概率论和数理统计 正交试验设计

第12章 正交试验设计前面介绍了单因素与双因素试验的方差分析，但是在实际问题中遇到的因素往往超过两个，需要考察各个因素对试验结果是否有显著影响。

从理论上讲可以导出多因素的方差分析法，但是一来公式会变得很复杂，二来总试验次数也要明显增多。

例如，考虑7个因素的试验，每个因素有6个水平，若在每一种组合水平上都做一次试验，需要做27993667次试验，这是根本不可能的！ 为了减少试验次数，希望在所有组合水平中挑选一部分出来，在这些组合水平上做试验，即局部地进行试验。

正交试验设计是利用一套现成的规格化的表—正交表，科学地安排试验和分析试验结果的一种数理统计方法，该方法的主要优点是能在很多试验条件中选出代表性强的少数试验方案，同时通过对这少数试验方案的结果进行分析，从中找出最优方案。

正交表1944年起源于美国。

第二次世界大战后在日本开发了使用正交表进行试验设计的技术体系，并在日本全国进行大力普及推广、应用，取得了显著的经济效益。

实践证明，正交设计是促进生产率提高的一种有效手段，目前已经广泛应用于科学研究、产品设计、工艺改革等技术领域以及经营、计划等管理领域。

§12.1 正交试验设计一、正交表正交表记为)(mn r L ，表示至多安排m 个因素，每个因素有r 种水平，共作n 次试验的正交表。

下面就是两个常用的正交表)3(49L ，)2(78L 。

)3(49L )2(78L其中符号含义如下： L —正交表符号；n —试验次数（正交表的行数）； r —水平数；m —因素个数（正交表的列数）。

从上面两个正交表容易看出它们具有如下性质：（1）表中任何一列所含不同的数字出现的次数相同。

如表)3(49L 每一列有三个不同的数字“1”、“2”、“3”，它们各出现3次。

（2）将表中任意两列同一行的两个数字看成有序数对，每种数对出现的次数相同。

如表)3(49L 的有序数对为（1，1），（1，2），（1，3），（2，1），（2，2），（2，3），（3，1），（3，2），（3，3）共9个，它们各出现一次。

正交试验设计方法(详细步骤正交试验设计方法是一种经典的实验设计方法，可以高效地确定对多个因素影响的最佳组合。

它通过将因素分为若干水平，并使用正交设计表确定各个因素水平之间的配对，从而减少试验次数，提高试验效率。

下面将详细介绍正交试验设计方法的步骤。

1.确定试验目的和因素：首先需要明确试验的目的，即我们要研究的问题是什么。

然后确定影响结果的各个因素。

通常情况下，正交试验设计方法适用于多因素多水平的情况。

2.确定因素水平和个数：确定每个因素的水平，并确定每个因素的水平数。

水平数的选择应该充分考虑试验的复杂性和实际可行性。

一般来说，水平数应该是2的幂次方。

3.构建正交表：根据因素的水平数，选择对应的正交表。

正交表是一种数学表格，用于确定不同因素水平之间的配对。

目前，有很多不同类型的正交表可供选择，如拉丁方正交表、天堂树正交表等。

4.设计试验方案：根据正交表的设计原则，将每个因素的各个水平按照正交表进行配对，形成完整的试验方案。

每个配对称为一个处理组合，每组处理组合对应一个试验。

5.进行实验：按照设计的试验方案进行实验。

在进行实验时，需要尽量避免实验误差的干扰，采取适当的控制措施。

6.收集数据：进行实验后，需要及时收集数据。

数据采集要准确、全面，保证实验结果的可靠性。

7.数据分析：对收集到的数据进行统计分析。

可以使用方差分析方法进行分析，通过比较不同因素水平对结果的影响程度，确定最佳组合。

8.结果解释和应用：根据数据分析结果，解释各个因素对结果的影响程度，确定最佳组合。

根据结果进行决策，并将最佳组合应用于实际生产或研究中。

需要注意的是，正交试验设计方法虽然可以高效地确定最佳组合，但仍然具有一定的局限性。

试验结果的可靠性和适用性取决于试验设计的合理性和实施的严格性。

因此，在进行正交试验设计时，需要充分考虑实际情况，合理选择因素和水平，并严格控制试验过程，以确保结果的准确性和可靠性。

正交试验设计法简介一、概述正交试验设计法，又称为正交实验设计、正交表设计或正交测试设计，是一种高效、系统的试验设计方法。

