Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Исследование операций практика

.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
10.05.2015
Размер:
11.2 Mб
Скачать

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Тульский государственный университет

Исследование операций

Тула - 2014

Часть 1

Проверка адекватности линейной модели

Задание:

Металлические, прямоугольной формы образцы испытывают на растяжение с целью определения времени до их разрушения. Испытывается два различных вида металла с содержанием в них примесей18% и 26% соответственно. Площадь поверхности образов различна, 300 мм2 и 800 мм2. Усилие, развиваемое разрывной машиной также различно: 500 кг и 1000 кг. Необходимо установить время до полного разрушения образов (в секундах).

Решение:

1. Определение типа эксперимента.

В постановке эксперимента задействованы 3 фактора: вид металла (% примесей), площадь поверхности образцов и усилие, развиваемое разрывной машиной. Каждый из перечисленных факторов варьируется на двух уровнях. Следовательно, тип эксперимента 23, где 2 – количество уровней факторов, 3

количество факторов.

2.Определение уровней факторов и их интервалов варьирования.

Определение уровней факторов и их интервалов варьирования происходит следующим образом:

-нулевой уровень устанавливается как среднее арифметическое уровней факторов;

-интервал варьирования выбирается произвольно так, чтобы его значение не было слишком большим и не было слишком маленьким;

-нижний уровень фактора устанавливается как разность между нулевым уровнем фактора и интервалом варьирования;

-верхний уровень фактора образовывается как сумма нулевого уровня фактора и интервала варьирования.

Уровни факторов и их интервалы варьирования представлены в таблице 1.

Таблица 1

Уровни факторов и интервалы варьирования

Интервал

Вид металла

Площадь

Усилие,

варьирования

х1

поверхности

развиваемое

и

 

образцов

разрывной

уровни

 

х2

машиной

факторов

 

 

х3

Нулевой

22

550

750

уровень

 

 

 

Интервал

6

50

100

варьирования

 

 

 

Нижний

16

500

650

уровень

 

 

 

 

2

 

 

 

 

Верхний

 

 

 

28

 

 

 

600

 

850

 

 

 

уровень

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

 

Кодирование уровней факторов.

 

 

Кодовые значения уровней факторов определяются по формуле:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

где

(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

натуральное

значение фактора;

 

 

 

 

 

 

 

х

=

 

 

 

 

 

 

 

– значение i-го фактора на нулевом уровне;

 

 

- интервал варьирования.

 

 

 

 

 

 

Для фактора х1

(вид металла) получим:

 

 

х

ниж =

 

 

 

= −1;.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х

верх =

2

= +1

 

 

 

 

 

 

 

 

Для фактора х

(площадь поверхности образцов) получим:

х

ниж =

 

 

 

 

 

= −1;.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х

верх =

3

 

 

= +1

 

 

 

 

 

 

 

 

Для фактора х

(усилие, развиваемое разрывной машиной) получим:

х

ниж =

 

 

 

 

 

= −1;.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х

верх =

 

 

 

 

= +1

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Составление матрицы плана эксперимента1.

Для постановки эксперимента данного типа необходимо провестиn= 23=8 опытов. Для фактора х1 кодовые значения -1 и +1 чередуются в каждом опыте. Для фактора х2 кодовые значения -1 и +1 чередуются через два опыта. Для фактора х3 кодовые значения -1 и +1 чередуются через четыре опыта. Таким образом, обеспечивается уникальность (неповторяемость) набора значений факторов в каждом опыте.

Матрица планирования для данного типа эксперимента представлена в таблице 2.

 

 

 

 

Таблица 2

 

Матрица планирования эксперимента

 

 

 

 

 

 

№ опыта

х1

х2

 

х3

1

-1

-1

 

-1

2

+1

-1

 

-1

3

-1

+1

 

-1

4

+1

+1

 

-1

5

-1

-1

 

+1

1 Матрица плана часто называется план-матрицей или матрицей планирования.

3

6

 

+1

 

-1

 

+1

7

 

-1

 

+1

 

+1

8

 

+1

 

+1

 

+1

5. Рандомизация опытов.

 

 

 

Рандомизация

опытов необходима

для

того, чтобы внести элемент

случайности в процесс влияния неучтенных в ходе проведения эксперимента факторов. Это необходимо для обоснованного использования аппарата математической статистики.

С использованием таблиц случайных чисел получили следующую последовательность проведения опытов: 8, 2, 1, 4, 6, 5, 3, 7.

