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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
 CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA
       DEPARTAMENTO DE ESTATÍSTICA




INTRODUÇÃO AO PLANEJAMENTO E ANÁLISE
     ESTATÍSTICA DE EXPERIMENTOS


              CAPÍTULO # 6


      EXPERIMENTOS FATORIAIS



     PROF. PEDRO FERREIRA FILHO
    PROFa. ESTELA MARIS P. BERETA


           1º SEMESTRE DE 2011
Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais




6. EXPERIMENTOS FATORIAIS:

6.1. INTRODUÇÃO:
   Um experimento é somente um teste ou uma serie de testes. Experimentos são feitos em todas
as disciplinas cientificas e de engenharia e são uma importante parte da maneira de aprendemos
sobre como sistemas e processos funcionam. A validade das conclusões que são retiradas de um
experimento depende,                    em       grande extensão, de                     como o experimento foi                         conduzido.
Conseqüentemente, o planejamento do experimento desenvolve o papel principal na solução
futura do problema que inicialmente motivou tal experimento.
   Neste capítulo, focamos os experimentos com dois ou mais fatores, os quais o profissional julga
serem importantes. O planejamento fatorial de experimentos será introduzido como uma técnica
poderosa para esse tipo de problema. Geralmente, em um planejamento fatorial de experimentos,
tentativas ou corridas experimentais são feitas em todas as combinações dos níveis dos fatores.
Por exemplo, se um engenheiro químico estiver interessado em investigar os efeitos do tempo de
reação e da temperatura de reação no rendimento de um processo, e se dois níveis do tempo (1h
e 1,5h) e dois níveis da temperatura (125°F e 150°F) forem considerados importantes, então um
planejamento fatorial consistiria em fazer as corridas experimentais em cada uma das quatro
combinações possíveis desses níveis de tempo e da temperatura de reação.
   A maioria dos conceitos estatísticos introduzidos no Cap. 5 para experimentos com um único
fator pode ser estendida aos planejamentos fatoriais deste capítulo. A análise de variância, em
particular, continuará a ser usada como uma das ferramentas primárias para a análise estatística
de dados. Introduziremos também, vários métodos gráficos na analise de dados provenientes dos
experimentos planejados.
   Um experimento fatorial pode ser conduzido tanto num experimento completamente
aleatorizado, quanto num experimento aleatorizado em blocos, ou ainda, em quadrado latino,
entre outros. A escolha de um destes experimentos deve ser feita em função das condições
experimentais, particularmente, das características das unidades experimentais.
   Quando o número de fatores cresce, cresce o número de combinações entre os níveis dos
fatores dificultando, muitas vezes, a instalação do experimento. Um procedimento alternativo para
a resolução destas situações será apresentado no próximo capítulo.




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Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais



6.2. EXPERIMENTOS F ATORIAIS                                              C OM       FATORES C RUZAD OS:


Situação:
           Os níveis de um fator são combinados com todos os níveis do outro (dos outros) fator(es).
Exemplo:
Fator A : Tempo de Reação  A1, A2, A3.
Fator B : Temperatura de Reação  B1, B2.


Fatores Cruzados:



                                            Fator A               A1                A2                 A3




                                              Fator B                     B1                  B2


Tratamentos:
           Combinações dos diferentes níveis dos fatores. 6 tratamentos: 3 x 2 = 6:
                                          A1B1, A1B2, A2B1, A2B2, A3B1 e A3B2.


Efeitos Fatoriais:
Consideremos a seguinte situação:
Fator 1: A1, A2.
Fator 2: B1, B2.


           Resultados observados:

                                                                           F2
                                         F1                                                               Total
                                                               B1                     B2

                                        A1                     20                     30                    50
                                        A2                     40                     52                    92

                                      Total                    60                    82                    142




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Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais


Questões:
     1. Os fatores F1 e F2 apresentam efeito conjunto ou são “independentes”?
     2. O Fator F1 apresenta efeito significativo?
     3. O Fator F2 apresenta efeito significativo?
Solução:
           Estudo dos efeitos do modelo:
                             Efeito de Interação.
                             Efeito Principal de F1 (1º Fator).
                             Efeito Principal de F2 (2º Fator).




Efeitos Principais:
           Efeito específico de cada fator, ou ainda, a alteração que ocorre na variável resposta a
partir da troca de níveis do fator.
No exemplo:
                      A = [(40+52)/2] – [(30+20)/2] = 21
                      B = [(30+52)/2] – [(40+20)/2] = 11
Interpretação:
 A mudança do nível A1 para o nível A2 do fator 1 produz um acréscimo de 21 unidades na
    variável resposta.
 A mudança do nível B1 para o nível B2 do fator 2 produz um acréscimo de 11 unidades na
    variável resposta.

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Efeitos da Interação:


           Alteração produzida na variável resposta a partir da mudança de níveis de um fator dentro
dos diferentes níveis do outro fator.


            AB1   40  20  20 
            AB2   52  30  22 
                                   valores são próximos para cada fator
            B A1   30  20  10 
            B A2   52  40  12 
                                   


Interpretação:
           O comportamento com um fator é praticamente o mesmo nos diferentes níveis do outro
fator, isto é: A(B1)= 20  22 = A(B2), por outro lado: B(A1)= 10  12 = B(A2).


Conclusão:


           Neste caso, não existe interação  Um fator não influência nos resultados
obtidos pelo outro fator. O efeito principal de A é [(20+22)/2] = 21, desconsiderando
o fator B, e o efeito de B é [(10+12)/2]= 11, independente do efeito de A.


Graficamente:




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Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais


Uma segunda situação:


                                                                           F2
                                         F1                                                               Total
                                                               B1                     B2

                                        A1                     20                     40                    60
                                        A2                     50                     12                    62

                                      Total                    70                    52                    122




Efeito Principal:


                      A = [(50+12)/2] – [(20+40)/2] = 1
                      B = [(40+12)/2] – [(50+20)/2] = -9


Efeito da Interação:


                      A (B1) = 50 – 20 = 30
                      A (B2) = 12 – 40 = -28
                      B (A1) = 40 – 20 = 20
                      B (A2) = 12 – 50 = -38


Interpretação:
           O comportamento de um fator não é o mesmo para os diferentes níveis do outro fator.
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Geometricamente:




Forma Padrão:


                  Curvas paralelas  não existe interação.

                  Curvas não paralelas  existe interação.



Importante:


           Os gráficos de interação podem apresentar diferentes comportamentos. Em geral, quando
as retas são paralelas, não existe interação. Quando as retas se cruzam ou não são paralelas,
pode ser que exista interação. Tudo depende da magnitude da interação e do erro experimental.
Nem sempre retas cruzadas indicam interação.


