适用:数一、数三通用
地位:数理统计的收尾考点,直接支撑统计推断的实际应用
核心任务:理解区间估计,掌握假设检验的基本思想与常用检验方法
定义:
设总体 $X$ 的分布含未知参数 $\theta$,对于给定置信度 $1-\alpha$($0<\alpha<1$),若由样本确定的两个统计量
$$ \hat\theta_1=\hat\theta_1(X_1,\cdots,X_n) $$
$$ \hat\theta_2=\hat\theta_2(X_1,\cdots,X_n) $$
满足
$$ P(\hat\theta_1<\theta<\hat\theta_2)=1-\alpha $$
则称随机区间 $(\hat\theta_1,\hat\theta_2)$ 为 $\theta$ 的置信度为 $1-\alpha$ 的置信区间。
置信度:
$1-\alpha$ 称为置信度或置信水平。
显著性水平:
$\alpha$ 称为显著性水平。
注意:
设 $X_1,X_2,\cdots,X_n$ 是来自 $N(\mu,\sigma^2)$ 的样本。
(1)$\sigma^2$ 已知,估计 $\mu$:
枢轴量:
$$ \frac{\bar{X}-\mu}{\sigma/\sqrt n}\sim N(0,1) $$
置信区间:
$$ \left(\bar{X}-z_{\alpha/2}\frac{\sigma}{\sqrt n},\ \bar{X}+z_{\alpha/2}\frac{\sigma}{\sqrt n}\right) $$
其中 $z_{\alpha/2}$ 为标准正态分布的上 $\alpha/2$ 分位点。
常用值:
$$ z_{0.05}=1.645 $$
$$ z_{0.025}=1.96 $$
$$ z_{0.005}=2.576 $$
(2)$\sigma^2$ 未知,估计 $\mu$:
枢轴量:
$$ \frac{\bar{X}-\mu}{S/\sqrt n}\sim t(n-1) $$
置信区间:
$$ \left(\bar{X}-t_{\alpha/2}(n-1)\frac{S}{\sqrt n},\ \bar{X}+t_{\alpha/2}(n-1)\frac{S}{\sqrt n}\right) $$
(3)估计 $\sigma^2$:
枢轴量:
$$ \frac{(n-1)S^2}{\sigma^2}\sim\chi^2(n-1) $$
置信区间:
$$ \left(\frac{(n-1)S^2}{\chi^2_{\alpha/2}(n-1)},\ \frac{(n-1)S^2}{\chi^2_{1-\alpha/2}(n-1)}\right) $$
注意:
$\chi^2$ 分布不对称,两侧分位点不同。
设 $X\sim N(\mu_1,\sigma_1^2)$,$Y\sim N(\mu_2,\sigma_2^2)$,且相互独立。
(1)$\sigma_1^2$、$\sigma_2^2$ 已知,估计 $\mu_1-\mu_2$:
置信区间:
$$ \left((\bar{X}-\bar{Y})-z_{\alpha/2}\sqrt{\frac{\sigma_1^2}{m}+\frac{\sigma_2^2}{n}},\ (\bar{X}-\bar{Y})+z_{\alpha/2}\sqrt{\frac{\sigma_1^2}{m}+\frac{\sigma_2^2}{n}}\right) $$
(2)$\sigma_1^2=\sigma_2^2=\sigma^2$ 未知,估计 $\mu_1-\mu_2$:
置信区间:
$$ \left((\bar{X}-\bar{Y})-t_{\alpha/2}(m+n-2)S_w\sqrt{\frac1m+\frac1n},\ (\bar{X}-\bar{Y})+t_{\alpha/2}(m+n-2)S_w\sqrt{\frac1m+\frac1n}\right) $$
其中:
$$ S_w^2=\frac{(m-1)S_1^2+(n-1)S_2^2}{m+n-2} $$
(3)估计 $\sigma_1^2/\sigma_2^2$:
枢轴量:
$$ \frac{S_1^2/\sigma_1^2}{S_2^2/\sigma_2^2}\sim F(m-1,n-1) $$
置信区间:
$$ \left(\frac{S_1^2}{S_2^2}\cdot\frac{1}{F_{\alpha/2}(m-1,n-1)},\ \frac{S_1^2}{S_2^2}\cdot\frac{1}{F_{1-\alpha/2}(m-1,n-1)}\right) $$
原假设:
待检验的假设,记作 $H_0$。
备择假设:
与原假设对立的假设,记作 $H_1$。
检验统计量:
用于检验假设的统计量。
拒绝域:
使原假设被拒绝的样本值区域。
接受域:
使原假设被接受的样本值区域。
两类错误:
第一类错误(弃真):