该方法源于数学中的正交性概念，通过正交表来安排多因素试验，使得每个因素的每个水平都能在其他因素的所有水平中均衡出现，从而能够有效地分析多个因素对试验结果的影响。

正交试验设计法最初由日本统计学家田口玄一博士于20世纪50年代提出，并在工程领域得到了广泛应用。

正交试验设计法的主要优点包括试验次数少、数据分析简便、试验效果高等。

通过正交表的设计，可以大大减少试验次数，提高试验效率同时，正交表的规范化和系统性使得试验数据的分析变得简单明了，便于找出影响试验结果的主要因素和最优组合。

正交试验设计法广泛应用于工业、农业、医学、军事等领域。

在工业生产中，正交试验设计法可用于优化产品设计、改进生产工艺、提高产品质量等在农业研究中，可用于优化作物种植方案、提高作物产量等在医学研究中，可用于药物筛选、临床治疗方案优化等。

正交试验设计法还可用于系统可靠性分析、多目标决策等领域。

正交试验设计法是一种高效、实用的试验设计方法，对于多因素、多水平的试验问题具有重要的应用价值。

通过正交表的设计和分析，可以系统地研究多个因素对试验结果的影响，找出最优方案，提高试验效率和效果。

1. 正交试验设计法的定义正交试验设计法是一种研究多因素多水平的科学实验设计方法。

它基于Galois理论，从大量的实验点中挑选出适量的、有代表性的点进行试验，这些点具有“均匀分散，齐整可比”的特点。

这种方法的主要工具是正交表，通过合理安排实验，可以在最少的试验次数下达到与大量全面试验等效的结果。

正交试验设计法具有高效率、快速和经济的特点，被广泛应用于各个领域，如生物学、软件测试等。

2. 正交试验设计法的起源与发展正交试验设计法的起源可以追溯到古希腊时期。

当时，为了满足国王检阅臣民时的要求，即每个方队中每行有一个民族代表，每列也要有一个民族的代表，数学家们设计了一种方阵，被称为拉丁方。

正交实验设计当析因设计要求的实验次数太多时，一个非常自然的想法就是从析因设计的水平组合中，选择一部分有代表性水平组合进行试验。

因此就出现了分式析因设计(fractional factorial designs)，但是对于试验设计知识较少的实际工作者来说，选择适当的分式析因设计还是比较困难的。

正交试验设计(Orthogonal experimental design)是研究多因素多水平的又一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，正交试验设计是分式析因设计的主要方法。

是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。

日本著名的统计学家田口玄一将正交试验选择的水平组合列成表格，称为正交表。

例如作一个三因素三水平的实验，按全面实验要求，须进行33=27种组合的实验，且尚未考虑每一组合的重复数。

若按L9(3)3正交表按排实验，只需作9次，按L18(3)7正交表进行18次实验，显然大大减少了工作量。

因而正交实验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用。

1．正交表正交表是一整套规则的设计表格，用。

L为正交表的代号，n为试验的次数，t为水平数，c为列数，也就是可能安排最多的因素个数。

例如L9(34)，(表11)，它表示需作9次实验，最多可观察4个因素，每个因素均为3水平。

一个正交表中也可以各列的水平数不相等，我们称它为混合型正交表，如L8(4×24) (表12)，此表的5列中，有1列为4水平，4列为2水平。

根据正交表的数据结构看出，正交表是一个n行c列的表，其中第j列由数码1，2，… S j组成，这些数码均各出现N/S次，例如表11中，第二列的数码个数为3，S=3 ，即由1、2、3组成，各数码均出现次。

正交表具有以下两项性质：(1)每一列中，不同的数字出现的次数相等。

例如在两水平正交表中，任何一列都有数码“1”与“2”，且任何一列中它们出现的次数是相等的；如在三水平正交表中，任何一列都有“1”、“2”、“3”，且在任一列的出现数均相等。

