Кіріспе
Статистикалық критерийлерге қатысты оңтайлы эксперименттік жобалау – эксперименттерді оңтайлы жобалау. Эксперименттерді жобалауда оңтайлы эксперименттік жобалар (немесе оңтайлы жобалар) – белгілі бір статистикалық критерийлерге қатысты оңтайлы эксперименттік жобалардың класы. Статистиканың осы саласын құруға даниялық статистик Кирстин Смит үлкен үлес қосты. Статистикалық модельдерді бағалау үшін эксперименттерді жобалауда оңтайлы жобалар параметрлерді қиыссыз және ең төменгі дисперсиямен бағалауға мүмкіндік береді. Оңтайлы емес жобалау үшін сол дәлдікпен параметрлерді бағалау үшін көбірек тәжірибелік сынақтар қажет. Іс жүзінде оңтайлы эксперименттер эксперимент жүргізу шығындарын азайтуға септігін тигізеді. Жобаның оңтайлылығы статистикалық модельге байланысты және бағалаушының дисперсиялық матрицасына қатысты статистикалық критериймен бағаланады. Тиісті модельді анықтау және сәйкес критерийлік функцияны таңдау үшін статистикалық теорияны түсіну және эксперименттерді жобалауда тәжірибелік білім қажет.
optimal design of experiments
In the design of experiments, optimal experimental designs (or optimum designs) are a class of experimental designs that are optimal with respect to some statistical criterion. The creation of this field of statistics has been credited to Danish statistician Kirstine Smith. In the design of experiments for estimating statistical models, optimal designs allow parameters to be estimated without bias and with minimum variance. A non optimal design requires a greater number of experimental runs to estimate the parameters with the same precision as an optimal design. In practical terms, optimal experiments can reduce the costs of experimentation. The optimality of a design depends on the statistical model and is assessed with respect to a statistical criterion, which is related to the variance matrix of the estimator. Specifying an appropriate model and specifying a suitable criterion function both require understanding of statistical theory and practical knowledge with designing experiments.
Қарама-қайшылықтар
Көптеген қолданбаларда статистиктер "қызығушылық параметріне" көбірек мән береді, "маңызсыз параметрлерге" емес. Жалпы алғанда, статистиктер параметрлердің сызықтық комбинацияларын қарастырады, олар эксперименттерді жобалауда және дисперсиялық талдауда емдеу орташаларының сызықтық комбинациялары арқылы бағаланады; мұндай сызықтық комбинациялар контрасттар деп аталады. Статистиктер мұндай қызығушылық параметрлері және контрасттар үшін тиісті оңтайлылық критерийлерін пайдалана алады.
Іске асыру
Оптималды жобалардың тізімдері кітаптарда және бағдарламалық қамтамасыз ету кітапханаларында кездеседі. Бұған қоса, SAS және R сияқты ірі статистикалық жүйелерде пайдаланушы талаптарына сәйкес жобаны оңтайландыру процедуралары бар. Эксперимент жүргізуші әдіс оңтайлы жобаны есептеу алдында жоба үшін модельді және оңтайлылық критерийін анықтауы керек.
Іс жүзіндегі ескертулер
Оптималды жобалаудың кейбір күрделі тақырыптары эксперименттерді жобалауда көбірек статистикалық теория мен тәжірибелік білімді талап етеді.
Модельге тәуелділік және беріктік
Көптеген оңтайлы жобалардың оңтайлылық критерийі ақпараттық матрицаның қандай да бір функциясына негізделгендіктен, нақты жобаның "оңтайлылығы" модельге тәуелді: оңтайлы жоба сол модель үшін ең жақсы болғанымен, оның өнімділігі басқа модельдерде нашарлауы мүмкін. Басқа модельдерде оңтайлы жоба, оңтайлы емес жобадан жақсырақ немесе нашаррақ болуы мүмкін. Сондықтан, жобалардың тиімділігін балама модельдермен салыстырып тексеру маңызды.
Оптималдылық критерийін таңдау және беріктілік
Тиісті оптималдық критерийді таңдау белгілі бір ойлануды қажет етеді және дизайнның өнімділігін бірнеше оптималдық критерийлерге сәйкес бағалау пайдалы. Корнелл Кифердің "әмбебап оптималдық" теориясына сәйкес, барлық дәстүрлі оптималдық критерийлері келісетін дизайнның бірнеше кластары бар екенін жазады. Корнелл сияқты тәжірибелі мамандардың тәжірибесі және Кифердің "әмбебап оптималдық" теориясы оптималдық критерийдегі өзгерістерге қатысты тұрақтылық, модельдегі өзгерістерге қатысты тұрақтылықтан әлдеқайда артық екенін көрсетеді.
Indeed, there are several classes of designs for which all the traditional optimality criteria agree, according to the theory of "universal optimality" of Kiefer. The experience of practitioners like Cornell and the "universal optimality" theory of Kiefer suggest that robustness with respect to changes in the optimality criterion is much greater than is robustness with respect to changes in the model.