$H_0$ 为真时拒绝 $H_0$,概率为 $\alpha$。
第二类错误(取伪):
$H_0$ 为假时接受 $H_0$,概率为 $\beta$。
注意:
步骤:
注意:
设 $X_1,X_2,\cdots,X_n$ 是来自 $N(\mu,\sigma^2)$ 的样本。
(1)$\sigma^2$ 已知,检验 $\mu$:
原假设:
$$ H_0:\mu=\mu_0 $$
检验统计量:
$$ Z=\frac{\bar{X}-\mu_0}{\sigma/\sqrt n}\sim N(0,1) $$
拒绝域(双侧):
$$ |Z|>z_{\alpha/2} $$
(2)$\sigma^2$ 未知,检验 $\mu$:
检验统计量:
$$ t=\frac{\bar{X}-\mu_0}{S/\sqrt n}\sim t(n-1) $$
拒绝域(双侧):
$$ |t|>t_{\alpha/2}(n-1) $$
(3)检验 $\sigma^2$:
原假设:
$$ H_0:\sigma^2=\sigma_0^2 $$
检验统计量:
$$ \chi^2=\frac{(n-1)S^2}{\sigma_0^2}\sim\chi^2(n-1) $$
拒绝域(双侧):
$$ \chi^2>\chi^2_{\alpha/2}(n-1) \quad\text{或}\quad \chi^2<\chi^2_{1-\alpha/2}(n-1) $$
(1)$\sigma_1^2$、$\sigma_2^2$ 已知,检验 $\mu_1-\mu_2$:
检验统计量:
$$ Z=\frac{(\bar{X}-\bar{Y})-(\mu_1-\mu_2)} {\sqrt{\frac{\sigma_1^2}{m}+\frac{\sigma_2^2}{n}}} \sim N(0,1) $$
(2)$\sigma_1^2=\sigma_2^2=\sigma^2$ 未知,检验 $\mu_1-\mu_2$:
检验统计量:
$$ t=\frac{(\bar{X}-\bar{Y})-(\mu_1-\mu_2)} {S_w\sqrt{\frac1m+\frac1n}} \sim t(m+n-2) $$
(3)检验 $\sigma_1^2=\sigma_2^2$:
检验统计量:
$$ F=\frac{S_1^2}{S_2^2}\sim F(m-1,n-1) $$
拒绝域(双侧):
$$ F>F_{\alpha/2}(m-1,n-1) \quad\text{或}\quad F<F_{1-\alpha/2}(m-1,n-1) $$
标准正态分布:
$$ z_{0.05}=1.645 $$
$$ z_{0.025}=1.96 $$
$$ z_{0.005}=2.576 $$
$t$ 分布:
$$ t_{0.05}(n) $$
$$ t_{0.025}(n) $$
$\chi^2$ 分布:
$$ \chi^2_{\alpha}(n) $$
$F$ 分布:
$$ F_{\alpha}(m,n) $$
注意:
(1)置信区间与假设检验的关系:
置信度 $1-\alpha$ 的置信区间与显著性水平 $\alpha$ 的双侧检验等价。
(2)单侧检验:
(3)$p$ 值:
$p$ 值是在原假设成立下,出现比当前样本更极端结果的概率。
若 $p<\alpha$,则拒绝 $H_0$。
(4)样本容量:
样本容量越大,置信区间越窄,检验越精确。
置信区间($\sigma$ 已知):
$$ \bar{X}\pm z_{\alpha/2}\frac{\sigma}{\sqrt n} $$
置信区间($\sigma$ 未知):
$$ \bar{X}\pm t_{\alpha/2}(n-1)\frac{S}{\sqrt n} $$
检验统计量($\sigma$ 已知):
$$ Z=\frac{\bar{X}-\mu_0}{\sigma/\sqrt n} $$
检验统计量($\sigma$ 未知):
$$ t=\frac{\bar{X}-\mu_0}{S/\sqrt n} $$
$\chi^2$ 检验统计量:
$$ \chi^2=\frac{(n-1)S^2}{\sigma_0^2} $$
$F$ 检验统计量:
$$ F=\frac{S_1^2}{S_2^2} $$
例1
设某批零件的长度 $X\sim N(\mu,0.04)$,从中抽取 $16$ 个,测得 $\bar{X}=10$,求 $\mu$ 的置信度为 $0.95$ 的置信区间。
解:
$$ \alpha=0.05,\quad z_{\alpha/2}=z_{0.025}=1.96 $$
$$ \sigma=0.2,\quad n=16 $$
$$ \bar{X}\pm z_{\alpha/2}\frac{\sigma}{\sqrt n} =10\pm1.96\times\frac{0.2}{4} $$
$$ =10\pm0.098 $$
所以置信区间为:
$$ (9.902,\ 10.098) $$