6. Дублирование опытов.

Дублирование опытов проводится с целью сглаживания случайных погрешностей.

Продублируем каждый опыт дважды. С использованием таблиц

случайных

чисел

 

получили

следующие

последовательности проведения

опытов:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) для первого дублирования: 5, 4, 6, 8, 1, 3, 7, 2;

 

 

б) для второго дублирования: 3, 7, 5, 1, 4, 6, 2, 8.

 

 

7. Реализация эксперимента.

 

 

 

 

 

В

ходе

непосредственного

проведения

 

эксперимента получили

значения откликов, которые представлены в таблице3. Значения откликов,

обозначенные переменной y,

представляют

собой

время, выраженное в

секундах до полного разрушения образцов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3

 

 

 

 

Значения откликов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х1

 

х2

х3

 

у

 

 

 

 

 

опыта

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

+1

 

+1

+1

 

19

 

 

 

 

 

2

 

+1

 

-1

-1

 

12

 

 

 

 

 

1

 

-1

 

-1

-1

 

11

 

 

 

 

 

4

 

+1

 

+1

-1

 

14

 

 

 

 

 

6

 

+1

 

-1

+1

 

15

 

 

 

 

 

5

 

-1

 

-1

+1

 

13

 

 

 

 

 

3

 

-1

 

+1

-1

 

11

 

 

 

 

 

7

 

-1

 

+1

+1

 

16

 

 

 

 

 

Первое дублирование опытов

 

 

 

 

 

5

 

-1

 

-1

+1

 

11

 

 

 

 

 

4

 

+1

 

+1

-1

 

16

 

 

 

 

 

6

 

+1

 

-1

+1

 

14

 

 

 

 

 

8

 

+1

 

+1

+1

 

20

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

1

-1

-1

-1

9

3

-1

+1

-1

15

7

+1

+1

-1

14

2

+1

-1

-1

10

Второе дублирование опытов

3

-1

+1

-1

16

7

+1

+1

-1

12

5

-1

-1

+1

13

1

-1

-1

-1

8

4

+1

+1

-1

17

6

+1

-1

+1

14

2

+1

-1

-1

11

8

+1

+1

+1

18

8. Проверка воспроизводимости опытов.

Воспроизводимость опытов оценивается по критерию Кохрена:

=

( , ;

,

; ), где

(2)

 

=

(

)

где

(3)

- дисперсия, характеризующая разброс результатов опыта;

р– 1,2, …m – число параллельных опытов;

максимальная из дисперсий; 0,05 – 5% уровень значимости;

=n – число независимых оценок дисперсий; =m-1 – число степеней свободы каждой оценки;

n – количество опытов в эксперименте (без учета дублирования).

8.1. Определение среднего значения отклика в каждом опыте из трех

серий.

Результаты определения среднего значения отклика сведены в таблицу 4.

Таблица 4 Результаты расчета среднего значения отклика

по трем сериям опытов2

у1

у2

у3

 

опыта

 

 

 

 

1

11

9

8

9,33

2

12

10

11

11

2 Опыты упорядочены по номеру следования.

5

3

11

15

16

14

4

14

16

17

15,67

5

13

11

13

12,33

6

15

14

14

14,33

7

16

14

12

14

8

19

20

18

19

8.2. Определение дисперсии опытов3.

 

 

 

Подставим известные значения в формулу (3), получим:

=

 

(

,

 

)

 

(

,

)

 

(

 

,

 

 

)

= 1,39;

 

;

 

 

 

(

 

)

 

(

 

 

)

(

 

 

 

)

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0,5;

 

 

 

 

(

 

)

 

(

 

 

)

(

 

 

 

)

 

 

;

 

=

 

)

(

 

)

(

 

 

= 4,5

 

= 1,28

 

=

(

 

,

 

 

,

 

 

 

 

,

)

 

 

 

 

 

(

 

,

 

)

(

 

,

 

)

(

 

 

 

,

)

 

 

 

;

=

 

(

 

,

 

)

(

 

,

 

)

(

 

 

 

,

)

 

= 0,22;

=

 

(

 

)

(

 

 

)

(

 

 

)

 

 

 

;

 

 

= 0,22

 

=

 

(

 

)

 

(

 

 

)

(

 

 

)

= 2 .

 

 

 

 

 

 

8.3. Определение табличного критерия Кохрена.

