Bài giảng thiết kế thí nghiệm (dùng cho giảng dạy cao học các ngành chăn nuôi, nuôi trồng thuỷ sản công nghệ thực phẩm)

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CHĂN NUÔI ***** BÀI GIẢNG THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM (Dùng cho giảng dạy cao học ngành Chăn nuôi, Nuôi trồng thuỷ sản & Công nghệ thực phẩm) ĐỖ ĐỨC LỰC & HÀ XUÂN BỘ Hà Nội, 2016 MỤC LỤC Chương Nguyên tắc thiết kế thí nghiệm 1.1 Ý nghĩa, tầm quan trọng, nguyên tắc thiết kế thí nghiệm 1.2 Phân loại thí nghiệm 1.2.1 Thí nghiệm quan sát 1.2.2 Thí nghiệm thực nghiệm 1.3 Một số khái niệm thiết kế thí nghiệm 1.3.1 Yếu tố thí nghiệm 1.3.2 Mức 1.3.3 Nghiệm thức (cơng thức thí nghiệm) 1.3.4 Đơn vị thí nghiệm 1.3.5 Dữ liệu (số liệu) 1.3.6 Khối 1.3.7 Lặp lại 1.3.8 Nhắc lại 1.3.9 Nhóm đối chứng 1.4 Các bước tiến hành thí nghiệm 1.5 Sai số thí nghiệm 1.6 Bố trí động vật vào nghiệm thức 1.6.1 Sự cần thiết phân chia ngẫu nhiên 1.6.2 Các phương pháp phân chia ngẫu nhiên 1.7 Phương pháp làm mù 1.8 Tăng độ xác ước tính 1.8.1 Lặp lại 1.8.2 Kỹ thuật khối 1.8.3 Kỹ thuật cặp (đôi) 1.9 Dung lượng mẫu cần thiết 1.10 Bài tập 17 Chương Phân tích số liệu thí nghiệm chăn ni 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 MƠ 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 khởi động phần mềm Minitab 16 29 2.1.4.3 Cửa sổ làm việc Minitab 16 29 i 2.1.4.4 TĨM 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 đơi giá trị trung bình 41 2.2 Thiết kế thí nghiệm yếu tố phân tích số liệu 44 2.2.1 Thí nghiệm nhân tố hồn tồn ngẫu nhiên 44 2.2.2 Thí nghiệm yếu tố khối ngẫu nhiên đầy đủ 47 2.2.2.1 Thí nghiệm khối ngẫu nhiên đầy đủ với 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 hốn vị (cross over) 54 2.2.4 Thí nghiệm kiểu vng La tinh 59 2.3 Thiết kế thí nghiệm nhân tố phân tích số liệu 67 2.3.1 Thí nghiệm yếu tố chéo 67 2.3.2 Thí nghiệm hai nhân tố phân cấp (nested design) 70 2.3.3 Thí nghiệm 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 Tương quan hồi quy 104 3.1 TƯƠNG QUAN 104 3.2 HỒI QUY .106 3.2.1 Hồi quy tuyến tính đơn đa biến 106 3.2.2 Lựa chọn mơ hình hồi quy tốt 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 Kiểm định so sánh tỷ lệ 136 4.1 So sánh tỷ lệ 136 Kiểm định phù hợp 140 Chương Phân tích phương sai phi tham số 143 ii Thiết kế thí nghiệm Chương Nguyên tắc thiết kế thí nghiệm 1.1 Ý nghĩa, tầm quan trọng, nguyên tắc thiết kế thí nghiệm Một thí nghiệm thiết kế để đảm bảo yêu cầu khoa học cần phải có tính hệ thống đảm bảo tính khách quan Khi tiến hành thí nghiệm khơng cần thiết phải khảo sát toàn cá thể quần thể mà cần chọn số lượng định (dung lượng mẫu định) đại diện cho quần thể Tuy nhiên, việc chọn dung lượng mẫu lớn gây lãng phí tài chính, nhân lực sở vật chất, ngược lại chọn dung lượng mẫu làm cho kết nghiên cứu thiếu độ tin cậy hay kết không xác Do đó, thiết kế thí nghiệm cần đạt hai mục tiêu: i) tìm hiểu phát ảnh hưởng nhiều yếu tố thí nghiệm nhằm tìm vấn đề khẳng định lại bác bỏ kết nghiên cứu trước ; ii) sử dụng tài chính, nhân lực sở vật chất cách hiệu để tìm câu trả lời cho số vấn đề đặt rút kết luận tượng Theo nghĩa hẹp, thí nghiệm thiết kế môi trường quản lý nhằm nghiên cứu ảnh hưởng hay nhiều yếu tố lên quan sát Các mơ hình phân tích thống kê cần có nguyên liệu đầu vào liệu Kết phân tích từ mơ hình phân tích thống kê có giá trị mặt khoa học liệu thu thập phương pháp từ thí nghiệm thiết kế có tính hệ thống đảm bảo tính khách quan với hiệu cao Do đó, thiết kế thí nghiệm đóng vai trị quan trọng thành cơng hay thất bại cơng trình nghiên cứu Một thí nghiệm thiết kế có tính hệ thống, đảm bảo tính khách quan phương pháp đạt nửa thành cơng Khi tiến hành thiết kế thí nghiệm để đảm bảo yêu cầu khoa học cần phảm đảm bảo nguyên tắc bản: ngẫu nhiên (randomization), lặp lại (replication) phân nhóm (blocking) Nguyên tắc thứ nhất: ngẫu nhiên Khi tiến hành nghiên cứu, việc khảo sát toàn quần thể tốn (thời gian, tài chính, nhân lực sở vật chất), khơng thực tế khó khả thi Do đó, việc lấy phần quần thể (lấy mẫu) tiết kiệm (thời gian, tài chính, nhân lực sở vật chất), thực tế khả thi Khi lấy mẫu từ quần thể, yêu cầu quan trọng mẫu lấy từ quần thể phải đảm bảo tính đại diện cho quần thể Ví dụ: quần thể lợn Piétrain kháng stress có 1000 con, có 50% lợn đực 25% lợn mang kiểu gen halothane đồng hợp tử trội (CC) Tiến hành thí nghiệm chọn mẫu 100 Việc lấy mẫu để đảm bảo tính đại diện chọn khoảng 50 lợn đực 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 phương án tối ưu Sau chọn dung lượng mẫu cần thiết cho cơng trình nghiên cứu, việc chia ngẫu nhiên đơn vị thí nghiệm cơng thức thí nghiệm cách khách quan nhằm cân đối đặc điểm đối tượng nghiên cứu cơng thức thí nghiệm Kết phân tích từ mơ hình phân tích thống kê đảm bảo tính phù hợp việc chọn mẫu phải thực ngẫu nhiên, mơ hình phân tích thống kê dựa giả định đối tượng chọn ngẫu nhiên từ quần thể Chương Nguyên tắc thiết kế thí nghiệm Nguyên tắc thứ hai: lặp lại Một thí nghiệm thực lại với nội dung, số lượng cơng thức thí nghiệm, điều kiện tương tự phương pháp mô tả phải đạt kết tương tự Các tiêu quan trắc có độ tin cậy cao tiêu quan trắc lặp lại nhiều lần Kết luận rút từ tiêu quan trắc có độ tin cậy cao kết luận chắn có giá trị cao Nguyên tắc thứ ba: phân nhóm Khi dung lượng mẫu lớn, việc ngẫu nhiên giúp cân đối đặc điểm đối tượng nghiên cứu cơng thức thí nghiệm Tuy nhiên, dung lượng mẫu nhỏ, việc ngẫu nhiên khơng có hiệu Do đó, việc phân nhóm đảm bảo tính cân đối đặc điểm đối tượng nghiên cứu cơng thức thí nghiệm trường hợp dung lượng mẫu nhỏ Bên cạnh nguyên tắc trên, thiết kế thí nghiệm cịn phải đảm bảo u cầu sai khác Trong thí nghiệm yếu tố phép sai khác yếu tố thí nghiệm, cịn yếu tố khác (yếu tố phi thí nghiệm) đồng tốt Ví dụ: Thí nghiệm tiến hành nhằm đánh giá ảnh hưởng phương pháp cho ăn đến suất sinh sản gà mái đẻ trứng thương phẩm Hisex Brown Tổng số 240 gà chia hồn tồn ngẫu nhiên 60 chuồng với phương pháp cho ăn: định mức tự Yêu cầu sai khác thí nghiệm hiểu là: Phương pháp cho ăn (yếu tố thí nghiệm) khác nhau, cịn các yếu tố như: giống, tuổi, khối lượng, thức ăn, chế độ chăm sóc ni dưỡng (các yếu tố phi thí nghiệm), đảm bảo đồng 1.2 Phân loại thí nghiệm Theo mức độ quy mơ, thí nghiệm chia thành loại: 1) Thí nghiệm thăm dị; 2) Thí nghiệm thức; 3) Thí nghiệm thực điều kiện sản xuất Theo chất thí nghiệm, thí nghiệm chia thành hai loại: 1) thí nghiệm quan sát, 2) thí nghiệm thực nghiệm Trong phần thiết kế thí nghiệm giáo trình này, chúng tơi tập trung vào thí nghiệm thực nghiệm Trong chăn ni, thú y, thuỷ sản thí nghiệm thường tập trung vào lĩnh vực: 1) nghiên cứu dịch tễ học (nghiên cứu cắt ngang, nghiên cứu hồi cứu nghiên cứu tiến cứu) biện pháp phòng, điều trị bệnh; 2) nghiên cứu dinh dưỡng, suất di truyền vật nuôi thuỷ sản 1.2.1 Thí nghiệm quan sát Trong thí nghiệm quan sát, ta đơn quan sát động vật thí nghiệm ghi lại liệu liên quan đến tính trạng quan tâm Chúng ta không tác động để can thiệp vào tồn đối tượng quan sát Trong loại thí nghiệm quan sát, động vật khơng thể bố trí cách ngẫu nhiên nghiệm thức Điều tra trường hợp đặc biệt thí nghiệm quan sát Trong điều tra, tiến hành kiểm tra toàn nhóm động vật để tìm giá trị tham số khác quần thể Điều tra trường hợp sau : 1) Điều tra quần thể - tiến hành kiểm tra tất động vật quần thể 2) Điều tra mẫu - tiến hành kiểm tra nhóm động vật đại diện dựa vào kết điều tra ta rút kết luận cho quần thể Thiết kế thí nghiệm + Ưu điểm: Ít tốn thời gian, tài chính, nhân lực sở vật chất + Hạn chế: Chỉ tiến hành nghiên cứu yếu tố có khơng kiểm sốt kiểm sốt yếu tố phi thí nghiệm Do đó, độ tin cậy thí nghiệm quan sát thường thấp hay độ xác thí nghiệm quan sát khơng cao 1.2.2 Thí nghiệm thực nghiệm Trong thí nghiệm thực nghiệm, can thiệp vào nghiên cứu cách áp dụng cơng thức thí nghiệm khác lên nhóm động vật nghiên cứu Sau tiến hành quan sát ảnh hưởng cơng thức thí nghiệm lên đối tượng nghiên cứu Đối với loại thí nghiệm này, động vật bố trí cách ngẫu nhiên cơng thức thí nghiệm trình thiết kế + Ưu điểm: - Chủ động tiến hành nghiên cứu ảnh công thức thí nghiệm lên