Икемді оптималдық критерийлері және конвекстік талдау
Жоғары сапалы статистикалық бағдарламалық қамтамасыз ету көрсетілген модельге және оңтайлылық критерийіне байланысты шамамен оңтайлы жобаларды құру үшін оңтайлы жобалардың кітапханаларының немесе итеративтік әдістердің комбинациясын ұсынады. Пайдаланушылар стандартты оңтайлылық критерийін қолдана алады немесе жеке критерийді бағдарламалай алады. Барлық дәстүрлі оңтайлылық критерийлері дөңес (немесе ойыс) функциялар болып табылады, сондықтан оңтайлы жобалар дөңес талдаудың математикалық теориясына жақын және оларды есептеу үшін дөңес функцияларды азайтудың арнайы әдістерін қолдануға болады. Маман дәл бір дәстүрлі оңтайлылық критерийін таңдаудың қажеті жоқ, бірақ жеке критерийді анықтай алады. Атап айтқанда, маман дөңес критерийді дөңес оңтайлылық критерийлерінің максимумдары мен оңтайлылық критерийлерінің теріс емес комбинацияларын (өйткені бұл операциялар дөңес функцияларды сақтайды) пайдалана отырып анықтай алады. Дөңес оңтайлылық критерийлері үшін Кифер-Вулфовиц теңдестік теоремасы маманға берілген жобаның жаһандық оңтайлы екенін тексеруге мүмкіндік береді. Кифер-Вулфовиц теңдестік теоремасы дөңес функциялардың Лежандр-Фенхель конъюгациясымен байланысты. Егер оңтайлылық критерийі дөңес болмаса, онда жаһандық оңтайлыны табу және оның оңтайлы екенін тексеру көбінесе қиынға соғады.
Үлгі таңдау
Ғалымдар бірнеше теорияны тексеруді қалағанда, статистик белгіленген модельдер арасында ең тиімді сынақтарды жүргізуге мүмкіндік беретін эксперимент жобалай алады. Мұндай "ажырату эксперименттері" Кокс пен Аткинсонның еңбектерінен кейін фармакокинетика және фармакодинамика салаларын қолдайтын биостатистикада ерекше маңызды.
Бейестік эксперименттік жобалау
Практикалық тұрғыдан бірнеше модельді қарастыру қажет болғанда, мамандар модельдерге ықтималдық шарасын (өлшемін) белгілеп, содан кейін осындай эксперименттің күтілетін мәнін барынша арттыратын кез келген жобаны таңдай алады. Мұндай ықтималдыққа негізделген оңтайлы жобалар оңтайлы Байес жобалары деп аталады. Мұндай Байес жобалары, әсіресе, жалпыланған сызықтық модельдер үшін қолданылады (онда жауап экспоненциалдық отбасылық үлестіріміне сәйкес келеді). Бірақ Байес жобасын қолдану статистиктерді деректерді талдау үшін Байес әдістерін қолдануға міндеттейді деп айтуға болмайды. Шындығында, кейбір зерттеушілер ықтималдыққа негізделген эксперименттік жобаларға "Байес" деген атауды ұнатпайды. "Байес" оптималдығының орнына "орташа" оптималдық немесе "халық" оптималдығы терминдерін қолдануға болады.
Итеративті тәжірибе
Ғылыми тәжірибе – итеративтік процесс, және статистиктер кезеңдік тәжірибелерді ең тиімді жобалау үшін бірнеше әдіс әзірлеген.
Сәйкестендіру
Тізбелі талдауды Абрахам Уолд бастап шығарды. 1972 жылы Герман Чернофф оңтайлы тізбектік жобалардың шолуын жазды, ал адаптивті жобалар кейіннен С. Закс тарапынан қарастырылды. Әрине, эксперименттерді оңтайлы жобалау жөніндегі көптеген жұмыстар оңтайлы шешімдер теориясымен, әсіресе Абрахам Вальдтың статистикалық шешімдер теориясымен байланысты.
Жауап беру бетінің әдістемесі
Жауап бетінің үлгілеріне арналған оңтайлы жобалар Аткинсон, Донев және Тобиас жазған оқулықта, Гаффке мен Хейлигерстің шолу еңбегінде және Пукельсхаймның математикалық мәтінінде талқыланады. Оңтайлы жобаларды блоктау туралы Аткинсон, Донев және Тобиас оқулығында, сондай-ақ Гоос жазған монографияда сөз болады. Ең алғашқы оңтайлы жобалар үздіксіз айнымалылары бар регрессиялық модельдердің параметрлерін бағалау үшін жасалған, мысалы, 1815 жылы Дж.Д. Гергонн (Стиглер). Ағылшын тіліндегі екі ерте үлес авторы – Чарльз С. Пирс және Кёрстин Смит. Көпөлшемді жауап беттеріне арналған пионерлік жобаларды Джордж Э. П. Бокс ұсынды. Дегенмен, Бокс жобаларында оптималды қасиеттер шектеулі. Шындығында, Box-Behnken дизайны айнымалылар саны үштен асса, артық тәжірибелік сынақтарды қажет етеді. Бокс ұсынған "орталық композиттік" жобалар Кононың оңтайлы жобаларына қарағанда көбірек тәжірибелік сынақтарды талап етеді.
