緒論科學(xué)試驗(yàn)及其誤差控制

1、第一章第一章 緒論緒論科學(xué)試驗(yàn)及其誤差控制科學(xué)試驗(yàn)及其誤差控制 第一節(jié)第一節(jié) 科學(xué)研究與科學(xué)試驗(yàn)科學(xué)研究與科學(xué)試驗(yàn) 第二節(jié)第二節(jié) 試驗(yàn)方案試驗(yàn)方案 第三節(jié)第三節(jié) 試驗(yàn)誤差及其控制試驗(yàn)誤差及其控制 第四節(jié)第四節(jié) 試驗(yàn)統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展和本課程試驗(yàn)統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展和本課程 的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 科學(xué)研究與科學(xué)試驗(yàn)科學(xué)研究與科學(xué)試驗(yàn)一、農(nóng)業(yè)和生物學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究一、農(nóng)業(yè)和生物學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究自然科學(xué)自然科學(xué) 理論科學(xué)理論科學(xué) 實(shí)驗(yàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)科學(xué) 抽樣調(diào)查抽樣調(diào)查 科學(xué)試驗(yàn)科學(xué)試驗(yàn) 二、科學(xué)研究的基本過程和方法二、科學(xué)研究的基本過程和方法(一一) 科學(xué)研究的基本過程科學(xué)研究的基本過程 (1)根據(jù)本人的

2、觀察根據(jù)本人的觀察(了解了解)或前人的觀察或前人的觀察(通過文獻(xiàn)通過文獻(xiàn))對所對所研究的命題形成一種認(rèn)識或假說；研究的命題形成一種認(rèn)識或假說； (2)根據(jù)假說所涉及的內(nèi)容安排相斥性的試驗(yàn)或抽樣調(diào)根據(jù)假說所涉及的內(nèi)容安排相斥性的試驗(yàn)或抽樣調(diào)查；查； (3)根據(jù)試驗(yàn)或調(diào)查所獲的資料進(jìn)行推理，肯定或否定根據(jù)試驗(yàn)或調(diào)查所獲的資料進(jìn)行推理，肯定或否定或修改假說，從而形成結(jié)論，或開始新一輪的試驗(yàn)以驗(yàn)證修或修改假說，從而形成結(jié)論，或開始新一輪的試驗(yàn)以驗(yàn)證修改完善后的假說，如此循環(huán)發(fā)展，使所獲得的認(rèn)識或理論逐改完善后的假說，如此循環(huán)發(fā)展，使所獲得的認(rèn)識或理論逐步發(fā)展、深化。步發(fā)展、深化。(二二) 科學(xué)研究的基

3、本方法科學(xué)研究的基本方法 1. 選題選題2. 文獻(xiàn)文獻(xiàn)3. 假說假說 4. 假說的檢驗(yàn)假說的檢驗(yàn) 5. 試驗(yàn)的規(guī)劃與設(shè)計試驗(yàn)的規(guī)劃與設(shè)計 第二節(jié)第二節(jié) 試驗(yàn)方案試驗(yàn)方案一、試驗(yàn)因素與水平一、試驗(yàn)因素與水平二、試驗(yàn)指標(biāo)與效應(yīng)二、試驗(yàn)指標(biāo)與效應(yīng)三、制訂試驗(yàn)方案的要點(diǎn)三、制訂試驗(yàn)方案的要點(diǎn)一、試驗(yàn)因素與水平一、試驗(yàn)因素與水平 試驗(yàn)方案試驗(yàn)方案是根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮鸵笏鶖M進(jìn)行比較的一組是根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮鸵笏鶖M進(jìn)行比較的一組試驗(yàn)處理試驗(yàn)處理(treatment)的總稱。的總稱。 被變動并設(shè)有待比較的一組處理的因子稱為試驗(yàn)因素，被變動并設(shè)有待比較的一組處理的因子稱為試驗(yàn)因素，簡稱簡稱因素或因子因素或因子(fa

