Introduction to the Design And Analysis of Experiments pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Oxford Univ Pr on Demand

作者:Clarke, Geoffrey M./ Kempson, Robert E./ Clarke, G. M.

出品人:

页数:352

译者:

出版时间:

价格:49.95

装帧:Pap

isbn号码:9780340645550

丛书系列:

图书标签:

• 实验设计
• 统计分析
• DOE
• 实验规划
• 数据分析
• 统计学
• 科学研究
• 质量控制
• R语言
• Python

探索数据驱动决策的基石：实验设计与分析的综合指南 《实验设计与分析导论》 本书旨在为读者提供一个严谨而实用的框架，用于理解、设计和执行高效的科学实验，并对收集到的数据进行精确的统计分析。它不仅仅是一本关于理论的教材，更是一本指导实践的工具书，面向所有需要通过系统性实验来探究因果关系、优化流程或验证假设的研究人员、工程师、数据科学家以及质量控制专业人士。 第一部分：实验设计的哲学与基础 本部分奠定了实验科学的理论基础，强调了从模糊的问题陈述到清晰、可操作的实验方案的转化过程。我们深入探讨了科学方法论在实验设计中的核心地位，以及为什么规范化的设计是得出可靠、可推广结论的先决条件。 第一章：实验思维的建立与重要性 本章首先界定了“实验”的本质及其在现代科学、工程和商业决策中的不可替代性。我们区分了观察性研究和干预性实验的根本差异，并强调了在复杂系统中识别和量化因果效应的挑战。本章详细讨论了“可重复性”和“可信度”的衡量标准，并提出了在资源有限的情况下如何平衡实验的深度与广度。 第二章：核心概念的界定：变量、效应与误差源 理解实验的语言至关重要。本章系统梳理了实验设计中使用的基本术语： 响应变量（Response Variables）： 衡量实验结果的关键指标。 因子（Factors）与水平（Levels）： 实验者有意操纵的输入变量及其具体设置。 协变量（Covariates）： 需要控制或在分析中予以调整的背景变量。 处理（Treatments）： 因子水平的特定组合。 我们深入分析了误差的来源——包括随机误差、系统误差和测量误差，并阐述了如何通过前期的细致规划来最小化或量化这些误差，从而提高统计功效（Statistical Power）。 第三章：随机化、重复与局部控制 随机化是区分科学实验与随性观察的标志。本章详细阐述了随机化的原理、目的及其应用方式，包括完全随机化设计（CRD）。我们探讨了重复（Replication）的意义——它不仅是为了估计误差，更是为了提高推断的精确度。此外，局部控制（Local Control）技术，如配对设计（Paired Designs）和分块（Blocking），被视为有效控制异质性、增加实验灵敏度的关键工具。 第二部分：经典实验设计模型 本部分是本书的实践核心，系统介绍了最常用且功能强大的实验设计模型，并详细说明了何时选择特定模型以最大化信息产出。 第四章：完全随机化设计（CRD）与单因子实验 CRD是最基础的设计，适用于实验单元高度同质的场景。本章详细讲解了单因子实验的实施步骤，包括样本量估算和模型假设。重点在于如何使用方差分析（ANOVA）来分解总变异，并对不同处理组的均值差异进行可靠的推断。 第五章：随机化区组设计（RBD） 当实验单元存在明显的异质性时，RBD成为首选。本章阐述了如何通过合理的区组划分来“捕获”或“隔离”掉环境或批次间的系统性差异，从而使处理效应的估计更为精确。我们将演示如何将区组效应纳入ANOVA模型，并评估其对处理效应检验的改进作用。 第六章：拉丁方设计（Latin Square Designs, LSD） LSD用于同时控制两个主要的异质性来源。本章详细讲解了其构造原理、应用限制（例如，处理数必须等于区组数）以及在农业试验和工业生产线测试中的经典应用案例。我们关注如何确保处理、行（Row）和列（Column）之间的相互独立性。 第七章：因子设计（Factorial Designs）的威力 因子设计是现代实验科学的支柱，它允许研究者同时考察多个因子及其交互作用（Interactions）。 $2^k$ 因子设计： 重点介绍全因子设计的经济性与信息丰富性。我们深入探讨了如何通过效应图、正规效应图（Normal Probability Plots）和分辨率分析（Resolution Analysis）来识别和解释主效应和高阶交互作用。 