Diseño de Experimentos

Indice
1.
Introducción
2. Principios básicos del
diseño de experimentos
3. Ventajas y Desventajas de los
experimentos diseñados
estadísticamente.
4. Conclusiones
5. Bibliografía.

1.
Introducción

Qué se entiende por "diseño
de un experimento"

• Diseñar un experimento significa
  planear un experimento de modo que reúna la
  información pertinente al problema bajo
  investigación.
• El diseño de un experimento es la secuencia
  completa de pasos tomados de antemano para asegurar que los
  datos
  apropiados se obtendrán de modo de modo que permitan un
  análisis objetivo que
  conduzca a deducciones válidas con respecto al problema
  establecido.

La necesidad de un diseño de experimento surge de
la necesidad de responder a preguntas como:

• ¿Cómo se va a medir el efecto? ó
  ¿Cuáles son las características a analizar?
• ¿Qué factores afectan las características que se van a
  analizar?
• ¿Cuáles son los factores que se
  estudiaran en esta investigación?
• ¿Cuántas veces deberá ejecutarse
  el experimento?
• ¿Cuál será la forma de análisis?
• ¿A partir de que valores se
  considera importante el efecto?

Objetivos de un diseño de experimentos

• Proporcionar la máxima cantidad de información pertinente al problema bajo
  investigación.
• El diseño, plan o programa debe
  ser tan simple como sea posible.
• La investigación debe efectuarse lo más
  eficientemente posible; ahorrar tiempo,
  dinero,
  personal y
  material experimental. "Proporcionar la máxima cantidad
  de información al mínimo costo"

2. Principios
básicos del diseño de experimentos

1.- Reproducción.
2.- Aleatorización.
3.- Control
Local.

Reproducción.
Repetición del experimento porque:

• Proporciona una estimación del error
  experimental.
• Permite obtener una estimación más
  precisa del efecto medio de cualquier factor.

Unidad Experimental
Unidad a la cual se le aplica un solo tratamiento (que puede ser
una combinación de muchos factores) en una reproducción del experimento.

Error Experimental
Describe la situación de no llegar a resultados
idénticos con dos unidades experimentales tratadas
idénticamente y refleja:

• Errores de experimentación
• Errores de observación
• Errores de medición
• Variación del material experimental (esto es,
  entre unidades experimentales)
• Efectos combinados de factores extraños que
  pudieran influir las características en estudio, pero
  respecto a los cuales no se ha llamado la atención en la
  investigación.

El error experimental puede reducirse:

• Usando material experimental más
  homogéneo o por estratificación cuidadosa del
  material disponible.
• Utilizando información proporcionada por
  variables
  aleatorias relacionadas
• Teniendo más cuidado al dirigir y desarrollar
  el experimento
• Usando un diseño experimental muy
  eficiente.

Confusión
Dos o más efectos se confunden en un experimento si es
posible separar sus efectos, cuando se lleva a cabo el
subsecuente análisis estadístico.

Aleatorizacion.
Asignación al azar de tratamiento a las unidades
experimentales. Una suposición frecuente en los modelos
estadísticos de diseño de experimentos en
que las observaciones o los errores en ellas están
distribuidos independientemente. La aleatorización hace
válida esta suposición.

Control local.
Cantidad de balanceo, bloqueo y agrupamiento de las unidades
experimentales que se emplean en el diseño
estadístico adaptado.

Agrupamiento.
Colocación de un conjunto de unidades experimentales
homogéneas en grupos, de modo
que los diferentes grupos puedan
sujetarse a distintos tratamientos.

Bloqueo.
Distribución de las unidades experimentales
en bloques, de manera que las unidades dentro de un bloqueo sean
relativamente homogéneas, de esta manera, la mayor parte
de la variación predecible entere las unidades queda
confundida con el efecto de los bloques.

Balanceo.
Obtención de las unidades experimentales, el agrupamiento,
el bloqueo y la asignación de los tratamientos a las
unidades experimentales de manera que resulte una
configuración balanceada.

Tratamiento o combinación de tratamientos.
Conjunto particular de condiciones experimentales que deben
imponerse a una unidad experimental dentro de los confines del
diseño seleccionado.