Жүйені анықтау және стохастикалық шамалау
Кезекті экспериментті оңтайландыру стохастикалық бағдарламалау және жүйелер мен басқару салаларында да зерттеледі. Көп қолданылатын әдістерге стохастикалық жуықтау және басқа стохастикалық оңтайландыру әдістері жатады. Осы зерттеулердің көп бөлігі жүйелерді идентификациялау кіші саласымен байланысты. Есептеулік оптималдық басқаруда Д. Юдин және А. Немировский, сондай-ақ Борис Поляк G. E. P. Box-тың жауап бетін зерттеу әдістемесінде ұсынған (Армижо стиліндегі) қадам өлшемдері ережелерінен тиімдірек әдістерді сипаттады. Адаптивтік жобалар клиникалық сынақтарда қолданылады, ал оңтайлы адаптивтік жобалар Шелемьяху Закстің "Эксперименталдық жобалар туралы анықтамалық" кітабындағы тарауында қарастырылған.
Жақсы дизайнды табу үшін компьютерді пайдалану
Эксперименттік орындалулар немесе қайталаулар санының алдын ала шектеуі болған жағдайда оңтайлы дизайнды табудың бірнеше әдістері бар. Осы әдістердің кейбіреулері Аткинсон, Донев және Тобиас, сондай-ақ Хардин мен Слоанның мақаласында талқыланады. Әрине, эксперименттік орындалулар санын алдын ала белгілеу тиімсіз болар еді. Сақ сарапшылар эксперименттік орындалулар саны әртүрлі болатын басқа оңтайлы дизайнды да қарастырады.
Ықтималдықты өлшеу жобаларын дискреттеу
Оптималды эксперименттер туралы математикалық теорияда оптималды дизайн – бақылау орнының шексіз жиынында қолдау көрсетілген ықтималдық өлшемі болуы мүмкін. Мұндай оптималды ықтималдық өлшемі дизайны бақылаулар мен эксперименттік жүгірулердің бағасын назарға алмаған математикалық мәселені шешеді. Дегенмен, мұндай оптималды ықтималдық өлшемі дизайндарын дискреттеу арқылы шамамен оптималды дизайн алуға болады. Кейбір жағдайларда, оптималды дизайнды қолдау үшін бақылау орнының шекті жиынтығы жеткілікті. Мұндай нәтиже Кьоно мен Кифер квадраттық модельдерге арналған жауап беттерінің дизайны жөніндегі еңбектерінде дәлелденген. Кьоно-Кифер талдауы жауап беттері үшін оптималды дизайнның неге дискретті қолдауы болатынын түсіндіреді, бұл жауап беті әдістемесінде дәстүрлі болған, тиімділігі төмен дизайнға өте ұқсас.
Тарих
1815 жылы Джозеф Диас Гергонн, Стиглердің сөзінше, полиномиалды регрессияның ең тиімді жобалары туралы мақала жариялады. Чарльз С. Пирс 1876 жылы ғылыми тәжірибелердің экономикалық теориясын ұсынды, ол бағалаулардың дәлдігін максималды деңгейге көтеруге бағытталған. Пирстің ең тиімді үлестіруі гравитациялық тәжірибелердің дәлдігін дереу жақсартты және Пирс пен оның әріптестері ондаған жылдар бойы оны пайдаланды. 1882 жылы Джонс Хопкинс университетінде жариялаған лекциясында Пирс эксперименталды жобалауды былай деп түсіндірді:
Логика сізге гравитацияның үдеуін немесе Омның шамасын ең жақсы анықтау үшін қандай тәжірибелер жасау керектігін айтпайды, бірақ тәжірибе жоспарын қалай құру керектігін түсіндіреді. [ ] Ақырғысы ретінде, тәжірибе көбінесе теориядан бұрын келеді, және адамзаттың көпшілігі алдымен қиындықтарға толы жолмен істі аяқтап, содан кейін оны қаншалықты оңай және жетілдірілген түрде жасауға болатынын біледі. Кирстин Смит 1918 жылы полиномиалды модельдер үшін ең тиімді жобаларды ұсынды. (Кирстин Смит даниялық статистик Торвальд Н. Тиледің шәкірті болды және Лондонда Карл Пирсонмен бірге жұмыс істеді.)
Logic will not undertake to inform you what kind of experiments you ought to make in order best to determine the acceleration of gravity, or the value of the Ohm; but it will tell you how to proceed to form a plan of experimentation. [ ] Unfortunately practice generally precedes theory, and it is the usual fate of mankind to get things done in some boggling way first, and find out afterward how they could have been done much more easily and perfectly. Kirstine Smith proposed optimal designs for polynomial models in 1918. (Kirstine Smith had been a student of the Danish statistician Thorvald N. Thiele and was working with Karl Pearson in London.)
Регрессия мен жауап беру бетінің әдістемесіне баса назар аударатын оқулықтар
Аткинсон, Донев және Тобиас жазған оқулық өндіріс саласындағы мамандарға арналған қысқа мерзімді курстарда да, университеттердегі курстарда да пайдаланылды.
Тарихи
(Қосымша № 14). NOAA PDF Eprint. 139–157-тарауларда және