           Algumas possíveis situações para o caso de um fatorial 2 x 2:




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           Outra abordagem para o efeito de interação no caso de fatores quantitativos:


           Sem efeito de Interação:




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Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais


           Com efeito de interação:




6.2.1. EXPERIMENTOS FATORIAIS                                         COM         DOIS FATORES CRUZADOS:
TWOWAY


Exemplo:
           Um agrônomo está interessado em investigar o efeito da adubação nitrogenada em dois
níveis (N0 e N1), e da adubação fosfatada, também em dois níveis (P1 e P2), numa determinada
cultura. Os resultados do experimento são apresentados na tabela abaixo:


                                                                              Fosfato
                                Nitrogênio                         P0                                 P1


                                                         1.00              1.60             3.20             4.50
                                       N0                1.20              1.30             5.60             5.50
                                                         1.30                --             4.40                --



                                                         1.50              2.30             3.80             5.00
                                       N1                1.10              1.40             6.00             6.20
                                                         1.60                --             4.80                --




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Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais




Questões:
     a) O rendimento da cultura dado um nível de fosfato independe do nível de nitrogênio?
     b) Existe efeito de nitrogênio e de fosfato no rendimento da cultura?


Do ponto de vista estatístico:


     a) Existe interação entre os fatores?
     b) Os efeitos principais são significativos?




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                                                   C A S O G E R A L : D O I S F A T OR E S
Consideremos
Fator A  a níveis                i = 1,..., a
Fator B  b níveis                i = 1,..., b
nij = número de observações para cada nível i do fator A e j do fator B.


Caso Particular:
                       nij = n  ij  experimento balanceado
Dados:


                                                                                   Fator B
                    Fator A
                                                   1                        2                       …                        b
                         1               y111, y112,…,y11n y121, y122,…,y12n                        …              y1b1, y1b2,…,y11n
                         2              Y211, y212,…,y21n Y221, y222,…,y22n                         …              Y2b1, y2b2,…,y2bn
                        …                         …                         …                       …                        …
                         a              Ya11, ya12,…,ya1n Ya21, ya22,…,ya2n                         …              Yab1, yab2,…,yabn


Observação:
           A estrutura é a mesma de um experimento com um fator aleatorizado em blocos. Porém,
temos objetivos e interpretações diferentes.


Efeitos:
           Num experimento com dois fatores, podemos ter que cada um dos mesmos pode ser fixo
ou aleatório, podemos, portanto encontrar as seguintes situações:


               Fator                   Efeito                           Efeito                                    Efeito

                   A                     Fixo                          Aleatório                        Fixo               Aleatório
                   B                     Fixo                          Aleatório                    Aleatório                  Fixo

                                     Modelo I                         Modelo II                                Modelo III
              Modelo
                                 Efeitos Fixos                Efeitos Aleatórios                           Efeitos Mistos


           No caso específico de efeitos fixos, o experimento tem por objetivo a análise especifica dos
níveis dos fatores utilizados no experimento, ou seja, identificar dentre os níveis (ou combinações
dos níveis dos fatores), aquele que apresenta a melhor resposta na característica de interesse.

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Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais


Modelo:

                                        yijk =  + i +  j + ( )ij + ijk
sendo:
yijk= variável resposta de comparação;
 = efeito comum independente dos fatores;
i = efeito principal do i-ésimo nível de A: i = 1,..., a
j = efeito principal do j-ésimo nível de B: j = 1,..., b
()ij = efeito da ij-ésima interação: i = 1,..., a; j = 1,..., b
ijk = erro aleatório: i = 1,..., a; j = 1,..., b; k = 1, 2,..., n


Suposição:
                                                                               2
                                                               ijk    ~ N(0,  )

Modelo com blocos:

                                       yijk =  + i +  j + ( )ij + K + ijk
sendo:
k = efeito do k-ésimo bloco. k: i = 1,..., k
Obs.: considerando-se uma observação por tratamento por bloco.


Hipóteses de Interesse:


Efeito de Interação:

                                            H o :  β ij  0  i, j
                                        I) 
                                           H 1 :  β ij  0 p/ pelo menos um i e j
Efeitos Principais:

                                           H o :  i  0
                                            H 1 :  i  0 p/ pelo menos um i
                                           
                                      II ) 
                                             H :β  0
                                            o j
                                            H 1 : β i  0 p/ pelo menos um j
                                           




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Procedimento para Análise

                  Analisar inicialmente o efeito de interação do modelo:
                  Significante: verificar o efeito de um fator dentro dos diferentes níveis do outro
                       fator. Efeitos principais devem ser desconsiderados.
                  Não Significante: analisar os efeitos principais.



Análise da Variância: Considerando nij = n para todo i e j (experimentos balanceados).


Notação:
                        b          n
                                                              y
            y i..      y ijk  y i..  bn
                                           i..

                       j1 k 1

                           a       n                              y . j.
            y . j.                      y ijk  y . j. 
                                                                  an
                           j1 k 1

                       n                              y ij.
            y ij.     y ijk  y ij.                 n
                      k 1
                       a       b       n
                                                              y
           y ...      y ijk  y ...  abn
                                           ...

                      i1 j1 k 1




Partição Soma de Quadrados:


SQT = SQM + SQE = SQA + SQB + SQAB + SQE


Expressões:
                            a          b    n
            SQT            y ijk  y ... 2
                           i1 j1 k 1


                            bn         y i..  y ... 2  an y i.j.  y ... 2
                                                                                                                     
                                       a     b                                        a     b     n
                       +       n   yij  yi ..  y. j .  y...     yijk  yij . 2
                                                                              2
                                   i 1 j 1                                         i 1 j 1 k 1
Graus de Liberdade:
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                                                    Componente                         GL

                                                           Total                    abn - 1
                                                              A                       a-1
                                                              B                       b-1
                                                             AB                (a - 1)(b - 1)
                                                            Erro                  ab(n - 1)


Esperanças de Quadrados Médios:

                                       bn a 2
            E QMA  σ 2                   i
                                      a  1 i 1

                                       an a 2
            E QMB  σ 2                   βi
                                      b  1 j 1

                                                                     
                                                          a b
            E QMAB  σ 2 
                                               n
                                                          βij
                                                                 2
                                         a  1b  1 i 1i 1
            E QME  σ 2
           Portanto, considerando-se o conjunto de hipóteses fixadas anteriormente, temos que, em
todos os casos, sob Ho, o quadrado médio do efeito é um estimador não viciado de 2 tal como o
quadrado médio do erro. Logo, todas as estatísticas de teste terão conseqüentemente no
denominador o QME, dado  ~ N (0, 2).