đối tượng nghiên cứu - Kiểm sốt yếu tố phi thí nghiệm + Nhược điểm: - Tốn thời gian, tài chính, nhân lực sở vật chất Thí nghiệm thực nghiệm chia thành hai loại: thí nghiệm nhân tố thí nghiệm nhiều nhân tố - Thí nghiệm nhân tố: thí nghiệm có yếu tố thí nghiệm + Ưu điểm: - Đơn giản, dễ làm, số lượng cơng thức thí nghiệm khơng lớn dễ xử lý số liệu + Hạn chế: - Phạm vi ứng dụng hạn chế, không đánh giá tương tác yếu tố khơng tìm tổ hợp ưu việt mức nhân tố thí nghiệm với - Thí nghiệm nhiều nhân tố: thí nghiệm có từ hai hay nhiều yếu tố thí nghiệm trở lên + Ưu điểm: - Phạm vi ứng dụng rộng, đánh giá tương tác yếu tố xác định tổ hợp ưu việt mức nhân tố thí nghiệm với + Hạn chế: - Phức tạp, nhiều công thức thí nghiệm khó khăn việc xử lý số liệu 1.3 Một số khái niệm thiết kế thí nghiệm 1.3.1 Yếu tố thí nghiệm Yếu tố thí nghiệm biến độc lập gồm hàng loạt phần tử có chung chất mà so sánh q trình thực thí nghiệm Ví dụ giống vật nuôi, kiểu gen Halothane lợn, hàm lượng protein phần, thuốc kháng sinh, vắc xin phịng điều trị bệnh,… Một thí nghiệm có nhiều yếu tố thí nghiệm yếu tố thí nghiệm yếu tố cố định yếu tố ngẫu nhiên 1.3.2 Mức Các phần tử riêng biệt khác yếu tố thí nghiệm gọi mức Ví dụ ta có yếu tố thí nghiệm kiểu gen Halothane lợn ta có phần tử khác tương ứng với kiểu gen (NN, Nn, nn) hay gọi mức Hoặc nghiên cứu ảnh hưởng protein đến sản lượng sữa bị ta nghiên cứu mức protein khác Trong thú Chương Nguyên tắc thiết kế thí nghiệm y, nhà nghiên cứu hiệu điều trị bệnh loại thuốc khác ; coi loại thuốc tương đương với mức 1.3.3 Nghiệm thức (cơng thức thí nghiệm) Một tổ hợp mức nhân tố gọi nghiệm thức hay cơng thức thí nghiệm Ví dụ nghiên cứu ảnh hưởng protein mức khác đến sản lượng sữa bò, trường hợp ta có cơng thức Ta xét hồn cảnh tương tự có thêm yếu tố thứ thức ăn tinh mức, lúc có tất cơng thức thí nghiệm 1.3.4 Đơn vị thí nghiệm Đơn vị thực nhỏ ứng với công thức gọi đơn vị thí nghiệm Đơn vị thí nghiệm chăn ni, thú y thường động vật nhóm động vật, ví dụ nghiên cứu tiêu tốn thức ăn kg tăng trọng, thực tế ta theo dõi lượng thức ăn thu nhận vật nuôi mà ta biết số thức ăn thu nhận nhóm gồm nhiều cá thể khác Tức từ nhóm cá thể ta có quan sát nhất, điều mà nhà nghiên cứu cần phải ý 1.3.5 Dữ liệu (số liệu) Nếu đơn vị thí nghiệm cá thể sau cân, đo ta liệu (data) hay quan sát (observation) Nếu đơn vị nhóm gồm nhiều cá thể cân, đo chung cho nhóm lấy số cá thể định nhóm để cân, đo sau suy liệu chung cho đơn vị thí nghiệm Các số liệu nhóm lưu trữ để đánh giá sai số đơn vị thí nghiệm 1.3.6 Khối Tập hợp đơn vị thí nghiệm có chung hay nhiều đặc tính gọi khối 1.3.7 Lặp lại Mỗi công thức, trừ trường hợp đặc biệt , lặp lại số lần định Số lần lặp lại thường chọn nhìn chung, nhiều mơ hình, lần lặp công thức đưa cơng thức tính thuận tiện đơn giản Nếu số lần lặp không phải sử dụng cách tính theo mơ hình hồi quy nhiều biến tổng quát phức tạp, kèm theo việc kiểm định giả thiết, đặc biệt việc tính kỳ vọng trung bình bình phương, gặp nhiều khó khăn Trong thực tế, số lần lặp q trình thí nghiệm ta thu thập đầy đủ liệu có số động vật bị chết bị loại thải không đáp ứng yêu cầu thí nghiệm Số lượng động vật thí nghiệm sống sót đến kết thúc thí nghiệm phụ thuộc vào loại thí nghiệm lồi vật ni khác Nếu liệu, tìm cách thay liệu bị tổ hợp liệu cịn lại theo cơng thức cụ thể, kèm theo điều chỉnh bậc tự tương ứng ; ngược lại, phải coi số lần lặp khác dùng mơ hình hồi quy tổng quát 1.3.8 Nhắc lại Nhắc lại làm lại thí nghiệm điều kiện tương tự để kết luận đạt mức độ tin cậy Thiết kế thí nghiệm 1.3.9 Nhóm đối chứng Là nhóm động vật thí nghiệm tạo q trình bố trí thí nghiệm ni dưỡng, chăm sóc điều kiện bình thường có 1.4 Các bước tiến hành thí nghiệm Một thí nghiệm thường bố trí mơ tả qua bước sau : 1) Đặt vấn đề, 2) Phát biểu giả thiết, 3) Mô tả thiết kế thí nghiệm, 4) Thực thí nghiệm (thu thập số liệu), 5) Phân tích số liệu thu thập từ thí nghiệm 6) Giải thích kết liên quan đến giả thiết Lập kế hoạch cho thí nghiệm bắt đầu việc nêu lên vấn đề cấp thiết ; bên cạnh tập hợp tài liệu