[실험계획법] 실험계획의 기본 원리

지난 포스팅에서는 요인과 수준에 대해서 알아보았습니다. 

이제 본격적으로 실험계획법이란 무엇인지 알아보고자 합니다. 

 

실험계획법에서는 랜덤화, 반복, 블록화, 직교화, 교락. 5가지의 기본 원리가 존재합니다.

하나씩 천천히 살펴봅시다.

 

랜덤화의 원리

실험을 진행할 때 우리가 선택한 요인외 다른 원인으로 인해 실험의 결과가 변한다면 어떻게 될까요? 그 실험의 결과가 믿을만 한가요? 

예를 들어봅시다. 여러분이 카페인과 밤잠의 관계를 규명하기 위해 실험을 진행하는 상황입니다. 실험지원자를 통해 실험을 진행해야 하는데 사람들 중에는 원래 밤잠이 없는 사람이 있는 반면, 밤9시만 되어도 곯아 떨어지는 사람이 있을 수도 있죠. 또한 카페인을 섭취해도 효과가 크지 않은 사람들도 있을 수 있죠. 여러분이 임의로 카페인을 섭취해도 밤에 잠을 잘 자는 사람들을 지원자로 선택한다면 어떤 결론에 도달할 수 있나요? 카페인은 졸음을 방지하는데에 효과가 전혀 없다. 라는 결론에 도달하게 되겠죠. 이것이 타당한가요? 

이러한 상황을 방지하기 위해 실험을 진행할 때 우리가 통제하는 요인을 제외한 대부분의 요인을 랜덤하게 선택합니다. 랜덤하게 선택함으로써 결과가 한쪽으로 치우치는 것을 방지할 수 있습니다. 아까의 예시를 통해 설명하자면 매일 같은 시간에 지원자들에게 카페인을 섭취시키고 나머지는 모두 랜덤하게 설정하는 것이죠. 

 

반복의 원리

 여러분이 랜덤화의 원리에 기초하여 실험을 한번만 진행했다고 합시다. 그럼 어떤 문제가 발생할까요? 아까 언급한 카페인 실험으로 다시 예를 들어보겠습니다. 진짜 0.000001%로 랜덤하게 고른 지원가가 모두 카페인에 효과가 없는 사람이라면?? 실험의 결과가 엉뚱한 방향으로 갈 수가 있겠죠. 매우 낮은 확률일지라도 실험이 잘못될 가능성이 있습니다. 

 이러한 상황을 해결하기 위해서 실험을 진행할 때 실험을 여러번 반복하여 실시하게 됩니다. 실험을 반복하는 횟수가 늘어날 수록 여러분이 설정한 표본이 실제 표본에 가까워지기 때문에 더욱 신뢰성 있는 실험 결과를 얻을수가 있게 된느 것이지요. 이것을 반복의 원리라고 합니다.

 

블록화의 원리

 랜덤화의 원리에서 실험을 진행할 때 우리가 통제하는 요인을 제외한 대부분의 요인을 랜덤하게 선택한다고 했었는데요. 모든 요인을 랜덤하게 설정한다면 무슨 문제가 발생할까요? 카페인 실험 예시로 돌아가 봅시다.

 여러분은 카페인과 밤잠의 관계를 규명하고 싶습니다. 그런데 실험지원자들의 카페인 섭취시간을 랜덤하게 선택한다면? 이것이 신뢰성 있는 결과를 얻어낼 수 있을까요? 

대부분의 경우 그렇지 않을 겁니다.  1번 지원자와 2번 지원자가 있는데 이 두사람은 카페인 섭취시간을 제외하고 모든 요인이 똑같다고 합시다. 신체조건부터 생활패턴까지 모두 다. 그런데 1번 지원자는 카페인을 아침에 일어나자마자 섭취 하였고, 2번 지원자는 카페인을 잠자기 1시간 전에 섭취하도록 실험이 계획되었다면 결과는 1번 지원자는 카페인을 섭취했음에도 잠을 잘 잤고, 2번 지워자는 카페인을 섭취하고 잠을 잘 자지 못했다는 결과가 나타나겠죠. 이런 실험 결과를 가지고 여러분은 어떤 결론을 내릴 것인가요? 아마 카페인은 밤잠과 관게가 없다는 결론을 내리는 것이 타당한 결론일 것입니다. 그런데 현실의 경험과 비교해 보았을 때, 이 실험은 어딘가 잘못되었다고 생각할 수 있죠. 어디가 잘못되었을까요?

네 지원자들이 카페인을 섭취하는 시간이 제각각이었기 때문입니다. 따라서 카페인 실험을 효과적으로 진행하기 위해선 지원자들이 카페인을 섭취하는 시간을 일정하게 맞춰주어야 합니다.

즉, 실험은 할 수 있는 한 균일하게 진행되어야 합니다. 이것을 블록화의 원리라고 합니다. 대표적으로 직교화의 원리가 적용되는 요인은 시간, 공간가 있으며, 실험 전체를 시간적, 공간적으로 분할하여 여러 블록으로 만들어주면 각 블록 내에서는 실험환경이 균일해져 정밀도가 높은 결과를 얻을 수 있습니다.

직교화의 원리

 직교화의 원리를 이해하려면 먼저 직교성(Orthogonality)를 이해해야합니다. 직교성이란 상호 독립적임을 의미합니다. 즉, 하나의 변수가 바뀌어도 나머지 결과에 어떠한 영향도 주지 않는 성질을 의미합니다.

 따라서 실험을 게획할 때 서로 독립적인 요인들로 실험을 계획하여 진행한다면 실험을 최소한으로 하여 결과를 도출해 낼 수 있겠죠. 즉, 같은 횟수의 실험으로 더욱 좋은 결론을 얻을 수가 있게 됩니다. 이것을 직교화의 원리라고 합니다.

교락의 원리

 교락이란 단어.. 참 생소하죠? 교락이란 무엇일까요?

교락이란, 2개 이상의 요인의 효과가 서로 뒤엉켜 구분이 안되는 상태를 의미하비다. 이 때 구분이 안되는 요인들을 하나의 요인으로 묶어서 실험을 진행하는 것을 교락의 원리라고 합니다.