例2
设 $X\sim N(\mu,9)$,$n=25$,$\bar{X}=5$,求 $\mu$ 的置信度为 $0.99$ 的置信区间。
解:
$$ \alpha=0.01,\quad z_{\alpha/2}=z_{0.005}=2.576 $$
$$ \sigma=3,\quad n=25 $$
$$ \bar{X}\pm z_{\alpha/2}\frac{\sigma}{\sqrt n} =5\pm2.576\times\frac{3}{5} $$
$$ =5\pm1.546 $$
所以置信区间为:
$$ (3.454,\ 6.546) $$
例3
设某批零件长度 $X\sim N(\mu,\sigma^2)$,抽取 $16$ 个,测得 $\bar{X}=10$,$S=0.2$,求 $\mu$ 的置信度为 $0.95$ 的置信区间。
解:
$$ \alpha=0.05,\quad t_{\alpha/2}(15)=t_{0.025}(15)=2.131 $$
$$ \bar{X}\pm t_{\alpha/2}(n-1)\frac{S}{\sqrt n} =10\pm2.131\times\frac{0.2}{4} $$
$$ =10\pm0.1066 $$
所以置信区间为:
$$ (9.893,\ 10.107) $$
例4
设 $X\sim N(\mu,\sigma^2)$,$n=10$,$\bar{X}=50$,$S=4$,求 $\mu$ 的置信度为 $0.95$ 的置信区间。
解:
$$ t_{0.025}(9)=2.262 $$
$$ 50\pm2.262\times\frac{4}{\sqrt{10}} =50\pm2.861 $$
所以置信区间为:
$$ (47.139,\ 52.861) $$
例5
设 $X\sim N(\mu,\sigma^2)$,$n=16$,$S^2=4$,求 $\sigma^2$ 的置信度为 $0.95$ 的置信区间。
解:
$$ \alpha=0.05 $$
$$ \chi^2_{0.025}(15)=27.488 $$
$$ \chi^2_{0.975}(15)=6.262 $$
$$ \frac{(n-1)S^2}{\chi^2_{\alpha/2}(n-1)} =\frac{15\times4}{27.488}=2.183 $$
$$ \frac{(n-1)S^2}{\chi^2_{1-\alpha/2}(n-1)} =\frac{15\times4}{6.262}=9.582 $$
所以置信区间为:
$$ (2.183,\ 9.582) $$
例6
设某批零件长度 $X\sim N(\mu,0.04)$,标准长度为 $10$,现抽取 $16$ 个,测得 $\bar{X}=10.1$,在 $\alpha=0.05$ 下检验零件长度是否合格。
解:
原假设:
$$ H_0:\mu=10 $$
备择假设:
$$ H_1:\mu\neq10 $$
检验统计量:
$$ Z=\frac{\bar{X}-\mu_0}{\sigma/\sqrt n} =\frac{10.1-10}{0.2/4} =\frac{0.1}{0.05}=2 $$
拒绝域:
$$ |Z|>z_{0.025}=1.96 $$
因为:
$$ |Z|=2>1.96 $$
所以拒绝 $H_0$,认为零件长度不合格。
例7
设 $X\sim N(\mu,9)$,$\mu_0=5$,$n=25$,$\bar{X}=5.8$,在 $\alpha=0.05$ 下检验。
解:
$$ Z=\frac{5.8-5}{3/5}=\frac{0.8}{0.6}=1.333 $$
$$ z_{0.025}=1.96 $$
因为:
$$ |Z|=1.333<1.96 $$
所以接受 $H_0$。
例8
设某批零件长度 $X\sim N(\mu,\sigma^2)$,标准长度为 $10$,现抽取 $16$ 个,测得 $\bar{X}=10.1$,$S=0.2$,在 $\alpha=0.05$ 下检验零件长度是否合格。
解:
原假设:
$$ H_0:\mu=10 $$
检验统计量:
$$ t=\frac{\bar{X}-\mu_0}{S/\sqrt n} =\frac{10.1-10}{0.2/4}=2 $$
拒绝域:
$$ |t|>t_{0.025}(15)=2.131 $$
因为:
$$ |t|=2<2.131 $$
所以接受 $H_0$。
例9
设 $X\sim N(\mu,\sigma^2)$,$\mu_0=50$,$n=10$,$\bar{X}=53$,$S=4$,在 $\alpha=0.05$ 下检验。
解:
$$ t=\frac{53-50}{4/\sqrt{10}}=\frac{3}{1.265}=2.371 $$
$$ t_{0.025}(9)=2.262 $$
因为:
$$ |t|=2.371>2.262 $$
