Subido por geovanny miranda

1. 2 DISEÑO FACTORIAL2^2 UNIDAD 1

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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO
DISEÑO DE EXPERIMENTOS II
UNIDAD I
DISEÑO FACTORIALES 𝟐𝒌
1. Diseño Factorial 𝟐𝟐
Con un diseño factorial 22 se estudia el efecto de dos factores
considerando dos niveles en cada uno. Cada réplica de este diseño
consiste de 2 × 2 = 4 combinaciones o tratamientos que se pueden
denotar de diferentes maneras, como se muestra en la siguiente tabla.
Existen 6 maneras de escribir el diseño 22
A
B
A
B
A
B
A
B
A B A
B
Tratamiento 1
B ajo Bajo 𝐴1 𝐵1 𝐴− 𝐵− − −
0 0 −1 −1
Tratamiento 2
Alto Bajo 𝐴2 𝐵1 𝐴+ 𝐵− + −
1 0
Tratamiento 3
Bajo Alto
𝐴1 𝐵2 𝐴− 𝐵+ − +
Tratamiento 4
Alto Alto
𝐴2 𝐵2 𝐴+ 𝐵+ + +
Notación de
Yates
(1)
−1
𝑎
0 1 −1
1
𝑏
1 1
1
𝑎𝑏
1
1
Notación de Yates es la suma de las observaciones de cada tratamiento.
La notación de yates presenta la siguiente lógica: si aparece la letra
minúscula entonces el factor correspondiente está en su nivel alto; si está
ausente entonces el factor correspondiente está en su nivel bajo.
Representación Geométrica
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DISEÑO DE EXPERIMENTOS II
Cada vértice del cuadrado representa un tratamiento
El área limitada por el cuadrado se conoce como Región
Experimental
Las conclusiones que se obtengan del experimento sólo tienen
validez dentro de la región.
Cálculo de los efectos
Tenemos 3 efectos de interés: Efectos principales (𝐴 𝑌 𝐵) y el efecto de
interacción (𝐴𝐵). Con el uso de la notación de Yates podemos ver que si
cada tratamiento tiene n replicas, la media de 𝑌 en el nivel alto del factor
A es:
(𝑎 + 𝑎𝑏)
2𝑛
En el nivel bajo la media de 𝑌es:
(𝑏 + (1))
2𝑛
El efecto de 𝐴 se calcula de la siguiente forma:
𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐴 =
1
𝑎 + 𝑎𝑏 𝑏 + (1)
[𝑎 + 𝑎𝑏 − 𝑏 − (1)] =
−
2𝑛
2𝑛
2𝑛
la media de 𝑌en el nivel alto del factor B es:
(𝑏 + 𝑎𝑏)
2𝑛
En el nivel bajo la media de 𝑌es:
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DISEÑO DE EXPERIMENTOS II
(𝑎 + (1))
2𝑛
El efecto de 𝐵 se calcula de la siguiente forma:
𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐵 =
1
𝑏 + 𝑎𝑏 𝑎 + (1)
[𝑏 + 𝑎𝑏 − 𝑎 − (1)] =
−
2𝑛
2𝑛
2𝑛
El efecto de interacción entre los factores 𝐴 𝑦 𝐵 está dado la diferencia
entre el efecto de A en el nivel alto de B y el efecto de A en el nivel bajo
de 𝐵 donde:
𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐴𝐵 =
1
𝑎𝑏 − 𝑏 𝑎 − (1) 𝑎𝑏 + (1) 𝑎 + 𝑏
[𝑎𝑏 + (1) − 𝑎 − 𝑏] =
−
=
−
2𝑛
2𝑛
2𝑛
2𝑛
2𝑛
Ejemplo
A: Tiempo B: Velocidad
𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐴 =
Aditivo
Tratamiento 1 𝐵𝑎𝑗𝑜 = 3 𝐵𝑎𝑗𝑜 = 600
17.10 (1)
