HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CHĂN NUÔI
*****
BÀI GIẢNG
THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM
(Dùng cho giảng dạy cao học các ngành
Chăn nuôi, Nuôi trồng thuỷ sản & Công nghệ thực phẩm)
ĐỖ ĐỨC LỰC & HÀ XUÂN BỘ
Hà Nội, 2016
i
MỤC LỤC
Chương 1 Nguyên tắc thiết kế thí nghiệm ................................................................................ 1
1.1. Ý nghĩa, tầm quan trọng, nguyên tắc cơ bản của thiết kế thí nghiệm ......................................... 1
1.2. Phân loại thí nghiệm ................................................................................................................... 2
1.2.1. Thí nghiệm quan sát ............................................................................................. 2
1.2.2. Thí nghiệm thực nghiệm ...................................................................................... 3
1.3. Một số khái niệm trong thiết kế thí nghiệm ................................................................................ 3
1.3.1. Yếu tố thí nghiệm ................................................................................................. 3
1.3.2. Mức ...................................................................................................................... 3
1.3.3. Nghiệm thức (công thức thí nghiệm) ................................................................... 4
1.3.4. Đơn vị thí nghiệm ................................................................................................ 4
1.3.5. Dữ liệu (số liệu) ................................................................................................... 4
1.3.6. Khối ...................................................................................................................... 4
1.3.7. Lặp lại................................................................................................................... 4
1.3.8. Nhắc lại ................................................................................................................ 4
1.3.9. Nhóm đối chứng ................................................................................................... 5
1.4. Các bước tiến hành thí nghiệm ................................................................................................... 5
1.5. Sai số thí nghiệm......................................................................................................................... 5
1.6. Bố trí động vật vào các nghiệm thức .......................................................................................... 6
1.6.1. Sự cần thiết của phân chia ngẫu nhiên ................................................................. 6
1.6.2. Các phương pháp phân chia ngẫu nhiên .............................................................. 7
1.7. Phương pháp làm mù .................................................................................................................. 8
1.8. Tăng độ chính xác của ước tính .................................................................................................. 9
1.8.1. Lặp lại................................................................................................................... 9
1.8.2. Kỹ thuật khối ........................................................................................................ 9
1.8.3. Kỹ thuật cặp (đôi)................................................................................................. 9
1.9. Dung lượng mẫu cần thiết ........................................................................................................... 9
1.10. Bài tập..... ................................................................................................................................ 17
Chương 2 Phân tích số liệu thí nghiệm trong chăn nuôi ......................................................... 19
2.1. TÓM TẮT VÀ TRÌNH BÀY DỮ LIỆU .................................................................................. 19
2.1.1. BIẾN SINH HỌC VÀ PHÂN LOẠI ................................................................. 19
2.1.2. CÁC THAM SỐ THỐNG KÊ MÔ TẢ ............................................................. 20
2.1.3. TRÌNH BÀY CÁC THAM SỐ THỐNG KÊ MÔ TẢ ....................................... 25
2.1.4. SỬ DỤNG MINITAB TÓM TẮT VÀ TRÌNH BÀY DỮ LIỆU....................... 29
2.1.4.1 Giới thiệu phần mềm Minitab .......................................................................... 29
2.1.4.2 Cài đặt và khởi động phần mềm Minitab 16 ................................................... 29
2.1.4.3. Cửa sổ làm việc của Minitab 16 .................................................................... 29
ii
2.1.4.4. TÓM TẮT VÀ TRÌNH BÀY VỚI BIẾN ĐỊNH LƯỢNG .................................... 30
2.1.4.5. TÓM TẮT VÀ TRÌNH BÀY VỚI BIẾN ĐỊNH TÍNH ......................................... 33
2.2. PHÂN TÍCH PHƯƠNG SAI (ANOVA) .................................................................................. 38
2.2.1. Kiểm định điều kiện phân tích phương sai ........................................................ 38
2.2.2. So sánh cặp đôi các giá trị trung bình ................................................................ 41
2.2. Thiết kế thí nghiệm một yếu tố và phân tích số liệu ................................................................. 44
2.2.1. Thí nghiệm một nhân tố hoàn toàn ngẫu nhiên .................................................. 44
2.2.2. Thí nghiệm một yếu tố khối ngẫu nhiên đầy đủ ................................................ 47
2.2.2.1. Thí nghiệm khối ngẫu nhiên đầy đủ với một lần lặp lại ................................. 47
2.2.2.2. Thí nghiệm khối ngẫu nhiên hoàn toàn với nhiều lần lặp lại ......................... 51
2.2.3. Thí nghiệm hoán vị (cross over) ........................................................................ 54
2.2.4. Thí nghiệm kiểu ô vuông La tinh ....................................................................... 59