                           QMAB
            FAB                ~ F( a 1 )( b 1 ),ab( n1 )
                           QME
                      QMA
            FA           ~ F( a 1,ab( n 1 )
                      QME
                      QMB
            FA           ~ Fb 1,ab( n 1 )
                      QME
Observação:
Expressões Simplificadas:
                a 2   ni                                                2
                y...                                      1 a 2
SQT    y 
                                                                      y...                                                        y2
                                                   SQA      yi..  abn                                         1 b 2
                                                                                                                   
                              2
                              ijk                                                                  SQB                 y. j ..  ...
      i 1 j1 abn                                       bn i 1                                                 an j1          abn

                 1 a b               y2
SQAB              
                 n i 1 j 1
                             yij .  ...  SQA  SQB
                              2

                                    abn
                                                                                SQE  SQT  SQA  SQB  SQAB


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              2
            y..
Nota:               é usualmente chamado de fator de correção (FC).
            n

                                                                Tabela ANOVA
  Fonte de            Graus de              Soma de              Quadrados
                                                                                                         E(QM)*                                F
  Variação           Liberdade            Quadrados                  Médios

   Modelo                ab - 1                 SQM               SQM/ab - 1

                                                                       SQA                                  bn a 2                          QMA
        A                 a-1                   SQA                                                σ2             i
                                                                       a-1                                 a  1 i 1                       QME

                                                                       SQB                                  an a 2                          QMB
        B                 b-1                   SQB                                                σ2            βi
                                                                       a-1                                 b  1 j 1                       QME


                                                                                                                             
                                                                     SQAB                              n          a b                       QMAB
                                                                                                                  βij
                                                                                                                         2
       AB           (a - 1)(b - 1)             SQAB                                     σ2 
                                                                  a - 1b  1                 a  1b  1 i 1i 1                    QME

                                                                     SQE
      Erro                N-a                   SQE
                                                                    abn - 1                                σ2                                 -


     Total                N-1                   SQT                       -                                   -                                 -



Estimação dos Parâmetros:



                       ˆ
                       μ  y ... ;                       ˆ  y i..  y ... ;
                                                                                                      ˆ
                                                                                                       β j  y .j.  y ...


                                                 ij  yij .  yi ..  y. j .  y...
                                                  ˆ


ˆ ijk  y ij.
y                       (valor predito para ijk-ésima das observações é a média das n observações nas

combinações i e j).



                                                                                                 
       ˆ ijk  μ  ˆi  β j  ˆβij  y ...  y i..  y ...   y ij  y ...  y ij.  y i..  y . j.  y ...  y ij.
       y       ˆ  ˆ                                                                                                                   


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Adequabilidade do Modelo:



Problema:                            
                       ε ijk ~ N 0, σ 2        
           Procedimentos já vistos:
                     Gráfico Normal Probabilístico (aleatoriedade);
                     Gráfico de Resíduos x Predito (verificar a homocedasticidade);
                     Gráfico de Resíduos x Fatores.


Comparações múltiplas:


Problema:
           Quando rejeitado Ho, como identificar diferenças?


                  Interação não significativa  não se rejeita Ho  β ij  0  ij

                 Analisar cada um dos efeitos principais, considerando os procedimentos de um
                      experimento de 1 fator.


                  Interação significativa  rejeita-se Ho  β ij  0

                 alternativas:
                                 comparar as médias de um fator dentro dos níveis do outro fator;
                                 aplicar comparações múltiplas para as combinações dos tratamentos.


Retornando ao Exemplo:


Dependent Variable: Y Y

                     Source                 DF      Sum of Squares                  Mean Square                F Value           Pr > F

                     Model                   3          61.10550000                  20.36850000                 37.98          < .0001

                     Error                  16           8.58000000                   0.53625000                     -                -

            Corrected Total                 19          69.68550000                            -                     -                -



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                                       R-Square            Coeff Var           Root MSE               Y Mean

                                        0.876875             23.13715             0.732291           3.165000



                        Source                DF        Type I SS              Mean Square                F Value           Pr > F

                    Nitrogênio                 1       0.84050000                0.84050000                  1.57           0.2286

                       Fosfato                 1       60.20450000              60.20450000                112.27          < .0001

                  Nitro*Fosfato                1       0.06050000                0.06050000                  0.11           0.7413



                                                                                                     Y
                                 Level of Nitrogênio                      N
                                                                                     Mean                 Std Dev

                                                 1                       10      2.96000000              1.89220624

                                                 2                       10      3.37000000              2.01717624



                                                                                                 Y
                                      Level of Fosfato                  N
                                                                                   Mean                  Std Dev

                                                 1                    10      1.43000000             0.36530049

                                                 2                    10      4.90000000             0.95916630



                                                                                                                 Y
                  Level of Nitrogênio                  Level of Fosfato                N
                                                                                                   Mean                Std Dev

                                  1                                 1                   5     1.28000000             0.21679483

                                  1                                 2                   5     4.64000000             0.97621719



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Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais



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                  Level of Nitrogênio                  Level of Fosfato                N
                                                                                                   Mean                Std Dev

                                  2                                 1                   5     1.58000000             0.44384682

                                  2                                 2                   5     5.16000000             0.97365292



6.2.2. EXPERIMENTOS FATORIAIS: CASO GERAL:


Situação:
           O número de fatores a serem investigados no experimento é maior que 2. Todos estes
fatores são cruzados, isto é, os níveis de um fator “combinam” com os níveis de todos os demais
fatores. As diferentes combinações obtidas definem os “tratamentos” a serem aleatorizados às
unidades experimentais. O número de tratamentos é dado pelo produto do número de níveis de
cada fator.
           No caso de experimentos completamente aleatorizados, cada unidade experimental
receberá aleatoriamente um dos “tratamentos” acima, enquanto que nos casos de experimentos
aleatorizados em blocos, a distribuição aleatória ocorre dentro de cada bloco.


           Consideremos uma situação onde três fatores (A, B e C) estão presentes, com:
          A : 2 níveis = a1, a2;
          B : 3 níveis = b1, b2, b3;  Fatorial 2 x 3 x 2
          C : 2 níveis = c1, c2.


     Fatores Cruzados  Tratamentos = 2 x 3 x 2 = 12
      a1b1c1, a1b1c2, a1b2c1, a1b2c2, a1b3c1, a1b3c2, a2b1c1, a2,b1c2, a2b2c1, a2b2c2,
a2b3c1 e a2b3c2.


     Neste caso, os efeitos a serem estudados são:


          Efeitos Principais  A, B, C;
          Efeitos de interação de 2 fatores  AB, AC, BC;
          Efeito de interação de 3 fatores  ABC.



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Numa situação geral, onde k fatores são investigados, teremos que:

k 
 
 j        efeitos com a presença de j fatores.
 

