Bài giảng Phương pháp nghiên cứu khoa học - Chương 2: Thiết kế thí nghiệm (Quy hoạch thực nghiệm) - Phạm Đỗ Chung

PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Phương pháp nghiên cứu khoa học Phạm Đỗ Chung Bộ môn Vật lí chất rắn – Điện tử Khoa Vật lí, ĐH Sư Phạm Hà Nội 136 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội Cao học K28– Sư phạm Vật lí PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 §2 Thiêt́ kê ́thí nghiệm (quy hoạch thực nghiệm) • Giới thiệu về quy hoạch thực nghiệm • Phân loại sai số: • Sai số ngẫu nhiên • Sai số lặp lại • Sai số hệ thống • Giới thiệu về các cách thiết kế thí nghiệm PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Thực nghiệm là gì? Quá trình lặp đi lặp lại những bước thí nghiệm hoặc chuỗi những bước thí nghiệm với các thông số đầu vào thay đổi (được điều khiển một cách chủ động) của một hệ hoặc một quy trình để nhận được các kết quả đầu ra hoặc để tìm hiểu sự tương tác qua lại giữa chúng. PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Mục đích Tối ưu: • Sự thành công của quá trình thực nghiệm. • Thu được tối đa thông tin và kết luận có ích bằng việc thu thập và xử lí số liệu. Tối giản: • Hạn chế các kết quả không mong muốn do điều kiện ngoại cảnh • Giảm chi phí tiến hành thí nghiệm. PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 Nghiên cứu quan sát vs Thiết kế thí nghiệm • Ít tác động tới các tham số đầu vào • Chỉ quan sát sự thay đổi kết quả • Tìm hiểu tham số đầu vào tác động lên kết quả như thế nào chứ không tìm hiểu nguyên nhân. • Cô lập và điều khiển các tham số đầu vào có ảnh hưởng tới kết quả • Làm rõ mối quan hệ nhân quả giữa tham số đầu vào và kết quả thí nghiệm Sự liên hệ ≠ Quan hệ nhân quả PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Thí nghiệm SYSTEMS Biến không điều khiển được nhưng đo được Biến điều khiển và đo được Biến không đo, không điều khiển được Kết quả PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Nguyên tắc của việc thiết kế thí nghiệm • Liệt kê tất cả các tham số đầu vào trước khi tiến hành thực nghiệm và thu thập dữ liệu • Giảm thiểu tác động của các tham số không điều khiển được lên kết quả thí nghiệm • Khuyếch đại hoặc tăng cường sự phụ thuộc của dữ liệu (kết quả) vào các tham số điều khiển được PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Các thí nghiệm khoa học • Không thay đổi điều kiện làm thí nghiệm, nhằm loại bỏ hoàn toàn các yếu tố ảnh hưởng không mong muốn (biến ngẫu nhiên cũng như biến chỉ quan sát được). • Luôn lưu đầy đủ các thông số có thể kiểm tra được của thí nghiệm SYSTEMS Biến điều khiển và đo được Kết quả (Hàm mục tiêu) PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Ba Nguyên Tắc Cơ Bản Của Việc Thiết Kế Thí Nghiệm • NGẪU NHIÊN HÓA • LẶP LẠI (DỰ ĐOÁN ĐƯỢC) • KIỂM SOÁT (CÔ LẬP) LỖI PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Biến đầu vào của thí nghiệm Các thí nghiệm vật lí thường các hệ số có thể nhận giá trị trong một khoảng nào đó. Có vô số điểm thực nghiệm trong miền qui hoạch Chọn những giá trị rời rạc của biến đầu vào • Loại bỏ các biến không cần thiết (phụ thuộc vào hiểu biết về đối tượng thực nghiệm) • Chọn lựa các biến đầu vào cần khảo sát để xây dựng ma trận kế hoạch thực nghiệm 2 biến đầu vào, n lặp lại thí nghiệm Hệ số A 1 2 j a H ệ số B 1 2 i yijk b n lần PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Các nguyên tắc chọn giá trị đầu vào • Chỉ thay đổi giá trị 1 biến trong khi giữ nguyên các biến còn lại. • Sự phân bố các giá trị cần được tìm hiểu trước. • Làm phức tạp dần mô hình (mối quan hệ giữa biến đầu vào và kết quả) • Đối chứng với