Minitab: 6 sigma 專業軟體 繁體中文討論-96

有學過6 sigma的同學, 一定知道 Minitab這套軟體, 因為它把6 sigma實用化了. 過去 Minitab 並沒有中文版, 但對岸有人將它漢化後, 官方也出簡體中文版, 使用簡體中文版會比英文版更friendly, 但畢竟兩岸語文還是有差異, 尤其專有名詞上的差異更讓人難以適從, 例如常態分配 v.s. 正态分布; 品質 v.s. 质量; 巨集 v.s. 宏; 變異數分析 v.s.方差分析; 進階 v.s. 高级…

官方目前沒有繁體中文版.~可惜! 希望 Minitab TWN公司能早日完成繁體中文版的 Minitab. ~期待!

        先前談到 Tutorials 教學課程, 了解如何使用 Minitab 各項功能。而在Help 協助 > StatGuide 統計指南中, 則對於輸出的結果有詳細的解釋說明:

ANOVA > Balanced ANOVA

平衡變異數分析 > 匯總  

使用平衡變異數分析 (ANOVA) 來檢查多個因子在連續反應中的效應。此製程要求因子水準每一組合的觀測值數必須相同（平衡）。

廣義線性模型的因子可以是下列兩種類型之一：

·    固定 - 固定因子是系統地變更了的離差變數。

·    隨機 - 隨機因子是指從值的較大總體中隨機選擇其值的離差變數。

表示每個因子變數的各個不同值稱為因子水準。分析中每個因子水準都對應一個較大的總體及其平均值。樣本平均值是對整個總體水準平均值的估計值。

·    對於固定因子，變異數分析檢查因子水準平均值是否相同。

·    對於隨機因子，變異數分析檢查因子變異數是否為零。

注意

 如果資料不平衡，那麼改為使用廣義線性模型製程。如果需要在固定因子水準的平均值之間進行多重比較，那麼也使用廣義線性模型製程。

資料描述

一家紡織品製造商需要確定影響合成纖維斷裂強度的因子。該公司的研究人員隨機選擇了四台生產機器和三名作業員，對產品進行取樣，以確定這些變數是否影響纖維強度。三名作業員分別在四台機器上工作，研究人員從每位作業員處獲得兩個觀測值。

資料： 纖維.MTW （在樣本資料檔案夾中）

平衡變異數分析 > 因子表  

因子表顯示下列資訊：

·    該模型中包含多個因子

·    每個因子的類型（固定因子或隨機因子）

·    每個因子的水準數

·    因子水準的值

輸出範例

因子    類型  水準數  值

機器    隨機       4  1, 2, 3, 4

作業員  隨機       3  1, 2, 3

解釋

對於纖維強度分析，該表顯示下列內容：

·    此次分析中包含兩個因子：機器和作業員。

·    這兩個因子都是隨機。

·    機器因子具有四個水準，其值為：1、2、3、4。

·    作業員因子具有三個水準，其值為：1、2、3。

平衡變異數分析 > 變異數分析表  

變異數分析表中最重要的統計量是 p 值 (P)、S、R 和調整的 R 值。這些值可以共同描述水準平均值之間是否有顯著差異以及模型對資料的適合度。

p 值

模型中的每項（誤差項除外）都有一個 p 值 (P)。項的 p 值表明對該項的效應是否顯著：

·    如果 P 小於或等於已選的 a 水準，則描述項的效應顯著。

·    如果 P 大於已選的 a 水準，則描述效應不顯著。

如果固定因子的效應顯著，那麼該因子的水準平均值之間存在顯著差異。

如果隨機因子的效應顯著，那麼該因子的變異數不為 0。

如果交互作用項的效應顯著，那麼每個因子的效應在其他因子的不同水準之中有所不同。因此，沒有必要嘗試解釋顯著高次交互作用中所包含項的個別值效應。

S、R 和調整的 R 是模型對資料的適合度的量測。這些值有助於您選擇具有最佳適配的模型。

·    S 以反應變數的單位進行量測，它表示資料值與適配得標準距離。對於給定研究，模型預測反應的效果越好，S 越小。

·    R（R 平方）描述在觀測的反應值中由預測變數解釋的變異量。R 始終隨預測變數的增加而增大。範例，最佳的五預測變數模型的 R 始終比最佳的四預測變數模型的高。因此，比較相同大小的模型時 R 最有效。