Factor.
Una variable independiente. En la mayoría de las investigaciones
se trata con más de una variable independiente y con los
cambios que ocurren en la variable independiente, cuando varia
una o mas de las variables
independientes.

Etapas de un diseño de experimentos.

• Enunciado o planteamiento
  del problema.
• Formulación de hipótesis.
• Proposición de la técnica experimental
  y el diseño.
• Examen de sucesos posibles y referencias en que se
  basan las razones para la indagación que asegure que el
  experimento proporcionará la información
  requerida y en la extensión adecuada.
• Consideración de los posibles resultados desde
  el punto de vista de los procedimientos
  estadísticos que se aplicarán y para asegurar que
  se satisfagan las condiciones necesarias para que sean
  válidos estos procedimientos.
• Ejecución del experimento.
• Aplicación de las técnicas
  estadísticas a los resultados
  experimentales.
• Extracción de conclusiones con medidas de la
  confiabilidad de las estimaciones generadas. Deberá
  darse cuidadosa consideración a la validez de las
  conclusiones para la población de objetos o eventos a la
  cual se van a aplicar.
• Valoración de la investigación completa
  y contrastación con otras investigaciones
  del mismo problema o similares.

Lista de comprobación para planear programas de
pruebas.
Obtenga un enunciado claro del problema

1. Identifique la nueva e importante área del
   problema.
2. Subraye el problema específico dentro de sus
   limitaciones usuales.
3. Defina el propósito exacto del programa de
   prueba.
4. Determine la relación del problema particular
   con la investigación total o desarrollo
   del programa

Reúna la información básica
disponible.

1. Investigue todas las fuentes de
   información posible.
2. Tabule los datos
   pertinentes para planear el nuevo problema.

Diseñe el programa de prueba

1. Sostenga una conferencia
   respecto a todas las partes concernientes.

1. Enuncie las proposiciones por probar.
2. Especifique respecto a la magnitud de las
   diferencias que usted considere que valen la
   pena.
3. Esboce las alternativas posibles de los
   sucesos.
4. Escoja los factores por estudiar.
5. Determine el rango práctico de estos
   factores y los niveles específicos a los qie se
   harán las pruebas.
6. Escoja las mediciones finales que van a
   hacerse.
7. Considere el efecto de variabilidad de muestreo y de
   la precisión de métodos de prueba.
8. Considere las posibles interrelaciones ( o
   interacciones) de los factores.
9. Determine las limitaciones de tiempo,
   costo,
   materiales, potencia
   humana, instrumentación y otros factores y de
   condiciones extrañas tales como condiciones
   metereológicas.
10. Considere los aspectos de las relaciones
    humanas del programa.

1. Diseñe el programa en forma
   preliminar.

1. prepare una cédula sistemática y
   completa.
2. Proporcione las etapas de ejecución o
   adaptación de la cédula si es
   necesario.
3. Elimine los efectos de las variables que no
   están en estudio.
4. Reduzca al mínimo el número de
   ejecuciones del experimentos.
5. Elija el método de análisis
   estadístico.
6. Haga las indicaciones prudentes para una
   acumulación ordenada de datos.

1. Revise el diseño con todo lo
   concerniente.

1. Ajuste el programa de acuerdo con los
   comentarios.
2. Desglose en términos precisos los pasos a
   seguir.

Planee y lleve a cabo el trabajo
experimental.

1. Desarrolle métodos,
   materiales y
   equipo.
2. Aplique los métodos o técnicas.
3. Supervise y cheque los
   detalles modificando los métodos si es
   necesario.
4. Registre cualquier modificación al
   diseño del programa.
5. Sea cuidadoso en la colección de
   datos.
6. Registre el avance del programa.

Analice los datos.

1. Reduzca los datos registrados a forma
   numérica, si es necesario.
2. Aplique las técnicas adecuadas de la Estadística Matemática.

Interprete los resultados.

1. Considere todos los datos observados.
2. Limite las conclusiones a deducciones estrictas a
   partir de la evidencia obtenida.
3. Pruebe, mediante experimentos independientes, las
   controversias que susciten los datos.
4. Llegue a conclusiones, tanto respecto al significado
   técnico de resultados como respecto a significancia
   estadística.
5. Especifique lo que implican los resultados para su
   aplicación y para trabajos posteriores.
6. Tome en cuente las limitaciones impuestas por los
   métodos usados.
7. Enuncie los resultados en términos de
   probabilidades verificables.