4、ctor)(factor)，試驗(yàn)因素的量的不同級別或質(zhì)的，試驗(yàn)因素的量的不同級別或質(zhì)的不同狀態(tài)稱為不同狀態(tài)稱為水平水平(level)(level)。 試驗(yàn)方案按其供試因子數(shù)的多少可以區(qū)分為以下試驗(yàn)方案按其供試因子數(shù)的多少可以區(qū)分為以下3類：類：(1)(1)單因素試驗(yàn)單因素試驗(yàn)(single-factor experiment)(single-factor experiment) 單因素試驗(yàn)是指整個試單因素試驗(yàn)是指整個試驗(yàn)中只變更、比較一個試驗(yàn)因素的不同水平，其他作為試驗(yàn)中只變更、比較一個試驗(yàn)因素的不同水平，其他作為試驗(yàn)條件的因素均嚴(yán)格控制一致的試驗(yàn)。驗(yàn)條件的因素均嚴(yán)格控制一致的試驗(yàn)。 (2)(

5、2) 多因素試驗(yàn)多因素試驗(yàn)(multiple-factor or factorial experiment)(multiple-factor or factorial experiment) 多因素試多因素試驗(yàn)是指在同一試驗(yàn)方案中包含驗(yàn)是指在同一試驗(yàn)方案中包含2個或個或2個以上的試驗(yàn)因素，個以上的試驗(yàn)因素，各個因素都分為不同水平，其他試驗(yàn)條件均應(yīng)嚴(yán)格控制一各個因素都分為不同水平，其他試驗(yàn)條件均應(yīng)嚴(yán)格控制一致的試驗(yàn)。致的試驗(yàn)。 (3)(3) 綜合性試驗(yàn)綜合性試驗(yàn)(comprehensive experiment)(comprehensive experiment) 綜合性試驗(yàn)中各因素綜合性試驗(yàn)中

6、各因素的各水平不構(gòu)成平衡的處理組合，而是將若干因素的某些的各水平不構(gòu)成平衡的處理組合，而是將若干因素的某些水平結(jié)合在一起形成少數(shù)幾個處理組合。水平結(jié)合在一起形成少數(shù)幾個處理組合。 二、試驗(yàn)指標(biāo)與效應(yīng)二、試驗(yàn)指標(biāo)與效應(yīng) 用于衡量試驗(yàn)效果的指示性狀稱用于衡量試驗(yàn)效果的指示性狀稱試驗(yàn)指標(biāo)試驗(yàn)指標(biāo)。 試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)所起的增加或減少的作用稱為試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)所起的增加或減少的作用稱為試驗(yàn)試驗(yàn)效應(yīng)效應(yīng)(experimental effect)(experimental effect)。 在同一因素內(nèi)兩種水平間試驗(yàn)指標(biāo)的相差屬在同一因素內(nèi)兩種水平間試驗(yàn)指標(biāo)的相差屬簡單效應(yīng)簡單效應(yīng)(simple eff

7、ect)(simple effect)。 一個因素內(nèi)各簡單效應(yīng)的平均數(shù)稱平均效應(yīng)，亦稱一個因素內(nèi)各簡單效應(yīng)的平均數(shù)稱平均效應(yīng)，亦稱主主要效應(yīng)要效應(yīng)(main effect)(main effect)，簡稱，簡稱主效主效。 兩個因素簡單效應(yīng)間的平均差異稱為兩個因素簡單效應(yīng)間的平均差異稱為交互作用效應(yīng)交互作用效應(yīng)(interaction effect)(interaction effect)，簡稱，簡稱互作互作。 三、制訂試驗(yàn)方案的要點(diǎn)三、制訂試驗(yàn)方案的要點(diǎn) 1. 擬訂試驗(yàn)方案前應(yīng)通過回顧以往研究的進(jìn)展、調(diào)擬訂試驗(yàn)方案前應(yīng)通過回顧以往研究的進(jìn)展、調(diào)查交流、文獻(xiàn)探索等。查交流、文獻(xiàn)探索等。 2. 根

