실험계획법 (DOE : Design of Experiment)의 정의

실험에 대한 합리적 계획 방법의 설계로 해결하고자 하는 문제에 대해 실험을 어떻게 행하고 데이타를 어떻게 취하며, 어떤 통계적 방법으로 데이타를 분석하면 최소의 실험횟수를 통한 최소의 비용으로 최대의 정보를 얻을 수 있는 효율적 실험을 설계할 수 있는가를 계획하는 것을 실험계획법이라고 한다.

목적 2019-2

검정과 추정

어떤 요인이 실험 특성치에 유효한 영향을 주고 있는가를 파악하고 그 영향력의 정도를 알기 위하여.

오차항 추정

작은 영향을 미치는 요인의 전체적 영향정도를 파악키 위해.

최적반응 조건의 결정

유효한 영향을 미치는 요인의 가장 바람직한 반응을 하는 조건을 파악하기 위하여

단계

  1. 요인선별 (Screening)
  2. 특성화 (Characterization)
  3. 최적화 (Optimization)

순서

  1. 실험목적 설정
  2. 특성치의 선택
  3. 인자와 인자 수준의 선택
  4. 실험의 배치와 실험순서의 랜덤화
  5. 실험의 실시
  6. 데이타의 분석
  7. 분석결과의 해석과 조치

실험계획법의 기본원리

랜덤화의 원리

뽑혀진 인자 외에 통제하지 못 한 기타 원인들이 실험결과에 편기되게 영향 을 미치는 것을 방지하려는 것으로 실험순서를, 무작위로 정하는 원리이다.

  1. 완전 랜덤화법: 원1, 2원, 3 원 다원, 배치법
  2. 부분 랜덤화법 분할법

반복의 원리

동일조건하의 실험을 2 회 이상 행하여 실험의 정도를 높이려는 원리이다. 반복을 시켜줌으로써 오차항의 자유도를 크게 해줄 수 있으며 오차분산이 정도, 높게 추정됨으로써 실험결과의 신뢰성을 높일 수 있다.

블록화의 원리

실험 전체를 시간적 공간적으로, 분할하여 블럭으로 만들어주면 각, 블럭 내 에서는 실험 환경이 균일하게 되어 정도 높은 결과를 얻을 수 있다. [예] 난괴법

교락의 원리

해석할 필요가 없는 2 인자 교호작용이나 고차의 교호작용을 블럭과 교락시키는 방법으로 검출할 , 필요가 없는 요인의 효과가 블럭의 효과와 교락하게 됨으로써 실험의 효율 및 정도를 높일 수 있다.

직교의 원리

배치된 요인간에 직교성을 갖도록 실험계획하여 데이터를 취하면 같은, 실험횟수라도 검출력이 높은 검정을 할 수 있고 정도, 높은 추정을 할 수 있다.

실험계획법에 의한 분류

완비형 시험계획법

요인배치법, 난괴법, 라틴 방격법

불완비형 실험계획법

  1. 실험이 랜덤이 아니거나 일부수준의 조합이 실험이 이루어지지 않은 경우
  2. 분할법, 일부실시법, 교락법, 유덴방격법 등

인자의 분류

모수인자

  1. 제어인자: 최적수준의 선택이 의미가 있는 인자
  2. 표시인자: 제어인자와의 교호작용만 의미가 있는 인자

변량인자

  1. 블록인자: 단지 실험의 정도를 높임을 목적으로 하는 인자
  2. 집단인자: 로트, 작업자 등의 산포의 해석을 목적으로 하는 인자

보조인자

단순히 참고용으로 사용하기 위한 인자

모수인자와 변량인자의 비교

구분 모수인자 변량인자
$a_i$의 기대가 $ E(a_i) = a_i $ $ E(a_i) = 0 $
$a_i$의 평균 $ \bar{a}_i = 0 \\ \Sigma{a_i} = 0 $ $ \bar{a}_i \neq 0 \\ \Sigma{a_i} \neq 0 $
$a_i$의 분산 $ V(a_i) = 0 $ $ V(a_i) = \sigma^2_A $
$a_A^2$ $ E\left(\dfrac{1}{l-1}\sum{a_i^2}\right) $ $ E\left(\dfrac{1}{l-1}\sum{a_i - \bar{a}^2}\right) $

구조모형에 의한 분류

  1. 모수모형: 모수인자로 구성된 모형
  2. 변량모형: 변량인자로 구성된 모형
  3. 혼합모형: 모수인자와 변량인자가 혼합된 구조모형

오차항의 특성

오차항의 일반식

  1. 정규성: $N~(0, \sigma^2_e)$
  2. 독립성: $e_{ij}\neq e_{ij}$
  3. 등분산성: $V(e_{ij})=\sigma^2_e$
  4. 불편성: $E(e_{ij})=0$

오차항의 특성

  1. $ \sigma_e^2 = E(e_{ij}^2) $
  2. $ \sigma_e^2 = E\left(\dfrac{1}{lr-1}\sum\limits_i\sum\limits_j{(e_{ij} - \bar{\bar{e}})^2}\right) $
  3. $ \sigma_e^2 = E\left(\dfrac{r}{l-1}\sum\limits_i{(\bar{e}_{i\cdot} - \bar{\bar{e}})^2}\right) $
  4. $ \sigma_e^2 = E\left(\dfrac{l}{r-1}\sum\limits_j{(e_{ij} - \bar{e}_{i\cdot})^2}\right) $