Введение

В статистической теории проектирования экспериментов, блокирование — это объединение экспериментальных единиц в группы (блоки) на основе схожести по одному или нескольким факторам. Эти факторы тщательно выбираются для минимизации влияния их изменчивости на наблюдаемые результаты. Существуют различные способы реализации блокирования, приводящие к разным эффектам спутывания. Однако все эти методы преследуют одну цель: контролировать изменчивость, вносимую конкретными факторами, которые могут повлиять на исход эксперимента. Истоки блокирования восходят к статистику Рональду Фишеру, последовавшему за разработкой дисперсионного анализа (ANOVA).

История

Использование блокировки в экспериментальном дизайне имеет развивающуюся историю, охватывающую несколько дисциплин. Фундаментальные концепции блокировки восходят к началу XX века и связаны со статистиками, такими как Рональд А. Фишер. Его работа по разработке дисперсионного анализа (ANOVA) заложила основу для группировки экспериментальных единиц с целью контроля посторонних переменных. Блокировка развивалась на протяжении многих лет, что привело к формализации рандомизированных блочных схем и латинских квадратных схем. Взаимодействия высшего порядка, как правило, имеют наименьшее значение (например, температура реактора или партия сырья важнее их комбинации – это особенно верно при наличии большего числа факторов (3, 4 и т.д.)); поэтому предпочтительнее совмещать эту изменчивость с взаимодействиями более высокого порядка. Они рассматриваются как потенциальные источники изменчивости, которые, если не контролировать или не учитывать, могут затруднить интерпретацию взаимосвязи между независимыми и зависимыми переменными. Для устранения влияющих переменных исследователи могут использовать различные методы, такие как блокировка или рандомизация. Блокировка предполагает группировку экспериментальных единиц на основе уровней влияющей переменной для контроля ее воздействия. Рандомизация помогает равномерно распределить влияние влияющих переменных между экспериментальными группами. Используя один из этих методов для учета влияющих переменных, исследователи могут повысить внутреннюю валидность своих экспериментов, обеспечивая, чтобы наблюдаемые эффекты с большей вероятностью были связаны с изменяемыми переменными, а не с посторонними факторами. В первом примере, приведенном выше, пол пациента будет являться влияющей переменной. Например, представим, что препарат – это таблетки для похудения, и исследователи хотят проверить влияние этих таблеток на потерю веса. Объясняющей переменной являются таблетки для похудения, а переменной отклика – количество потерянного веса. Хотя пол пациента не является основной целью эксперимента, возможно, что он повлияет на количество потерянного веса.

Блокировка, используемая для факторов воздействия, которые могут быть контролированы

В статистической теории планирования экспериментов блокирование — это объединение экспериментальных единиц в группы (блоки), схожие между собой по характеристикам. Как правило, фактор блокирования является источником изменчивости, не представляющим основного интереса для исследователя. При изучении теории вероятностей метод блоков заключается в разделении выборки на блоки (группы), разделенные более мелкими подблоками, чтобы блоки можно было считать почти независимыми. Метод блоков помогает доказывать предельные теоремы в случае зависимых случайных величин. Метод блоков был введен С. Бернштейном: метод успешно применялся в теории сумм зависимых случайных величин и в теории экстремальных значений.

Пример

В нашем предыдущем примере с таблетками для похудения, блокирующим фактором может быть пол пациента. Мы можем разделить испытуемых на два блока (мужской или женский). И внутри каждого из этих двух блоков мы можем случайным образом распределить пациентов либо на таблетки для похудения (лечение), либо на таблетки-плацебо (контроль). Блокируя по полу, мы контролируем этот источник изменчивости, что позволяет более точно интерпретировать влияние таблеток для похудения на потерю веса.

Определение блокирующих факторов

Фактор-помеха используется как блокирующий фактор, если каждый уровень основного фактора встречается одинаковое количество раз с каждым уровнем фактора-помехи.

Реализация

Внедрение блокировки в экспериментальном дизайне включает в себя ряд шагов для эффективного контроля влияющих посторонних факторов и повышения точности оценки эффекта от воздействия.

Определите переменные, создающие неудобства

Выявлять потенциальные факторы, которые не являются основным предметом исследования, но могут вносить вариативность.

Выберите соответствующие блокирующие факторы

Тщательно выбирайте блокирующие факторы, исходя из их соответствия целям исследования и потенциала искажать влияние основных интересующих факторов.

Определять размеры блоков

Есть последствия разделения эксперимента заданного размера на определенное количество блоков, так как число блоков определяет число запутаных эффектов.

Определение обработки блоков

Вы можете случайным образом распределять экспериментальные единицы по группам лечения внутри каждого блока, что может помочь обеспечить равномерное распределение неучтенной изменчивости между группами. Однако, в зависимости от способа назначения лечения блокам, вы можете получить различное количество запутанных эффектов. Таким образом, можно выбирать как количество, так и конкретные запутанные эффекты, что делает назначение лечения блокам более предпочтительным, чем случайное распределение.

Репликация

Используя различные схемы для каждой репликации, при которой каждый раз происходит смешение разных эффектов, эффекты взаимодействия смешиваются лишь частично, а не полностью исключается оценка какого-либо одного эффекта. Репликация повышает достоверность результатов и обеспечивает более устойчивую оценку эффектов от воздействия.

Пример

Предположим, инженеры на заводе по производству полупроводников хотят проверить, оказывают ли различные дозы имплантационного материала существенное влияние на измерения удельного сопротивления после процесса диффузии, происходящего в печи. У них есть четыре различные дозы, которые они хотят протестировать, и достаточно экспериментальных пластин из одной партии, чтобы провести измерения на трех пластинах для каждой дозы. Помехой является фактор "запуск печи", поскольку известно, что каждый запуск печи отличается от предыдущего и влияет на многие параметры процесса. Идеальным способом проведения этого эксперимента было бы обработать все 4x3=12 пластин в одном запуске печи. Это полностью устранило бы влияние помехи от печи. Однако, пластины для регулярного производства имеют приоритет в использовании печи, и одновременно в один запуск печи допускается лишь небольшое количество экспериментальных пластин. Неблокированный способ проведения эксперимента – обработать каждую из двенадцати экспериментальных пластин в случайном порядке, по одной на каждый запуск печи. Это увеличило бы экспериментальную погрешность каждого измерения удельного сопротивления из-за вариабельности между запусками печи и затруднило бы изучение влияния различных доз. Блочный способ проведения этого эксперимента, при условии, что удастся договориться с производством о размещении четырех экспериментальных пластин в одном запуске печи, заключается в размещении четырех пластин с разными дозами в каждом из трех запусков печи. Единственной случайностью будет выбор того, какая из трех пластин с дозой 1 попадет в первый запуск печи, и аналогично для пластин с дозами 2, 3 и 4.