統(tǒng)計學及數(shù)據(jù)介紹

第一章統(tǒng)計學及數(shù)據(jù)介紹1.0介紹1.1統(tǒng)計學定義1.2統(tǒng)計學的研究范圍1.3統(tǒng)計學在核工業(yè)中的應(yīng)用1.4描述性統(tǒng)計學1.0引言什么是統(tǒng)計學?對于一些工程師和科學家而言，這是一門令人難以理解，迷惑的學科。這種看法源于對統(tǒng)計分析的目的和用處的理解缺乏，毫無疑問，這也部分由于某些廣告商和銷售員，為了使顧客加深對他們產(chǎn)品或服務(wù)的印象，展示一些數(shù)據(jù)圖表，使用一些統(tǒng)計學上的科學術(shù)語所造成的誤導性的結(jié)論。本文所期望的就是能幫助讀者減少或者排除關(guān)于統(tǒng)計學益處的迷惑，同時也幫助讀者養(yǎng)成一個關(guān)于所有報道價值觀念的真正意義的健康懷疑論的好習慣。接下來將要特別為大家呈現(xiàn)統(tǒng)計學不是簡單而枯燥的數(shù)據(jù)整理操作這種瑣碎之事;事實上，數(shù)據(jù)庫越小，正是應(yīng)用統(tǒng)計學知識越重要越有價值的時候。為了做到這一點，需要做到以下三點:向讀者介紹統(tǒng)計學的語言。向讀者介紹并且使他們了解基礎(chǔ)的統(tǒng)計分析深層次的含義向讀者提供一套用以解決他們有計劃的收集和分析數(shù)據(jù)的難題的手段方法當然，一個人不可能簡單的憑自己在書本中掌握的統(tǒng)計學知識而成為一個統(tǒng)計學家。許多深奧復(fù)雜的手段方法已經(jīng)超越了這篇文章的研究范圍。然而，我希望這篇文章能使讀者感興趣，進而以他的工作為引導，積累知識，為其統(tǒng)計學打下基礎(chǔ)。1.1統(tǒng)計學定義回到這個問題上，統(tǒng)計學對于許多人來說是許多不同的東西。著名的統(tǒng)計學家Dr.GoergeE.P。Box曾經(jīng)半開玩笑的說過:”統(tǒng)計學家所做的事即是統(tǒng)計學?！痹谶@個迂回的定義背后的含義是統(tǒng)計學的確涉足于許多領(lǐng)域，在完成許多學科的任務(wù)時，統(tǒng)計學橫跨眾多科學，經(jīng)濟學以及社會科學。對于以上一些學科而言，統(tǒng)計學家或許是個數(shù)學家;對于數(shù)學家而言，他又像是一個訣竅秘訣的追隨者（一個數(shù)字“工程師”）。對于統(tǒng)計學家的小女兒而言，她的爸爸是一個“專治生病的數(shù)字的醫(yī)生”。事實上，他什么都不是但又什么都是。更正式點，統(tǒng)計學可以被定義為:”通過對于不確定性的出現(xiàn)進行推論,從而掌握對于此現(xiàn)象的知識的一門科學”。在定義中的三個關(guān)鍵字用下劃線劃出?？茖W表明有許多特殊的邏輯規(guī)則或數(shù)學定理以及許多特殊的方法論。統(tǒng)計學有這些規(guī)則和方法論。盡管有人會說這些規(guī)則是屬于數(shù)學的，正是由于將這些規(guī)則運用于現(xiàn)實生活中從而把統(tǒng)計學從數(shù)學中分離出來。這些應(yīng)用即是推論。充計學家基于觀察和推測從而推斷出事物本質(zhì)的狀態(tài)，以此來幫助他們做出決定的過程。這和概率論是相反的，概率論是數(shù)學的一個分支，通過對一些確定事件的推導給出對本質(zhì)狀態(tài)的一個假設(shè)。在統(tǒng)計學定義中的第三個關(guān)鍵詞是丕確定性亠是這篇文章的觀點即事物的本質(zhì)不是確定的。盡管一些真正的物質(zhì)上的聯(lián)系有可能甚至很有可能是存在的，人們或者不能被準許去觀察到他們，或者是能力不夠而觀察不到他們，或者兩者都是。我們永遠不能確定我們擁有絕對正確的知識，這種情況在科學發(fā)展史上一再出現(xiàn)。不論證據(jù)多么明顯，有是存在我們得出錯誤結(jié)論的幾率。統(tǒng)計學能處理得到這種獲得錯誤結(jié)論的幾率。一個懷疑論者曾諷刺性的定義統(tǒng)計學為一門在其中你會有5%的時間是錯誤的科學。