![]() |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
|
Панов М.І., Касинюк В.І, Харитонов С.О Злочини проти встановленого порядку несення військової служби (Військові злочини. – Х.: «Харків юрид.», 2006. – 172 с.
Преступления против военной службы / по общ. ред. Н.А. Петухова. – СПб.: «Юрид. центр Пресс», 2002. – 399 с.
Преступления против военной службы: Учеб. для вузов / Под ред. Н.А. Петухова. – М.: НОРМА, 2002 – 208 с.
Работа 1. ПЛАНИРОВАНИЕ ДРОБНОГО ФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Цель работы - приобретение практических навыков в планировании и проведении экспериментов при поиске параметров линейной модели сложной системы управления.
Порядок выполнения работы
Работу следует выполнять в таком порядке:
1. Подготовить исходные данные для проведения эксперимента (варианты исходных данных приведены в табл. 1.3):
— составить модель локального участка целевой функции;
— выбрать положение локального участка и интервалы варьирования;
— выбрать дробность реплики и составить план проведения эксперимента.
2. Провести эксперимент:
— определить на модели исследуемого объекта («черного ящика») значения целевой функции;
— вычислить коэффициенты регрессии;
— проверить коэффициенты регрессии на значимость;
— проверить адекватность модели.
3. Оформить бригадный отчет о работе.
4. Ответить на контрольные вопросы.
Общие сведения
Статистические методы планирования активного эксперимента являются одним из эмпирических способов получения математического описания сложных объектов исследования, т.е. уравнения связи отклика объекта у и независимых управляемых входных переменных (факторов) х=(x1,x2,…,xk).
При этом математическое описание представляется в виде некоторого полинома — отрезка ряда Тейлора, в который разлагается неизвестная зависимость в окрестности основной точки x, например:
M{y}=j(x1,x2,…,xn)=b0+åbjxj+åbjlxjxl+åbjjxj2, j,l=1..k, l<j (1.1)
где bj,bjl ,bjj – теоретические коэффициенты:
;
;
Вследствие наличия неуправляемых и даже неконтролируемых факторов изменение величины у носит случайный характер, поэтому функциональная зависимость j(x) не дает точной связи между управляемыми факторами x(i) и откликом объекта yi, в каждом i-м опыте, а лишь между управляемыми факторами и математическим ожиданием случайной величины y:
M{yi}=j(x(i)) (1.2)
где j(x) – уравнение регрессии у по х; x(i)=(x1(i), x2(i),…, xn(i)) – i-я точка пространства независимых управляемых факторов (факторного пространства).
В таком случае по результатам эксперимента можно отыскать оценку уравнения регрессии у=j(x) в форме некоторого полинома
уМ=b0+åbjxj+åbjlxjxl+åbjjxj2, j,l=1..k, l<j (1.3)
где коэффициенты b0, b1,…, bj,…, bjj являются лишь оценками теоретических коэффициентов регрессии b0, b1, bj, bjj соответственно, а уМ — оценкой М{y}, вычисленной по уравнению регрессии (1.3). Пусть x(i)(i=1,N) — точки факторного пространства, в которых проводится эксперимент. Тогда задача отыскания оценок коэффициентов уравнения регрессии (1.3) по результатам опытов в N точках факторного пространства является типичной задачей множественного регрессионного анализа в том случае, если выполняются следующие предпосылки:
1. Результаты наблюдений отклика y1, y2,…, yN в N точках факторного пространства представляют собой независимые нормально распределенные случайные величины, т.е. на них воздействуют нормально распределенные случайные помехи x, с нулевым математическим ожиданием M[x].
2. Дисперсии s2{y1} (i=1,N) равны. Это значит, что дисперсия s2{y1} не зависит от значения входных переменных x и получаемые при проведении многократных повторных наблюдений над величиной y в любых точках x(i) факторного пространства выборочные оценки дисперсии si (у) однородны (воспроизводимость с равной точностью).
3. Независимые управляемые факторы x1, x2,…, xk измеряются с пренебрежимо малыми ошибками по сравнению с ошибкой x, в определении у (имеется в виду влияние их ошибок на величину у по сравнению с влиянием неуправляемых и неконтролируемых факторов).