Tratamiento 2 𝐴𝑙𝑡𝑜 = 6 𝐵𝑎𝑗𝑜 = 600
16.26 𝑎
Tratamiento 3 𝐵𝑎𝑗𝑜 = 3 𝐴𝑙𝑡𝑜 = 1000
18.76 𝑏
Tratamiento 4 𝐴𝑙𝑡𝑜 = 6 𝐴𝑙𝑡𝑜 = 1000
18.16 𝑎𝑏
1
1
[𝑎 + 𝑎𝑏 − 𝑏 − (1)] = (16.26 + 18.16 − 18.76 − 17.10) = −0.72
2𝑛
2
𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐵 =
1
1
[𝑏 + 𝑎𝑏 − 𝑎 − (1)] = (18.76 + 18.16 − 16.26 − 17.10) = 1.78
2𝑛
2
𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐴𝐵 =
1
1
[𝑎𝑏 + (1) − 𝑎 − 𝑏] = (18.16 + 17.10 − 16.26 − 18.76) = 0.12
2𝑛
2
Análisis de Varianza
Definición de contraste
Es la combinación lineal de la forma:
2𝑘
𝐶 = ∑ 𝑐𝑖 𝑌𝑖 𝑐𝑜𝑛 ∑ 𝑐𝑖 = 0
𝑖=1
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DISEÑO DE EXPERIMENTOS II
Se llama contraste. Donde 𝑌𝑖 : términos de la notación de Yates, con la
condición de que la suma de los coeficientes sea igual a cero.
La suma de los cuadrados para cualquier contraste 𝐶 esta dado por:
2
𝑘
𝑆𝐶𝑐 =
(∑2𝑖=1 𝑐𝑖 𝑌𝑖 )
𝑘
𝑛 ∑2𝑖=1 𝑐𝑖 2
Que contiene un grado de libertad. Note que cada termino 𝑌𝑖 representa
un término de la notación de Yates.
Los contrastes correspondientes a los tres efectos 𝐴, 𝐵 𝑦 𝐴𝐵 en el diseño
factorial 22 están definidos por:
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑎𝑠𝑡𝑒 𝐴 = [𝑎 + 𝑎𝑏 − 𝑏 − (1)]
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑎𝑠𝑡𝑒 𝐵 = [𝑏 + 𝑎𝑏 − 𝑎 − (1)]
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑎𝑠𝑡𝑒 𝐴𝐵 = [𝑎𝑏 + (1) − 𝑎 − 𝑏]
En el diseño factorial 2𝑘 con 𝑛 replicas los contrastes se dividen por 𝑛2(𝑘−1)
para estimar los efectos. En el diseño 22 con 𝑛 replicas los contrastes se
dividen por 𝑛2(2−1) = 2𝑛
Métodos para calcular contrastes
Una manera practica de calcular los contrastes de cualquier efecto sea
principal o de interacción en el diseño factorial 2𝑘 es mediante el auxilio de una
tabla de signos.
La tabla de signos se construye a partir de la matriz de diseño, multiplicando las
columnas que intervienen en la interacción calculada.
A
B
AB
Yates
+
-
+
(1)
-
+
-
𝑎
𝑏
+
+
+
𝑎𝑏
Pasos para llegar al ANOVA
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Contrastes
Efectos
Suma de cuadrados
ANOVA
Para investigar cuáles de los 3 efectos son significativos se procede
aprobar la hipótesis dada:
𝐻0 : 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐴 = 0
𝐻1 : 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐴 ≠ 0
𝐻0 : 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐵 = 0
𝐻1 : 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐵 ≠ 0
𝐻0 : 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐴𝐵 = 0
𝐻1 : 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐴𝐵 ≠ 0
Estas hipótesis se prueban con el análisis de varianza, para lo cual es
necesario calcular la suma de cuadrados que corresponden a los efectos
𝐴, 𝐵 𝑦 𝐴𝐵.
