Bài giảng Thiết kế thí nghiệm và xử lý số liệu - Chương: Xác suất – Thống kê & Thực nghiệm - Trịnh Văn Dũng

 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA 
 THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 
 (Data Analysis and Design of Experiment)
 PGS. TS. Trịnh Văn Dũng
Bộ môn: Quá trình và thiết bị CN Hóa – Sinh học – Thực phẩm
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 trinhvandung190361
03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 2
21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
1. Những khái niệmcơ bảncủa xác suấtthống kê
2. Lý thuyết xác suất
3. Các thông số đặc trưng củasố liệu thựcnghiệm
4. Bài tập
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 3
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1. Những khái niệmcơ bảncủa xác suấtthống kê
1.1 Quan sát và thực nghiệm 
1.2 Sai số của phép đo 
13S1.3 Sự kiện ngẫu nhiên, đạiil lượng &&bi biến số ngẫu nhiên 
1.4 Chuỗi số biến đổi
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 4
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.1 Quan sát và thựcnghiệm
Quan sát (Observational):
-là phương pháp nghiên cứu đốitượng, hiệntượng thực ở dạng hình
thức,
- nó xảyratrongtự nhiên và xã hội.
Quan sát:
-chỉ là “nhậnthức” được thông tin đơngiản khác nhau
- tùy ở mục đích và vị trí của quan sát viên.
Quan sát khác thực nghiệm ở chỗ:
-Không có tác động điều khiểnchủđộng lên đốitượng và quá trình
-Khi quan sát:cố định các tính năng đặc trưng hoặc ảnh hưởng của
đốitượng trong không gian hoặcthờigian.
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 5
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.1 Quan sát và thựcnghiệm
Thựchiện quan sát bằng:
- Mắt (nhìn)
- Mô tả bằng lời nói (âm than h), đồ họa, ký hiệu
- Chụp ảnh, quay phim (ghi hình)
- Ghi âm: nghe (tường thuật)
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 6
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.1 Quan sát và thựcnghiệm
Nguồngốcnềntảng củathực nghiệmtrongkỹ thuậtvàcôngtrình
khoa học là quan sát (thí nghiệm).
Theo nghĩarộng củanó thể đượcchia thàn h hihai loại chín h:
-Loạithứ nhất - thông tin về hành vi củatậphợpsố lượng lớncác
đốitượng cùng loại.
-Loạithứ hai - thông tin về tính chấtcủatừng đốitượng riêng trong
một khoảng thời gian dài.
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 7
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.1 Quan sát và thựcnghiệm
Trong thống kê để mô tả nhóm đốitượng bấtkỳ khi sử dụng các
thông tin đãbiếtcủacả nhóm.
Khi đó nhiều đối tượng gọi là mẫuchung
Từđótáchramột quá trình quan sát cụ thể gọilàlấymẫu
Các lựachọn để quan sát đốitượng gọilàchọnmẫu hay lấymẫu
Sốđốitượng này gọilàsố lượng mẫu
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 8
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.1 Quan sát và thựcnghiệm
Thựcnghiệm(Experimental): là phương pháp khoa họcdựa trên
quan sát
Thựcnghiệm: bằng thí nghiệm để
-phân loại
- nêu giả thuyết
-kiểm nghiệmgiả thuyết
-thiếtlập quan hệ nhân quả
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 9
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.1 Quan sát và thựcnghiệm
Thực nghiệmcókhả năng:
-Kiểm soát hay điều chỉnh các biến số độc lập
-Phân bổ ngẫu nhiên đốiti tượng vàhóào nhóm khác n hau
-Kiểm soát và loại trừ nhiễu
-Đảm bảo trình tự thời gian
-Lập lại những phát hiện được nhờ quan sát
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 10
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.1 Quan sát và thựcnghiệm
Thực nghiệm có nhược điểm:
-Thiếu thực tế: không thể quan sát hết
-Khó suy đoán
-Gặp các vấn đề bất khả thi
-Khó kiểm soát các biếnsn số độclc lập
-Mang tính chủ quan
-Tốn kém: vật chất và thời gian
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 11
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.2 Sai số phép đo
Sai số củaphépđolàđộ lệch kếtquảđo đượcvớigiátrị thựccủa đại
lượng cần đo.