liên quan bao gồm nghiên cứu trước đó; tiếp đến nêu lên hướng giải vấn đề Sau vấn đề vừa nêu, mục đích nghiên cứu xác định Mục đích nghiên cứu phải rõ ràng bước q trình thiết kế thí nghiệm phụ thuộc vào mục đích đặt Bước xác định nguyên liệu phương pháp phương pháp nghiên cứu Thiết kế thí nghiệm phải mơ tả số liệu thu thập Số liệu thu thập từ nghiên cứu quan sát từ trình tự nhiên từ thí nghiệm bố trí mơi trường thí nghiệm Nếu biết thông tin thu thập cách sử dụng để thu thập số liệu này, việc rút kết luận dễ dàng hiệu nhiều Điều với thí nghiệm quan sát thí nghiệm thực nghiệm ; đồng thời quan trọng để phát thông tin bất ngờ dẫn đến kết luận Đối với nhà thống kê, thiết kế thí nghiệm đặt tiêu chuẩn để sử dụng chọn mẫu Đối với thí nghiệm thực nghiệm việc thiết kế thí nghiệm bao gồm: xác định nghiệm thức, xác định đơn vị thí nghiệm, số lần lặp lại, việc bố trí đơn vị vào nghiệm thức, sai số thí nghiệm mắc phải Giả thiết thống kê thường theo sau giả thiết nghiên cứu Chấp nhận hay bác bỏ giả thiết thống kê giúp tìm câu trả lời cho mục đích nghiên cứu Trong kiểm định giả thiết nhà thống kê sử dụng mơ hình thống kê Mơ hình thống kê theo sau mơ hình thí nghiệm thường giải thích với cơng thức tốn học Thu thập số liệu thực theo thiết mơ hình thiết kế thí nghiệm Phân tích thống kê tiến hành sau thu thập số liệu bao gồm phân tích, miêu tả giả thích kết Mơ hình sử dụng phân tích xây dựng dựa mục đích mơ hình thí nghiệm Thơng thường cách phân tích số liệu xác định trước thu thập số liệu ; lại xác định sau thu thập số liệu người nghiên cứu tìm cách tốt để rút kết luận xác định khía cạnh liên quan đến vấn đề nghiên cứu Cuối cùng, người nghiên cứu phải có khả rút kết luận để hoàn thiện mục tiêu nghiên cứu Kết luận phải rõ ràng xác Người nghiên cứu phải thảo luận ứng dụng vào thực tế nghiên cứu đồng thời nêu khả đặt tương lai liên quan đến vấn đề tương tự 1.5 Sai số thí nghiệm Bản chất vật liệu sinh học biến động Toàn biến động phân chia thành phần biến động giải thích khơng giải thích Mỗi đơn vị thí nghiệm (yij) biểu diễn sau : yij = i + eij Chương Ngun tắc thiết kế thí nghiệm Trong đó,  giá trị ước tính miêu tả ảnh hưởng giải thích nhóm thứ i e ij ảnh hưởng khơng giải thích Vì vậy, quan sát (yij) khác nguyên nhân ảnh hưởng giải thích nhóm (i) khác ảnh hưởng khơng giải thích (eij) khác Ước tính i giải thích ảnh hưởng nhóm i, khác đơn vị thí nghiệm nhóm khơng thể giải thích Biến động thường gọi sai số thí nghiệm Sai số thí nghiệm bao gồm dạng sau : sai số ngẫu nhiên sai số hệ thống Sai số hệ thống ảnh hưởng định làm lệch giá trị đo nghiên cứu Sai số xuất phát từ thiếu đồng trình thực thí nghiệm, dụng cụ thí nghiệm khơng hiệu chỉnh, ảnh hưởng nhiệt độ không ổn định, thiên lệch trình sử dụng thiết bị Nếu thiên lệch phát hiệu chỉnh biện pháp hiệu Chúng đặc biệt khó giải khơng phát chúng ảnh hưởng lên giá trị cách có hệ thống khơng biết theo xu hướng Sai số ngẫu nhiên xuất tác động ngẫu nhiên, khơng dự đốn Chúng tạo biến động khơng giải thích Kỳ vọng biến động có loạt quan sát tính tốn dựa vào trung bình khơng bị thiên lệch hướng Trong sinh học tồn sai số ngẫu nhiên ví dụ chăn ni, động vật đo hay phân tích tiêu đó, ln cho kết khác khơng lớn Để giảm sai số có hệ thống thiên lệch ta xem xét giải pháp sau đây: 1) Bố trí động vật vào nghiệm thức 2) Phương pháp làm mù 1.6 Bố trí động vật vào nghiệm thức 1.6.1 Sự cần thiết phân chia ngẫu nhiên Sự thiên lệch xuất q trình phân chia động vật vào nghiệm thức Sự thiên lệch yếu tố chủ quan Ví dụ phân chia động vật vào nghiệm thức theo sở thích chủ quan (thích nghiệm thức bố trí động vật ‘tốt ‘, khơng thích bố trí động xấu’) có khác có hệ thống nhóm đối chứng nhóm thí nghiệm, lúc khơng thể kết luận sai khác sau thực thí nghiệm ảnh hưởng nghiệm thức hay khác có hệ thống Một phương pháp tiếp cận hay sử dụng để loại bỏ thiên lệch bố trí ngẫu nhiên hay cịn gọi ngẫu nhiên hố động vật thí nghiệm vào nghiệm thức Trong q trình bố trí phân động vật vào nghiệm thức với yêu cầu sau : a) Tất động vật thí nghiệm có hội nhận