Для локального участка в пределах заданной точности поверхность отклика может быть аппроксимирована полиномом первой степени
yM=b0+åbjxj j=0..k (1.4)
Положение локального участка задается координатами базовой (центральной) точки (x10, x20,…, xk0), называемой центром эксперимента, и величиной интервалов варьирования Dx1, Dx2,…, Dxk.
Выбор координат базовой точки должен отвечать следующим условиям:
— центр эксперимента принимается в точке обычного номинального режима
функционирования исследуемой системы (объекта);
— базовая точка может находиться в центре области ограничения факторов хi, если они имеются в наличии, а другой информации о целевой функции нет;
— если имеется какая-то информация относительно положения экстремума целевой функции, то целесообразно центр эксперимента выбрать вблизи предполагаемого оптимума.
Интервалы варьирования выбираются исходя из следующих соображений. Большие интервалы варьирования не позволяют определить особенности поверхности отклика. Слишком малые интервалы обусловливают рост погрешностей в оценке составляющих градиента за счет возрастания ошибки наблюдений. Кроме того, необходимо, чтобы входные и выходные переменные не выходили за допустимую область:
xj min£xj£xj max, j=1,k (1.5)
где xj min, xj max — нижняя и верхняя границы изменения j-го фактора.
В общем случае выбор локального участка (центра плана и интервалов варьирования) зависит от вида поверхности отклика. В лабораторной работе начальные координаты центра плана принимаются равными середине области определения факторов, а начальные значения интервалов варьирования обычно принимаются равными 1...5% от величины указанной области.
При построении плана эксперимента в локальной области факторного пространства используется кодировка уровней факторов с помощью формулы
где хj— кодированное значение уровня фактора; хj~ — реальное значение уровня фактора в натуральных единицах; хj0~ — значение фактора в центре плана в натуральных единицах; D x j~— интервал варьирования в натуральных единицах.
Если число факторов известно и планирование проводится на двух уровнях, то число опытов, необходимое для реализации всех возможных комбинаций уровней факторов, будет
N=2k
Условия эксперимента можно записать в виде таблицы, где строки соответствуют различным опытам, а столбцы — значениям факторов. Например, для двух факторов условия эксперимента приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Номер | Фактор | Отклик | |
х1 | х2 | у | |
-1 | -1 | у1 | |
+1 | -1 | у2 | |
-1 | +1 | у3 | |
+1 | +1 | у4 |
Сформированный подобным образом план эксперимента называется
двухуровневым полным факторным экспериментом (ПФЭ) типа 2k. Для его построения можно воспользоваться следующим приемом: в первом столбце знаки меняются поочередно, во втором — чередуются через два, в третьем — через четыре, в четвертом — через восемь и т.д.
План, соответствующий построенной таким образом матрице планирования (МП), обладает следующими свойствами:
1) симметричность относительно центра эксперимента — алгебраическая сумма элементов вектор-столбца каждого фактора равна нулю:
åx(i)j=0, i=1,N, j=1,k
2) условие нормировки — сумма квадратов элементов каждого столбца равна числу опытов:
å (x(i)j)2=N, i=1,N, j=1,k
3) ортогональность матрицы — скалярное произведение любых двух векторов-столбцов матрицы равна нулю:
åx(i)j* x(i)u =0, j¹u, i=1,N, j,u=1,k
Полный факторный эксперимент дает возможность вычислить независимо коэффициенты, соответствующие не только линейной части модели (1.1), но и эффектам взаимодействия. Во многих практических задачах влияние взаимодействий (произведений факторов) второго и более высоких порядков отсутствует или пренебрежимо мало. Кроме того, на первых этапах исследования часто достаточно получить в первом приближении лишь линейную аппроксимацию изучаемого уравнения связи при минимальном количестве опытов. Поэтому неэффективно использовать ПФЭ для оценивания коэффициентов лишь при линейных членах и некоторых парных произведениях из-за избыточного числа точек плана (2k), в особенности при большом числе факторов k (для определения (k+1) коэффициентов линейной модели достаточно (k + 1) точек плана эксперимента).
