第十五章 试验设计与抽样调查

1、15. 试验设计与抽样调查试验设计与抽样调查 试验设计的概述试验设计的概述 常用动物试验设计方法常用动物试验设计方法 抽样调查设计抽样调查设计 样本含量的确定样本含量的确定试验设计概述试验设计概述 试验性科学研究的基本步骤试验性科学研究的基本步骤 试验设计试验设计 实施试验实施试验 分析处理试验结果分析处理试验结果 试验设计的目的试验设计的目的 保证数据质量保证数据质量 获得正确科学的结论获得正确科学的结论 提高试验的效率提高试验的效率 常见错误常见错误 希望通过统计希望通过统计“处理处理”得出符合自己设想的结论得出符合自己设想的结论 希望通过统计分析来弥补设计上的缺陷希望通过统计分析来弥补设

2、计上的缺陷2收集资料收集资料试验设计的几个概念试验设计的几个概念 试验试验 在人为控制条件下进行的一种有目的的实践活动在人为控制条件下进行的一种有目的的实践活动 与观察不同与观察不同 是获取数据资料的过程是获取数据资料的过程 试验单元试验单元 根据试验目的确定的试验材料的基本单元根据试验目的确定的试验材料的基本单元 细胞，组织，个体，窝细胞，组织，个体，窝3试验设计的几个概念试验设计的几个概念 试验指标试验指标 对每个试验单元要度量的试验结果的标志对每个试验单元要度量的试验结果的标志 日增重、产仔数、瘦肉率、产奶量、日增重、产仔数、瘦肉率、产奶量、 试验因子试验因子 试验中要研究的影响试验指标

3、的因素试验中要研究的影响试验指标的因素 品种、饲料、性别、药物、饲喂方式、品种、饲料、性别、药物、饲喂方式、 单因子试验、双因子试验、多因子试验单因子试验、双因子试验、多因子试验 客观因子（干扰因子）：除试验因子外的其他可能客观因子（干扰因子）：除试验因子外的其他可能影响试验指标的因素影响试验指标的因素4试验设计的几个概念试验设计的几个概念 因子水平因子水平 对试验因子按其质或量所划分的等级或状态对试验因子按其质或量所划分的等级或状态 不同品种、饲料的不同营养水平、不同品种、饲料的不同营养水平、 处理处理 根据试验因子的不同水平对试验单元所采取的根据试验因子的不同水平对试验单元所采取的不同措施

4、不同措施 单因子试验：每个水平是一个处理单因子试验：每个水平是一个处理 多因子试验：每个水平组合是一个处理多因子试验：每个水平组合是一个处理5试验设计的几个概念试验设计的几个概念 试验误差试验误差 由于除试验处理外的其他因素所引起的观测值由于除试验处理外的其他因素所引起的观测值的变异的变异 试验设计的主要目的就是要尽量减小试验误差试验设计的主要目的就是要尽量减小试验误差 系统误差系统误差： 由于干扰因子造成的不同处理内的试验单元之间存由于干扰因子造成的不同处理内的试验单元之间存在整体性的差异在整体性的差异 随机误差随机误差： 由于随机和偶然因素所造成的误差，造成试验单元由于随机和偶然因素所造成

5、的误差，造成试验单元之间的随机变异之间的随机变异6试验设计的基本原则试验设计的基本原则 原则原则1 - 随机化随机化 将试验单元随机地分配到不同的处理中将试验单元随机地分配到不同的处理中 目的：降低系统误差目的：降低系统误差 获得随机误差的无偏估计获得随机误差的无偏估计 随机化随机化 随意性随意性 原则原则2 - 重复重复 同一处理中设置两个或两个以上的试验单元同一处理中设置两个或两个以上的试验单元 目的：降低随机误差目的：降低随机误差 对随机误差方差进行估计对随机误差方差进行估计 原则原则3 - 局部控制局部控制 对干扰因子的影响加以控制对干扰因子的影响加以控制 目的：降低系统误差目的：降低