[𝑎 + 𝑎𝑏 − 𝑏 − (1)]2
𝑆𝐶𝐴 =
𝑛22
𝑆𝐶𝐵 =
𝑆𝐶𝐴𝐵
[𝑏 + 𝑎𝑏 − 𝑎 − (1)]2
𝑛22
[𝑎𝑏 + (1) − 𝑎 − 𝑏]2
=
𝑛22
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑜𝑏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 = 𝑛2𝑘
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𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑎𝑡𝑜𝑠 = 𝑛2𝑘−1
Cada una de estas sumas de cuadrados tiene solo 1 grado de libertad
debido a que cada factor tiene únicamente dos niveles.
La suma de cuadrados totales se calcula con la expresión:
2
2
𝑛
2
𝑆𝐶𝑇 = ∑ ∑ ∑ 𝑌𝑖𝑗𝑙
−
𝑖=1 𝑗=1 𝑙=1
𝑌…2
𝑛22
Y tiene 𝑛22−1 grados de libertad.
Suma de cuadrados del error:
𝑆𝐶𝐸 = 𝑆𝐶𝑇 − 𝑆𝐶𝐴 − 𝑆𝐶𝐵 − 𝑆𝐶𝐴𝐵
Y tiene (𝑛22−1 ) − 3 = 4(𝑛 − 1) grados de libertad.
Tabla de ANOVA
Fuente de
Variación
Suma de
Cuadrados
Grados de
libertad
Cuadrado
Medio
A
𝑆𝐶𝐴
1
𝐶𝑀𝐴
B
𝑆𝐶𝐵
1
𝐶𝑀𝐵
AB
ERROR
TOTAL
𝑆𝐶𝐴𝐵
𝑆𝐶𝐸
𝑆𝐶𝑇
1
4(𝑛 − 1)
𝐶𝑀𝐴𝐵
𝐶𝑀𝐸
(𝑛22 ) − 1
𝑭𝟎
Valor p
𝐶𝑀𝐴
⁄𝐶𝑀
𝑃(𝐹 > 𝐹0 )
𝐸
𝐶𝑀𝐵
⁄𝐶𝑀
𝑃(𝐹 > 𝐹0 )
𝐸
𝐶𝑀𝐴𝐵
⁄𝐶𝑀 𝑃(𝐹 > 𝐹 )
0
𝐸
Ejemplo 1
A una compañía le interesa estudiar el efecto del tamaño de broca
(factor A) y de la velocidad (factor B) sobre la vibración de la ranuradora
(respuesta Y). Para ello, se decide utilizar un diseño factorial 22 con cuatro
réplicas, lo cual da un total de 4 × 22 = 16 corridas del proceso, que se
realizan en orden aleatorio. El tamaño de la broca se prueba en 1/16 y
en 1/8 de pulgada y la velocidad en 40 y 90 revoluciones por segundo,
según se describe en la siguiente tabla:
FACTOR
A
B
Datos para ranuradora
NIVELES
1/16
40
UNIDAD
1/8
pulg.
90
rps.