nhiễu và bước thay đổi phải lớn hơn giới hạn đo của thiết bị. PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Hàmmục tiêu Khi thay đổi các biến đầu vào sẽ tác động lên đối tượng của thí nghiệm tuy nhiên sự thay đổi nội tại bên trong đối tượng được biểu hiện ra bên ngoài bởi nhiều tính chất khác nhau. Vì vậy để đánh giá kết quả chúng ta phải chọn hàm mục tiêu phụ hợp với những thông tin mà ta quan tâm. Yêu cầu • Đại diện cho một tính chất của đối tượng nghiên cứu mà ta quan tâm • Có khả năng đo được • Đủ nhậy với sự thay đổi của biến đầu vào PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Tips • Chọn các giá trị đầu vào thay đổi lớn và đặc trưng cho toàn miền thực nghiệm (đo thô) • Bổ sung những giá trị mà ta quan tâm khi đã có kết quả sơ bộ. (bổ sung thêm điểm thực nghiệm ở vùng hàm mục tiêu biến đổi nhanh) • Thông thường mối quan hệ giữa biến đầu vào và hàm mục tiêu là một hàm liên tục. PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Ví dụ về tracking dữ liệu PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Ví dụ về tracking dữ liệu PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Kết quả thực nghiệm Kết quả mô phỏng PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Thu thập dữ liệu Lên phương án thí nghiệm Tiến hành đo đạc, thu thập dữ liệu thôi Lập bảng thống kê dữ liệu PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Thu thập dữ liệu Lên phương án thí nghiệm Lập bảng dữ liệu Tiến hành đo đạc, thu thập dữ liệu PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Thu thập dữ liệu Hệ số A 1 2 3 4 5 6 H ệ số B 0 y41 2,5 y42 5 y13 y23 y33 y43 y53 y63 7,5 y44 10 y45 • Thực hiện các phép đo ở khu vực trung tâm • Bổ sung các phép đo ở vùng dữ liệu mà hàm mục tiêu biến đổi mạnh PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Thu thập dữ liệu Hệ số A 1 2 3 4 5 6 H ệ số B 0 y41 2,5 y12 y22 y32 y42 y52 y62 5 y13 y23 y33 y43 y53 y63 7,5 y44 10 y45 • Thực hiện các phép đo ở khu vực trung tâm • Bổ sung các phép đo ở vùng dữ liệu mà hàm mục tiêu biến đổi mạnh PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Xử lí dữ liệu Xử lí dữ liệu 1. Nếu dữ liệu thô là kết quả của một phép đo (ví dụ: Raman, X-ray, ) thì cần vẽ lại 2. Lượng hoá những thông số quan trọng 3. Biểu diễn bằng đồ thị sự phụ thuộc của tín hiệu đầu ra với biến đầu vào. Dữ liệu thô có thể chỉ là một thông số của hệ, nhưng cũng có thể là kết quả của một phép đo phức tạp. Vì vậy cần phải xử lí dữ liệu để làm nổi bật lên thông tin cần thiết PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Ví dụ về xử lí dữ liệu Biến đầu vào? PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Ví dụ về xử lí dữ liệu Khi pha tạp Gd vào vật liệu Bi2WO6 thì kích thước mạng thay đổi hay không? Hằng số mạng 0% 1% 2.5% 5% 7.5% 10% a (Å) 5.446 5.443 5.436 5.435 5.435 5.435 b (Å) 16.434 16.425 16.416 16.416 16.415 16.414 c (Å) 5.451 5.441 5.4365 5.437 5.438 5.437 PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Ví dụ về xử lí dữ liệu Khi pha tạp Gd vào vật liệu Bi2WO6 thì kích thước mạng thay đổi mạnh hay yếu? PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Ví dụ về xử lí dữ liệu PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Ví dụ về xử lí dữ liệu Gd 2.5% Gd 0% PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Ví dụ về xử lí dữ liệu !!!! Thời gian (phút) Cần phải thay bằng đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa thông số đầu vào và hàm mục tiêu PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2019 Ở mức độ cao hơn cần xử lí dữ liệu và tuyến tính hoá để mô tả được qui luật phụ thuộc này một cách trực quan