6、系统误差7常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法一、完全随机设计一、完全随机设计 将所有试验单元完全随机地分配到各个处理（组）将所有试验单元完全随机地分配到各个处理（组）中中 适用于不存在已知的除处理外的其他对试验指标有适用于不存在已知的除处理外的其他对试验指标有重要影响的干扰因子的情形重要影响的干扰因子的情形 分组方法分组方法 抽签抽签 利用随机数利用随机数8常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法例例: 设有设有15个试验单元，要将它们随机地分为个试验单元，要将它们随机地分为3组组 9试验试验单元单元12345678910 11 12 13 14 15随机随机数数118 701 789

7、965 638 901 841 396 802 687 938 377 398 846 688随机随机数序数序号号18915513 1141061423127分组分组122313312231132常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法 分析方法分析方法 2个处理：个处理：T检验检验 2个以上处理：方差分析个以上处理：方差分析 优缺点优缺点 优点：简单优点：简单 误差自由度最大误差自由度最大 当有试验单元缺失时，信息损失较小当有试验单元缺失时，信息损失较小 缺点：当存在干扰因子时，试验误差较大缺点：当存在干扰因子时，试验误差较大10常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法二、配对设计二、配对设

8、计 - 局部控制的应用局部控制的应用 用于只有两个处理的单因子试验用于只有两个处理的单因子试验 目的：目的：消除或降低某个干扰因子对试验指标消除或降低某个干扰因子对试验指标 的影响的影响 方法：方法： 将参加试验的试验单元两两配对将参加试验的试验单元两两配对 每一对子的两个试验单元分别随机地接受两个处理中的每一对子的两个试验单元分别随机地接受两个处理中的一个一个 配对的原则配对的原则 对子内干扰因子的影响不存在或很小，对子间对子内干扰因子的影响不存在或很小，对子间允许存在允许存在干扰因子上的差别干扰因子上的差别11常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法配对的方式配对的方式 自身配对：将同一个

9、体在不同时间或自身配对：将同一个体在不同时间或不同部位所接受的不同处理作为一个不同部位所接受的不同处理作为一个对子对子 亲缘配对：将亲缘关系相近的个体配亲缘配对：将亲缘关系相近的个体配对（同胞配对、亲子配对）对（同胞配对、亲子配对） 条件配对：将具有相近条件（性别、条件配对：将具有相近条件（性别、年龄、体重等）的个体配成对子年龄、体重等）的个体配成对子12常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法三、随机区组三、随机区组 设计设计 - 配对设计的扩展配对设计的扩展 配对设计的扩展，用于有配对设计的扩展，用于有2个以上处理的单因子试个以上处理的单因子试验验 目的：同配对设计目的：同配对设计 方法：

10、方法： 将试验单元按干扰因子的不同水平分组将试验单元按干扰因子的不同水平分组 每组内的单元数等于处理数每组内的单元数等于处理数 每个单元每个单元随机地随机地接受一种处理接受一种处理 要求：区组内要求：区组内干扰因子的影响不存在或非常小干扰因子的影响不存在或非常小区组与处理间无互作区组与处理间无互作13常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法 常用的分组方式常用的分组方式 按窝分组（随机窝组设计）按窝分组（随机窝组设计） 按圈舍分组按圈舍分组 按时间分组按时间分组 分析：同双向分类交叉分组无重复资料的方差分析：同双向分类交叉分组无重复资料的方差分析分析14常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法

11、 缺失数据的处理缺失数据的处理 估计缺失数据估计缺失数据15) 1)(1(qpSqTpBXp：区组数：区组数q：处理数：处理数T：缺失数据所在处理的数据之和：缺失数据所在处理的数据之和B：缺失数据所在区组的数据之和：缺失数据所在区组的数据之和S：全部数据之和：全部数据之和常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法 缺失数据的处理缺失数据的处理 用估计值取代缺失值进行方差分析用估计值取代缺失值进行方差分析 总自由度和误差自由度比无缺失时少总自由度和误差自由度比无缺失时少1个个 对处理平方和要进行校正对处理平方和要进行校正16) 1() 1(2qqXqB校正值处理平方和处理平方和校正校正 = 处理平