No caso acima:

 3
 
 1       três efeitos principais (somente j=1 fator presente)  A, B, C;
 
 3
 
2        três efeitos com iteração de dois fatores (j=2)  AB, AC, BC;
 
 3
 
 3       um efeito com interação de todos fatores (j=k=3)  ABC.
 

Problema:
  À medida que cresce o número de fatores e o número de níveis por fator, podemos ter
      dificuldade com relação ao número de unidades experimentais para se realizar o experimento.
  O número de fatores estudados em um único experimento deve ser o menor possível. É
      desaconselhável, por exemplo, estudar cinco fatores ao mesmo tempo. Torna-se difícil
      interpretar uma interação quíntupla (ABCDE) significante. Usualmente, como será visto mais à
      frente, quando é necessária a utilização de experimentos com muitos fatores, as interações de
      maior ordem são desconsideradas.


Alternativas:
                  Fatoriais 2k e 3k;
                  Fatoriais Fracionários;
                  EVOP;
                  Superfície de Resposta (Fatores Quantitativos).


Procedimento para análise


       Iniciar o teste dos efeitos sempre por eles, com a presença de um maior número de fatores
       (interação de maior ordem):

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Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais




  rejeição de Ho: não devem ser observados os efeitos com menor número de fatores;
  não-rejeição de Ho: testar efeitos com menor número de fatores.


ANOVA:
           A análise de variância é feita de forma usual, com a devida partição da variabilidade total e
com as estatísticas F, tendo como denominador o QME.


Adequabilidade do Modelo, Comparações Múltiplas e Estimação dos Parâmetros:
           Também seguem os procedimentos vistos para o caso de dois fatores (twoway).


Caso de Três Fatores: A, B e C

           A = i           i = 1,..., a          (a níveis)

           B = j            j = 1,…, b           (b níveis)

           C = k            k = 1,…, c            (c níveis)
Modelo:

          yijkl =  + i + j + ()ij + k + ()ik + ()jk + ()ijk + ijkl


onde:
yijk= variável resposta de comparação
 = efeito comum independente dos fatores
i = efeito principal do i-ésimo nível de A: i = 1,..., a
j = efeito principal do j-ésimo nível de B: j = 1,..., b
()ij = efeito da ij-ésima interação de AB: i = 1,..., a; j = 1,..., b
k = efeito principal do k-ésimo nível de C: k= 1,..., c
()ik = efeito da ik-ésima interação de AC: i = 1,...,a; k = 1,...,c
()jk = efeito da jk-ésima interação de BC: j = 1,...,b; k = 1,...,c
()ijk = efeito da ijk-ésima interação de ABC: i = 1,...,a; j = 1,...,b; k= 1,...,c
ijk = erro aleatório: i = 1,..., a; j = 1,..., b; k = 1,...,c; l = 1,...,n


Suposição:
                                                                               2
                                                               ijk    ~ N(0,  )
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Modelo com blocos:


     yijkl =  + l + i + j + ( )ij + k + ()ik + ()jk + ()ijk + ijkl


onde:
l = efeito do l-ésimo bloco k: i = 1,..., l
Obs: Considerando uma observação por tratamento por bloco.


Partição da Soma de Quadrados e Respectivas Expressões: Ver Montgomery (Cap. 13,
página 300-302).


Hipóteses de Interesse:


Efeito de Interação de Três Fatores:


                                            H o :  β ijk  0     i, j, k
                                         I) 
                                             H1 :  β ijk  0 p/ pelo menos um i, j e k


Efeito de Interação de Dois Fatores:

                                                                                      H o :  β ij  0     i, j
                                                                               II .1) 
                                                                                       H1 :  β ij  0 p/ pelo menos um i, j
       H :   ik  0       i, k
II .2)  o
        H1 :   ik  0 p/ pelo menos um i, k                                     H o : β jk  0     j, k
                                                                              II .3) 
                                                                                      H1 : β jk  0 p/ pelo menos um j e k


Efeitos Principais:

                                               Ho : i  0
                                               H1 :  i  0 p/ pelo menos um i
                                              
                                               Ho : β j  0
                                        III ) 
                                               H1 : βi  0 p/ pelo menos um j
                                                 Ho :  k  0
                                              
                                                H o :  k  0 p/ pelo menos um k


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                                                                    Tabela ANOVA
Fonte de Graus de   Soma de                             Quadrados
                                                                                                             E(QM)*                                        F
Variação Liberdade Quadrados                             Médios
 Modelo    abc - 1    SQM                               SQM/ab - 1
                                                             SQA                                               bcn a 2                                   QMA
   A             a-1                SQA                                                                σ2             i
                                                             a-1                                               a  1 i 1                                QME
                                                             SQB                                               acn a 2                                   QMB
   B             b-1                SQB                                                                σ2            βi
                                                              a-1                                              b  1 j 1                                QME

                                                                                                                                 
                                                           SQAB                                           cn          a b                                QMAB
                                                                                                                      βij
                                                                                                                             2
  AB         (a-1)(b-1)            SQAB                                                      σ2 
                                                        a - 1b  1                               a  1b  1 i 1i 1                             QME
                                                             SQC                                               abn c 2                                   QMC
   C             c-1                SQC                                                                σ2             k
                                                             a-1                                               c  1 k 1                                QME
                                                           SQAC                                                      a c
                                                                                                                       ik 
                                                                                                         bn                     2                        QMAC
  AC         (a-1)(c-1)            SQAC                                                     σ2 
                                                        a - 1c  1                              a  1c  1 i 1k 1                              QME

                                                                                                                                        
                                                           SQBC                                         an         b c                                   QMBC
                                                                                                                      jk
                                                                                                                             2
  BC         (b-1)(c-1)            SQBC                                                   σ2 
                                                        b - 1c  1                             b  1c  1 j 1 k 1                              QME

                                                                                                                                               
                                                         SQABC                           n              a b c                                            QMABC
               (a-1)(b-
                                                                                                         ijk
                                                                                                                     2
  ABC                             SQABC                                    σ2 
                1)(c-1)                            a - 1b  1( c  1 )      a  1b  1c  1 i 1 j 1 k 1                                      QME
                                                            SQE
 Erro         abc(n-1)              SQE                                                                          σ2                                        -
                                                          abc n - 1
 Total        abcn - 1              SQT                    abcn - 1                                               -                                        -


    Exemplo:
               Certa indústria química está estudando uma dada reação. Três fatores são considerados
    importantes na composição desta reação: Temperatura, Concentração e Catalisador. Um
    experimento fatorial, completamente aleatorizado com fatores cruzados, foi realizado para se
    verificar o efeito destes fatores na qualidade final da reação. Em função de estudos anteriores, os
    seguintes níveis dos fatores foram fixados: Temperatura 160ºC e 180ºC; Concentração 20% e
    40%; Catalisador C1 e C2. O tempo de reação para duas reações de cada uma das combinações
    dos níveis dos fatores foi observado e os resultados, obtidos. São apresentados na tabela abaixo.
    Quanto menor o tempo de reação, melhor é a qualidade da reação.