nghiệm thức b) Việc bố trí động vật vào nghiệm thức khơng ảnh hưởng đến việc bố trí động vật vào nghiệm thức khác c) Chúng ta trước nghiệm thức mà động vật phân vào Ngẫu nhiên hoá có số ưu điểm sau : a) Loại bỏ thiên lệch q trình bố trí động vật thí nghiệm b) Tạo giống nhóm Thiết kế thí nghiệm 1.6.2 Các phương pháp phân chia ngẫu nhiên Tốt tránh sử dụng phương pháp học tung đồng xu ném súc sắc để bố trí động vật nghiệm thức Mặc dù phương pháp mặt xác suất chấp nhận để tạo ngẫu nhiên, cồng kềnh khơng kiểm tra Thông thường, bảng số ngẫu nhiên sử dụng để phân động vật với nghiệm thức Ngồi ta sử dụng máy tính để tạo số ngẫu nhiên Khi thiết kế thí nghiệm, số đơn vị thí nghiệm thường nghiệm thức a) Phân chia ngẫu nhiên đơn giản Đây cách ngẫu nhiên hố khơng có phân biệt hạn chế Ví dụ tiến hành phân 12 động vật thí nghiệm đánh số từ đến 12 cơng thức thí nghiệm (đối chứng - C thí nghiệm - T) Tiến hành chọn số ngẫu nhiên từ bảng số ngẫu nhiên phần phụ lục Giả sử ta lấy 10 số có chữ số hàng ; ta dãy số ngẫu nhiên sau 813766407765 Nếu số ngẫu nhiên số chẵn động vật phân với C số lẻ với T Đơn vị thí nghiệm số 10 11 12 Số ngẫu nhiên 6 7 Công thức C T T T C C C C T T C T Có thể tiến hành bước tương tự thí nghiệm có số nghiệm thức nhiều Ví dụ có nghiệm thức A, B C, chọn số 1-3, 4-6 7-9 tương ứng với nghiệm thức bỏ qua số Tương tự ví dụ ta có dãy số ngẫu nhiên 8137664077652 kết thu CAACBBBCCBBA Trong trường hợp này, ngẫu nhiên không tn thủ có 3A, 5B 4C Cách phân chia ngẫu nhiên hạn chế đưa nhằm khắc phục hạn chế b) Phân chia ngẫu nhiên theo khối Phân chia ngẫu nhiên đơn giản dựa nguyên tắc tất động vật tương đối đồng đều, động vật có hội vào nghiệm thức Tuy nhiên điều khơng cịn dung lượng mẫu lớn Căn vào tiêu chí lựa chọn cụ thể thí dụ lựa chọn theo lứa, theo tuổi, theo khối lượng, theo hành vi phân chia động vật thành số nhóm cho động vật nhóm tương đối đồng đều, sau chia ngẫu nhiên động vật nhóm vào nghiệm thức Đây cách phân chia ngẫu nhiên theo khối Ví dụ 1.1 : Nghiên cứu bệnh viêm khớp chó Tạo khối khác tương ứng với nhóm có khối lượng thể lớn, trung bình nhỏ Như biết khối lượng thể động vật ảnh hưởng đến mức độ mắc bệnh nghiệm thức Tức so sánh nghiệm thức có đề cập đến khối lượng thể c) Phân chia ngẫu nhiên hạn chế Nhìn chung, ta mong muốn có số đơn vị thí nghiệm nghiệm thức Kỹ thuật ngẫu nhiên đơn giản sử dụng để đạt điều dung lượng mẫu đủ lớn Tuy nhiên gặp thiếu cân dung lượng mẫu tương đối bé Điều Chương Nguyên tắc thiết kế thí nghiệm minh hoạ ví dụ phần phân chia ngẫu nhiên đơn giản với phân bố 3A, 5B 4C Có thể sử dụng kiểu phân chia ngẫu nhiên hạn chế để khắc phục hạn chế Ví dụ có 16 đơn vị thí nghiệm, cần chia nghiệm thức A, B, C D Ta chọn số 12, 3-4, 5-6, 7-8 tương ứng với nghiệm thức A, B C bỏ qua số Tương tự ta có dãy số ngẫu nhiên 81376640776529997742 kết DABDCCBDD Như đến số ngẫu nhiên thứ có đủ động vật với nghiệm thức D Các số ngẫu nhiên 7- bỏ qua đủ số lượng có động vật thí nghiệm với A, với B với C Tiếp theo ta có CC, số ngẫu nhiên thứ 11 đủ đơn vị cho công thức C Tương tự chắn số đơn vị thí nghiệm nghiệm thức Phân chia ngẫu nhiên theo khối thường dùng kết hợp với phân chia ngẫu nhiên giới hạn d) Phân chia ngẫu nhiên theo nhóm (Cluster) Thơng thường, động vật thí nghiệm coi đơn vị thí nghiệm Tuy nhiên chăn ni thú y, nhóm động vật coi đơn vị thí nghiệm Bởi thức ăn, thuốc vắc xin thường sử dụng cho nhóm động vật lứa, nuôi chuồng, bãi sử dụng cho đàn hay tất cá nuôi bể Trong trường hợp này, ta tiến hành sử dụng kỹ thuật ngẫu nhiên hố cho nhóm động vật thí nghiệm hay cịn gọi ngẫu nhiên hố theo nhóm Như tất động vật nhóm nhận nghiệm thức sau cần phải tập hợp kết nhóm để đánh giá ảnh hưởng nghiệm thức Lưu ý kiểu phân chia nhóm động vật coi đơn vị thí nghiệm Ví dụ 1.2 : Nghiên cứu tiêu tốn thức ăn kg tăng trọng lợn nuôi vỗ béo Về lý thuyết tiến hành quan sát lượng thức ăn mà lợn thu nhận ngày ; thực tế điều khó thực Ta quan sát lượng thức ăn tiêu tốn chuồng có ni khoảng 30 – 50 từ tính tiêu tốn thức ăn cho kg tăng trọng Ở ô chuồng