Probability & Statistics for Engineers & Scientists 9th Edition by Ronald Walpole, ISBN-13: 978-0134115856

Description

Probability & Statistics for Engineers & Scientists 9th Edition by Ronald Walpole, ISBN-13: 978-0134115856

[PDF eBook eTextbook]

• Publisher: ‎ Pearson; 9th edition (March 7, 2016)
• Language: ‎ English
• 816 pages
• ISBN-10: ‎ 0134115856
• ISBN-13: ‎ 978-0134115856

For junior/senior undergraduates taking probability and statistics as applied to engineering, science, or computer science.

This classic text provides a rigorous introduction to basic probability theory and statistical inference, with a unique balance between theory and methodology. Interesting, relevant applications use real data from actual studies, showing how the concepts and methods can be used to solve problems in the field. This revision focuses on improved clarity and deeper understanding.

Table of Contents:

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv

1 Introduction to Statistics and Data Analysis . . . . . . . . . . . 1

1.1 Overview: Statistical Inference, Samples, Populations, and the

Role of Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Sampling Procedures; Collection of Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Measures of Location: The Sample Mean and Median . . . . . . . . . . . 11

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4 Measures of Variability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.5 Discrete and Continuous Data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.6 Statistical Modeling, Scientific Inspection, and Graphical Diagnostics

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.7 General Types of Statistical Studies: Designed Experiment,

Observational Study, and Retrospective Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2 Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.1 Sample Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2 Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.3 Counting Sample Points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.4 Probability of an Event . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.5 Additive Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.6 Conditional Probability, Independence, and the Product Rule . . . 62

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.7 Bayes’ Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Review Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

2.8 Potential Misconceptions and Hazards; Relationship to Material

in Other Chapters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3 Random Variables and Probability Distributions . . . . . . 81

3.1 Concept of a Random Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.2 Discrete Probability Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.3 Continuous Probability Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.4 Joint Probability Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