·    調整的 R 表示已根據模型中的項數調整的修正 R。如果包含了不必要的項，R 會人為地變得很高。與 R 不同，調整的 R 在您向模型中增加項時可能變小。使用調整的 R 比較預測變數數不同的各個模型。

輸出範例

強度 的變異數分析

來源         自由度       SS      MS      F      P

機器              3   12.458   4.153   0.56  0.662

作業員            2  160.333  80.167  10.77  0.010

機器*作業員       6   44.667   7.444   1.96  0.151

誤差             12   45.500   3.792

合計             23  262.958

S = 1.94722   R-Sq = 82.70%   R-Sq（調整） = 66.84%

解釋

在纖維強度分析中，機器、作業員以及機器對作業員交互作用在纖維強度中的效應都已進行過評估。若假定該檢定的 a 水準通常為 0.05，則結果表明：

·    交互作用項的 p 值 (0.151) 大於 0.05。因此，機器和作業員因子的交互作用不顯著，可以分別考慮個別值因子的效應。

·    機器的 p 值 (0.662) 也大於 0.05，這表明機器因子與纖維強度中變異的顯著數量不相關。

作業員因子的 P 值為 0.010。由於此值小於所選的 a 水準 0.05，因此作業員對強度的效應是顯著的。換句話說，纖維強度中變異的顯著數量與操作機器的作業員變異相關。

對於纖維強度資料，S 為 1.947，R 為 82.70%，調整的 R 為 66.84%。與 R 不同，調整 R 可能大幅度地變小，以表明模型中存在不必要的項。

如果要比較不同的纖維強度模型，則通常要尋找可使 S 最小化並使兩個 R 值最大化的模型。

平衡變異數分析 > 平均值  

平均值表顯示您指定的每個因子水準或交互作用項的平均反應值以及觀測值數。使用此表檢視因子水準或因子水準組合的平均值如何進行比較。

輸出範例

平均值

機器  N    強度

1     6  111.83

2     6  112.17

3     6  111.67

4     6  113.50

作業員  N    強度

1       8  109.88

2       8  111.13

3       8  115.88

機器  作業員  N    強度

1     1       2  109.50

1     2       2  111.00

1     3       2  115.00

2     1       2  112.50

2     2       2  110.50

2     3       2  113.50

3     1       2  108.50

3     2       2  110.00

3     3       2  116.50

4     1       2  109.00

4     2       2  113.00

4     3       2  118.50

解釋

對於纖維資料，儘管機器 4 的強度平均值 (113.50) 略高於其他平均值，但每台機器的強度和彈性平均值仍相似。而每位作業員的強度平均值變化較大，分別為 109.87、111.12 和 115.87。

平衡變異數分析 > 圖表 - 殘差的直方圖  

殘差的直方圖顯示全部觀測值的殘差異布。使用直方圖作為研究工具來瞭解資料的下列特徵：

·    典型值、波動或變異以及形狀

·    資料中的異常值

殘差的直方圖應該為鍾形。使用此圖尋找下列資訊：

此圖表趨勢...                         表明...

長尾                                        偏斜度

遠離其他長條的長條            異常值

由於直方圖的外觀會根據用於對資料進行分組的區間數而變更，因此請使用常態機率圖和適合度檢定來評定殘差是否為常態。

輸出範例

解釋

對於合成纖維資料，沒有證據表明存在偏斜度或異常值。

平衡變異數分析 > 圖表 - 殘差的常態機率圖  

此圖表圖示當分布為常態時的殘差及其期望值。根據分析得出的殘差應該是常態分布的。實際上，對於具有固定因子的平衡或接近平衡的設計，略微偏離常態性不會嚴重影響結果。

殘差的常態機率圖應該大致為一條直線。使用此圖尋找下列資訊：

此圖表趨勢...         表明...

非直線                    非常態性

尾部為曲線            偏斜度

遠離直線的點        異常值

斜率不斷變化        未確定的變數

如果資料的觀測值不足 50 個，則即使殘差是常態分布的，圖也可能在尾部顯示曲率。隨著觀測值數的減少，機率圖甚至可能會顯示更大的變異和非線性。使用常態機率圖和適合度檢定來評定小資料集中殘差的常態性。

輸出範例

解釋

對於合成纖維資料，殘差顯示為直線。沒有證據表明存在非常態性、偏斜度、異常值或未確定的變數。

平衡變異數分析 > 圖表 - 殘差與適配  

此圖表圖示殘差與適配。殘差應該在 0 附近隨機分散。使用此圖尋找下列資訊：

此圖表趨勢...                                                 表明...

