 變方分析法 各項平方和求法

41 變方分析表 兩食品品質無差異 變因 自由度 平方和 均方 實測F值 F(0.05) 食品 1 2 2 0.60 NS 5.99
______________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 食品 NS 誤差 _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 總計 兩食品品質無差異

42 【例1.4】由【例1.2】資料,A,B兩水稻品種螟害率比較
重 複 1 2 3 4 5 6 平均 品種 A 8.9 10.2 7.4 12.8 9.2 6.3 54.8 9.13 品種 B 10.6 13.7 11.6 19.0 9.8 15.5 80.2 13.37 A,B兩水稻品種螟害率有差異

43 試驗材料為異質(或異時或異環境),但可明顯分成幾組,每組集合數個性質相同的試驗單位而成一區集(block)。
(二)隨機完全區集設計(Randomized complete Block Design :RCBD) (two-way classification) 採用本設計條件 試驗材料為異質(或異時或異環境),但可明顯分成幾組,每組集合數個性質相同的試驗單位而成一區集(block)。 各區集內之試驗單位數必須等於處理數 在各區集內參試處理要隨機排列,形成同源配 B C A

44 本設計優點: 本設計缺點: 可剔除試驗材料(或時間或環境)不同時之系統誤差,以減小試驗誤差。 任意處理數及區集數均可
若試驗材料為同質,其試驗效果不如完全隨機設計(CRD) 試驗結果資料有缺值時,資料分析比較複雜

45 【例2.1】設A、B、C為三種不同配方的食品(或作物品種)進行品質(產量)比較試驗,每種食品(處理)重複4次,試驗材料為四個不同時間出生的天竺鼠(異質),其試驗設計圖及飼養一段時間後之增重(克)如下
區集 B 16 C 18 C 20 A 18 C 14 A 15 B 25 C 22 A 10 B 20 A 16 B 28

46 變方(變異數)分析 處理 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 和 平均值 A 10 15 16 18 59 14.75 B 20 25 28 89 22.25
C 14 22 74 18.50 40 53 61 68 222 雙向分類模式 假設檢定 各效應平方和求法 總平方和 SST= 區集平方和 SSB= 處理平方和 SSt= 誤差平方和 SSE=SST-SSB-SSt=10.17

47 變方(變異數)分析表(two-way anova)
變因 自由度 平方和 均方 F F(0.05) 區集(B) 3 144.33 48.11 28.46 4.7571 處理(t) 2 112.50 56.25 33.28 5.1433 誤差(E) 6 10.17 1.69 總計(T) 11 267.00 結論: (1)四個區集間材料有差異(系統誤差存在) (2)三食品品質間有差異

48 各食品試驗後平均值比較測驗 採用Fisher的LSD值 飼料 平均值 實測誤差值 差異符號 B 22.25 - a C 18.50 b A
14.75 c 三食品品質差異測驗結果為

49 單向變方(變異數)分析(one-way anova)
變因 自由度 平方和 均方 F值 F(0.05) 處理(t) 2 112.50 56.25 3.28 4.2565 誤差(E) 9 154.50 17.167 總計(T) 11 267.00 結論:三食品品質間無差異 因沒排除材料大小不同的系統誤差 造成試驗誤差太大,以致檢定不出 處理平均值間的差異。

50 【例2.2】今有A,B,C,D四種飼料進行養豬試驗,從四胎母豬中各取四隻體重相近的小豬進行試驗,飼養兩個月後得增重結果 如下
區 集 處理 I II III IV 和 平均值 A B C D

51 變方(變異數)分析(two-way anova)
四種飼料品質比較變方分析表 變因 自由度 平方和 均方 F值 F(0.05) 區集(B) 處理(t) 誤差(E) 總和(T) 四處理均值間品質有差異

52 各處理平均值差異比較 採用Fisher之LSD=1.69
A B C D 平均值 14.00 20.75 17.00 15.25 差異符號 a b c 結論:四種飼料品質間A與D沒差別,而皆比B,C品質差,而以B品質最好 。

53 【例2.3】某次茶葉品質競賽,有四位茶農參加,6位品評員(異質)進行評分,以自身配得結果 如下
A B C D (分 ) 67 78 82 88 75 80 79 90 70 77 80 84 66 72 70 79 78 82 80 86 69 76 84 89