Дробным факторным экспериментом (ДФЭ) называется эксперимент, реализующий часть (дробную реплику) полного факторного эксперимента. Он позволяет получить, например, линейное приближение искомой функциональной зависимости М {у} = j(х) в некоторой небольшой окрестности точки базового режима при меньшем числе опытов.
Так, для решения трехфакторной (k = 3) задачи регрессии в линейном приближении можно ограничиться четырьмя вариантами варьирования, если для плана ПФЭ типа 22 переменных х 1, х 2 произведение х 1, х 2 приравнять третьему независимому фактору х 3. Использование матрицы планирования, представленной в табл. 1.2, позволяет найти свободный член b 0 и три оценки коэффициентов регрессии при линейных членах
b1, b2, b3 (из четырех опытов нельзя получить более четырех оценок коэффициентов регрессии).
Таблица 1.2
n | X0 | X1 | X2 | X3 | X1 X2 | X1 X3 | X2 X3 | X1X2X3 |
+1 | -1 | -1 | +1 | +1 | -1 | -1 | +1 | |
+1 | +1 | -1 | -1 | -1 | -1 | +1 | +1 | |
+1 | -1 | +1 | -1 | -1 | +1 | -1 | +1 | |
+1 | +1 | +1 | +1 | +1 | +1 | +1 | +1 |
Применение ДФЭ всегда связано со смешиванием, т.е. с совместным оцениванием нескольких теоретических коэффициентов математической модели. В рассматриваемом случае каждый из найденных коэффициентов b1 включает в себя оценки двух теоретических коэффициентов регрессии:
b0®b0+b123; b1®b1+b23; b2®b2+b13; b3®b3+b12;
Действительно, указанные теоретические коэффициенты в таком планировании не могут быть найдены раздельно, поскольку столбцы МП для линейных членов и парных произведений совпадают (полностью коррелированы). Рассмотренный план ДФЭ представляет половину плана ПФЭ типа 2 3 и называется полурепликой от ПФЭ типа 2 3 или планом типа N = 23-1 (табл. 1.2).
При большом числе k факторов для получения линейного приближения можно построить дробные реплики более высокой степени дробности. Так, при k= 5 можно составить дробную реплику (четвертьреплику) на основе ПФЭ типа 2 3, приравняв два из пяти факторов к взаимодействиям трех других факторов: парному и тройному. Будем обозначать тип дробной реплики записью 2 k-p, если р факторов приравнены к произведениям остальных k - р факторов. Дробность реплики при этом равна
1/2p.
При планировании ДФЭ недопустимо произвольное разбиение ПФЭ на части. Для правильного планирования ДФЭ необходимо использовать все имеющиеся сведения теоретического и интуитивного характера об объекте и выделить те факторы и произведения факторов, влияние которых на отклик существенно. При этом смешивание нужно производить так, чтобы линейные коэффициенты b0, b1, …, bk были смешаны с коэффициентами при взаимодействиях самого высокого порядка (так как обычно они в модели отсутствуют) или при тех взаимодействиях, о которых априори известно, что они не оказывают влияния на отклик.
Для построения плана ДФЭ типа 2 k-p выбирается k - р факторов и для них строится ПФП. Значения оставшихся p факторов определяются приравниванием их различным взаимодействиям (парным, тройным и т.д.) предшествующих факторов. Эти выражения называются генерирующими соотношениями. Так, в рассмотренном выше примере при построении полуреплики типа 2 3-1 переменная x была задана генерирующим соотношением х3 = х1 х2.
Умножив обе части генерирующего соотношения на переменную, для задания которой оно использовалось, получим выражение, называемое определяющим контрастом (1 = х 1 х 2 х 3, так как всегда х 1 х 1 = 1). Совокупность всех определяющих контрастов, а также их произведений составляет обобщающий определяющий контраст (ООК).
Значение ООК позволяет для всех факторов определить, с какими эффектами взаимодействия смешаны их линейные эффекты. Перемножив поочередно каждый из независимых факторов на ООК, получим x1=x2x3, x2=x1x3, x3=x1x2. Собственно сам ООК задает систему смешивания для центра плана x0=x1x2x3.
