Кіріспе

Эксперименттердің дизайны (DOE немесе DOX), сондай-ақ эксперименттік дизайн деп аталады, – гипотезалар негізінде өзгерістерді бейнелейтін жағдайларда ақпараттың өзгеруін сипаттап, түсіндіруге бағытталған кез келген тапсырманың жобалануы. Бұл термин көбінесе тәуелсіз айнымалылар арқылы өзгеріске тікелей әсер ететін жағдайларды енгізетін эксперименттермен байланысты, бірақ табиғи жағдайлар байқау үшін таңдалған квази-эксперименттердің дизайнына да қатысты болуы мүмкін. Ең қарапайым түрінде эксперимент алдын ала болжам жасау мақсатымен жүргізіледі, бұл алдын ала шарттардың өзгеруін енгізу арқылы іске асырылады. Бұл өзгеріс бір немесе бірнеше тәуелсіз айнымалылармен көрсетіледі, олар "кіріс айнымалылары" немесе "болжам айнымалылары" деп те аталады. Бір немесе бірнеше тәуелсіз айнымалылардың өзгеруі, әдетте, бір немесе бірнеше тәуелді айнымалылардың өзгеруіне әкеледі, олар "шығыс айнымалылары" немесе "құбылыс айнымалылары" деп те аталады. Эксперименттік дизайн сыртқы факторлардың нәтижелерге әсерін болдырмау үшін тұрақты ұсталуы тиіс бақылау айнымалыларын анықтауды да қамтиды. Эксперименттік жобалау тәуелсіз, тәуелді және бақылау айнымалыларын таңдау ғана емес, сонымен қатар қолданылатын ресурстардың шектеулерін ескере отырып, экспериментті статистикалық тұрғыдан оңтайлы жағдайда жоспарлауды қамтиды. Экспериментте қолданылатын жобалау нүктелерінің жиынтығын (тәуелсіз айнымалылардың параметрлерінің бірегей комбинациялары) анықтау үшін бірнеше тәсілдер бар. Эксперименттік жобалаудағы басты мәселелерге жарамдылықты, сенімділікті және қайталанатындықты қамтамасыз ету жатады. Мысалы, тәуелсіз айнымалыны мұқият таңдау, өлшеу қателіктерінің тәуекелін азайту және әдістеменің толыққанды сипатталуын қамтамасыз ету арқылы бұл мәселелерді ішінара шешуге болады. Сонымен қатар, статистикалық қуат пен сезімталдықтың тиісті деңгейіне қол жеткізу де маңызды. Дұрыс жобаланған эксперименттер табиғи және әлеуметтік ғылымдар мен инженерия саласындағы білімді дамытуға көмектеседі, ал эксперименттерді жобалау әдістемесі сапаны жобалау (QbD) жүйесін сәтті енгізудің маңызды құралы ретінде танылады. Басқа қолданыс салаларына маркетинг және саясатты қалыптастыру жатады. Эксперименттердің дизайнын зерттеу – метағылымның маңызды тақырыбы.

Чарльз С. Пирске сәйкес статистикалық эксперименттер

Статистикалық қорытындылар теориясын Чарльз С. Пирс "Ғылым логикасының иллюстрациялары" (1877–1878) және "Ықтималды қорытындылар теориясы" (1883) екі еңбегінде жасады, бұл еңбектер статистикада кездейсоқтыққа негізделген қорытындылардың маңыздылығын баса көрсетті.

Кездейсоқ эксперименттер

Чарльз С. Пирс еріктілерді салмақты ажырату қабілетін бағалау үшін жасырын, қайталама өлшемдер жобасына кездейсоқ түрде тағайындады. Пирстің эксперименті психология және білім беру саласындағы басқа зерттеушілерге ықпал етті, олар 1800 жылдары зертханаларда және арнайы оқулықтарда кездейсоқ эксперименттер жүргізудің зерттеу дәстүрін қалыптастырды. Полиномдық регрессия үшін алғашқы оңтайлы жобаны Гергон 1815 жылы ұсынды. 1918 жылы Кирстин Смит алтыншы дәрежелі (және одан төмен) полиномдар үшін оңтайлы жобаларды жариялады.

Тәжірибелер реті

Тәжірибелер тізбегін қолдану, онда әрқайсысының дизайны алдыңғы тәжірибелердің нәтижелеріне байланысты болуы мүмкін, соның ішінде тәжірибе жүргізуді тоқтату туралы шешім қабылдау мүмкіндігі де қарастырылады, – бұл тізбекті талдау саласына жатады. Бұл саланы статистикалық гипотезаларды тізбектей тексеру контекстінде Абрахам Уолд дамытқан. Герман Чернофф оптималды тізбекті дизайн туралы шолу жазды. Тізбекті дизайнның нақты бір түрі – "екі қарулы қарақшы", көп қарулы қарақшыға дейін жалпыланған, ал бұл мәселе бойынша алғашқы жұмыстарды Герберт Роббинс 1952 жылы жасаған.