54 變方(變異數)分析(two-way anova)
因品評員通常為異質材料(遺傳值、體質、生活環境均不同),故應採用雙向變方分析。 每一品評員為一區集。 各處理能隨機化,待遇相同,且可求隨機誤差(試驗誤差),可供統計分析之用。 變方分析表 變因 自由度 平方和 均方 F值 F(0.05) 區集(B) 5 6.25 2.9013 處理(t) 3 29.15 3.2874 誤差(E) 15 7.9861 總計(T) 23 結論:四種茶葉品質間差異顯著 6位品評員確為異質材料(區集間差異顯著)

55 各處理平均值差異比較 採用Fisher之LSD=3.4776
A B C D 平均值 70.83 77.50 79.17 86.00 差異符號 a b c 結論:四種茶葉品質評分結果B與C沒差別且是 中等, A較差,而D最好 。

56 成對t值檢定(paired t test) 僅兩處理隨機完全區集設計(RCBD) 兩處理配對設計依試驗材料之特性有下列兩種配法
(1)同源配對 (2)自身配對

57 同源配對-安排兩處理之兩個試驗單位(動物或植物或土壤)要同種屬、同性別、同年齡與相近體重(或地力)。
I II III IV

58 【例2.3】由【例2.1】取A、B兩食品品質比較 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 差平方和 兩食品間品質有差異 飼料 區集 和 平均 A 10 15 16
18 59 14.75 B 20 25 28 89 22.25 A-B -6 -5 -9 -10 -30 -7.50 差平方和 兩食品間品質有差異

59 自身配對 * 同一試驗單位(如人、大型動物 或植物)分成兩部位安排兩處理 *同一試驗單位在前後不同時間安 排兩處理

60 【例2.4】由【例2.2】以A與B兩茶葉品質比較如下
1 2 3 4 5 6 區集 平均 A 67 75 70 66 78 69 425 70.83 B 80 77 72 82 76 465 77.50 11 05 07 06 04 40 6.67 差平方和 A 與B兩茶葉品質有顯著差異

61 (三)拉丁方設計(Latin Square Design:LSD) (two-way Classification)
採用本設計條件 試驗材料為異質(包括時間、空間)但可明顯分成兩向區集 區集數必須等於處理數 參試處理在各向區集(行,列區集)中要隨機排列 試驗地之 地力或水分不均衡 (參試處理在各區及內隨機排列) 區集內試區之 地力相異 區集間試區之 區集 本設計優點:有兩向區集變異時可剔除之,減少試驗誤差 缺點:試驗最複雜,限制最多,效率最低。

62 各處理在兩向區集中隨機排列法 以3×3拉丁方為例
各處理在兩向區集中隨機排列法 以3×3拉丁方為例 行號 1 2 3 B C A 1 2 3 A B C 列號隨機化 列號 2 1 3 C B A 行號隨機化 (應用方)

63 【例3.1】設今有A、B、C、D四種米飯(處理)品味比較,由四個人(材料為異質)在四天(時間為異質)中品嘗,以測定其米質是否有差別,而得如下評分(滿分為150分)
4×4拉丁方 1 2 3 4 人 D 130 B 110 C 114 A 123 477 C 143 A 125 D 104 482 B 124 D 115 A 124 C 120 483 4 A 140 C 119 D 113 B 98 470 537 469 461 445 1912 處理 A B C D 512 442 496 462 1912

64 變方(變異數)分析 雙向分析模式 假設檢定 各效應平方和 總平方和 SST= 列區集平方和SSR= 行區集平方和SSC= 處理平方和SSt=
誤差平方和SSE=SST-SSR-SSC-SSt=122.50

65 變方(變異數)分析表 結論:*不同天之米質評鑑結果相同 *不同人之米質評鑑結果不同 *四種米質評鑑結果不同(處理間差異顯著) 變因 自由度
平方和 均方 F值 F(0.05) 列區集R(天) 3 26.50 8.81 0.43 4.7571 行區集C(人) 411.67 20.16 處理(t) 758.00 252.67 12.38 誤差(E) 6 122.50 20.42 總計(T) 15 2124 結論:*不同天之米質評鑑結果相同 *不同人之米質評鑑結果不同 *四種米質評鑑結果不同(處理間差異顯著)