                          Temperatura (ºC) Concentração (%) Catalisador   Y
                                                                C1      59 61
                                                  20
                               160                              C2      50 64
                                                  40            C1      50 58
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Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais


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                                                                                                        C1                74   70
                                                                         20
                                                                                                        C2                81   85
                                   180
                                                                                                        C1                69   67
                                                                         40
                                                                                                        C2                79   81




                   Source                  DF        Sum of Squares                 Mean Square                 F Value          Pr > F


                    Model                    7          2635.000000                   376.428571                  47.05          <.0001


                     Error                   8            64.000000                     8.000000                      -               -


            Corrected Total                 15          2699.000000                             -                     -               -




                                      R-Square            Coeff Var            Root MSE              y Mean


                                      0.976288             4.402221             2.828427            64.25000




                       Source                    DF        Type I SS              Mean Square                F Value           Pr > F


                        temp                     1       2116.000000               2116.000000                264.50           <.0001


                         conc                    1        100.000000                100.000000                 12.50           0.0077


                   temp*conc                     1          9.000000                  9.000000                  1.13           0.3198


                         cata                    1          9.000000                  9.000000                  1.13           0.3198


                   temp*cata                     1        400.000000                400.000000                 50.00           0.0001


                    conc*cata                    1          0.000000                  0.000000                  0.00           1.0000


              temp*conc*cata                     1          1.000000                  1.000000                  0.13           0.7328




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INTERAÇÃO TEMP*CONC*CATA




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Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais




                                     temp         Cata         y LSMEAN               LSMEAN Number


                                      160           C1        57.0000000                            1


                                      160           C2        48.5000000                            2


                                      180           C1        70.0000000                            3


                                      180           C2        81.5000000                            4




                                                                                            y
                                      Level of conc              N
                                                                             Mean                 Std Dev