盡管不是在他所想表達的這個語境中，事實上在這個定義里還是體現(xiàn)出一些智慧。關(guān)鍵點是在所有人的觀察中都存在著不確定，而統(tǒng)計學家想通過一種量化的方法以及一種特別的知識體系去解決這種不確定。已然建立的統(tǒng)計學是一門科學，現(xiàn)在我想讓大家知道統(tǒng)計學也是一種藝術(shù)，或者這樣說，統(tǒng)計學的應(yīng)用過程是一種藝術(shù)。在解決任何在界定這些現(xiàn)實問題上存在困難的難題并且決定用什么技術(shù)手段應(yīng)用于如何解決這些難題。因此，統(tǒng)計學家在和他的顧客或工程師或科學家交流討論時必須培養(yǎng)一種把問題問到節(jié)骨眼上并能提供恰到好處的工具去解決難題的藝術(shù)。1.2統(tǒng)計學的范疇正如數(shù)學一樣，統(tǒng)計學在僅涉及一些其他科學或努力領(lǐng)域方面是獨一無二的。物理學家和生物學家，各種各樣的工程師，社會學家，心理學家，經(jīng)濟學家，農(nóng)學家，民調(diào)機構(gòu)曾經(jīng)都需要處理統(tǒng)計信息。統(tǒng)計學甚至曾經(jīng)用來解決歷史文獻的作者身份問題，還用來解決骨頭化石的年代和起源的問題。事實上，在這些學科或者其他學科中的例子可以在一本寫給門外漢的名為《統(tǒng)計學:探索未知》的杰出著作中發(fā)現(xiàn)。事實上，無論處理任何類型的數(shù)據(jù)，都是在處理統(tǒng)計學問題。這并不是是否在運用統(tǒng)計學的問題，而是是否把統(tǒng)計方法運用的得當?shù)膯栴}。對于絕大部分人來說，統(tǒng)計學是數(shù)據(jù)分析的同義詞，這確實是正確的，數(shù)據(jù)分析是統(tǒng)計學的主要工作。我們將在這篇文章的第一部分來討論分析的手法，去描述數(shù)據(jù)的集合，去驗證特定數(shù)據(jù)來源的假設(shè)，去比較兩個或者多個數(shù)據(jù)集合是否相等，去建立曲線和多元函數(shù)，并且去建立對生產(chǎn)過程的控制的限制。對于從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)品經(jīng)理的科學家而言，這些技術(shù)都是有用武之地的。此外，數(shù)據(jù)分析以及從數(shù)據(jù)中引申出來的推論這個在統(tǒng)計學領(lǐng)域中同等重要的第二個部分的存在并沒有被充分認識。這個領(lǐng)域是數(shù)據(jù)收集，或者更確切的說，應(yīng)該是有計劃的數(shù)據(jù)收集。這個領(lǐng)域總體上被看做實驗的設(shè)計，通常合理的觀點是任何數(shù)據(jù)的收集都是有實驗在進行。正如在電腦中，“輸入垃圾，輸出垃圾”的陳詞濫調(diào)同樣適用于科學研究。實驗的設(shè)計需要有效的利用實驗區(qū)獲取最多的信息。正因為需要有效的利用實驗，所以需要有效的利用時間和金錢，在這一點上許多的科學家都沒能很好的利用統(tǒng)計學。優(yōu)秀的“實驗性”設(shè)計的基本技術(shù)將在文章的第一部分很有必要的討論研究，所以在恰當?shù)脑O(shè)計和恰當?shù)姆治鲋g經(jīng)常有一個直接聯(lián)系。第二部分將致力于討論試驗的設(shè)計這個領(lǐng)域內(nèi)的概念，技術(shù)以及應(yīng)用的更多細節(jié)。總而言之，統(tǒng)計學可以被描述為對于來源廣泛的各種數(shù)據(jù)或?qū)嶒灥那‘數(shù)挠媱澓头治?。它包含了?shù)學，科學理論以及經(jīng)驗主義。它很好的首先建立一個基于理論或先前觀察或兩者都有的關(guān)于事物本質(zhì)狀態(tài)的猜想或假說。然后拓展并實施一個調(diào)查的計劃，即實驗。通過恰當?shù)氖侄螌Λ@取的數(shù)據(jù)進行分析并做出推論。