Отсюда легко находятся смешиваемые теоретические коэффициенты регрессии и их оценки:
b0®b0+b123; b1®b1+b23; b2®b2+b13; b3®b3+b12;
Если априори можно принять, что коэффициенты при всех парных и тройном взаимодействиях равны нулю, то реализация этой полуреплики позволит получить раздельные оценки всех четырех линейных коэффициентов регрессии.
Для четвертьреплики в пятифакторном планировании типа 25-2 должны быть заданы два генерирующих соотношения, например:
x4=x1x2x3, x5=x1x2,
причем полагаем b123= 0, т.е. x1,x2,x3 все вместе не взаимодействуют и b12= 0, т.е. x1,x2 также не взаимодействуют. Определяющие контрасты для этой реплики согласно приведенным выше правилам имеют вид
1=x1x2x3x4, 1=x1x2x5
Обобщающий определяющий контраст, построенный на основе всех полученных определяющих контрастов и их произведений, полностью характеризует разрешающую способность реплик высокой степени дробности. Так, в данном случае ООК имеет вид
1= x1x2x3x4= x1x2x5=x3x4x5.
Совместные оценки здесь определяются вспомогательными соотношениями
x0=x1x2x3x4=x1x2x5=x3x4x5;
x1=x2x3x4=x2x5=x1x3x4x5;
x2=x1x3x4=x1x5=x2x3x4x5;
x1x3=x2x4=x2x3x4=x1x4x5;
x3=x1x2x4=x1x2x3x5=x4x5;
x4=x1x2x3=x1x2x4x5=x3x5;
x5=x1x2x3x4x5=x1x2=x3x4;
Эти вспомогательные соотношения позволяют установить, какие столбцы МП окажутся линейно зависимыми и, следовательно, совместной оценкой каких теоретических коэффициентов является тот или иной выборочный коэффициент регрессии:
b0®b0+b1234+b125+b345;
b1®b1+b234+b25+b1345;
b2®b2+b134+b15+b2345;
b3®b3+b124+b1235+b45;
b4®b4+b123+b1245+b35;
b5®b5+b12345+b12+b34;
b13®b13+b24+b235+b145;
b14®b14+b23+b245+b135;
Разрешающая способность этой четвертьреплики невысокая и равна трем, так как все теоретические линейные коэффициенты регрессии смешаны с коэффициентами при парных взаимодействиях. Следует иметь в виду, что план ДФЭ всегда можно дополнить до плана ПФЭ недостающими дробными репликами. В данном примере для остальных трех четвертьреплик генерирующие соотношения запишутся в виде
x4=x1x2x3;
x5=-x1x2;
x4=-x1x2x3;
x5=x1x2;
x4=-x1x2x3;
x5=-x1x2;
а обобщающие определяющие соотношения — в виде
1=x1x2x3x4=-x1x2x5=-x3x4x5;
1=-x1x2x3x4=-x1x2x5=-x3x4x5;
1=-x1x2x3x4=-x1x2x5=x3x4x5;
Осуществление этих дополняющих четвертьреплик означает реализацию ПФЭ в целом и, следовательно, раздельное оценивание всех теоретических коэффициентов регрессии.
С учетом свойств матрицы планирования формулы для вычисления оценок коэффициентов регрессии bj и bj1 принимают вид
;
;
; j,l=1,..,k, j¹l (1.6)
Поскольку они определяются по результатам эксперимента (случайные величины), то и значения их также случайны, т.е. определяются с погрешностями. Может случиться, что абсолютная величина некоторых коэффициентов приблизительно равна погрешностям их определения или даже меньше. Такие коэффициенты считаются незначимыми. Физически незначимость коэффициента по какому-либо фактору хj означает, что приращение целевой функции, вызванное изменением фактора хj, соизмеримо с погрешностями измерения целевой функции.
Для ортогональных планов ПФЭ и ДФЭ дисперсии коэффициентов регрессии равны между собой и определяются следующим образом:
sbj2=sbjl2=Dвос/N,
где Dвос - s 2{у} — дисперсия воспроизводимости, характеризующая
ошибку наблюдений. Для ее определения в одной из точек плана (обычно в центре) производится q независимых наблюдений выходной переменной у. Оценка Dвос будет
;
где у 0j — значение выходной переменной в i-м наблюдении.