Review Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

3.5 Potential Misconceptions and Hazards; Relationship to Material

in Other Chapters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

4 Mathematical Expectation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

4.1 Mean of a Random Variable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

4.2 Variance and Covariance of Random Variables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

4.3 Means and Variances of Linear Combinations of Random Variables 128

4.4 Chebyshev’s Theorem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

Review Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

4.5 Potential Misconceptions and Hazards; Relationship to Material

in Other Chapters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

5 Some Discrete Probability Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . 143

5.1 Introduction and Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

5.2 Binomial and Multinomial Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

5.3 Hypergeometric Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

5.4 Negative Binomial and Geometric Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

5.5 Poisson Distribution and the Poisson Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

Review Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

5.6 Potential Misconceptions and Hazards; Relationship to Material

in Other Chapters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

6 Some Continuous Probability Distributions. . . . . . . . . . . . . 171

6.1 Continuous Uniform Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

6.2 Normal Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

6.3 Areas under the Normal Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

6.4 Applications of the Normal Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

6.5 Normal Approximation to the Binomial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

6.6 Gamma and Exponential Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

6.7 Chi-Squared Distribution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

6.8 Beta Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

6.9 Lognormal Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

6.10 Weibull Distribution (Optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

Review Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

6.11 Potential Misconceptions and Hazards; Relationship to Material

in Other Chapters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

7 Functions of Random Variables (Optional). . . . . . . . . . . . . . 211

7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

7.2 Transformations of Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

7.3 Moments and Moment-Generating Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

8 Fundamental Sampling Distributions and

Data Descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

8.1 Random Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

8.2 Some Important Statistics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

8.3 Sampling Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

8.4 Sampling Distribution of Means and the Central Limit Theorem. 233

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

8.5 Sampling Distribution of S2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

8.6 t-Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

8.7 F-Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

8.8 Quantile and Probability Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

Review Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

8.9 Potential Misconceptions and Hazards; Relationship to Material

in Other Chapters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

9 One- and Two-Sample Estimation Problems. . . . . . . . . . . . 265

9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

9.2 Statistical Inference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

9.3 Classical Methods of Estimation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

9.4 Single Sample: Estimating the Mean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

9.5 Standard Error of a Point Estimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

9.6 Prediction Intervals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

9.7 Tolerance Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

9.8 Two Samples: Estimating the Difference between Two Means . . . 285

9.9 Paired Observations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

9.10 Single Sample: Estimating a Proportion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

9.11 Two Samples: Estimating the Difference between Two Proportions 300

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

9.12 Single Sample: Estimating the Variance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

9.13 Two Samples: Estimating the Ratio of Two Variances . . . . . . . . . . . 305

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

9.14 Maximum Likelihood Estimation (Optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

Review Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

9.15 Potential Misconceptions and Hazards; Relationship to Material

in Other Chapters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

10 One- and Two-Sample Tests of Hypotheses . . . . . . . . . . . . . 319

10.1 Statistical Hypotheses: General Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

10.2 Testing a Statistical Hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

10.3 The Use of P-Values for Decision Making in Testing Hypotheses. 331

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

10.4 Single Sample: Tests Concerning a Single Mean . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

10.5 Two Samples: Tests on Two Means . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342

10.6 Choice of Sample Size for Testing Means . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

10.7 Graphical Methods for Comparing Means . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

10.8 One Sample: Test on a Single Proportion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

10.9 Two Samples: Tests on Two Proportions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

10.10 One- and Two-Sample Tests Concerning Variances . . . . . . . . . . . . . . 366

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

10.11 Goodness-of-Fit Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370

10.12 Test for Independence (Categorical Data) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373

10.13 Test for Homogeneity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376

10.14 Two-Sample Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

Review Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

10.15 Potential Misconceptions and Hazards; Relationship to Material

in Other Chapters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

11 Simple Linear Regression and Correlation . . . . . . . . . . . . . . 389

11.1 Introduction to Linear Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

11.2 The Simple Linear Regression Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

11.3 Least Squares and the Fitted Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398

11.4 Properties of the Least Squares Estimators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400

11.5 Inferences Concerning the Regression Coefficients. . . . . . . . . . . . . . . . 403

11.6 Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411

11.7 Choice of a Regression Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414

11.8 Analysis-of-Variance Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414

11.9 Test for Linearity of Regression: Data with Repeated Observations 416

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421

11.10 Data Plots and Transformations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424

11.11 Simple Linear Regression Case Study. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428

11.12 Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435

Review Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

11.13 Potential Misconceptions and Hazards; Relationship to Material

in Other Chapters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442

12 Multiple Linear Regression and Certain

Nonlinear Regression Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443

12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443

12.2 Estimating the Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444

12.3 Linear Regression Model Using Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450

12.4 Properties of the Least Squares Estimators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

12.5 Inferences in Multiple Linear Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461

12.6 Choice of a Fitted Model through Hypothesis Testing . . . . . . . . . . . 462

12.7 Special Case of Orthogonality (Optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471

12.8 Categorical or Indicator Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476

12.9 Sequential Methods for Model Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476

12.10 Study of Residuals and Violation of Assumptions (Model Checking)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482