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A: Broca
𝟏/𝟏𝟔
𝟏/𝟖
𝟏/𝟏𝟔
𝟏/𝟖
B: Velocidad
40
40
90
90
A
+
+
B
+
+
𝒙𝟏
-1
1
-1
1
𝒙𝟐
-1
-1
1
1
18,2
27,2
15,9
41
Vibración
18,9 12,9
24
22,4
14,5 15,1
43,9 36,3
14,4
22,5
14,2
39,9
Desarrollo
Objetivo: Minimizar la vibración de la ranuradora
Factor A: Tamaño de la broca
Factor B: Velocidad
Factor de Interacción: Interacción entre la broca y la velocidad sobre la
vibración de la ranuradora
Variable respuesta: vibración de la ranuradora
Unidad experimental: Ranuradora
1. Planteamiento de la hipótesis
Efecto A
𝐻0 : 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐴 = 0
𝐻1 : 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐴 ≠ 0
Efecto B
𝐻0 : 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐵 = 0
𝐻1 : 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐵 ≠ 0
Efecto AB
𝐻0 : 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐴𝐵 = 0
𝐻1 : 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐴𝐵 ≠ 0
2. Nivel de significancia
𝛼 = 0.05
3. Estadístico de prueba
Fuente de
Variación
Suma de
Cuadrados
Grados de
libertad
Cuadrado
Medio
A
B
AB
ERROR
TOTAL
1107,22563
227,255625
303,630625
71,7225
1709,83438
1
1
1
12
15
1107,22563
227,255625
303,630625
5,976875
4. Región de Rechazo
𝑣𝑎𝑙𝑜 𝑝 > 𝛼 No se rechaza la hipótesis nula
5. Decisión
Fo
Valor p
185,251595 1,17467E-08
38,0224825 4,82629E-05
50,8008993 1,20108E-05
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En el análisis de varianza se evidenció un valor p de 𝟎 para los tres factores,
por lo tanto:
El efecto del tamaño de la broca influye significativamente en la
vibración de la ranuradora
El efecto de la velocidad influye significativamente en la vibración
de la ranuradora
El tamaño de la broca y la velocidad influye significativamente en
la vibración de la ranuradora
Graficas de interacción
Velocidad=alto
Velocidad=bajo
Velocidad=bajo
Velocidad=alto
Interpretación
Cuando la broca se encuentra en su nivel bajo, la velocidad no afecta de
manera significativa la vibración, por el contrario, cuando la broca se encuentra
en su nivel alto la velocidad tiene un efecto considerable sobre la vibración.
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Broca=alto
Broca=alto
Broca=bajo
Broca=bajo
Interpretación
Cuando la velocidad se encuentra en su nivel bajo, la broca no afecta de
manera significativa la vibración, por el contrario, cuando la velocidad se
encuentra en su nivel alto la broca tiene un efecto considerable sobre la
vibración.
Interpretación
Cuando la broca cambia del nivel bajo (1/16 pulg.) al nivel alto (1/8) existe
una diferencia significativa en la vibración.
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EFECTO PRINCIPAL DE B
30
V ibración
25
20
15
10
5
0
Bajo
Alto
Velocidad
Interpretación
Cuando la velocidad cambia del nivel bajo (40 rps.) al nivel alto (90 rps.) existe
una diferencia significativa en la vibración.
Conclusión
Se debe mantener la velocidad y el tamaño de la broca en niveles bajos si se
quiere minimizar la vibración de la ranuradora.
Comparación de medias
Método LSD
𝟐𝑪𝑴𝑬
𝒏
√
𝟐;𝑵−𝑲
𝒕𝜶⁄
Planteamiento de hipótesis
𝐻0 : 𝜇1 = 𝜇2
𝐻1 : 𝜇1 ≠ 𝜇2
𝐻0 : 𝜇1 = 𝜇3
𝐻1 : 𝜇1 ≠ 𝜇3
𝐻0 : 𝜇1 = 𝜇4
𝐻1 : 𝜇1 ≠ 𝜇4
𝐻0 : 𝜇2 = 𝜇3
𝐻1 : 𝜇2 ≠ 𝜇3
𝐻0 : 𝜇2 = 𝜇4
𝐻1 : 𝜇2 ≠ 𝜇4
𝐻0 : 𝜇3 = 𝜇4
𝐻1 : 𝜇3 ≠ 𝜇4
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MODELO DE REGRESIÓN
Es útil ajustar un modelo de regresión a los datos experimentales con la finalidad
de predecir el valor de 𝑌 es decir el valor esperado de las características de
interés sobre valores de los factores estudiados.