8、據(jù)試驗(yàn)?zāi)康拇_定供試因素及其水平。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康拇_定供試因素及其水平。 3. 試驗(yàn)方案中應(yīng)包括有對照水平或處理，簡稱對照試驗(yàn)方案中應(yīng)包括有對照水平或處理，簡稱對照(check，符號，符號CK)。 4. 試驗(yàn)方案中應(yīng)注意比較間的唯一差異原則，試驗(yàn)方案中應(yīng)注意比較間的唯一差異原則，以便正確地解析出試驗(yàn)因素的效應(yīng)。以便正確地解析出試驗(yàn)因素的效應(yīng)。 5. 擬訂試驗(yàn)方案時必須正確處理試驗(yàn)因素及試擬訂試驗(yàn)方案時必須正確處理試驗(yàn)因素及試驗(yàn)條件間的關(guān)系。驗(yàn)條件間的關(guān)系。 6. 多因素試驗(yàn)提供了比單因素試驗(yàn)更多的效應(yīng)估多因素試驗(yàn)提供了比單因素試驗(yàn)更多的效應(yīng)估計，具有單因素試驗(yàn)無可比擬的優(yōu)越性。計，具有單因素試驗(yàn)無可

9、比擬的優(yōu)越性。 第三節(jié)第三節(jié) 試驗(yàn)誤差及其控制試驗(yàn)誤差及其控制一、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差和精確性一、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差和精確性二、試驗(yàn)誤差的來源二、試驗(yàn)誤差的來源三、隨機(jī)誤差的規(guī)律性三、隨機(jī)誤差的規(guī)律性四、隨機(jī)誤差的層次性四、隨機(jī)誤差的層次性五、試驗(yàn)誤差的控制五、試驗(yàn)誤差的控制一、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差和精確性一、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差和精確性 將每次所取樣品測定的結(jié)果稱為一個將每次所取樣品測定的結(jié)果稱為一個觀察值觀察值，以，以y表表示。理論值或真值，以示。理論值或真值，以 表示，則表示，則 ，即觀察，即觀察值值=真值真值+誤差，每一觀察值都有一誤差誤差，每一觀察值都有一誤差 ，可正，可，可正，可負(fù)，負(fù)， 。y y 觀察

10、值間存在的變異可歸結(jié)為兩種情況觀察值間存在的變異可歸結(jié)為兩種情況: 一種是完全偶然性的，找不出確切原因的，稱為一種是完全偶然性的，找不出確切原因的，稱為偶偶然性誤差然性誤差(spontaneous error)(spontaneous error)或隨機(jī)誤差或隨機(jī)誤差(random error)(random error)； 另一種是有一定原因的稱為另一種是有一定原因的稱為偏差偏差(bias)(bias)或系統(tǒng)誤差或系統(tǒng)誤差(systematic error)(systematic error)。 系統(tǒng)誤差影響了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確性是指觀測值與系統(tǒng)誤差影響了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確性是指觀測值與其理

11、論真值間的符合程度；其理論真值間的符合程度； 而偶然誤差影響了數(shù)據(jù)的精確性，精確性是指觀測值而偶然誤差影響了數(shù)據(jù)的精確性，精確性是指觀測值間的符合程度。間的符合程度。 二、試驗(yàn)誤差的來源二、試驗(yàn)誤差的來源 一般講，隨機(jī)誤差是偶然性的。整個試驗(yàn)過程中一般講，隨機(jī)誤差是偶然性的。整個試驗(yàn)過程中涉及的隨機(jī)波動因素愈多，試驗(yàn)的環(huán)節(jié)愈多，時間愈長，涉及的隨機(jī)波動因素愈多，試驗(yàn)的環(huán)節(jié)愈多，時間愈長，隨機(jī)誤差發(fā)生的可能性及波動程度便愈大。隨機(jī)誤差發(fā)生的可能性及波動程度便愈大。 理論上，系統(tǒng)誤差是可以通過試驗(yàn)條件及試驗(yàn)過理論上，系統(tǒng)誤差是可以通過試驗(yàn)條件及試驗(yàn)過程的仔細(xì)操作而控制的。實(shí)際上一些主要的系統(tǒng)性偏差