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0

 

 

 

 

 

 

 

=n=8;

 

 

 

 

 

 

 

=m-1 =3-1=2.

 

 

 

 

 

По таблице,

расположенной в приложении 1, определяем табличный

критерий Кохрена:

 

 

 

=0,5157.

 

 

8.4. Проверка воспроизводимость опытов.

 

 

 

 

( ,

; ;

)

 

 

 

Воспроизводимость опытов определим по неравенству (2):

=

,

,

,

, ,

,

,

= 0,445 < 0,5157

, следовательно,

опыты воспроизводимы.

9. Определение дисперсии воспроизводимости.

Дисперсия воспроизводимости определяется= по формуле:

. (4)

=

, , , , , ,

= 1,264.

3 Число параллельных опытов равно3, из которых 1 основной и 2 дублирования.

6

10. Определение коэффициентов регрессии.

 

 

Коэффициенты регрессии определяются по формулам:

 

 

 

=

;

 

 

 

(5)

 

 

=

 

;

 

 

(6)

 

 

 

 

 

 

 

где

(7)

 

– кодовые значения

переменных в каждом опыте.

 

 

=

 

 

 

 

,

 

 

10.1.

Составление

расширенной

 

матрицы

планирован

эксперимента.

Для нахождения коэффициентов регрессии составим расширенную матрицу планирования, внеся в него дополнительные столбцы с данными, позволяющими оценить совместное влияние факторов на значение величины отклика (таблица 5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5

 

 

 

 

 

Расширенная матрица планирования эксперимента4

 

 

 

х1

х2

 

х3

 

х1 х2

х1 х3

х2 х3

х1х2 х3

 

 

 

опыта

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

-

-

 

-

 

 

+

+

 

 

+

-

 

9,33

 

2

 

 

 

+

-

 

-

 

 

-

-

 

 

+

+

 

11

 

3

 

 

 

-

+

 

-

 

 

-

+

 

 

-

+

 

14

 

4

 

 

 

+

+

 

-

 

 

+

-

 

 

-

-

 

15,67

 

5

 

 

 

-

-

 

+

 

+

-

 

 

-

+

 

12,33

 

6

 

 

 

+

-

 

+

 

-

+

 

 

-

-

 

14,33

 

7

 

 

 

-

+

 

+

 

-

-

 

 

+

-

 

14

 

8

 

 

 

+

+

 

+

 

+

+

 

 

+

+

 

19

 

10.2. Расчет коэффициентов регрессии.

 

 

 

 

 

=

 

,

 

,

 

,

 

,

 

= 13,71;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

Подставляя известные значения в формулы (5), (6), (7), получим:

=

 

 

,

 

,

 

,

 

,

 

= 1,29

 

 

 

 

 

=

 

 

,

 

,

 

,

 

,

 

 

= 1,96;

 

 

 

 

 

 

,

 

,

 

,

 

,

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

= 1,21

 

;

 

 

 

 

 

,

 

,

 

,

 

,

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

= 0,375

 

 

 

 

4 Для упрощения записей единицы в таблице отсутствуют.

7

 

 

=

 

,

 

 

 

,

 

,

 

,

 

 

 

= 0,46;

;

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

,

 

,

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

,

 

 

,

,

,

 

 

=

 

−0,375

 

;

 

 

 

 

11.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0,375

 

 

3

 

 

 

 

Получение линейной модели.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В общем виде линейная модель эксперимента типа2 выглядит

следующим

 

образом:.

 

=

+

 

х

+

х

+

 

 

х

+

 

 

х х

+

х х

будет

 

иметь

 

вид:

 

= 13,71 +.

1,29х

+ 1,96х

+ 1,21х

+ 0,375х х

+

С

 

учетом

 

найденных

коэффициентов

регрессии

линейная

модель

х х

+

 

 

 

 

х х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,46х х

− 0,375х х

+ 0,375х х х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

отклика

при любых

Данное уравнение позволит получать значения

 

 

 

 

различных значениях факторов из заданного диапазона.

 

 

 

 

 

12. Оценка значимости коэффициентов регрессии.

 

 

 

 

Оценка

 

значимости

 

коэффициентов

 

регрессии

проводится при

помощи неравенства:

|

| ≥ ∆

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

,

 

;

 

)

- 5%

 

 

 

 

 

 

,

 

 

где

 

(8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

точка распределения( ,

Стьюдента; )

с

 

степенями свободы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12.1. Определение 5% точки распределения Стьюдента.