Modelo de efectos fijos
𝒀𝒊𝒋𝒌 = 𝝁 + 𝜶𝒊 + 𝜷𝒋 + (𝜶𝜷)𝒊𝒋 + 𝜺𝒊𝒋𝒌 ; 𝒊 = 𝟏, … , 𝒂; 𝒋 = 𝟏, … , 𝒃; 𝒌 = 𝟏, … , 𝒏
Modelo de regresión teórico
𝒀𝒊𝒋𝒌 = 𝜷𝟎 + 𝜷𝟏 𝒙𝟏 + 𝜷𝟐 𝒙𝟐 + 𝜷𝟏𝟐 𝒙𝟏 𝒙𝟐 + 𝜺𝒊𝒋𝒌
Modelo de regresión ajustado
̂𝟎 + 𝜷
̂ 𝟏 𝒙𝟏 + 𝜷
̂ 𝟐 𝒙𝟐 + 𝜷
̂ 𝟏𝟐 𝒙𝟏 𝒙𝟐
̂=𝜷
𝒀
❖ Formas para calcular el modelo
1. Consideremos el mejor predictor lineal de 𝒀 a partir de las variables
explicativas.
Este predictor tendrá la forma:
Ecuación de regresión múltiple
̂𝟎 + 𝜷
̂ 𝟏 𝒙𝟏 + 𝜷
̂ 𝟐 𝒙𝟐 + 𝜷
̂ 𝟏𝟐 𝒙𝟏 𝒙𝟐
̂ 𝒊𝒋𝒌 = 𝜷
𝒀
̂ = 𝑺−𝟏
𝜷
𝒑−𝟏 𝑺𝒙𝒚
Donde:
−1
𝑆𝑝−1
es la inversa de la matriz de varianzas y covarianzas de los 𝑝 − 1
variables explicativas
𝑆𝑥𝑦 la columna de la matriz de covarianzas correspondiente a las
varianzas de las variables 𝑌 con el resto.
2. Determinación del modelo mediante los efectos
̂ 𝟎 = ̅̅̅
𝜷
𝑌… media de las observaciones
𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐴
̂𝟏 =
𝜷
2
𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐵
̂𝟐 =
𝜷
2
𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐴𝐵
̂ 𝟏𝟐 =
𝜷
2
Coeficiente de Determinación
Dos de los estadísticos más útiles para medir la calidad del modelo de
regresión múltiple es el coeficiente de determinación (𝑅 2 ) y el coeficiente
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2
de determinación ajustado (𝑅𝑎𝑗
) que están definidos de la siguiente
manera:
𝑅2 =
𝑆𝐶𝑇 − 𝑆𝐶𝐸
𝑆𝐶𝑀𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜
∗ 100 =
∗ 100
𝑆𝐶𝑇
𝑆𝐶𝑇
2
𝑅𝑎𝑗
=
𝐶𝑀𝑇 − 𝐶𝑀𝐸
∗ 100
𝐶𝑀𝑇
Estos coeficientes cuantifican el porcentaje de variabilidad presente en
los datos que explica el modelo; por ello, son deseables valores próximos
a 100. En general, para fines de predicción se recomienda un coeficiente
de determinación ajustado de al menos 70%. Cuando hay muchos
2
factores se prefiere el estadístico 𝑅𝑎𝑗
en lugar del 𝑅 2 .
2
Si 𝑅𝑎𝑗
es al menos el 70%, significa que los factores estudiados son
responsables o explican un alto porcentaje de la variabilidad observada
en la variable de respuesta, por lo tanto, el efecto atribuible a factores no
estudiados, ya sea que se hayan mantenido en un nivel fijo o que hayan
tenido pequeñas variaciones, más el efecto de errores experimentales,
fueron pequeños en comparación con el efecto de los factores
estudiados.
2
En caso de que 𝑅𝑎𝑗
o 𝑅 2 hayan sido pequeños, esto indicaría que el
efecto o variabilidad atribuible a los factores estudiados es pequeña en
comparación con el resto de la variación observada en el experimento.
Un 𝑅 2 bajo puede deberse a una o varias de las siguientes razones:
Los factores estudiados, por sí solos no tienen la suficiente influencia
para explicar las variaciones observadas en la variable de
respuesta.
Los niveles de los factores estudiados son demasiado estrechos, por
lo que el efecto sobre la variable de respuesta al cambiar de un
nivel a otro es demasiado pequeño.