Phân biệtcácloại sai số:
-Hệ thống (xác định được): do dụng cụ và phương pháp đo
-Ngẫu nhiên (không kiểm soát được): do con người, tự nhiên
-Thô (nhầm): lười, vụng, thiếucầnthận, rủiro(người đo)
Nhầmlà:trụctrặcdodụng cụđo
 trục trặc do đọc số đo
 thay đổi độtngột điềukiện đo
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 12
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.2 Sai số phép đo
Sai số thô có thể nhậnbiết khi xử lý kếtquảđo
Loạibỏ sai số hệ thống: có thể thựchiệnbằng cách điềuchỉnh
(nhân/chia-cộng/trừ)vớihệ số hiệuchỉnh
Đánh giá sai số ngẫu nhiên bằng thống kê toán học
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 13
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.2 Sai số phép đo
Phân biệt phép trựctiếp và phép đogiántiếp:
-Phép trựctiếp: so sánh vậtcần đovớivậtmẫu (thước, quả cân)
-Phép đogiántiếp: đomộtsố đạilượng
 tính giá trị theo công thức
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 14
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.2 Sai số phép đo
Phân biệt phép đo đúng và phép đo chính xác:
-Phép đo đúng: giá trịđogầngiátrị trung bình (kỳ vọng toán học)
-Phép đo chính xác: các giá trịđohộitụ (co cụm)
-Phép đo dúng và chính xác: co cụmgầngiátrị trung bình
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 15
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.2 Sai số phép đo
Ghi sốđo phân biệtchữ số:
-Đáng tin (có nghĩa)
-Nghi ngờ:
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 16
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.2 Sai số phép đo
Tính toán kếtquảđoxuấthiện và phân biệt sai số:
-Do quy tròn
-Do phương pháp tính
Ví dụ:
Tính giá trị biểu thức theo hai phương pháp sau
 10
 S 2 1
 10
 S 2 1 3363 2378 . 2
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 17
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.3 Sự kiện và đại lượng ngẫu nhiên
Sự kiện (event): hiệntượng, sự việc này hay hiệntượng, sự việc khác
 đáng tin ở trường hợpcụ thể có các yếutốđượcthựchiện
 tình cờ: có các yếutố đượcthựchiện hay không thựchiện
Sự kiệnlàhiệntượng bấtkỳ xảy ra: cô lậptrongtự nhiên
 có nguyên nhân
 không được quan tâm
 là mụctiêunàođó
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 18
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.3 Sự kiện và đại lượng ngẫu nhiên
Ngẫu nhiên: không có khuôn mẫu
 hay khả năng dự báo trong các sự kiện
Sự ngẫu nhiên cho thấy: không có thứ tự
 không gắnkết
 không biết trước
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 19
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.3 Sự kiện và đại lượng ngẫu nhiên
Sự kiệnngẫu nhiên?
Sự kiệnxảyrahoặckhôngxảy ra, trong mộtthử nghiệmphụ thuộc
vào nhiềuyếutố (và mặc nhiên công nhậnngẫunhiên)màcómột
xác suấtnhất định xảy ra trong những điềukiệncụ thể.
Xác suất: tung con xúc xắc X = (1, 2, 3, 4, 5, 6)
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 20
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.3 Sự kiện và đại lượng ngẫu nhiên
Phép thử ngẫunhiên(Randomness tests): kếtquả thu đượcmộtkết
quả nào đó
Đạilượng ngẫu nhiên?
Đạilượng ngẫunhiênlàđạilượng biểuthị giá trị kếtquả củaphép
thử ngẫunhiên
Khi thử sẽ nhậnmộtvàchỉ mộttrongcácgiátrị có thể có:
X=(1, 2, 3, 4, 5, 6chấm trên mặt con xúc xắc khi tung)
Y=(0,1,2,350số sảnphẩmhỏng từ 50 sảnphẩm)
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 21
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.3 Sự kiện và đại lượng ngẫu nhiên
Đạilượng ngẫu nhiên?
Phân thành hai loại: đạilượng ngẫu nhiên rờirạc
 đạilượng ngẫu nhiên liên tục
Đạilượng ngẫu nhiên rờirạc:
-Là tập hợp hữu hạn các giá trị
 đếm được
 liệtkêđược
- Ví dụ: X, Y
Đạilượng ngẫu nhiên liên tục:
-các giá trị có thể có củanólấpkínmột khoảng trên trụcsố
-không liệtkêđượctừng giá trị
-Z=chiều cao của 1 sinh viên.
 nhiệt độ của bánh mỳ nướng trong lò
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 22
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.3 Sự kiện và đại lượng ngẫu nhiên
Biếnsố ngẫu nhiên?
Biến (variable): là cái gì đócóthểđo được,
 theo dõi được,
 thao tác đượctrongcácnghiêncứu
Biến là cái gì đó thay đổi,
 đo được,
 không phảilàhằng số (var)
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 23
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.3 Sự kiện và đại lượng ngẫu nhiên
Biếnsố ngẫu nhiên?
Biếncầnthiết để học, để mô tả sự biến đổicủathực nghiệm
Để mô tả sự thay đổi: dùng tường thuậthaythống kê mô tả.
Giá trị tốithiểuvàtối đacủamộtbiến-tốithiểuvàtối đa
Trung bình: tổng của các biến, chia cho n (số lượng các giá trị của
biến)
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 24
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.4 Chuỗi số ngẫu nhiên
Chuỗisố ngẫu nhiên?
Chuỗisố ngẫu nhiên n giá trị x1, x2 xn thu đượctừ thựcnghiệm
 đã đượcxắpxếptheothứ tự tăng (giảm) dẫn
Chuỗisố ngẫu nhiên có:
 giá trị x1, x2  xn
 tầnsuất: n1,n2 nk nk =n
 xác suất: p1,p2 pn
 Khoảng thay đổi (độ bà)ành) củaX:R=xMax – xMin
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 25
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.4 Chuỗi số ngẫu nhiên
Cần xác định: cực đạixMax
 cựctiểuxMin
 độ bành R
 tầnsuấtxuấthiện
 xác suất
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 26
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.4 Chuỗi số ngẫu nhiên
Để lậpbảng phân phối xác suấtcần:
-Số khoảng k
-Độ rộng một khoảng 
-Giá trị ban đầux0
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 27
 21:22
 XÁC SUẤT – THỐNG KÊ & THỰC NGHIỆM
 190361
 1.4 Chuỗi số ngẫu nhiên
Giá trị ban đầux0 được đề suất:
 x0 =xMin – 0,5 
 xk =xMax + 0,5 
Lậpbảng biến đổi
 Khoảng biến ((xi 1, xi) (x0, x1) ((x1, x2)  (xk 1, xk)
 Tần suấtn1 n2 nk
 * * *
 Trung vị ((xi 1, xi) x 1 x 2 x k
 Tần suất tương đốih1 h2 hk
 03.10.2017 
 Thiếtkế thí nghiệm& Xử lý số liệu MS: CH3309 28
 21:22