Проверка значимости коэффициентов b j состоит в проверке статистической гипотезы H0: bj = 0. С этой целью используется статистика
U j=bj/ sbj, подчиненная t-распределению Стьюдента c nвос =q -1 числом степеней свободы. Если вычисленное значение ½ U j ½< ta, то гипотеза принимается и коэффициент bj незначим. Значение ta берется из таблицы t -распределения (приложение 2) при заданном уровне значимости a.
Аналогично может быть проверена значимость коэффициентов регрессии bjl.
Статистическая незначимость оценки коэффициента регрессии может быть обусловлена следующими причинами:
— данный j-й фактор не имеет функциональной связи с откликом, т.е. bj = 0;
— уровень хj0 базового режима x0 находится в точке частного экстремума функции отклика по фактору xj и тогда
bj=¶y/¶xj=0;
— интервал варьирования D xj выбран малым;
— вследствие влияния неуправляемых и неконтролируемых факторов велика ошибка воспроизводимости эксперимента.
Если значимы все коэффициенты регрессии, полученная модель может быть использована для исследования системы.
Если часть коэффициентов регрессии значима, а часть незначима, то можно провести дополнительную серию опытов с тем же центром плана (или с его переносом) и новыми интервалами варьирования по незначимым факторам.
Возможны другие способы получения значимых коэффициентов — увеличение числа параллельных опытов и достройка плана путем перехода к реплике меньшей дробности.
Если все коэффициенты незначимы, следует увеличить интервалы варьирования D хj (j=1,k) по всем факторам.
Следует отметить, что найденные по формулам (1.6) параметры модели могут быть использованы только при подстановке в модель (1.4) нормированных значений переменных (1.5). Для получения линейной регрессионной модели, использующей значения входных переменных в натуральных единицах, необходимо произвести пересчет коэффициентов модели по формулам
;
; j=1,..,k
где b — коэффициенты модели в нормированной системе координат; а — коэффициенты модели в абсолютной системе координат.
Для модели первого порядка с парными взаимодействиями формулы пересчета коэффициентов имеют вид
;
, i=1..k;
, i,j=1..k, i>j
Для проверки гипотезы об адекватности математического описания опытным данным достаточно оценить отклонение предсказаний по полученному уравнению регрессии величины отклика уMi от результатов наблюдений yi в одних и тех же i -x точках факторного пространства. Рассеяние результатов наблюдений вблизи уравнения регрессии, оценивающего истинную функцию отклика, можно охарактеризовать с помощью дисперсии адекватности
,
где (k + 1) — число членов аппроксимирующего полинома. Дисперсия адекватности определяется с числом степеней свободы nад=N-(k+1).
Проверка гипотезы об адекватности состоит, по сути дела, в сопоставлении дисперсии адекватности D ад с оценкой дисперсии воспроизводимости отклика Dвос. Если эти оценки дисперсий однородны, то математическое описание адекватно представляет результаты опыта, если же нет, то описание считается неадекватным. Проверку гипотезы об адекватности производят с использованием F -критерия Фишера, который характеризуется отношением
F=Dад/Dвос.
Если найденное эмпирически значение критерия F меньше критического Fкр, найденного из приложения 1 для соответствующих степеней свободы числителя vад = N - (k+l) и vвос = q-1 знаменателя при заданном уровне значимости a, то гипотезу об адекватности принимают. В противном случае гипотезу отвергают и математическое описание признается неадекватным.
Проверка адекватности возможна только при числе степеней свободы nад и nвос больше нуля. Если число N вариантов варьирования плана ПФЭ равно числу оценок коэффициентов регрессии N = k + 1, то для проверки гипотезы об адекватности математического описания степеней свободы не остается (naд =0). Если же некоторые оценки коэффициентов регрессии оказались незначимыми, то число членов проверяемого уравнения в этом случае меньше числа N вариантов варьирования N > k + 1 и для проверки гипотезы об адекватности останется одна или несколько степеней свободы (nад > 0). Однако в этом случае необходимо исключить незначимые коэффициенты bj из уравнения регрессии и пересчитать величину D ад.