Otros factores no estudiados en el experimento no se mantuvieron
suficientemente fijos, por lo que al tener variaciones durante el
experimento causaron mucha variación experimental.
Los errores experimentales y los errores de medición fueron altos.
Se debe tener la precaución de analizar cuáles de las razones anteriores
influyeron para tener coeficientes de determinación bajos; es decir, no se
debe caer en el error de desechar el experimento y creer que “no sirvió”.
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En general, los experimentos generan información que debe utilizarse
para plantear conjeturas y estudios experimentales nuevos.
Gráficos de superficie
Es la superficie que resulta de representar gráficamente el modelo
ajustado, y describe el comportamiento de la respuesta promedio en
cada punto de la región experimental.
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Gráfica de superficie de VIBRACION vs. VELOCIDAD; BROCA
40
VIBRACION 30
1
20
0
10
-1
0
BROCA
Gráfica de contorno
1
-1
VELOCIDAD
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Gráfica de contorno de VIBRACION vs. VELOCIDAD; BROCA
1,0
VIBRACION
< 15
15
– 20
20
– 25
25
– 30
30
– 35
35
– 40
> 40
VELOCIDAD
0,5
0,0
-0,5
-1,0
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
BROCA
Análisis de Residuos
̂ 𝒊𝒋𝒌
𝒆𝒊𝒋𝒍 = 𝒐𝒃𝒔𝒆𝒓𝒗𝒂𝒅𝒐 − 𝒑𝒓𝒆𝒅𝒊𝒄𝒉𝒐 = 𝒀𝒊𝒋𝒌 − 𝒀
Prueba estadística para probar la hipótesis de igualdad de varianzas
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2
2
𝐻0 : 𝜎𝑖,𝑗
= 𝜎𝑖,𝑗
2
2
𝐻1 : 𝜎𝑖,𝑗
≠ 𝜎𝑖,𝑗
𝑺𝟐𝒊,𝒋
𝒁∗𝟎 = 𝐥𝐧 [ 𝟐 ]
𝑺𝒊,𝒋
Se rechaza 𝐻0 si |𝒁∗𝟎 | es mayor que 𝑍𝛼/2
Verificación de supuestos
Los supuestos del modelo de análisis de varianza deben Verificarse antes de dar
por válidas las conclusiones de la etapa de interpretación, la tabla de ANOVA
supone que los residuos se distribuyen normales, independientes y con varianza
constante.
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Verificación de supuestos
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ANALISIS EN RSTUDIO
setwd("D:/1. ABRIL - SEPTIEMBRE 2021/3. DESEÑO DE EXPERIMENTOS II/PRIMER
PARCIAL/RESOLUCIÓN DE EJERCICIOS")
ejemplo<-read.csv("Ejemplo.csv", header = TRUE, sep = ";",dec = ",",
fill = TRUE, comment.char = "", encoding = "unknown")
View(ejemplo)
attach(ejemplo)
names(ejemplo)
str(ejemplo)
# Creación del diseño
install.packages(FrF2)
library(FrF2)
experimento<- FrF2(nruns = 4,
nfactors = 2,
factor.names = list(Broca=c(-1,1),
Velocidad=c(-1,1)),
replications = 4, randomize = F)
experimento
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## Se agrega la respuesta
experimento_r<- add.response(design = experimento, response =Vibracion)
experimento_r
## Análisis de la tabla ANOVA
Broca<- factor(Broca)
Velocidad<- factor(Velocidad)
Modelo <- lm(Vibracion~(Broca+Velocidad)^2)
ANOVA <- aov(Modelo)
summary(ANOVA)
summary(Modelo)
## Gráficas de efectos principales
MEPlot(experimento_r)
## Gráficas de Interacciones
IAPlot(experimento_r, lwd = 2)
###PRUEBA DE NORMALIDAD
shapiro.test(rstandard(Modelo))
Descargar