2.3. Thiết kế thí nghiệm 2 nhân tố và phân tích số liệu ................................................................... 67
2.3.1. Thí nghiệm 2 yếu tố chéo nhau ......................................................................... 67
2.3.2. Thí nghiệm hai nhân tố phân cấp (nested design) .............................................. 70
2.3.3. Thí nghiệm 2 nhân tố chia ô ............................................................................... 74
2.3.4. Thí nghiệm phép đo lặp lại (repeated measures) ............................................... 81
2.4. Phân tích hiệp phương sai (ANCOVA) .................................................................................... 86
2.5. BIẾN ĐỔI SỐ LIỆU ................................................................................................................. 92
2.6. BÀI TẬP 100
Chương 3 Tương quan và hồi quy ........................................................................................ 104
3.1. TƯƠNG QUAN ...................................................................................................................... 104
3.2. HỒI QUY.................................................................................................................................106
3.2.1. Hồi quy tuyến tính đơn và đa biến ................................................................... 106
3.2.2. Lựa chọn mô hình hồi quy tốt nhất .................................................................. 110
3.2.2.1. Phương pháp Best Subset .......................................................................... 110
3.2.2.2. Phương pháp Stepwise ............................................................................... 111
3.2.3. Hồi quy đa thức ................................................................................................ 116
3.2.4. Hồi quy phi tuyến ............................................................................................. 120
3.3. Phương pháp bề mặt đáp ứng ................................................................................................. 128
3.4. BÀI TẬ......... .......................................................................................................................... 134
Chương 4 Kiểm định và so sánh tỷ lệ ................................................................................... 136
4.1. So sánh tỷ lệ ............................................................................................................................ 136
4..2. Kiểm định sự phù hợp ............................................................................................................ 140
Chương 5 Phân tích phương sai phi tham số ........................................................................ 143
Thiết kế thí nghiệm
1
Chương 1
Nguyên tắc thiết kế thí nghiệm
1.1. Ý nghĩa, tầm quan trọng, nguyên tắc cơ bản của thiết kế thí nghiệm
Một thí nghiệm được thiết kế để đảm bảo về yêu cầu khoa học cần phải có tính hệ thống và
đảm bảo tính khách quan. Khi tiến hành một thí nghiệm không cần thiết phải khảo sát toàn bộ
các cá thể trong quần thể mà chỉ cần chọn ra một số lượng nhất định (dung lượng mẫu nhất
định) đại diện cho quần thể. Tuy nhiên, việc chọn dung lượng mẫu quá lớn sẽ gây ra lãng phí
về tài chính, nhân lực và cơ sở vật chất, ngược lại nếu chọn dung lượng mẫu quá ít sẽ làm cho
kết quả nghiên cứu thiếu độ tin cậy hay kết quả không chính xác. Do đó, thiết kế thí nghiệm
cần đạt được hai mục tiêu: i) tìm hiểu và phát hiện ảnh hưởng của một hoặc nhiều yếu tố thí
nghiệm nhằm tìm ra những vấn đề mới hoặc khẳng định lại hoặc bác bỏ kết quả của những
nghiên cứu trước đó ; ii) sử dụng tài chính, nhân lực và cơ sở vật chất một cách hiệu quả nhất
để tìm được câu trả lời cho một số vấn đề đặt ra hoặc rút ra được kết luận về một hiện tượng
nào đó. Theo một nghĩa hẹp, thí nghiệm được thiết kế trong một môi trường quản lý nhằm
nghiên cứu ảnh hưởng của một hay nhiều yếu tố lên các quan sát.
Các mô hình phân tích thống kê cần có nguyên liệu đầu vào là dữ liệu. Kết quả phân tích từ
các mô hình phân tích thống kê này chỉ có giá trị về mặt khoa học khi dữ liệu được thu thập
đúng phương pháp từ những thí nghiệm được thiết kế có tính hệ thống và đảm bảo tính khách
quan với hiệu quả cao nhất. Do đó, thiết kế thí nghiệm đóng vai trò quan trọng trong sự thành
công hay thất bại của một công trình nghiên cứu. Một thí nghiệm được thiết kế có tính hệ thống,
đảm bảo tính khách quan và đúng phương pháp đã đạt được một nửa thành công.
Khi tiến hành thiết kế một thí nghiệm để đảm bảo yêu cầu về khoa học cần phảm đảm bảo được
các nguyên tắc cơ bản: ngẫu nhiên (randomization), lặp lại (replication) và phân nhóm
(blocking).
Nguyên tắc thứ nhất: ngẫu nhiên.
Khi tiến hành một nghiên cứu, việc khảo sát trên toàn bộ quần thể rất tốn kém (thời gian, tài
chính, nhân lực và cơ sở vật chất), không thực tế và rất khó khả thi. Do đó, việc lấy một phần
của quần thể (lấy mẫu) sẽ tiết kiệm (thời gian, tài chính, nhân lực và cơ sở vật chất), thực tế
hơn và khả thi hơn. Khi lấy mẫu từ quần thể, một trong những yêu cầu quan trọng đó là mẫu
lấy từ quần thể phải đảm bảo tính đại diện cho quần thể. Ví dụ: trong quần thể lợn Piétrain
kháng stress có 1000 con, trong đó có 50% lợn đực và 25% lợn mang kiểu gen halothane đồng
hợp tử trội (CC). Tiến hành thí nghiệm và chọn mẫu 100 con. Việc lấy mẫu để đảm bảo tính
đại diện khi chọn được khoảng 50 lợn đực và có khoảng 25 lợn mang kiểu gen halothane đồng
hợp tử trội (CC). Để đảm bảo tính đại diện cho quần thể, việc chọn mẫu ngẫu nhiên là phương
án tối ưu nhất.
Sau khi chọn được dung lượng mẫu cần thiết cho một công trình nghiên cứu, việc chia ngẫu
nhiên các đơn vị thí nghiệm về các công thức thí nghiệm là cách duy nhất và khách quan nhất
nhằm cân đối các đặc điểm của đối tượng nghiên cứu giữa các công thức thí nghiệm.
Kết quả phân tích từ các mô hình phân tích thống kê đảm bảo được tính phù hợp khi việc chọn
mẫu phải thực hiện ngẫu nhiên, vì các mô hình phân tích thống kê đều dựa trên giả định đối
tượng được chọn ngẫu nhiên từ quần thể.