Себеп-салдарлық сипаттамалар

Таза эксперименттік жобада тәуелсіз (болжаушы) айнымалы зерттеуші тарапынан манипуляцияланады, яғни зерттеуге қатысушылардың әрқайсысы популяциядан кездейсоқ таңдалады, ал таңдалған әрбір қатысушы тәуелсіз айнымалының жағдайларына кездейсоқ бейінделеді. Осылай жасалған жағдайда ғана нәтижелердегі айырмашылықтардың себебі әртүрлі жағдайларға байланысты екендігіне жоғары дәрежеде сенімділікпен қорытынды жасауға болады. Сондықтан зерттеушілер мүмкіндігі шектеулі болмаса, басқа жобалау түрлеріне қарағанда эксперименттік жобаны таңдауы тиіс. Дегенмен, тәуелсіз айнымалының мәні әрқашан манипуляциялауға мүмкіндік бермейді. Мұндай жағдайларда зерттеушілер өз жобалары оған мүмкіндік бермейтін болса, себеп-салдарлық байланыс туралы сенімді қорытынды жасаудан аулақ болуы керек. Мысалы, байқау жобаларында қатысушылар жағдайларға кездейсоқ бейінделмейді, сондықтан егер жағдайлар арасында нәтижелерде айырмашылықтар байқалса, нәтижелердегі осы айырмашылықтарға жағдайлар арасындағы айырмашылықтардан өзге де факторлар себеп болуы мүмкін, яғни үшінші айнымалы. Бұл корреляциялық жобалауды қолданатын зерттеулерге де қатысты (Adér & Mellenbergh, 2008).

Статистикалық бақылау

Жобаланған эксперименттерді жүргізу алдында процестің сенімді статистикалық бақылауда болуы тиімді. Егер мұндай мүмкіншілік болмаса, дұрыс блоктау, қайталау және рандомизация жобаланған эксперименттерді сақтықпен жүргізуге мүмкіндік береді. Қысым көрсетуші айнымалыларды бақылау үшін зерттеушілер қосымша шара ретінде бақылау тексерулерін қолданады. Зерттеушілер бақылаусыз факторлардың (мысалы, дереккөздің сенімділігіне қатысты түсінік) зерттеу нәтижелерін бұрмаламауын қамтамасыз етуі керек. Манипуляциялық тексеру – бақылау тексеруінің бір түрі. Манипуляциялық тексерулер зерттеушілерге басты айнымалыларды оқшаулауға және осы айнымалылардың жоспарланғандай жұмыс істеп жатқанына сенімді қолдау көрсетуге мүмкіндік береді. Эксперименталды зерттеу жобаларының ең маңызды талаптарының бірі – жалған, аралық және алдын ала айнымалылардың әсерін жою қажеттілігі. Ең қарапайым модельде себеп (X) салдарға (Y) әкеледі. Бірақ (Y) әсер ететін үшінші айнымалы (Z) болуы мүмкін, және X нағыз себеп болмауы да мүмкін. Z жалған айнымалы деп аталады және оны бақылау қажет. Бұл аралық (себеп (X) мен салдар (Y) арасындағы) және алдын ала (себеп (X) алдындағы, яғни нағыз себеп) айнымалыларға да қатысты. Егер үшінші айнымалы қатысып, оған бақылау жасалмаса, бұл қатынас бірінші реттік қатынас деп аталады. Эксперименталды зерттеу жобаларының көптеген практикалық қолданыстарында бірнеше себептер (X1, X2, X3) болады. Көптеген жобаларда бір уақытта тек бір себепті өзгертеді.

Фишерден кейінгі эксперименталды жобалар

Бірнеше негізгі әсерлерді бағалау үшін тиімді дизайндар 1940 жылы Үндістанның Статистикалық институтында Радж Чандра Боз және К. Кишен тәуелсіз түрде және шамамен бір уақытта тапты, бірақ 1946 жылы Plackett–Burman дизайндары Biometrika журналында жарияланғанға дейін олар аз танымал болды. Соған шамамен бір уақытта Ц. Р. Рао тәжірибелік жобалар ретінде ортогональды массивтер тұжырымдамасын енгізді. Бұл тұжырымдама Геничи Тагучидің 1950 жылдардың басында Үндістанның Статистикалық институтына жасаған сапары кезінде Тагучи әдістерін әзірлеуде орталық рөл атқарды. Оның әдістері жапондық және үндістандық өнеркәсіптерде сәтті қолданылды және қабылданып, кейіннен АҚШ өнеркәсібі де оларды қабылдады, бірақ кейбір шектеулермен. 1950 жылы Гертруд Мэри Кокс және Уильям Геммелл Кокран «Эксперименталды жобалар» атты кітабын жариялады, ол көп жылдар бойы статистиктер үшін эксперименттерді жобалау жөніндегі маңызды анықтамалық еңбекке айналды. Сызықтық модельдер теориясының дамуы ерте авторларды қамтыған жағдайларды қамтыды және олардан асып түсті. Бүгінде теория сызықтық алгебра, алгебра және комбинаториканың жетілген тақырыптарына негізделген. Статистиканың басқа салалары сияқты, эксперименттік жобалау да жиіліктік және Байес тәсілдерін қолданады: эксперименттік жобалар сияқты статистикалық процедураларды бағалауда жиіліктік статистика үлгі алу таралуын зерттейді, ал Байес статистикасы параметр кеңістігінде ықтималдық таралуын жаңартады. Эксперименталды жобалау саласына маңызды үлес қосқандар: С. С. Пирс, Р. А. Фишер, Ф. Йейтс, Р. С. Боз, А. С. Аткинсон, Р. А. Бейли, Д. Р. Кокс, Г. Э. П. Бокс, В. Г. Кокран, В. Т. Федерер, В. В. Федоров, А. С. Хедаят, Дж. Кифер, О. Кемпторн, Дж. А. Нельдер, Андрей Пазман, Фридрих Пукельсхайм, Д. Рагхаварао, Ц. Р. Рао, Шриханде С. С., Дж. Н. Шривастава, Уильям Дж. Студден, Г. Тагучи және Х. П. Уинн. Д. Монтгомери, Р. Майерс және Г. Бокс/У. Хантер/Дж. С. Хантердің оқулықтары студенттер мен тәжірибешілердің бірнеше буындарына жетті. Жүйелерді анықтау (статикалық немесе динамикалық модельдер үшін модельдер құру) контекстінде эксперименттік жобалау туралы кейбір талқылаулар берілген және.