nuôi 30 -50 coi đơn vị thí nghiệm Để nghiên cứu tiêu tốn thức ăn 1kg tăng trọng ta phải tiến hành thí nghiệm nhiều chuồng phải bắt thăm ô chuồng áp dụng cơng thức thí nghiệm 1.7 Phương pháp làm mù Trong phần nêu ta dùng kỹ thuật bố trí động vật vào cơng thức thí nghiệm kỹ thuật ngẫu nhiên hố để đảm bảo khơng có sai số có hệ thống Tuy nhiên thiên lệch xuất định kiến người trực tiếp thực người đánh giá Để đảm bảo thí nghiệm khơng có thiên lệch nêu ta sử dụng kỹ thuật làm mù Có kỹ thuật làm mù : 1) Kỹ thuật làm mù đơn 2) Kỹ thuật làm mù kép Kỹ thuật làm mù kép kỹ thuật mà người trực tiếp thực người đánh giá khơng biết thơng tin thí nghiệm Đối với kỹ thuật làm mù đơn, người trực tiếp thực người đánh giá thông tin thí nghiệm Để người trực tiếp thực khơng thể phân biệt khác nhóm đối chứng thí nghiệm, sử dụng vật nộm, vật giả vờ (placebo) Placebo vật mà bề ngồi giống hệt vật thí nghiệm, khác chất Placebo thường dùng nghiên cứu thuốc Thiết kế thí nghiệm 1.8 Tăng độ xác ước tính 1.8.1 Lặp lại Nhìn chung, số lượng đơn vị thí nghiệm lớn độ xác ước tính cao có nhiều hội để phát ảnh hưởng nghiệm thức tồn Chi tiết xác định dung lượng mẫu tối ưu trình bày chương chương Lặp lại tức tiến hành thu thập kiểu số liệu nhiều lần động vật hay đơn vị thí nghiệm Bằng cách ta phân tách biến động sinh học gây hay tác động nghiệm thức 1.8.2 Kỹ thuật khối Có thể sử dụng kỹ thuật nhóm đơn vị thí nghiệm cơng cụ bổ trợ để giảm biến động trình so sánh Tạo nhóm động vật (khối) tương đối đồng nhau, biến động ngẫu nhiên khối bé khối Tiến hành ngẫu nhiên hoá khối Trong q trình phân tích số liệu, phân tách biến động nghiệm thức gây với biến động khối gây Với cách tiếp cận theo kỹ thuật khối ta có ước tính xác Đối với kỹ thuật khối có mơ hình thiết kế thí nghiệm : 1) khối ngẫu nhiên đầy đủ, khối bố trí đầy đủ tất nghiệm thức 2) khối ngẫu nhiên không đầy đủ, khối khơng có đầy đủ nghiệm thức 1.8.3 Kỹ thuật cặp (đôi) Kỹ thuật cặp đề cập ta xem xét trường hợp có nghiệm thức (2 nhóm) nhóm có mối liên hệ với Nếu quan sát nhóm tạo thành cặp cá thể tham gia nhóm quan sát nhóm phải Với kỹ thuật cặp, so sánh nghiệm thức với thực cặp Sự biến động cặp bé cá thể không cặp, ước tính xác hợn Có kiểu cặp sau : 1) Cặp tự tạo - động vật tham gia cơng thức thí nghiệm 2) Cặp tự nhiên - động vật sinh đôi nhân 3) Cặp nhân tạo – tạo cặp với tiêu chí lựa chọn tương đối đồng nhất, ví dụ đồng tuổi, khối lượng, tiêu sinh lý, sinh hoá… 1.9 Dung lượng mẫu cần thiết Cần động vật thí nghiệm, khối, ô lớn, ô nhỏ? Đây câu hỏi thực khó Chúng ta xét số cách tiếp cận sau: Số động vật thí nghiệm phải đủ cho đặc tính riêng biệt cá thể khơng làm ảnh hưởng đến kết thí nghiệm Nếu số động vật thí nghiệm độ tin cậy kết thu từ thí nghiệm khơng cao Ngược lại, số động vật q nhiều gây lãng phí Để đạt độ xác cao khơng phải lúc cần số lượng động vật thí nghiệm lớn Nếu q nhiều động vật tham gia thí nghiệm gây nhiều khó khăn q trình theo dõi cá thể, khó khăn muốn tạo điều kiện đồng Chương Nguyên tắc thiết kế thí nghiệm thí nghiệm cho cá thể ví dụ cho động vật ăn khó khăn làm giảm độ xác mặt kỹ thuật thí nghiệm Dung lượng mẫu cần thiết phụ thuộc vào chất lượng động vật tham gia thí nghiệm Động vật tham gia thí nghiệm có độ đồng cao số lượng giảm xuống ngược lại Độ tuổi vật ni đóng vai trị quan trọng q trình chọn dung lượng mẫu Động vật non số lượng cần phải tăng lên ngược lại, bới loại động vật mức độ biến động lớn (cả mặt sinh lý ngoại hình) Ngồi ra, dung lượng mẫu cịn phụ thuộc vào loại vật ni ; loại vật ni có đặc điểm riêng trình thiết kế thí nghiệm phải ý đến yếu tố Cuối cùng, kết mong đợi thí nghiệm (sự chênh lệch cơng thức thí nghiệm) ảnh hưởng nhiều đến dung lượng mẫu Có thể phác sơ qua yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng mẫu sau: Yếu tố ảnh hưởng Dung lượngmẫu nhiều Biến động đàn nhiều Đối tượng nghiên cứu đại gia súc gia cầm Giai đoạn nghiên cứu đầu cuối Loại đề tài thức ăn Phương tiện tay có máy móc Nhân lực vật lực hạn chế nhiều giống phòng bệnh Trên tiêu chí để làm sở định chọn