殘差相對適配呈扇形或不均勻分散            異變異數

曲線                                                                缺少高次項

遠離 0 的點                                                  異常值

輸出範例

解釋

從此圖中可以看出，殘差並非隨機分散在 0 附近。大於近似 112.5 的適配的殘差看來具有較大的變異數。為了從分析上檢查這一點，已使用統計 > 變異數分析 > 變異數相等檢定來檢定等變異數假定。檢定結果表明沒有足夠的證據表明存在不等變異數。該圖中顯示的變異可能是由於隨機波動引起的。

平衡變異數分析 > 圖表 - 殘差與順序  

此圖表以相應觀測值的順序圖示殘差。觀測值的順序可能影響結果時此圖會很有用，以時間順序或以某些其他順序（如地理區域）採集資料時可能影響結果。此圖在試驗未被隨機化的設計實驗中尤其有協助。

圖中的殘差應該在中心線附近隨機波動。檢查此圖以檢視相鄰誤差項之間是否存在任何相關性。殘差之間的相關性可以表示為：

·    殘差中的上升或下降趨勢

·    相鄰殘差的符號快速變化

輸出範例

解釋

對於合成纖維資料，殘差通常隨機分散在 0 附近。沒有證據表明誤差項彼此相關。但此圖的兩端比中間似乎更分散。這表明在資料收集的開始和結束期間，生產流程中具有更大的變異性。

平衡變異數分析 > 圖表 - 殘差與變數  

此圖表圖示殘差與其他變數。殘差應該在中心線附近隨機波動。如果變數已經包含在模型中，則請使用此圖確定是否應該增加該變數的高次項。如果變數尚未包含在模型中，則請使用此圖確定變數是否系統地影響反應。

使用此圖尋找下列資訊：

此圖表趨勢...                                 表明...

殘差排欄成圖表趨勢                    變數正在系統地影響反應

點的排欄有曲率                            應該在模型中包含變數的高次項

輸出範例

解釋

對於合成纖維資料，殘差隨機分散在 0 附近。沒有證據表明殘差中存在模式或資料中存在曲率。此圖表明溫度對纖維強度似乎沒有系統性影響。

平衡變異數分析 > 圖表 - 四合一殘差圖  

四合一殘差圖在一個圖表視窗中同時顯示四種不同的殘差圖。此版面有助於比較這些圖以確定模型是否符合分析的假設。此圖表中的殘差圖包含：

·    直方圖 - 表明資料是否偏斜或資料中是否存在異常值

·    常態機率圖 - 表明資料是否為常態分布的、其他變數是否影響反應或資料中是否存在異常值

·    殘差與適配 - 表明變異數是否恆定、是否存在非線性關係或資料中是否存在異常值

·    殘差與資料順序 - 表明資料中是否存在因時間或資料採集順序而產生的系統化影響

輸出範例

解釋

要檢視四合一圖中每個殘差圖的解釋，請參考本主題之前每種殘差圖的個別值主題。

ANOVA > Balanced ANOVA > more

假設檢定

假設檢定是統計決策中最常用的方法之一。一般而言，假設檢定是一種假定初始聲明為真，然後使用樣本資料檢定該聲明的製程。通常，初始聲明是指相關的總體參數，如總體平均值 (m)。

假設檢定包含兩個假設：原假設（以 H0 表示）和備擇假設（以 H1 表示）。原假設是初始聲明，且通常使用先前的研究或常識進行指定。備擇假設是可以相信為真實或有望證明為真實的內容。備擇假設有時稱為研究假設。

假設檢定的決策製程可以基於給定檢定的機率值（p 值）。

·    如果 p 值小於或等於預先確定的顯著性水準（a 水準），則否定原假設，並聲明支援備擇假設。

·    如果 p 值大於 a 水準，則不能否定原假設，且不聲明支援備擇假設。

執行假設檢定時，有四種可能的結果。結果取決於原假設的真假以及能否否定原假設。下表中匯總了這些結果：

如果原假設為真，但否定了原假設，則發生類型 I 錯誤。發生類型 I 錯誤的機率稱為阿爾法 (a)，有時也稱為顯著性水準。

如果原假設為假，但未能否定它，則發生類型 II 錯誤。發生類型 II 錯誤的機率稱為 b。

原假設為假時，否定它的機率等於 1 - b。此值也稱為檢定的檢定力。

選擇 a 水準

對 a 的選擇決定類型 I 錯誤的機率。此值越小，錯誤地否定原假設 (H0) 的幾率就越小。但是，a 值越小就意味著檢定力越低，並因此降低了檢測到效應（如果存在）的幾率。