這個過程將我們引向一個新的猜想，一個有希望比原先的實驗?zāi)芨訙蚀_的描述事物本質(zhì)狀態(tài)的猜想。統(tǒng)計分析，盡管不是一個能自己做決定的過程，但在以量化方式做決定的過程中是一個極其有用的工具。1.3核工業(yè)中的統(tǒng)計學在這個部分，我們將討論一些在核工業(yè)中運用統(tǒng)計學的簡單但經(jīng)典的例子。值得注意的是，這些技術(shù)并不是指針對核工業(yè)，從總體上來說，同樣可以應(yīng)用于其他工業(yè)領(lǐng)域。通篇文章中出現(xiàn)的許多例子是基于核能的商業(yè)應(yīng)用，即壓水反應(yīng)堆（PWR）。1.冷卻液的不同化學成分構(gòu)成對材料腐蝕的比較在基礎(chǔ)科學研究領(lǐng)域，一個經(jīng)典的課題是對于不同的一級或者二級回路中冷卻液的化學成分對于材料腐蝕的影響的研究。許多不同化學成分的冷卻液在一個測試設(shè)備中進行試驗，每個試驗將在指定的時間內(nèi)進行以獲得所有化學成分的同等信息。然后以統(tǒng)計學的思想去對每個冷卻液試驗中所得到的數(shù)據(jù)進行表述，一般通過計算算術(shù)平均數(shù)和標準差——能衡量數(shù)值波動情況。建立一個基于可用數(shù)據(jù)的置信區(qū)間能以特定概率和置信概率涵蓋冷卻液腐蝕的真實值。利用方差分析和F測試的技術(shù)可以在冷卻液的平均值中進行比較。最終，經(jīng)過一段長時間的重復(fù)試驗，估計出腐蝕情況和時間之間的函數(shù)關(guān)系。2.合成不確定度以獲得設(shè)計極限在開發(fā)性設(shè)計領(lǐng)域，裝置組裝的不確定度的極限包含于許多部件和組裝操作合并起來產(chǎn)生的一個令人滿意的小概率產(chǎn)生一個超過的極限。這個單因子因素是特定部件的直徑上的制造公差，部件的偏心距意味著同心度，并且在裝置組裝時或許有可能發(fā)生對中誤差。物理學家關(guān)注于在許多影響核心性能變量的基礎(chǔ)上設(shè)置設(shè)計極限。在核能設(shè)計手冊中的有整個一章節(jié)用來討論處理在制造中產(chǎn)生的不確定度并檢驗數(shù)據(jù)，操作中的不確定度，和設(shè)計模型的不確定度。工具，材料和供應(yīng)商的資質(zhì)在開發(fā)性工作中，經(jīng)常需要去決定使用哪些正確的工具和材料，或者去查實一個技術(shù)人員或者供應(yīng)商是否有足夠的能力去完成指定的工作?？梢酝ㄟ^有計劃的測試去評估這些，來消除這些不希望出現(xiàn)的不穩(wěn)定因素的來源，并使明確的分析那些令人感興趣的東西成為可能。對于鋯合金錠的強度分析是評估材料和工藝變量的一個項目中的例子。我們需要評估一個或多個供應(yīng)商，并可能需要了解他們各自生產(chǎn)可接受材料的能力之間的差異。錠的組成的變化能試著去獲得可能的最佳性質(zhì)的錠塊。工藝變量可能包括滾動操作的次數(shù)和施加于每次滾動上的力，不同實施操作的溫度，還有錠在各個溫度上保持的時間。所有的這些變量都可以在一次認真計劃的多因素實驗中分析出，并且還能涵蓋其他一些響應(yīng)變量，如強度。4．生產(chǎn)批量估計在生產(chǎn)活動中，生產(chǎn)并持續(xù)生產(chǎn)合格的材料是必須的?？梢酝ㄟ^一個樣品計劃來達到這一點。每個批次的產(chǎn)品，例如燃料元件，取樣然后測試每份樣品元件是否合格。如果發(fā)現(xiàn)許多不合格元件，整個批次的元件不合格，并必須需要采取合適的手段來調(diào)整生產(chǎn)過程。另外一個確保一貫的合格產(chǎn)品的步驟是管控圖。一旦一個生產(chǎn)過程被判定為受控中，即生產(chǎn)合格的產(chǎn)品，當任何未來的觀測值跌落超過這些極限時控制極限升高,這個進程被稱為失控,并開始采取修正措施?？刂茦O限是基于許多元件的均值變量或每個元件的可用性。效益的過程變量包括元件尺寸,加載，斷裂等。運作工廠數(shù)據(jù)的使用在實際運作一個工廠