Если гипотеза об адекватности отвергается, необходимо переходить к более сложной форме математического описания либо, если это возможно, проводить эксперимент с меньшим интервалом варьирования D xj. Следует отметить, что максимальная величина интервала варьирования определяется условием адекватного описания объекта в области варьирования. Если при больших интервалах варьирования математическая модель неадекватна, то возникают систематические ошибки в определении коэффициентов, для уменьшения которых следует сузить область варьирования. Однако с уменьшением интервала варьирования появляется целый рад новых трудностей: растет отношение помехи к полезному сигналу, что приводит к необходимости увеличения числа параллельных опытов для выделения полезного сигнала на фоне шума, иначе оценки коэффициентов могут стать статистически незначимыми.
Если линейная модель неадекватна, то необходимо оценить значимость влияния квадратичных членов уравнения (1.1) на выходную переменную. С этой целью используется статистика
,
подчиненная t - распределению Стьюдента с числом степеней свободы nboc = q - 1.Если U < ta, найденного из приложения 2 при заданном уровне значимости a, то влияние факторов хj2 незначимо и им можно пренебречь. В противном случае нужно переходить к уравнению регрессии более высокого порядка.
Варианты задания области изменения факторов и значимых взаимодействий представлены в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Номер варианта | Границы области допустимых значений факторов | Значимые взаимодействия | ||||
Х1 | Х2 | Х3 | Х4 | Х5 | ||
0;30 | -10;40 | 0;70 | -50;20 | -15;15 | x1x3, x1x4 | |
40;100 | 25;45 | -10;80 | 20;100 | 25;65 | x1x3, x1x5 | |
10;70 | 10;80 | -15;65 | 50;90 | 40;100 | x2x3, x3x4 | |
40;90 | -20;20 | 10;60 | 50;100 | -15;45 | x1x4, x1x5 | |
20;60 | 0;60 | -15;75 | 0;40 | 10;60 | x1x4, x3x4 | |
10;60 | -15;75 | 40;90 | 50;80 | 0;100 | x1x3, x2x3 | |
45;85 | 40;120 | 30;100 | 20;70 | 50;120 | x1x3, x3x4 | |
50;125 | -20;50 | 20;80 | 40;90 | 30;80 | x2x4, x2x5 |
Для проведения эксперимента и получения значений функции отклика в заданных точках плана используется стандартная программа BLACKBOX, входящая в состав математического обеспечения кафедры. Способы обращения к программе и организации ввода данных представляются преподавателем.
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
— задание;
— матрицы планирования эксперимента, составленные из кодированных и реальных значений входных переменных;
— результаты эксперимента;
— результаты расчетов оценок коэффициентов регрессий и дисперсий;
— результаты проверки значимости коэффициентов и адекватности модели;
— выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Каким образом формируется матрица планирования при ПФЭ?
2. Какими свойствами обладает матрица планирования?
3. Как осуществляется выбор интервала варьирования? Его допустимые максимальные и минимальные значения.
4. Дробные реплики. Значение реплик и составление для них матриц планирования.
5. Почему желательна симметрия уравнений регрессии относительно коэффициентов?
6. Каково допустимое минимальное число экспериментов при заданном числе факторов?
7. Полуреплики 2 4-1 заданы: одна — определяющим контрастом 1=x1x2x3x4, другая — генерирующим соотношением х 4 = - x1 х2. Какая из этих полуреплик обладает большей разрешающей способностью?
8. Матрица планирования (ДФЭтипа25-1) задана генерирующими соотношениями x4=-x1x3; x5=x1x3x2. Найти систему смешивания основных факторов.
9. Как проверить значимость оценок коэффициентов регрессии?
10. При каких условиях оценки коэффициентов регрессии незначимы и как эти условия устранить?
11. Как проверить адекватность модели?
Работа 2 МЕТОД КРУТОГО ВОСХОЖДЕНИЯ (МЕТОД БОКСА — УИЛСОНА)
Цель работы — знакомство с методом планирования экспериментов, предназначенных для поиска условий, которые обеспечивают экстремум функции отклика.
Дата публикования: 2014-11-04; Прочитано: 238 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!