12、程的仔細(xì)操作而控制的。實(shí)際上一些主要的系統(tǒng)性偏差較易控制，而有些細(xì)微偏差則較難控制。較易控制，而有些細(xì)微偏差則較難控制。三、隨機(jī)誤差的規(guī)律性三、隨機(jī)誤差的規(guī)律性-3-2-132195.45%68.27%0圖1.3 隨機(jī)誤差的分布模式)(f 以大豆品種蛋白質(zhì)含量的測以大豆品種蛋白質(zhì)含量的測定為例，若從一批種子中抽取定為例，若從一批種子中抽取100份樣品，分別進(jìn)行蛋白質(zhì)含份樣品，分別進(jìn)行蛋白質(zhì)含量的測定，若無系統(tǒng)偏差的干量的測定，若無系統(tǒng)偏差的干擾，則所獲擾，則所獲100個數(shù)據(jù)，將其平個數(shù)據(jù)，將其平均數(shù)當(dāng)作理論真值均數(shù)當(dāng)作理論真值 ，根據(jù)，根據(jù) y 可計算出可計算出100個誤差值。這個誤差值。這1

13、00個誤差值有個誤差值有“”有有“”，平均起來正負(fù)相抵消等于，平均起來正負(fù)相抵消等于0。若將其畫成坐標(biāo)圖，。若將其畫成坐標(biāo)圖，接近于一個對稱的鐘形圖接近于一個對稱的鐘形圖(圖圖1.3），在靠近），在靠近0的、范圍的、范圍內(nèi)出現(xiàn)的誤差次數(shù)多，越遠(yuǎn)離內(nèi)出現(xiàn)的誤差次數(shù)多，越遠(yuǎn)離0出現(xiàn)的次數(shù)越少。出現(xiàn)的次數(shù)越少。四、隨機(jī)誤差的層次性四、隨機(jī)誤差的層次性 仍以大豆品種蛋白質(zhì)含量測定為例，可以看到大豆蛋仍以大豆品種蛋白質(zhì)含量測定為例，可以看到大豆蛋白質(zhì)測定中抽取樣品時，因?yàn)槿舆^程的隨機(jī)性存在取樣白質(zhì)測定中抽取樣品時，因?yàn)槿舆^程的隨機(jī)性存在取樣的隨機(jī)誤差，對于同一份樣品，由于測定過程中的隨機(jī)因的隨機(jī)誤差

14、，對于同一份樣品，由于測定過程中的隨機(jī)因素導(dǎo)致存在隨機(jī)誤差，兩者雖都是隨機(jī)誤差，但發(fā)生的時素導(dǎo)致存在隨機(jī)誤差，兩者雖都是隨機(jī)誤差，但發(fā)生的時段或?qū)哟尾灰粯樱虼?，隨機(jī)誤差具有層次性。這里前一段或?qū)哟尾灰粯?，因此，隨機(jī)誤差具有層次性。這里前一階段的是取樣誤差，后一階段的是測定過程誤差。此時，階段的是取樣誤差，后一階段的是測定過程誤差。此時，觀測值可表示為：觀測值可表示為： y五、試驗(yàn)誤差的控制五、試驗(yàn)誤差的控制 根據(jù)以上關(guān)于試驗(yàn)誤差來源的分析，研究工作者為根據(jù)以上關(guān)于試驗(yàn)誤差來源的分析，研究工作者為保證試驗(yàn)結(jié)果的正確性，必須針對各種可能的系統(tǒng)偏差保證試驗(yàn)結(jié)果的正確性，必須針對各種可能的系統(tǒng)偏差原

15、因預(yù)防多種多樣的系統(tǒng)誤差；同時針對不同階段、不原因預(yù)防多種多樣的系統(tǒng)誤差；同時針對不同階段、不同層次偶然性因素造成的隨機(jī)誤差分別盡量控制這種不同層次偶然性因素造成的隨機(jī)誤差分別盡量控制這種不同階段、不同層次上發(fā)生的隨機(jī)誤差，使之盡量縮小。同階段、不同層次上發(fā)生的隨機(jī)誤差，使之盡量縮小。 第四節(jié)第四節(jié) 試驗(yàn)統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展和本課程的主要內(nèi)容試驗(yàn)統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展和本課程的主要內(nèi)容一、試驗(yàn)統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展一、試驗(yàn)統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展二、本課程的主要內(nèi)容二、本課程的主要內(nèi)容17世紀(jì)世紀(jì)Pascal 和和Fermat的概率論；的概率論；18世紀(jì)世紀(jì)De Moivre、Laplace和和Gauss的正態(tài)分布理論；的正態(tài)分布理