dung lượng mẫu Bên cạnh đó, để xác định số lượng động vật thí nghiệm cần thiết dựa phải dựa vào tiêu chí sau : 1.9.1 Số nghiệm thức Cách tiếp cận thứ để xác định dung lượng mẫu cần thiết dựa vào : 1) Số nghiệm thức (a) 2) Mức độ đồng tính trạng cần nghiên cứu (²) 3) Sai lầm loại I () loại II () Thông thường cơng trình nghiên cứu chấp nhận sai sót loại I khoảng 1% hay 5% (tức α = 0,01 hay 0,05) xác suất sai sót loại II khoảng β = 0,1 đến 0,2 (tức power = 0,8 – 0,9) 4) Chênh lệch bé giá trị trung bình để phát sai khác có (d) Đối với trường hợp ước tính giá trị trung bình Dung lượng mẫu cần thiết để giá trị trung bình cộng ước tính khác  khơng q d có phân phối chuẩn N(,2) mức tin cậy P = -  dựa vào công thức sau : 10 Thiết kế thí nghiệm n C  d2 Trong đó: C số liên quan α β; C = (Z1-α/2 + Z1-β)2; Bảng 1.1 5) Bảng 1.1 Bảng tham chiếu số C liên quan α β β = 0,2 β = 0,1 β = 0,05 (power = 0,8) (power = 0,9) (power = 0,95) 0,1 6,18 8,56 10,82 0,05 7,85 10,51 12,99 0,01 11,68 14,88 17,81 α Ví dụ 3.3: Cần quan sát bị sữa để ước tính suất chu kỳ tiết sữa 305 ngày với mức độ tin cậy 95% nằm khoảng ± 75kg so với giá trị thực quần thể Biết sản lượng sữa có phân bố chuẩn  = 500kg C   7,85  500   348,88 Cần thiết: n  d2 75 Như cần 349 bị sữa để thoả mãn điều kiện tốn Sử dụng Minitab 16 ước tính dung lượng mẫu trường hợp ước tính giá trị trung bình Power and Sample Size 1-Sample Z Test Testing mean = null (versus not = null) Calculating power for mean = null + difference Alpha = 0.05 Assumed standard deviation = 500 Difference 75 Sample Size 349 Target Power 0.8 Actual Power 0.800182 11 Chương Nguyên tắc thiết kế thí nghiệm Đối với trường hợp ước tính tỷ lệ Dung lượng mẫu cần thiết để tỷ lệ ước tính pˆ khác khơng q d so với tỷ lệ thực  Nếu biết tỷ lệ hành p (prevalance) kiểm định mức tin cậy P = -  dựa vào công thức sau : n ( z1 / )  p (1  p ) d2 Lưu ý: Tỷ lệ hành p tìm thơng qua tài liệu, nghiên cứu trước xuất phát từ kinh nghiệm hiểu biết người nghiên cứu Nếu tiến hành thí nghiệm khơng có thơng tin tỷ lệ lưu hành, ta chọn p = 0,5 Khi n ( z1 / ) 4d Ví dụ 3.4: Cần dung lượng mẫu để xác định tỷ lệ nhiễm loại vi khuẩn thân thịt lợn lò mổ với ước tính chênh lệch khơng q 5% Biết tỷ lệ hành p = 0,2 kiểm định mức tin cậy 95% Cần thiết n  ( z1 / )  p(1  p) 1,96  0,2  (1  0,2)   245,86 d2 0,05 Như cần khảo sát 246 thân thịt Đối với trường hợp so sánh giá trị trung bình Dung lượng mẫu cần thiết (đối với nghiệm thức) để phát sai khác chênh lệch giá trị trung bình d, sai lầm loại I loại II mức tương ứng   Giả sử số liệu có phân bố chuẩn Phương sai tính trạng nghiên cứu ² n z  z1   1 / d² 2 ² Ví dụ 3.5: Muốn thiết kế thí nghiệm để so sánh sản lượng sữa dê Bách Thảo cơng thức thí nghiệm với yêu cầu  = 0,05;  = 0,2; chênh lệch mong đợi 30 kg sữa biết  = 50 kg Cần thiết n  z  z1  1  / d² 2 ²  1,96  0,84 2 250 ²  43,55 30² Như cần 44 dê cho cơng thức thí nghiệm Sử dụng Minitab 16 ước tính dung lượng mẫu trường hợp so sánh giá trị trung bình 12 Thiết kế thí nghiệm Power and Sample Size 2-Sample t Test Testing mean = mean (versus not =) Calculating power for mean = mean + difference Alpha = 0.05 Assumed standard deviation = 50 Difference 30 Sample Size 45 Target Power 0.8 Actual Power 0.803697 The sample size is for each group Đối với trường hợp so sánh hai tỷ lệ Dung lượng mẫu cần thiết để so sánh tỷ lệ là:  z / n 2p(1  p)  z p1 (1  p1 )  p (1  p )  2 Trong đó: n = dung lượng mẫu cần thiết p1 = tỷ lệ mắc bệnh hành quần thể thứ p2 = tỷ lệ mắc bệnh dự đoán quần thể thứ p= (p1+p2)/2 Z(/2) = Giá trị z mức tương ứng 1-/2 ( – xác suất mắc sai lầm loại I) Z( = Giá trị z mức tương ứng  ( – xác suất mắc sai lầm loại II) 13 Chương Nguyên tắc thiết kế thí nghiệm Ví dụ 3.6: Một tiến cứu tiến hành để nghiên cứu tỷ lệ tổn thương núm vú bò sữa hệ thống vắt sữa tự động (A) hệ thống bình tay (B) Thời gian nghiên cứu tiến hành 12 tháng với dự đoán tỷ lệ tổn thương hệ thống B 34,5% (p1 = 0,345);  = 0,05;  = 0,20; n1 = n2 Biết tỷ lệ tổn thương hệ thống vắt sữa tự động 15% (p2 = 