66 四處理平均值間差異比較 說明:A與C米質沒差異 B與D米質沒差異 A與C米質比B與D為佳 處理 A C D B 均值與差異符號 128a

67 【例3.2】設今有A、B、C、D四種飼料(處理)進行養豬試驗,各取四頭母豬所生四頭小豬(材料為異質),而各胎四頭小豬之體重又有明顯差別,故採用雙向區集控制胎別與體重之差異, 其設計圖及增重(公斤)如下: 4×4拉丁方 最重 1 B 16 A 10 C 14 D 12 52 2 D 16 C 18 A 15 B 20 69 3 A 14 B 25 D 18 A 16 79 4 D 20 B 22 C 16 72 66 73 64 272 處理 A B C D 55 83 68 66 272

68 變方(變異數)分析表 變因 自由度 平方和 均方 F值 F(0.05) 列區集R(胎別) 3 98.50 32.83 23.12
4.7571 行區集(體重) 11.50 3.83 2.697 處理(t) 99.50 33.17 23.36 誤差(E) 6 8.50 1.42 總計(T) 15 218.0 結論:*不同胎別間有差異 *不同體重間無差異 *四種飼料品質評鑑結果差異顯著

69 四處理平均值間差異比較 說明:D與C無差異,A,B與C,D間均有差異 以B飼料最佳 處理 A B C D 均值與差異符號 13.75a

70 (四)交叉設計或輪換設計(Cross-Over Design:COD) (two-way classification)
採用本設計條件 試驗材料為異質,且可明顯分成兩向區集,一向為材料變異,另一向為時間變異。 形同拉丁方設計,但材料(人)變異之區集數不受限制。 每個試驗單位(如人,大型動物)分不同時期重複使用,適合用於材料稀少或昂貴之試驗。 各處理要隨機安排於不同試驗時期,兩時期中間要有一定的休閒期(rest period or wash-out period),以免前期效應殘留於後期。

71 試驗設計圖 時期 I 時期 II

72 本設計優點 * 可剔除試驗材料(人、動物)及時期間的系統誤差 * 試驗材料可重複使用,適合於試驗材料稀少或昂貴的試驗 缺點:有殘效(residual effect or carry-over effect)發生時,試驗數據不能統計分析(殘效現象可以檢定出來)

73 【例4.1】今有安眠藥(以A表示)及安慰劑(placebo,以B表示)進行睡眠時間(小時)比較試驗,12位病人之試驗設計圖及睡眠時間如下
時期 1 2 3 4 5 6 A8.5 B4.8 A7.4 A8.6 B6.1 B7.0 A6.5 A6.0 B6.7 B7.2 A8.2 時期 7 8 9 10 11 12 B6.0 A6.8 B7.3 A6.6 A6.0 B6.2 A7.0 B5.9 A8.2 B4.9 A7.4 處理 A B 87.2 75.8 163

74 變方(變異數)分析 雙向分析模式 假設檢定 各效應平方和求法 總平方和 SST= 時期集平方和SSP= 個體集平方和SSS=
誤差平方和SSE=SST-SSP-SSS-SSt=3.0600

75 變方(變異數)分析表(two-way anova)
變因 自由度 平方和 均方 F值 F(0.05) 時期(P) 1 0.0150 0.05 4.9646 個體(S) 11 1.3589 4.44 2.9700 處理(t) 5.4150 17.70 誤差(E) 10 3.0600 0.3060 總計(T) 23 結論:*時期間無差異,個體間有差異 *處理間有差異以A藥品睡眠時間 較長

76 由於本試驗僅有兩處理(A及B),故不用求Fisher的LSD值即可直接下結論。今
處理平均值間差異比較 由於本試驗僅有兩處理(A及B),故不用求Fisher的LSD值即可直接下結論。今 故A安眠藥比B安慰劑對病人睡眠時間為長。

77 四、結語 唯有經由試驗設計過程所獲得的數據(資料)才是良好可靠資料。 唯有熟悉試驗設計規則才易選對適合的統計分析法。
一般試驗設計除了前述四種基本設計法(CRD,RCBD,LSD,COD)外,尚有由此延伸之幾種設計法, 如 複因子設計,摺疊設計,裂區設計,簡方設計,部份複因子設計,效應曲面設計等

78 ~ The End ~


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