按照慣例，最常用的 a 水準為 0.05。a = 0.05 表示發現實際並不存在的效應的幾率僅為 5%。大多數情況下，認為這種出現錯誤的機率可允收。但是，對特定檢定選擇 a 時，可能需要考慮何種錯誤更嚴重：發現實際不存在的效應，或未發現實際存在的效應。

選擇較小的 a。有時選擇較小、較保守的 a 值更好。範例，假設要檢定新銑床中的樣本，並嘗試決定是否購買並在加工車間中安裝一批這種機器。如果新機器比當前使用的機器更精確，則會節省大量資金，因為生產的殘次品將會減少。但是，購買和安裝一批機器的成本非常高。購買前需要確信新機器更加精確。這種情況下，可能需要選擇較低的 a 值，如 0.001。這樣，如果實際上並非如此，將斷定新機器更精確的幾率也僅為 0.1%。

選擇較大的 a。另一方面，有時選擇較大、較寬鬆的 a 值更好。範例，假設噴氣發動機製造商要檢定一種價格較低的新滾珠軸承的穩定性。很明顯，如果滾珠不合格，則節省的少量滾珠成本沒有潛在災難性後果的代價值得重視。因此，可能需要選擇較高的 a 值，如 0.1。儘管這意味著在不存在差異的情況下將更可能錯誤地斷定存在差異，但更重要的是更可能檢測到軸承穩定性中的差異（如果存在）。

什麼是交互作用？

如果交互作用顯著，那麼這表明個別值因子的效應在其他因子的不同水準之中有所不同。下表對汽車銷售量中色彩和季節效應之間的交互作用進行圖解：

                  季節       

色彩        夏季          冬季

黑色         600           200

白色         300           300

該表表明：黑車在夏季的銷量超過冬季，而白車的銷量在夏季和冬季相同。您可以得出如下結論：

·    色彩對汽車銷售量的效應取決於季節。

·    季節對汽車銷售量的效應與色彩相關。

預測反應變數值時，兩個（或多個因子）的這種相互依賴性叫做交互作用。

注意：如果交互作用中包含多個個別值因子，那麼解釋個別值因子的效應（主要效應）並無用處。範例，可以嘗試得出汽車銷售資料的一般結論，比如：夏季的汽車銷量更好（反映季節的主要效應）或者黑色汽車比白色汽車銷量更好（反映色彩的主要效應）。但類似的結論僅可傳達一部分資訊。如果經銷商需要確定每種色彩的汽車庫存數量，那麼他需要瞭解全部狀況。

什麼是殘差

Minitab 提供三種類型的殘差：

·    常規殘差：觀測值 - 預測值。

·    標準化殘差：常規殘差 / 常規殘差的標準差。

標準化消除了資料點位置對於預測值或因子的影響。

·    學習化已刪除殘差：對於 ith 資料點，公式遵循與標準化殘差相同的表達方式。但是，計算第i個 學習化已刪除殘差時適配和標準差都是在刪除第i個觀測後得到的。與標準化殘差相比，學習化已刪除殘差在出現異常資料點時會變大。

模型假設

迴歸和變異數分析製程關於誤差做出下列假設：

·    誤差為常態分布，且平均值為 0。

·    誤差變異數不會為不同因子水準或根據預測反應的值而發生變更。

·    每種誤差都獨立於全部其他誤差。在所設計的實驗中，獲得獨立誤差的最好方式是隨機化實驗的實驗順序。

在分析中檢定這些假設的有效性。殘差是誤差的最佳估計值。因此，可以使用殘差圖以圖表方式檢查每個假設。

如果模型違反這些假設，則分析的結果可能有誤導性。範例，如果誤差相互關聯，則可能會錯誤地估計係數的標準誤差，從而導致錯誤的 t 值和 p 值。

直方圖和常態性

下列是從常態分布中抽取的九個資料集樣本。這些樣本沒有問題；但是，這些直方圖中大多數看起來不是鐘形，這描述了為什麼不應該使用直方圖來判斷資料的常態性。判斷資料是否為常態分布需要使用常態機率圖。