0,15) Hãy tính dung lượng mẫu cần thiết nhóm để thoả mãn điều kiện toán Cần thiết 1,96 n 2*0, 25(1  0, 25)  0,84 0,345(1  0,345)  0,15(1  0,15) 0,1952   76 Như cần 76 bị sữa cho nhóm Sử dụng Minitab 16 ước tính dung lượng mẫu trường hợp so sánh hai tỷ lệ Power and Sample Size Test for Two Proportions Testing comparison p = baseline p (versus not =) Calculating power for baseline p = 0.15 Alpha = 0.05 Comparison p 0.345 Sample Size 76 Target Power 0.8 Actual Power 0.801595 The sample size is for each group Trường hợp so sánh nhiều giá trị trung bình Các trường hợp ước tính cỡ mẫu sử dụng phương pháp ước tính trực tiếp Tuy nhiên, trường hợp so sánh nhiều giá trị trung bình sử dụng phương pháp ước tính gián tiếp + Gọi số trung bình g nhóm µ1, µ2, …, µg 14 Thiết kế thí nghiệm g + Tính trung bình chung:     gi i 1 g + Tính tổng bình phương: SS   (i  )2 i 1 + Tính giá trị:   SS (g  1)2 + Tìm giá trị F* = F(α, u, v), đó: u = g – v = g(n – 1) Thay giá trị g, λ, F* dung lượng mẫu (n) để cho Zβ đáp ứng yêu cầu độ mạnh phép thử (Power) đạt tối thiểu 0,8 0,9 z  (g  1)(1  n)F*  g(n  1)(1  2n) x   *    g(n  1)  2(g  1)(1  n)  (1  2n)   F (g  1)(1  n)(2g(n  1)  1)    Ví dụ 3.7: Thiết kế thí nghiệm để so sánh tăng khối lượng (g) gà phần thức ăn (A, B, C, D) Các giá trị trung bình chọn là: µA= 79, µB = 71, µC = 80, µD= 102, với α = 0,05 1- β = 0,8; biết σ2 = 352 Cần gà tham gia thí nghiệm này? g - Tính trung bình chung:     gi  (79  71  80  102)  83 i 1 - Tính tổng bình phương: SS   (i  )2  (79  83)2  (71  83)2  (80  83)2  (102  83)2  530 i 1 - Tính giá trị:   SS (g  1)  530 (4  1)*352  0,144 - Thay giá trị dung lượng mẫu để thoả mãn điều kiện Zβ đáp ứng yêu cầu độ mạnh phép thử (Power) đạt tối thiểu 0,8 + n = => F* = F(0,05, 3, 0) => không xác định giá trị F* => n = không thoả mãn yêu cầu + n = => F* = F(0,05, 3, 4) = 6,591 z  (4  1)(1  2*0,144) *6,591  4(2  1)(1  2* 2*0,144) x      4(2  1)  2(4  1)(1  2*0,144)  (1  2* 2*0,144)   6,591(4  1)(1  2*0,144)(2* 4(2  1)  1)    z  1,34159 => Power = 0,0898 (8,98%) < 0,8 (80%) => n = không thoả mãn yêu cầu + n = 3, 4, 5, … + n = 10 => F* = F(0,05, 3, 36) = 2,866 15 Chương Nguyên tắc thiết kế thí nghiệm z  3*(1  10*0,144) * 2,866  4*9*(1  2*10*0,144) x      4*9*  2*3*(1  10*0,144)  (1  2*10*0,144)   2,866*3* (1  10*0,144)(2* 4*9* 1)    z  0,37255 => Power = 0,3547 (35,47%) < 0,8 (80%) => n = 10 không thoả mãn yêu cầu + n = 11, 12, 13, … + n = 20 => F* = F(0,05, 3, 76) = 2,724 z  3*(1  20*0,144) * 2, 724  4*19*(1  2* 20*0,144) x      4*19*  2*3*(1  20*0,144)  (1  2* 20*0,144)   2, 724*3*(1  20*0,144)(2* 4*19  1)    z  0, 4510 => Power = 0,6740 (67,40%) < 0,8 (80%) => n = 20 không thoả mãn yêu cầu + n = 21, 22, 23, … + n = 25 => F* = F(0,05, 3, 96) = 2,699 z  3*(1  25*0,144) * 2, 699  4* 24*(1  2* 25*0,144) x      4* 24*  2(4  1)(1  25*0,144)  (1  2* 25*0,144)   2, 699* 3*(1  25*0,144)(2* 4* 24  1)    z  0, 78326 => Power = 0,78326 (78,32%) < 0,8 (80%) => n = 25 không thoả mãn yêu cầu + n = 26 => F* = F(0,05, 3, 100) = 2,695 z  3*(1  26*0,144) * 2, 695  4* 25*(1  2* 26*0,144) x      4* 25*  2*3*(1  26*0,144)  (1  2* 26*0,144)   2, 695*3 *(1  26*0,144)(2* 4* 25* 1)    z  0,84564 => Power = 0,80112 (80,11%) > 0,8 (80%) => n = 26 thoả mãn yêu cầu Như vậy, dung lượng mẫu cần thiết cho nhóm 26 gà Tổng số gà tham gia thí nghiệm là: x 26 = 104 Sử dụng Minitab 16 ước tính dung lượng mẫu trường hợp so sánh nhiều giá trị trung bình 16 ... 143 ii Thiết kế thí nghiệm Chương Nguyên tắc thiết kế thí nghiệm 1.1 Ý nghĩa, tầm quan trọng, nguyên tắc thiết kế thí nghiệm Một thí nghiệm thiết kế để đảm bảo u cầu khoa học cần phải có... thí nghiệm chia thành loại: 1) Thí nghiệm thăm dị; 2) Thí nghiệm thức; 3) Thí nghiệm thực điều kiện sản xuất Theo chất thí nghiệm, thí nghiệm chia thành hai loại: 1) thí nghiệm quan sát, 2) thí. .. nghiệm quan sát, 2) thí nghiệm thực nghiệm Trong phần thiết kế thí nghiệm giáo trình này, chúng tơi tập trung vào thí nghiệm thực nghiệm Trong chăn ni, thú y, thuỷ sản thí nghiệm thường tập trung