12、方和处理平方和 - 校正值校正值注意：用估计值取代缺失值并不能增加信息注意：用估计值取代缺失值并不能增加信息常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法 优缺点优缺点 优点：优点： 较简单较简单 降低误差方差降低误差方差 缺点：缺点： 降低误差自由度降低误差自由度 当处理较多时，不易构成区组当处理较多时，不易构成区组17常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法四、双向随机区组设计四、双向随机区组设计 - 拉丁方设计拉丁方设计 用于有用于有2个干扰因子存在的单因子试验个干扰因子存在的单因子试验 方法：方法： 将试验个体按这两个干扰因子双向分组将试验个体按这两个干扰因子双向分组 每组内的每个单元随机接

13、受一种处理每组内的每个单元随机接受一种处理 可采用拉丁方来帮助设计可采用拉丁方来帮助设计18常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法 拉丁方拉丁方 用拉丁方字母组成的方阵用拉丁方字母组成的方阵 每个字母在每一行和每一列中都出现且只出现一次每个字母在每一行和每一列中都出现且只出现一次19BACACBCBACBADBADCADCBDCBADCBAECBAEDBAEDCAEDCBEDCBA33拉丁方44拉丁方55拉丁方常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法 标准拉丁方标准拉丁方 第一行和第一列的拉丁字母均按自然顺序排列的拉丁方第一行和第一列的拉丁字母均按自然顺序排列的拉丁方 4 4 4 4标准拉丁

14、方：标准拉丁方： 20CBADBADCADCBDCBABACDABDCCDABDCBAABCDBDACCADBDCBAABCDBADCCDABDCBA常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法 拉丁方设计基本步骤拉丁方设计基本步骤 根据处理个数从基本拉丁方中随机选择一个根据处理个数从基本拉丁方中随机选择一个 （处理数（处理数 = 字母数）字母数） 将拉丁方的行和列随机重排将拉丁方的行和列随机重排 将处理随机地分配给字母将处理随机地分配给字母21要求：要求： 区组与区组间及区组与处理间无互作区组与区组间及区组与处理间无互作 两个方向分组的组数相等且等于处理数两个方向分组的组数相等且等于处理数 处理

15、数不少于处理数不少于3分析：同分析：同3向分类交叉分组无重复资料的方差分析向分类交叉分组无重复资料的方差分析常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法 例：研究例：研究5种不同饲料配方对奶牛日产奶量的影响，种不同饲料配方对奶牛日产奶量的影响，为消除不同牛只和牛的不同泌乳阶段对日产奶量为消除不同牛只和牛的不同泌乳阶段对日产奶量的影响，采用的影响，采用55拉丁方设计，设计步骤如下拉丁方设计，设计步骤如下22常用畜牧试验设计方法23ABDCECABEDBEADCDCEABEDCBA1 2 3 4 51 2 3 4 53 2 1 4 51 2 3 4 5列随机ABECDCADEBBECDADCBAEED

16、ABCEDABCBECDACADEBABECDDCBAE5 4 2 1 3行随机处理随机A = 配方5B = 配方1C = 配方3D = 配方4E = 配方2常用畜牧试验设计方法24泌乳阶段泌乳阶段牛号牛号12345合计合计1E 30A 32B 39C 39D 381782D 42C 39E 28B 37A 271733B 35E 36D 40A 26C 401774A 28D 40C 39E 28B 371725C 40B 38A 35D 43E 32188合计合计175185181173174888配配方方ABCDE合合计计148186197203154试验结果试验结果配方合计配方合计常用

17、畜牧试验设计方法 方差分析1. 平方和25校正项：76.31541258882C牛只平方和：24.3218817317851222CSS）（牛只阶段平方和：44.2117418517551222CSS）（阶段配方平方和：04.50515418614851222CSS）（配方误差平方和：总平方和：24.632323230222CSST）52.7304.50544.2124.3224.632ESS常用畜牧试验设计方法262. 方差分析表方差分析表变异来源变异来源平方和平方和自由度自由度均方均方F 值值牛只牛只32.2445.36泌乳阶段泌乳阶段21.4448.06饲料配方饲料配方505.04412