                                               20                 8     66.7500000              12.7363372


                                               40                 8     61.7500000              14.4593025



Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta   Página 25

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  • 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ESTATÍSTICA INTRODUÇÃO AO PLANEJAMENTO E ANÁLISE ESTATÍSTICA DE EXPERIMENTOS CAPÍTULO # 6 EXPERIMENTOS FATORIAIS PROF. PEDRO FERREIRA FILHO PROFa. ESTELA MARIS P. BERETA 1º SEMESTRE DE 2011
  • 2. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais 6. EXPERIMENTOS FATORIAIS: 6.1. INTRODUÇÃO: Um experimento é somente um teste ou uma serie de testes. Experimentos são feitos em todas as disciplinas cientificas e de engenharia e são uma importante parte da maneira de aprendemos sobre como sistemas e processos funcionam. A validade das conclusões que são retiradas de um experimento depende, em grande extensão, de como o experimento foi conduzido. Conseqüentemente, o planejamento do experimento desenvolve o papel principal na solução futura do problema que inicialmente motivou tal experimento. Neste capítulo, focamos os experimentos com dois ou mais fatores, os quais o profissional julga serem importantes. O planejamento fatorial de experimentos será introduzido como uma técnica poderosa para esse tipo de problema. Geralmente, em um planejamento fatorial de experimentos, tentativas ou corridas experimentais são feitas em todas as combinações dos níveis dos fatores. Por exemplo, se um engenheiro químico estiver interessado em investigar os efeitos do tempo de reação e da temperatura de reação no rendimento de um processo, e se dois níveis do tempo (1h e 1,5h) e dois níveis da temperatura (125°F e 150°F) forem considerados importantes, então um planejamento fatorial consistiria em fazer as corridas experimentais em cada uma das quatro combinações possíveis desses níveis de tempo e da temperatura de reação. A maioria dos conceitos estatísticos introduzidos no Cap. 5 para experimentos com um único fator pode ser estendida aos planejamentos fatoriais deste capítulo. A análise de variância, em particular, continuará a ser usada como uma das ferramentas primárias para a análise estatística de dados. Introduziremos também, vários métodos gráficos na analise de dados provenientes dos experimentos planejados. Um experimento fatorial pode ser conduzido tanto num experimento completamente aleatorizado, quanto num experimento aleatorizado em blocos, ou ainda, em quadrado latino, entre outros. A escolha de um destes experimentos deve ser feita em função das condições experimentais, particularmente, das características das unidades experimentais. Quando o número de fatores cresce, cresce o número de combinações entre os níveis dos fatores dificultando, muitas vezes, a instalação do experimento. Um procedimento alternativo para a resolução destas situações será apresentado no próximo capítulo. Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 2
  • 3. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais 6.2. EXPERIMENTOS F ATORIAIS C OM FATORES C RUZAD OS: Situação: Os níveis de um fator são combinados com todos os níveis do outro (dos outros) fator(es). Exemplo: Fator A : Tempo de Reação  A1, A2, A3. Fator B : Temperatura de Reação  B1, B2. Fatores Cruzados: Fator A A1 A2 A3 Fator B B1 B2 Tratamentos: Combinações dos diferentes níveis dos fatores. 6 tratamentos: 3 x 2 = 6: A1B1, A1B2, A2B1, A2B2, A3B1 e A3B2. Efeitos Fatoriais: Consideremos a seguinte situação: Fator 1: A1, A2. Fator 2: B1, B2. Resultados observados: F2 F1 Total B1 B2 A1 20 30 50 A2 40 52 92 Total 60 82 142 Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 3
  • 4. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais Questões: 1. Os fatores F1 e F2 apresentam efeito conjunto ou são “independentes”? 2. O Fator F1 apresenta efeito significativo? 3. O Fator F2 apresenta efeito significativo? Solução: Estudo dos efeitos do modelo:  Efeito de Interação.  Efeito Principal de F1 (1º Fator).  Efeito Principal de F2 (2º Fator). Efeitos Principais: Efeito específico de cada fator, ou ainda, a alteração que ocorre na variável resposta a partir da troca de níveis do fator. No exemplo: A = [(40+52)/2] – [(30+20)/2] = 21 B = [(30+52)/2] – [(40+20)/2] = 11 Interpretação:  A mudança do nível A1 para o nível A2 do fator 1 produz um acréscimo de 21 unidades na variável resposta.  A mudança do nível B1 para o nível B2 do fator 2 produz um acréscimo de 11 unidades na variável resposta. Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 4
  • 5. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais Efeitos da Interação: Alteração produzida na variável resposta a partir da mudança de níveis de um fator dentro dos diferentes níveis do outro fator. AB1   40  20  20  AB2   52  30  22  valores são próximos para cada fator B A1   30  20  10  B A2   52  40  12   Interpretação: O comportamento com um fator é praticamente o mesmo nos diferentes níveis do outro fator, isto é: A(B1)= 20  22 = A(B2), por outro lado: B(A1)= 10  12 = B(A2). Conclusão: Neste caso, não existe interação  Um fator não influência nos resultados obtidos pelo outro fator. O efeito principal de A é [(20+22)/2] = 21, desconsiderando o fator B, e o efeito de B é [(10+12)/2]= 11, independente do efeito de A. Graficamente: Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 5
  • 6. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais Uma segunda situação: F2 F1 Total B1 B2 A1 20 40 60 A2 50 12 62 Total 70 52 122 Efeito Principal: A = [(50+12)/2] – [(20+40)/2] = 1 B = [(40+12)/2] – [(50+20)/2] = -9 Efeito da Interação: A (B1) = 50 – 20 = 30 A (B2) = 12 – 40 = -28 B (A1) = 40 – 20 = 20 B (A2) = 12 – 50 = -38 Interpretação: O comportamento de um fator não é o mesmo para os diferentes níveis do outro fator. Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 6
  • 7. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais Geometricamente: Forma Padrão:  Curvas paralelas  não existe interação.  Curvas não paralelas  existe interação. Importante: Os gráficos de interação podem apresentar diferentes comportamentos. Em geral, quando as retas são paralelas, não existe interação. Quando as retas se cruzam ou não são paralelas, pode ser que exista interação. Tudo depende da magnitude da interação e do erro experimental. Nem sempre retas cruzadas indicam interação. Algumas possíveis situações para o caso de um fatorial 2 x 2: Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 7
  • 8. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais Outra abordagem para o efeito de interação no caso de fatores quantitativos: Sem efeito de Interação: Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 8
  • 9. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais Com efeito de interação: 6.2.1. EXPERIMENTOS FATORIAIS COM DOIS FATORES CRUZADOS: TWOWAY Exemplo: Um agrônomo está interessado em investigar o efeito da adubação nitrogenada em dois níveis (N0 e N1), e da adubação fosfatada, também em dois níveis (P1 e P2), numa determinada cultura. Os resultados do experimento são apresentados na tabela abaixo: Fosfato Nitrogênio P0 P1 1.00 1.60 3.20 4.50 N0 1.20 1.30 5.60 5.50 1.30 -- 4.40 -- 1.50 2.30 3.80 5.00 N1 1.10 1.40 6.00 6.20 1.60 -- 4.80 -- Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 9