隨機產生樣本的直方圖

每個樣本包含常態分布中的 24 個觀測值。

轉換反應變數

殘差表示異變異數或非常態性時，必須進行轉換。

您可能還會發現在模型表現出顯著缺適性時資料轉換非常有用，而且這種轉換在反應曲面實驗的分析中尤為重要。假設在模型中包含全部顯著的交互作用和二次項，但缺適性檢定表明需要高次項。轉換可以消除缺適性。

如果資料轉換修正了此問題，使用迴歸分析比用其他可能更複雜的分析方法要好一些。迴歸分析或實驗設計分析的結果可以指導我們選擇合適的資料轉換方法解決不同的問題。

Box-Cox 轉換是最常用的變異數穩定轉換。在下面第一個圖表中，殘差表示異變異數。第二個圖表顯示變異數穩定轉換之後的殘差。適配的刻度（x 軸）變更，而變異數變為恆定。

常態機率圖中的圖表趨勢

下列圖表趨勢違反了誤差為常態分布這一假設。

非常態性的效應

迴歸和變異數分析的一個假設為殘差來自常態分布。但是，如果設計僅有固定因子，設計為平衡或接近平衡，且具有相當多的觀測值，則略微偏離常態性不會嚴重影響結果。

發現非常態圖表有趨勢時該怎麼做

可能難以正確指出常態機率圖中明顯偏離常態性的原因。可能的原因包含：

·    齊次變異數假設失敗

·    殘差異常大（異常值）

·    模型中缺少重要變數

·    資料來自非常態總體

對於完整分析，請將常態機率圖與其他診斷圖以及適合度統計量結合使用。

如果發現非常態圖表趨勢：

1    使用其他診斷圖檢視非常態性是否由非常態總體中的資料之外的因素所導致。

2    使用統計 > 基本統計 > 常態性檢定來執行常態性檢定。

3    如果確定資料來自非常態總體，則可以在繼續分析之前轉換資料。請參見轉換反應變數。

注意

 修復不等變異數問題的轉換通常也修復常態性問題。

殘差與適配圖中的圖表趨勢

下列圖表趨勢顯示異常值和對誤差為恆定這一假設的衝突。

異常值圖

右上角的殘差比圖中其他全部都大很多，因此為異常值。如果異常值過多，則模型可能不妥當。異常值可能是由於量測錯誤所導致。應該調查異常值以確定其原因。

異變異數圖

殘差的變異數隨適配增加。請注意，隨著適配的增加，殘差在零殘差線周圍分散得更廣，指明不等的（非恆定）變異數。此圖表趨勢表明誤差變異數隨平均值的增加而增加。資料的轉換會有助於穩定這些變異數。

發現圖表有趨勢時該怎麼做

如果圖顯示...                 執行此操作...

異變異數                        1    使用統計 > 變異數分析 > 變異數相等檢定來檢定相等變異數的假設。

2    如果圖或檢定表明變異數不等，則考慮轉換反應變數。

異常值或有影響的點    1    驗證觀測值不是量測或資料錄入錯誤。

2    考慮執行分析時不包含此觀測值來檢視它是否影響結果。

缺少高次項                    增加此項並重新適配模型。

殘差與順序圖中的圖表趨勢

下列圖表趨勢違反了誤差彼此獨立這一假設。

隨著觀測值的順序從左到右提高，殘差系統地降低。

殘差的值從低（左）到高（右）急劇變化。

發現圖表有趨勢時該怎麼做

殘差與資料順序圖中的圖表趨勢表明誤差不是獨立的。此指示可能嚴重影響分析的結論，因此應該至少考慮下列一種補救措施：

·    由於誤差的非獨立性往往難以修正，因此如果要進行設計的實驗，應該盡量透過隨機化試驗以防止出現這種問題。

·    向模型中增加時間效應以消除誤差項的相關。範例，正在檢視幾個月期間的日收入。增加表示一周中某天的因子會消除誤差項中的非獨立性。

·    考慮時間序列製程（如 ARIMA）以解決誤差項中的自相關。

發現圖表有趨勢時該怎麼做

殘差與變數圖中的圖表趨勢表明可能未在模型中包含重要變數或未包含變數的高次項。

·    如果該變數在模型中，請為該變數增加高次項並重新適配模型。範例，曲線圖表趨勢表明應該增加平方項。

·    如果該變數不在模型中，請為該變數增加一項並重新適配模型。

詳細資訊請到官方網站進一步了解: http://www.minitab.com.tw/ 和 http://www.minitab.com/

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