 

По таблице, представленной в приложении 2, определяем 5% точку

распределения Стьюдента с

5

степенями свободы:

( ,

; ) = 4,3

.

Согласно

 

 

 

= 4,3

 

.

= 1,7

 

 

12.2. Определение величины

,

 

 

 

Определяем

 

:

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

формуле (8), значения коэффициентов регрессии не должно

быть меньше 1,7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 13,71.

 

 

=

,

 

 

 

,

 

,

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

Таким образом, значимы следующие коэффициенты регрессии:

=

,

 

 

 

 

,

 

,

 

 

,

 

 

= 1,96

 

 

 

Остальные коэффициенты регрессии при подсчете значений отклика на результат вычислений не будут оказывать существенного влияния. Самым значимым фактором в данном эксперименте является второй фактор– площадь поверхности образцов.

13. Получение линейной модели с учетом значимости коэффициентов регрессии.

5Значение

определялось в п. 8.3.

8

 

При

 

помощи= 13,71 + 1,96х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С учетом значимости коэффициентов регрессии получим следующую

линейную модель:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

полученного уравнения относительно точно можно

представить исследуемый эксперимент.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14. Проверка адекватности линейной модели6.

 

 

 

 

 

Проверка

 

адекватности

 

линейной

модели

ведется

при помощи

критерия Фишера в соответствии с неравенством:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

ад

 

( ,

;

ад;

),

 

 

 

где

(9)

 

 

 

( ,

;

ад

;

)

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

расч)

,

 

 

 

где

(10)

 

 

 

табличное

 

 

значение критерия

Фишера при5% уровне

значимости;

 

 

 

 

 

ад =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к – общее число повторений опытов(основной+дублирование);

 

ад

=

n-k-1 – число степеней свободы дисперсии адекватности;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m-1=3-1=2

 

 

 

 

число

 

 

степеней

свободы

дисперсии

воспроизводимости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14.1. Расчет дисперсии адекватности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значение

 

приведено в таблицах 4 или 5.

 

 

 

 

 

 

 

1,96х

Значение

 

 

 

получается

на

основании

уравнения

регрессии,

 

 

 

 

 

 

учетом

значимости

 

 

 

х

 

 

 

регрессии

 

 

полученного

 

с

 

 

расч

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

соответствующего номеру

 

, путем подстановки кодового значения

 

,

 

 

= 13,71 +

 

опыта.

расч

,

,

 

,

= 13,71 − 1,96 = 11,75.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

расч

,

,

 

,

= 13,71 + 1,96 = 15,67

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результаты

 

расчета,

 

 

необходимые

для

определения

дисперсии

адекватности, сведены в таблицу 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 6

 

 

 

 

 

 

 

Результаты расчета, необходимые для определения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дисперсии адекватности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

№ опыта

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х2

 

 

 

 

 

 

расч

 

 

расч

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

9,33

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

11,75

 

5,86

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

11

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

11,75

 

0,56

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

14

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

15,67

 

2,79

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

15,67

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

15,67

 

 

0

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

12,33

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

11,75

 

0,34

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

14,33

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

11,75

 

6,66

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

14

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

15,67

 

2,79

 

6 На адекватность проверяется модель, установленная с учетом значимости коэффициентов регрессии.

9

 

8

 

 

 

19

 

 

 

 

+

 

 

15,67

 

11,1

 

 

ад =

,

,

,

 

,

,

 

,

 

,

 

 

 

.

адекватности

:

 

Тогда

 

 

 

 

 

дисперсия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

значения критерия Фишера.

 

 

14.2. Установление табличного= 7,525

 

 

 

 

 

 

ад

3-1=2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8-3-1=4;

 

 

 

(

,

; ;

) 19,247.

 

 

 

 

 

 

14.3. Проверка

 

 

 

 

 

 

 

 

По=таблице,

представленной в приложении 3, определяем табличное

значение критерия Фишера:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

адекватности линейной модели.

 

 

 

 

 

Подставляя

 

ранее

 

установленные

значения

 

в неравенство(9),

 

=

,

= 5,95 <

 

 

 

 

= 19,247адекватна.

 

 

 

 

получим:

,

 

 

 

= 13,71 + 1,96х

.

 

 

 

 

 

 

Линейная модель

 

 

 

 

 

 

 

 

(

,

;

; )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10