部分因子设计（Fractional Factorial Designs）： 针对因子数量较多，资源有限的情况，本章讲解了如何利用混杂（Aliasing）原理，以较少的试验次数获取主要信息的策略。 第三部分：进阶设计与模型修正 本部分探讨了更为复杂、更具挑战性的实验场景，涉及非均衡数据、混合效应模型以及响应曲面方法。 第八章：嵌套设计与交叉设计 当某些因子天然地嵌套在其他因子的水平内时（例如，不同工厂下的不同生产线），需要使用嵌套设计。本章区分了嵌套和交叉结构，并展示了如何构建合适的随机效应模型来处理这种层次性数据。交叉设计（Crossover Designs）则被应用于要求同一实验单元接受多重处理的情况，重点在于控制序列效应（Carryover Effects）。 第九章：不完全区组设计（Incomplete Block Designs） 在处理水平过多，导致在一个区组内无法容纳所有处理时，不完全区组设计应运而生。本章重点介绍平衡不完全区组设计（BIBD），强调其平衡性指标（如λ值）的含义，以及如何处理因不完全性而产生的协方差结构。 第十章：响应曲面方法（Response Surface Methodology, RSM） RSM是用于优化过程的关键工具，旨在寻找使响应变量最大化的最佳操作条件。本章涵盖了两个核心阶段： 1. 拟合初步模型： 主要使用中心复合设计（CCD）或全因子设计的中心点扩展，以确定曲面的大致形状。 2. 精确定位最优解： 使用Box-Behnken设计或更精细的分辨率设计，拟合二次多项式模型，并通过特征分析（如特征值分析）来定位最大值、最小值或鞍点。 第四部分：统计推断与模型诊断 实验设计的价值最终体现在数据分析的严谨性上。本部分关注如何正确应用统计工具，并对模型的有效性进行批判性评估。 第十一章：方差分析（ANOVA）的深入应用 本章超越了基础的F检验，深入探讨了混合模型ANOVA的建立，包括固定效应和随机效应的区分。我们详细讨论了事后多重比较（Post-hoc Multiple Comparisons）方法（如Tukey, Bonferroni, Scheffé），并强调了选择合适比较方法的原则，以控制家族错误率（Family-wise Error Rate）。 第十二章：模型假设检验与诊断 任何统计模型的有效性都依赖于其底层假设的满足。本章指导读者如何系统地检验ANOVA和回归模型的核心假设： 正态性（Normality）： 通过残差图和正态Q-Q图进行检验。 方差齐性（Homogeneity of Variances）： 使用Levene检验或Bartlett检验进行评估。 独立性（Independence）： 特别是在时间序列或空间数据中，需要识别和处理自相关问题。 本章还将介绍稳健方法（Robust Methods），以应对假设不满足的情况。 第十三章：效应大小的解释与统计功效分析 仅仅获得显著性（p值）是不够的。本章强调了效应大小（Effect Size）的重要性，如 $eta^2$（Eta-squared）或 $omega^2$（Omega-squared），它们量化了处理效应在总变异中所占的比例。此外，我们详细讲解了功效分析（Power Analysis），包括事前功效计算（确定所需样本量）和事后功效评估，确保实验设计具有足够的科学敏感性。 第五部分：应用扩展与现代趋势 第十四章：回归分析与实验数据的拟合 本章将实验设计与回归建模桥接起来。我们探讨了如何将因子水平编码（如哑变量编码）纳入回归框架，以及如何利用回归方法来处理协变量（ANCOVA）或拟合连续因子。重点在于区分预测与推断之间的差异。 第十五章：贝叶斯方法在实验设计中的应用简介 作为对经典频率论方法的补充，本章简要介绍了贝叶斯统计学在实验设计中的新兴应用。我们讨论了如何利用先验信息来指导实验设计，以及如何使用MCMC方法进行参数估计和模型选择，尤其是在小样本或复杂结构模型中。 附录：常用统计软件操作指南 本附录提供了一系列基于主流统计软件（如R或Python库）的实例代码，演示如何实施前述的各种设计，并执行相应的诊断和分析步骤，确保读者能将理论知识无缝过渡到实际操作中。 本书的结构设计确保了从基础概念到高级应用层层递进，旨在培养读者建立批判性思维，设计出能够清晰回答其科学或工程问题的实验，并自信地解读复杂数据结果的能力。

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