正交实验的设计方案正交实验是一种用于确定影响因素对实验结果影响的统计方法。

它可以帮助研究人员以少量实验设计来获取全面可靠的数据，从而进行合理的判断和决策。

正交实验的设计方案是一项关键工作，本文将讨论如何进行正交实验的设计方案，并提供一个实际案例。

一、正交实验的基本原理正交实验基于统计学的原理，通过一系列的实验来确定各个因素对结果的影响程度，并找出最优的组合方式。

正交实验中，要考虑的因素被称为水平或处理水平，这些水平可以是定性的（如颜色、形状等），也可以是定量的（如温度、压力等）。

关键是选择合适的水平组合，以获得准确、全面的数据。

二、正交实验的设计方法1. 确定因素和水平：首先确定需要考虑的因素及其对应的水平。

根据实际情况和研究目的，选择合适的因素和水平，保证实验结果的可靠性和可解释性。

2. 构建正交表：利用正交表是进行正交实验设计的核心步骤。

正交表将各个水平组合按照一定的规律排列，确保每个水平在实验中均匀分布，并减少误差的影响。

常用的正交表包括拉丁方、矩形方和正交平方等。

3. 进行实验：根据正交表的设计，进行实验。

确保实验过程的准确性和可重复性，记录实验数据。

4. 分析实验数据：通过统计学方法对实验数据进行分析，评估各个因素对结果的影响程度。

常用的分析方法包括方差分析、回归分析和卡方检验等。

5. 优化方案选择：根据实验结果，确定最优的因素组合和水平选择。

同时，可以进一步优化实验方案，提高研究效果和实验效率。

三、实际案例以某电子产品的设计为例，我们需要确定屏幕亮度、音量大小和屏幕分辨率对用户体验的影响程度。

我们选择了三个水平来表示这三个因素，分别是：低、中、高。

通过正交实验的设计方案，我们利用正交表构建了以下实验方案：因素1：屏幕亮度（低、中、高）因素2：音量大小（低、中、高）因素3：屏幕分辨率（低、中、高）在表中，每一行代表一个实验条件，我们总共需要进行9次实验。

实验数据如下：实验结果屏幕亮度音量大小屏幕分辨率实验1 低低低实验2 低中中实验3 低高高实验4 中低中实验5 中中高实验6 中高低实验7 高低高实验8 高中低实验9 高高中通过对实验数据的统计分析，我们可以得出每个因素对用户体验的影响程度。

1.正交试验设计法（简称正交法）是统计数学的重要分支。

它是以概率论数理统计、专业技术知识和实践经验为基础,充分利用标准化的正交表来安排试验方案，并对试验结果进行计算分析，最终达到减少试验次数，缩短试验周期，迅速找到优化方案的一种科学计算方法。

2..特点--选取有代表性的试验点参与试验，这些试验点均衡分散、整齐可比。

因此，有可能从众多的处理组合中选出最优的处理组合。

3.优点--是一种多、快、好、省的设计方法。

通常比全面试验节省人力、物力１／２至３／４以上。

4.缺点-- 通常用数学的方法选出的最优处理组合没有出现在参试的处理组合中，给现场示范造成一定的困难，故要进一步做一个参试最优处理组合和用数学的方法选出的最优处理组合作对比试验，作现场示范。

5.正交试验设计应用领域非常广泛，其实可以把它看成是析因设计，因为析因设计是因素水平数的完全组合，而正交设计则利用已经设计好的正交表来做部分组合试验。

6.根据你所需要分析的结果（如除分析各因素的作用外，还要分析哪些因素间的交互作用，根据这些作用再选择正交表），然后用方差分析的办法来得到结论。

7.析因设计的结果可以得到最优组合，而正交设计只能说得到较优组合。

另外，正交设计的关键在于正交表的表头设计（应根据每个表的交互作用表来安排，不同的人就同一个表的表头设计是可以不同的）。

同时还可根据需要来看看是否要重复试验等等。