16、論；19世紀(jì)達(dá)爾文應(yīng)用統(tǒng)計方法研究生物界的連續(xù)性變異；世紀(jì)達(dá)爾文應(yīng)用統(tǒng)計方法研究生物界的連續(xù)性變異；孟德爾應(yīng)用統(tǒng)計方法發(fā)現(xiàn)顯性、分離、獨(dú)立分配等遺傳孟德爾應(yīng)用統(tǒng)計方法發(fā)現(xiàn)顯性、分離、獨(dú)立分配等遺傳 定律；定律；Karl Pearson用統(tǒng)計方法研究進(jìn)化問題，并創(chuàng)建了用統(tǒng)計方法研究進(jìn)化問題，并創(chuàng)建了 Biometrika雜志；雜志；Galton研究了親子身高的回歸問題；研究了親子身高的回歸問題；20世紀(jì)以來世紀(jì)以來Gosset用實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)了用實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)了t分布；分布；一、試驗(yàn)統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展一、試驗(yàn)統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展Fisher提出了方差分析，建立了試驗(yàn)設(shè)計的三大原理，提出了方差分析，建立了試驗(yàn)設(shè)計的

17、三大原理，并提出了隨機(jī)區(qū)組、拉丁方等試驗(yàn)設(shè)計，還將統(tǒng)計方法用并提出了隨機(jī)區(qū)組、拉丁方等試驗(yàn)設(shè)計，還將統(tǒng)計方法用之于研究數(shù)量性狀的基因效應(yīng)；之于研究數(shù)量性狀的基因效應(yīng)；Yates、Yule等發(fā)展了一系列的試驗(yàn)設(shè)計包括后來的混雜等發(fā)展了一系列的試驗(yàn)設(shè)計包括后來的混雜設(shè)計和不完全區(qū)組設(shè)計等；設(shè)計和不完全區(qū)組設(shè)計等；英國英國Rothamsted試驗(yàn)場在生物統(tǒng)計和田間試驗(yàn)設(shè)計方試驗(yàn)場在生物統(tǒng)計和田間試驗(yàn)設(shè)計方面卓有貢獻(xiàn)；面卓有貢獻(xiàn)；Neyman和和E.S. Pearson建立了統(tǒng)計推斷的理論；建立了統(tǒng)計推斷的理論；Snedecor建立了統(tǒng)計實(shí)驗(yàn)室并出版了建立了統(tǒng)計實(shí)驗(yàn)室并出版了“Statistical

18、Methods Applied to Experiment in Agriculture and Biology”；Wald建立序貫分析和統(tǒng)計決策函數(shù)的理論；建立序貫分析和統(tǒng)計決策函數(shù)的理論；Cochran和和Cox系統(tǒng)地歸納了試驗(yàn)設(shè)計和抽樣方法研究系統(tǒng)地歸納了試驗(yàn)設(shè)計和抽樣方法研究 的進(jìn)展，出版了的進(jìn)展，出版了“Experimental Design”和和“Sampling Technique”二書；二書；Kempthorne將統(tǒng)計方法應(yīng)用于數(shù)量性狀的遺傳研究，將統(tǒng)計方法應(yīng)用于數(shù)量性狀的遺傳研究， 出版了出版了“An Introduction to Genetic Statistics”；而而Mather則出版了則出版了“Biometrical Genetics”。 二、本課程的主要內(nèi)容二、本課程的主要內(nèi)容本課程包括本課程包括7個單元個單元15章。章。第一單元在介紹科學(xué)研究基本過程、試驗(yàn)方案制訂和試驗(yàn)第一單元在介紹科學(xué)研究基本過程、試驗(yàn)方案制訂和試驗(yàn)誤差及其控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步講述田間試驗(yàn)的誤差來源、誤差及其控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步講述田間試驗(yàn)的誤差來源、土壤差異和控制誤差的小區(qū)技術(shù)