  • 10. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais Questões: a) O rendimento da cultura dado um nível de fosfato independe do nível de nitrogênio? b) Existe efeito de nitrogênio e de fosfato no rendimento da cultura? Do ponto de vista estatístico: a) Existe interação entre os fatores? b) Os efeitos principais são significativos? Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 10
  • 11. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais C A S O G E R A L : D O I S F A T OR E S Consideremos Fator A  a níveis i = 1,..., a Fator B  b níveis i = 1,..., b nij = número de observações para cada nível i do fator A e j do fator B. Caso Particular: nij = n  ij  experimento balanceado Dados: Fator B Fator A 1 2 … b 1 y111, y112,…,y11n y121, y122,…,y12n … y1b1, y1b2,…,y11n 2 Y211, y212,…,y21n Y221, y222,…,y22n … Y2b1, y2b2,…,y2bn … … … … … a Ya11, ya12,…,ya1n Ya21, ya22,…,ya2n … Yab1, yab2,…,yabn Observação: A estrutura é a mesma de um experimento com um fator aleatorizado em blocos. Porém, temos objetivos e interpretações diferentes. Efeitos: Num experimento com dois fatores, podemos ter que cada um dos mesmos pode ser fixo ou aleatório, podemos, portanto encontrar as seguintes situações: Fator Efeito Efeito Efeito A Fixo Aleatório Fixo Aleatório B Fixo Aleatório Aleatório Fixo Modelo I Modelo II Modelo III Modelo Efeitos Fixos Efeitos Aleatórios Efeitos Mistos No caso específico de efeitos fixos, o experimento tem por objetivo a análise especifica dos níveis dos fatores utilizados no experimento, ou seja, identificar dentre os níveis (ou combinações dos níveis dos fatores), aquele que apresenta a melhor resposta na característica de interesse. Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 11
  • 12. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais Modelo: yijk =  + i +  j + ( )ij + ijk sendo: yijk= variável resposta de comparação;  = efeito comum independente dos fatores; i = efeito principal do i-ésimo nível de A: i = 1,..., a j = efeito principal do j-ésimo nível de B: j = 1,..., b ()ij = efeito da ij-ésima interação: i = 1,..., a; j = 1,..., b ijk = erro aleatório: i = 1,..., a; j = 1,..., b; k = 1, 2,..., n Suposição: 2 ijk ~ N(0,  ) Modelo com blocos: yijk =  + i +  j + ( )ij + K + ijk sendo: k = efeito do k-ésimo bloco. k: i = 1,..., k Obs.: considerando-se uma observação por tratamento por bloco. Hipóteses de Interesse: Efeito de Interação:  H o :  β ij  0  i, j I)  H 1 :  β ij  0 p/ pelo menos um i e j Efeitos Principais: H o :  i  0  H 1 :  i  0 p/ pelo menos um i  II )  H :β  0  o j  H 1 : β i  0 p/ pelo menos um j  Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 12
  • 13. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais Procedimento para Análise  Analisar inicialmente o efeito de interação do modelo:  Significante: verificar o efeito de um fator dentro dos diferentes níveis do outro fator. Efeitos principais devem ser desconsiderados.  Não Significante: analisar os efeitos principais. Análise da Variância: Considerando nij = n para todo i e j (experimentos balanceados). Notação: b n y y i..   y ijk  y i..  bn i.. j1 k 1 a n y . j. y . j.   y ijk  y . j.  an j1 k 1 n y ij. y ij.   y ijk  y ij.  n k 1 a b n y y ...   y ijk  y ...  abn ... i1 j1 k 1 Partição Soma de Quadrados: SQT = SQM + SQE = SQA + SQB + SQAB + SQE Expressões: a b n SQT   y ijk  y ... 2 i1 j1 k 1  bn  y i..  y ... 2  an y i.j.  y ... 2     a b a b n + n   yij  yi ..  y. j .  y...     yijk  yij . 2 2 i 1 j 1 i 1 j 1 k 1 Graus de Liberdade: Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 13
  • 14. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais Componente GL Total abn - 1 A a-1 B b-1 AB (a - 1)(b - 1) Erro ab(n - 1) Esperanças de Quadrados Médios: bn a 2 E QMA  σ 2   i a  1 i 1 an a 2 E QMB  σ 2   βi b  1 j 1   a b E QMAB  σ 2  n   βij 2 a  1b  1 i 1i 1 E QME  σ 2 Portanto, considerando-se o conjunto de hipóteses fixadas anteriormente, temos que, em todos os casos, sob Ho, o quadrado médio do efeito é um estimador não viciado de 2 tal como o quadrado médio do erro. Logo, todas as estatísticas de teste terão conseqüentemente no denominador o QME, dado  ~ N (0, 2). QMAB FAB  ~ F( a 1 )( b 1 ),ab( n1 ) QME QMA FA  ~ F( a 1,ab( n 1 ) QME QMB FA  ~ Fb 1,ab( n 1 ) QME Observação: Expressões Simplificadas: a 2 ni 2 y... 1 a 2 SQT    y  y... y2 SQA   yi..  abn 1 b 2  2 ijk SQB  y. j ..  ... i 1 j1 abn bn i 1 an j1 abn 1 a b y2 SQAB   n i 1 j 1 yij .  ...  SQA  SQB 2 abn SQE  SQT  SQA  SQB  SQAB Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 14
  • 15. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais 2 y.. Nota: é usualmente chamado de fator de correção (FC). n Tabela ANOVA Fonte de Graus de Soma de Quadrados E(QM)* F Variação Liberdade Quadrados Médios Modelo ab - 1 SQM SQM/ab - 1 SQA bn a 2 QMA A a-1 SQA σ2   i a-1 a  1 i 1 QME SQB an a 2 QMB B b-1 SQB σ2   βi a-1 b  1 j 1 QME   SQAB n a b QMAB   βij 2 AB (a - 1)(b - 1) SQAB σ2  a - 1b  1 a  1b  1 i 1i 1 QME SQE Erro N-a SQE abn - 1 σ2 - Total N-1 SQT - - - Estimação dos Parâmetros: ˆ μ  y ... ; ˆ  y i..  y ... ;  ˆ β j  y .j.  y ...  ij  yij .  yi ..  y. j .  y... ˆ ˆ ijk  y ij. y (valor predito para ijk-ésima das observações é a média das n observações nas combinações i e j).    ˆ ijk  μ  ˆi  β j  ˆβij  y ...  y i..  y ...   y ij  y ...  y ij.  y i..  y . j.  y ...  y ij. y ˆ  ˆ   Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 15
  • 16. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais Adequabilidade do Modelo: Problema:  ε ijk ~ N 0, σ 2  Procedimentos já vistos:  Gráfico Normal Probabilístico (aleatoriedade);  Gráfico de Resíduos x Predito (verificar a homocedasticidade);  Gráfico de Resíduos x Fatores. Comparações múltiplas: Problema: Quando rejeitado Ho, como identificar diferenças?  Interação não significativa  não se rejeita Ho  β ij  0  ij  Analisar cada um dos efeitos principais, considerando os procedimentos de um experimento de 1 fator.  Interação significativa  rejeita-se Ho  β ij  0  alternativas:  comparar as médias de um fator dentro dos níveis do outro fator;  aplicar comparações múltiplas para as combinações dos tratamentos. Retornando ao Exemplo: Dependent Variable: Y Y Source DF Sum of Squares Mean Square F Value Pr > F Model 3 61.10550000 20.36850000 37.98 < .0001 Error 16 8.58000000 0.53625000 - - Corrected Total 19 69.68550000 - - - Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 16
  • 17. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais R-Square Coeff Var Root MSE Y Mean 0.876875 23.13715 0.732291 3.165000 Source DF Type I SS Mean Square F Value Pr > F Nitrogênio 1 0.84050000 0.84050000 1.57 0.2286 Fosfato 1 60.20450000 60.20450000 112.27 < .0001 Nitro*Fosfato 1 0.06050000 0.06050000 0.11 0.7413 Y Level of Nitrogênio N Mean Std Dev 1 10 2.96000000 1.89220624 2 10 3.37000000 2.01717624 Y Level of Fosfato N Mean Std Dev 1 10 1.43000000 0.36530049 2 10 4.90000000 0.95916630 Y Level of Nitrogênio Level of Fosfato N Mean Std Dev 1 1 5 1.28000000 0.21679483 1 2 5 4.64000000 0.97621719 Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 17