18、6.2620.60*误差误差73.52126.13总变异总变异632.2424 20.60 F0.01(4,12) = 5.41 不同饲料配方对日产奶量的影响有极显著差异不同饲料配方对日产奶量的影响有极显著差异常用畜牧试验设计方法 缺失数据的处理 缺失数据的估计27)2)(1(2)(rrGTCRrXr：处理数 (= 行数 = 列数）R：缺失数据所在行的数据之和C：缺失数据所在列的数据之和T：缺失数据所在处理的数据之和G：全部数据之和 用估计值取代缺失值进行方差分析用估计值取代缺失值进行方差分析 总自由度和误差自由度比无缺失时少总自由度和误差自由度比无缺失时少1个个常用畜牧试验设计方法 缺失数据

19、的处理用估计值取代缺失值进行方差分析总自由度和误差自由度比无缺失时少1个对处理平方和进行校正2822)2)(1() 1(rrTrCRG校正值处理平方和校正校正 = 处理平方和 - 校正值常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法 拉丁方设计的优缺点拉丁方设计的优缺点 优点：优点：消除或减小两个干扰因子的影响消除或减小两个干扰因子的影响 缺点：缺点： 限制性较大，要求处理数限制性较大，要求处理数 = 行数行数 = 列数列数 当处理数小于当处理数小于5时，误差自由度太小，检验的灵敏度较低，比较时，误差自由度太小，检验的灵敏度较低，比较理想的处理数为理想的处理数为5 8。 29注：注：当处理数小于当处

20、理数小于5时，可采用时，可采用“重复拉丁方设重复拉丁方设计计”，即用相同大小的拉丁方试验重复进行若干，即用相同大小的拉丁方试验重复进行若干次，如次，如5次次3 3拉丁方试验、拉丁方试验、2次次4 4拉丁方试验拉丁方试验。常用畜牧试验设计方法常用畜牧试验设计方法五、正交设计五、正交设计 用于多因子试验，尤其是当水平数多的情形用于多因子试验，尤其是当水平数多的情形 目的：减小试验规模（只对部分水平组合进行目的：减小试验规模（只对部分水平组合进行试验），提高试验效率试验），提高试验效率 方法：用正交表来安排试验方法：用正交表来安排试验30常用畜牧试验设计方法 正交表31L9(34)水平数水平数最多因

21、子数最多因子数行数（试验数）行数（试验数） 列列号号试试验验号号1234111112122231333421235223162312731328321393321)3(L49正交表正交表常用畜牧试验设计方法 正交表的特点 每一列中不同数字出现的次数相同 任两列中，由同一横行的两个数组成的不同的数字对出现的次数相同 任取两列，各数据对的差之和等于0，这个特点被称为正交 32常用畜牧试验设计方法 利用正交表安排试验可以保证所选取的水平组合具有最好的代表性33 列列 号号 试试 验验 号号 1 2 3 1 1 1 1 2 1 2 2 3 1 3 3 4 2 1 2 5 2 2 3 6 2 3 1 7

22、 3 1 3 8 3 2 1 9 3 3 2 33试验的正交设计试验的正交设计常用畜牧试验设计方法正交设计的步骤1)根据试验因子数和每因子水平数选择正交表如不考虑互作，因子数 列数如需考虑互作，因子数 列数2)作表头设计：确定哪一列代表哪一个因子如不考虑互作，可任意确定如需考虑互作，必须按正交表的要求确定3)按表头设计的方案进行试验每行代表一个水平组合34常用畜牧试验设计方法正交表 35)2(L78 列列号号试试验验号号12345671111111121112222312211224122221152121212621221217221122182212112常用畜牧试验设计方法36 列列号号

23、行行号号12345671（1）3254762（2）167453（3）76544（4）1235（5）326（6）17（7）正交表的交互作用表正交表的交互作用表)2(L78常用畜牧试验设计方法37 列列号号因因子子数数12345673ABA BCA CB C4ABA BC DCA CB DB CA DD4ABC DA BCB DA CDB CA D5AD EBC DA BC ECB DA CB EDA EB CEA DL8(27)表头设计常用畜牧试验设计方法 例：在用某种饲料饲喂肉用仔鸡时，出现维生素缺乏症，为弄清是哪种维生素缺乏，对核黄素（A）、胆碱（B）、吡多醇（C）和烟酸（D）等4种维生素进