Prepare el reporte.

1. Describa claramente el trabajo
   dando antecedentes, aclaraciones pertinentes del problema y del
   significado de los resultados.
2. Use métodos gráficos y tabulares para la
   presentación de los datos en forma eficiente para usos
   futuros.
3. Suministre información suficiente para que el
   lector pueda verificar resultados y sacar sus propias
   conclusiones.
4. Limite las conclusiones a un resumen objetivo,
   tal que el trabajo evidencie su uso para consideraciones
   rápidas y acciones
   decisivas.

3. Ventajas y Desventajas de
los experimentos diseñados
estadísticamente.

Ventajas

1. Se requiere una estrecha colaboración entre
   los estadísticos y el investigador o científicos
   con las consiguientes ventajas en el análisis e
   interpretación de las etapas del programa.
2. Se enfatiza respecto a las alternativas anticipadas y
   respecto a la pre-planeación sistemática,
   permitiendo aun la ejecución por etapas y la producción única de datos
   útiles para el análisis en combinaciones
   posteriores.
3. Debe enfocarse la atención a las interrelaciones y a la
   estimación y cuantificación de fuentes de
   variabilidad en los resultados.
4. El número de pruebas requerido puede
   determinarse con certeza y a menudo puede
   reducirse.
5. La comparación de los efectos de los cambios
   es más precisa debido a la agrupación de
   resultados.
6. La exactitud de las conclusiones se conoce con una
   precisión matemáticamente definida.

Desventajas de los experimentos diseñados
estadísticamente.

1. Tales diseño y sus análisis, usualmente
   están acompañados de enunciados basados en
   el lenguaje
   técnico del estadístico. Sería
   significativos a la generalidad de la gente, además, el
   estadístico no debería subestimar el valor de
   presentarnos los resultados en forma gráfica. De hecho,
   siempre debería considerar a la representación
   gráfica como un paso preliminar de un procedimiento
   más analítico.
2. Muchos diseños estadísticos,
   especialmente cuando fueron formulados por primera vez, se han
   criticado como demasiado caros, complicados y que requieren
   mucho tiempo. Tales críticas, cuando son válidas,
   deben aceptarse de buena fe y debe hacerse un intento honesto
   para mejorar la situación, siempre que no sea en
   detrimento de la solución del problema.

4.
Conclusiones

En este trabajo podemos darnos cuenta de la importancia
del diseño de experimentos, o dicho de otra manera, el
planear paso a paso las operaciones para
así obtener un resultado satisfactorio a nuestro problema
planteado.
Para el diseño de un experimento debemos tener en cuenta
los efectos y las características de nuestro problema a
resolver. Como se puede apreciar un diseño debe de ser lo
más sencillo posible y así poder ahorrar
tiempo, inversión y personal, pero no
por eso se deben de olvidar considerar los principios
básicos en el diseño.
Observamos el trabajo conjunto de los investigadores con los
estadísticos que nos llevan a obtener una mejor planeación
del experimento, aunque tiene sus desventajas se puede notar que
actuando de manera correcta se puede cambiar la forma de ver de
los inconvenientes que puede representar el alto costo que se
tiene con los estadísticos.
Podemos estar seguros de que si
llevamos a cabo todos los elementos de la lista de
comprobación tendremos una planeación efectiva de
nuestro experimento y así obtener los resultados
esperados.

5. Bibliografía.

KEMPTHORNE O. The Design and Analysis of
Experiments.
John Wiley and Sons. , New York,
1952, p.10
BICKING A. C. Some Uses of statistics en the Planning of
Experiments.
Industrial Quality Control, Vol. 10
No. 4, Enero 1954.
COX D. R. Planning of Experiments.
John Wiley and Sons, Inc. New York, 1978
OSTLE B. Estadística Aplicada.
Limusa-Wiley, México,
1975, Cap. 10
MENDEZ I. Lineamientos Generales para la planeación de
Experimentos.
Monografía No. 15, Vol. 15 IIMAS.
1980.

Autor:

Sara Guadalupe Reyes Echavarria
Ingeniero Químico. Universidad
Veracruzana Poza Rica, Veracruz, México.