  • 18. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais Y Level of Nitrogênio Level of Fosfato N Mean Std Dev 2 1 5 1.58000000 0.44384682 2 2 5 5.16000000 0.97365292 6.2.2. EXPERIMENTOS FATORIAIS: CASO GERAL: Situação: O número de fatores a serem investigados no experimento é maior que 2. Todos estes fatores são cruzados, isto é, os níveis de um fator “combinam” com os níveis de todos os demais fatores. As diferentes combinações obtidas definem os “tratamentos” a serem aleatorizados às unidades experimentais. O número de tratamentos é dado pelo produto do número de níveis de cada fator. No caso de experimentos completamente aleatorizados, cada unidade experimental receberá aleatoriamente um dos “tratamentos” acima, enquanto que nos casos de experimentos aleatorizados em blocos, a distribuição aleatória ocorre dentro de cada bloco. Consideremos uma situação onde três fatores (A, B e C) estão presentes, com:  A : 2 níveis = a1, a2;  B : 3 níveis = b1, b2, b3;  Fatorial 2 x 3 x 2  C : 2 níveis = c1, c2. Fatores Cruzados  Tratamentos = 2 x 3 x 2 = 12  a1b1c1, a1b1c2, a1b2c1, a1b2c2, a1b3c1, a1b3c2, a2b1c1, a2,b1c2, a2b2c1, a2b2c2, a2b3c1 e a2b3c2. Neste caso, os efeitos a serem estudados são:  Efeitos Principais  A, B, C;  Efeitos de interação de 2 fatores  AB, AC, BC;  Efeito de interação de 3 fatores  ABC. Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 18
  • 19. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais Numa situação geral, onde k fatores são investigados, teremos que: k     j efeitos com a presença de j fatores.   No caso acima:  3    1  três efeitos principais (somente j=1 fator presente)  A, B, C;    3   2  três efeitos com iteração de dois fatores (j=2)  AB, AC, BC;    3    3  um efeito com interação de todos fatores (j=k=3)  ABC.   Problema:  À medida que cresce o número de fatores e o número de níveis por fator, podemos ter dificuldade com relação ao número de unidades experimentais para se realizar o experimento.  O número de fatores estudados em um único experimento deve ser o menor possível. É desaconselhável, por exemplo, estudar cinco fatores ao mesmo tempo. Torna-se difícil interpretar uma interação quíntupla (ABCDE) significante. Usualmente, como será visto mais à frente, quando é necessária a utilização de experimentos com muitos fatores, as interações de maior ordem são desconsideradas. Alternativas:  Fatoriais 2k e 3k;  Fatoriais Fracionários;  EVOP;  Superfície de Resposta (Fatores Quantitativos). Procedimento para análise  Iniciar o teste dos efeitos sempre por eles, com a presença de um maior número de fatores (interação de maior ordem): Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 19
  • 20. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais  rejeição de Ho: não devem ser observados os efeitos com menor número de fatores;  não-rejeição de Ho: testar efeitos com menor número de fatores. ANOVA: A análise de variância é feita de forma usual, com a devida partição da variabilidade total e com as estatísticas F, tendo como denominador o QME. Adequabilidade do Modelo, Comparações Múltiplas e Estimação dos Parâmetros: Também seguem os procedimentos vistos para o caso de dois fatores (twoway). Caso de Três Fatores: A, B e C A = i i = 1,..., a (a níveis) B = j j = 1,…, b (b níveis) C = k k = 1,…, c (c níveis) Modelo: yijkl =  + i + j + ()ij + k + ()ik + ()jk + ()ijk + ijkl onde: yijk= variável resposta de comparação  = efeito comum independente dos fatores i = efeito principal do i-ésimo nível de A: i = 1,..., a j = efeito principal do j-ésimo nível de B: j = 1,..., b ()ij = efeito da ij-ésima interação de AB: i = 1,..., a; j = 1,..., b k = efeito principal do k-ésimo nível de C: k= 1,..., c ()ik = efeito da ik-ésima interação de AC: i = 1,...,a; k = 1,...,c ()jk = efeito da jk-ésima interação de BC: j = 1,...,b; k = 1,...,c ()ijk = efeito da ijk-ésima interação de ABC: i = 1,...,a; j = 1,...,b; k= 1,...,c ijk = erro aleatório: i = 1,..., a; j = 1,..., b; k = 1,...,c; l = 1,...,n Suposição: 2 ijk ~ N(0,  ) Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 20
  • 21. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais Modelo com blocos: yijkl =  + l + i + j + ( )ij + k + ()ik + ()jk + ()ijk + ijkl onde: l = efeito do l-ésimo bloco k: i = 1,..., l Obs: Considerando uma observação por tratamento por bloco. Partição da Soma de Quadrados e Respectivas Expressões: Ver Montgomery (Cap. 13, página 300-302). Hipóteses de Interesse: Efeito de Interação de Três Fatores: H o :  β ijk  0  i, j, k I)   H1 :  β ijk  0 p/ pelo menos um i, j e k Efeito de Interação de Dois Fatores: H o :  β ij  0  i, j II .1)   H1 :  β ij  0 p/ pelo menos um i, j H :   ik  0  i, k II .2)  o  H1 :   ik  0 p/ pelo menos um i, k H o : β jk  0  j, k II .3)   H1 : β jk  0 p/ pelo menos um j e k Efeitos Principais:  Ho : i  0  H1 :  i  0 p/ pelo menos um i   Ho : β j  0 III )   H1 : βi  0 p/ pelo menos um j  Ho :  k  0   H o :  k  0 p/ pelo menos um k Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 21
  • 22. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais Tabela ANOVA Fonte de Graus de Soma de Quadrados E(QM)* F Variação Liberdade Quadrados Médios Modelo abc - 1 SQM SQM/ab - 1 SQA bcn a 2 QMA A a-1 SQA σ2   i a-1 a  1 i 1 QME SQB acn a 2 QMB B b-1 SQB σ2   βi a-1 b  1 j 1 QME   SQAB cn a b QMAB   βij 2 AB (a-1)(b-1) SQAB σ2  a - 1b  1 a  1b  1 i 1i 1 QME SQC abn c 2 QMC C c-1 SQC σ2   k a-1 c  1 k 1 QME SQAC a c    ik  bn 2 QMAC AC (a-1)(c-1) SQAC σ2  a - 1c  1 a  1c  1 i 1k 1 QME   SQBC an b c QMBC     jk 2 BC (b-1)(c-1) SQBC σ2  b - 1c  1 b  1c  1 j 1 k 1 QME   SQABC n a b c QMABC (a-1)(b-    ijk 2 ABC SQABC σ2  1)(c-1) a - 1b  1( c  1 ) a  1b  1c  1 i 1 j 1 k 1 QME SQE Erro abc(n-1) SQE σ2 - abc n - 1 Total abcn - 1 SQT abcn - 1 - - Exemplo: Certa indústria química está estudando uma dada reação. Três fatores são considerados importantes na composição desta reação: Temperatura, Concentração e Catalisador. Um experimento fatorial, completamente aleatorizado com fatores cruzados, foi realizado para se verificar o efeito destes fatores na qualidade final da reação. Em função de estudos anteriores, os seguintes níveis dos fatores foram fixados: Temperatura 160ºC e 180ºC; Concentração 20% e 40%; Catalisador C1 e C2. O tempo de reação para duas reações de cada uma das combinações dos níveis dos fatores foi observado e os resultados, obtidos. São apresentados na tabela abaixo. Quanto menor o tempo de reação, melhor é a qualidade da reação. Temperatura (ºC) Concentração (%) Catalisador Y C1 59 61 20 160 C2 50 64 40 C1 50 58 Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 22
  • 23. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais C2 46 44 C1 74 70 20 C2 81 85 180 C1 69 67 40 C2 79 81 Source DF Sum of Squares Mean Square F Value Pr > F Model 7 2635.000000 376.428571 47.05 <.0001 Error 8 64.000000 8.000000 - - Corrected Total 15 2699.000000 - - - R-Square Coeff Var Root MSE y Mean 0.976288 4.402221 2.828427 64.25000 Source DF Type I SS Mean Square F Value Pr > F temp 1 2116.000000 2116.000000 264.50 <.0001 conc 1 100.000000 100.000000 12.50 0.0077 temp*conc 1 9.000000 9.000000 1.13 0.3198 cata 1 9.000000 9.000000 1.13 0.3198 temp*cata 1 400.000000 400.000000 50.00 0.0001 conc*cata 1 0.000000 0.000000 0.00 1.0000 temp*conc*cata 1 1.000000 1.000000 0.13 0.7328 Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 23
  • 24. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais INTERAÇÃO TEMP*CONC*CATA Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 24
  • 25. Capítulo 6 – Experimentos Fatoriais temp Cata y LSMEAN LSMEAN Number 160 C1 57.0000000 1 160 C2 48.5000000 2 180 C1 70.0000000 3 180 C2 81.5000000 4 y Level of conc N Mean Std Dev 20 8 66.7500000 12.7363372 40 8 61.7500000 14.4593025 Introdução ao Planejamento e Análise Estatística de Experimentos –1o Semestre de 2011 – Prof. Pedro Ferreira Filho & Profa. Estela Maris P. Bereta Página 25