12.11 Cross Validation, Cp, and Other Criteria for Model Selection . . . . 487

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494

12.12 Special Nonlinear Models for Nonideal Conditions . . . . . . . . . . . . . . . 496

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500

Review Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501

12.13 Potential Misconceptions and Hazards; Relationship to Material

in Other Chapters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506

13 One-Factor Experiments: General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507

13.1 Analysis-of-Variance Technique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507

13.2 The Strategy of Experimental Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508

13.3 One-Way Analysis of Variance: Completely Randomized Design

(One-Way ANOVA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509

13.4 Tests for the Equality of Several Variances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518

13.5 Single-Degree-of-Freedom Comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520

13.6 Multiple Comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529

13.7 Comparing a Set of Treatments in Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532

13.8 Randomized Complete Block Designs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533

13.9 Graphical Methods and Model Checking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540

13.10 Data Transformations in Analysis of Variance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545

13.11 Random Effects Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547

13.12 Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553

Review Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555

13.13 Potential Misconceptions and Hazards; Relationship to Material

in Other Chapters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559

14 Factorial Experiments (Two or More Factors). . . . . . . . . . 561

14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561

14.2 Interaction in the Two-Factor Experiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562

14.3 Two-Factor Analysis of Variance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575

14.4 Three-Factor Experiments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586

14.5 Factorial Experiments for Random Effects and Mixed Models. . . . 588

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592

Review Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594

14.6 Potential Misconceptions and Hazards; Relationship to Material

in Other Chapters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596

15 2k Factorial Experiments and Fractions . . . . . . . . . . . . . . . . . 597

15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597

15.2 The 2k Factorial: Calculation of Effects and Analysis of Variance 598

15.3 Nonreplicated 2k Factorial Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609

15.4 Factorial Experiments in a Regression Setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612

15.5 The Orthogonal Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625

15.6 Fractional Factorial Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626

15.7 Analysis of Fractional Factorial Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634

15.8 Higher Fractions and Screening Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636

15.9 Construction of Resolution III and IV Designs with 8, 16, and 32

Design Points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637

15.10 Other Two-Level Resolution III Designs; The Plackett-Burman

Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638

15.11 Introduction to Response Surface Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639

15.12 Robust Parameter Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652

Review Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653

15.13 Potential Misconceptions and Hazards; Relationship to Material

in Other Chapters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654

16 Nonparametric Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655

16.1 Nonparametric Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655

16.2 Signed-Rank Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663

16.3 Wilcoxon Rank-Sum Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665

16.4 Kruskal-Wallis Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 668

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 670

16.5 Runs Test. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671

16.6 Tolerance Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674

16.7 Rank Correlation Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677

Review Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679

17 Statistical Quality Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681

17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681

17.2 Nature of the Control Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683

17.3 Purposes of the Control Chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683

17.4 Control Charts for Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684

17.5 Control Charts for Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697

17.6 Cusum Control Charts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705

Review Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706

18 Bayesian Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709

18.1 Bayesian Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709

18.2 Bayesian Inferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710

18.3 Bayes Estimates Using Decision Theory Framework . . . . . . . . . . . . . 717

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718

Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721

Appendix A: Statistical Tables and Proofs. . . . . . . . . . . . . . . . . . 725

Appendix B: Answers to Odd-Numbered Non-Review

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 769

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785

Summary of the Changes in the Ninth Edition:

• Class projects were added in several chapters to provide a deeper understanding

of the real-world use of statistics. Students are asked to produce or gather

their own experimental data and draw inferences from these data.

• More case studies were added and others expanded to help students understand

the statistical methods being presented in the context of a real-life situation.

For example, the interpretation of confidence limits, prediction limits,

and tolerance limits is given using a real-life situation.

• “Pot Holes” were added at the end of some chapters and expanded in others.

These comments are intended to present each chapter in the context of the

big picture and discuss how the chapters relate to one another. They also

provide cautions about the possible misuse of statistical techniques presented

in the chapter.

• Chapter 1 has been enhanced to include more on single-number statistics as

well as graphical techniques. New fundamental material on sampling and

experimental design is presented.

• Examples added to Chapter 8 on sampling distributions are intended to motivate

P-values and hypothesis testing. This prepares the student for the more

challenging material on these topics that will be presented in Chapter 10.

• Chapter 12 contains additional development regarding the effect of a single

regression variable in a model in which collinearity with other variables is

severe.

• Chapter 15 now introduces material on the important topic of response surface

methodology (RSM). The use of noise variables in RSM allows the illustration

of mean and variance (dual response surface) modeling.

• The central composite design (CCD) is introduced in Chapter 15.

• More examples are given in Chapter 18, and the discussion of using Bayesian

methods for statistical decision making has been enhanced.

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