24、行增重试验，每种维生素分不添加（1）与添加（2）两个水平，即进行了4因子2水平的试验。根据过去的经验，在核黄素与胆碱之间可能存在互作，其他因子间一般无互作。试采用正交设计进行试验。 选取正交表L8(27) 表头设计为38列号 1 2 3 4 5 6 7 因子 A B A B C D 常用畜牧试验设计方法试验结果39 列列号号 试试验验号号 1 A 2 B 3 A B 4 C 5 6 7 D 增增重重 (-180g) 1 1 1 1 1 1 1 1 -18 2 1 1 1 2 2 2 2 -8 3 1 2 2 1 1 2 2 -12 4 1 2 2 2 2 1 1 10 5 2 1 2 1 2

25、1 2 -2 6 2 1 2 2 1 2 1 35 7 2 2 1 1 2 2 1 -18 8 2 2 1 2 1 1 2 2 合合计计1 -28 7 -42 -50 7 -8 9 合合计计2 17 -18 31 39 -18 -3 -20 -11 常用畜牧试验设计方法方差分析 1. 计算平方和与自由度40125.158)11(2C875.21732)18(22CSST125.25317)28(2241CSSA125.78)18(72241CSSB125.66631)42(2241CSSBA常用畜牧试验设计方法41125.99039)50(2241CSSC125.105)20(92241CSS

26、D)(25.8165SSSSSSSSSSSSSSSSSSECBABAT误差718Tdf112DCBABAdfdfdfdfdf2DCBABATdfdfdfdfdfdfdf误差常用畜牧试验设计方法42变变异异来来源源 平平方方和和 自自由由度度 均均方方 F 值值 A 253.125 1 253.125 6.23 B 78.125 1 78.125 1.92 A B 666.125 1 666.125 16.40 C 990.125 1 990.125 24.37* D 105.125 1 105.125 2.59 误误差差 81.25 2 40.625 总总变变异异 2173.875 7 方差分

27、析表方差分析表 因子因子C（吡多醇）吡多醇）缺乏对肉鸡增重有显著影响缺乏对肉鸡增重有显著影响F0.05 (1,2) = 18.5 常用畜牧试验设计方法 关于正交设计的几点说明 在试验前要对可能存在的互作做出准确的判断 当每个处理中只有一个试验单元（如上例）时，正交表中必须有空列 如果某些列的F值很小，例如小于1，可将它们的平方和及与自由度分别与误差的平方和及自由度合并 正交设计可以和随机区组设计相结合 一般的正交表中各列的水平数相同，因而只能安排各因子的水平数相等的正交设计43抽样调查设计 抽样调查：指对某一有限总体的现已存在的个体进行抽样来获得样本 畜禽品种资源的遗传多样性的调查 某种疾病的

28、危害程度及流行规律的调查 全国人口普查 抽样设计：在调查之前制定的抽样计划 抽样方法 样本含量 44抽样方法45 抽样方法抽样方法 概率抽样概率抽样 非概率抽样非概率抽样简单随机抽样简单随机抽样系统抽样系统抽样分层抽样分层抽样整群抽样整群抽样二级随机抽样二级随机抽样方便抽样方便抽样判断抽样判断抽样抽样方法 概率抽样 以一定的概率来对总体中的个体进行抽样 可以估计抽样误差 非概率抽样 从总体中非随机地选择特定的个体 不能估计抽样误差 用于精确度要求不高的调查46概率抽样 简单随机抽样 用完全随机的方法对总体中的个体进行抽样，总体中的每一个个体被抽中的概率相等 可用抽签或随机数来抽样 优点：不会产生系统抽样误差，对样本的统计分析较为简单 没有利用任何事先所了解的总体分布特征的信息 47概率抽样 系统抽样（顺序抽样，间隔抽样） 按一个固定的间隔从有限总体中抽取所需数量的个体 抽样间隔 = 如果对总体的编号是随机的，系统抽样近似等价于简单