所以拒绝 $H_0$。
例10
设 $X\sim N(\mu,\sigma^2)$,$\sigma_0^2=4$,$n=16$,$S^2=6$,在 $\alpha=0.05$ 下检验 $\sigma^2$ 是否等于 $4$。
解:
原假设:
$$ H_0:\sigma^2=4 $$
检验统计量:
$$ \chi^2=\frac{(n-1)S^2}{\sigma_0^2} =\frac{15\times6}{4}=22.5 $$
拒绝域:
$$ \chi^2>\chi^2_{0.025}(15)=27.488 \quad\text{或}\quad \chi^2<\chi^2_{0.975}(15)=6.262 $$
因为:
$$ 6.262<22.5<27.488 $$
所以接受 $H_0$。
例11
设 $X\sim N(\mu,\sigma^2)$,$\sigma_0^2=1$,$n=10$,$S^2=2.5$,在 $\alpha=0.05$ 下检验。
解:
$$ \chi^2=\frac{9\times2.5}{1}=22.5 $$
$$ \chi^2_{0.025}(9)=19.023 $$
因为:
$$ 22.5>19.023 $$
所以拒绝 $H_0$。
例12
设 $X\sim N(\mu_1,\sigma^2)$,$Y\sim N(\mu_2,\sigma^2)$,从两个总体分别抽取 $m=10$、$n=12$ 的样本,测得 $\bar{X}=20$,$S_1^2=4$,$\bar{Y}=18$,$S_2^2=5$,在 $\alpha=0.05$ 下检验 $\mu_1=\mu_2$。
解:
原假设:
$$ H_0:\mu_1=\mu_2 $$
计算合并方差:
$$ S_w^2=\frac{9\times4+11\times5}{20} =\frac{36+55}{20}=\frac{91}{20}=4.55 $$
$$ S_w=\sqrt{4.55}\approx2.133 $$
检验统计量:
$$ t=\frac{\bar{X}-\bar{Y}}{S_w\sqrt{\frac1m+\frac1n}} =\frac{20-18}{2.133\sqrt{\frac1{10}+\frac1{12}}} $$
$$ =\frac{2}{2.133\times0.428} =\frac{2}{0.913}=2.191 $$
$$ t_{0.025}(20)=2.086 $$
因为:
$$ |t|=2.191>2.086 $$
所以拒绝 $H_0$,认为两个总体均值有显著差异。
例13
设 $X\sim N(\mu_1,\sigma_1^2)$,$Y\sim N(\mu_2,\sigma_2^2)$,从两个总体分别抽取 $m=10$、$n=12$ 的样本,测得 $S_1^2=4$,$S_2^2=5$,在 $\alpha=0.05$ 下检验 $\sigma_1^2=\sigma_2^2$。
解:
原假设:
$$ H_0:\sigma_1^2=\sigma_2^2 $$
检验统计量:
$$ F=\frac{S_1^2}{S_2^2}=\frac45=0.8 $$
拒绝域:
$$ F>F_{0.025}(9,11)=3.59 \quad\text{或}\quad F<F_{0.975}(9,11)=\frac{1}{F_{0.025}(11,9)}=\frac{1}{3.92}=0.255 $$
因为:
$$ 0.255<0.8<3.59 $$
所以接受 $H_0$。
例14
某厂生产一批灯泡,寿命 $X\sim N(\mu,\sigma^2)$,从该批灯泡中抽取 $16$ 只,测得 $\bar{X}=1500$ 小时,$S=100$ 小时。
(1)求 $\mu$ 的置信度为 $0.95$ 的置信区间;
(2)在 $\alpha=0.05$ 下检验 $\mu$ 是否等于 $1550$ 小时。
解:
(1)置信区间:
$$ t_{0.025}(15)=2.131 $$
$$ 1500\pm2.131\times\frac{100}{4} =1500\pm53.275 $$
$$ (1446.725,\ 1553.275) $$
(2)假设检验:
原假设:
$$ H_0:\mu=1550 $$
检验统计量:
$$ t=\frac{1500-1550}{100/4}=\frac{-50}{25}=-2 $$
拒绝域:
$$ |t|>2.131 $$
因为:
$$ |t|=2<2.131 $$
所以接受 $H_0$。
例15
设某批产品长度 $X\sim N(\mu,\sigma^2)$,从该批产品中抽取 $n=25$ 件,测得 $\bar{X}=50$,$S=2$。
(1)求 $\mu$ 的置信度为 $0.99$ 的置信区间;
(2)在 $\alpha=0.01$ 下检验 $\mu$ 是否等于 $49$。
解:
(1)置信区间:
$$ t_{0.005}(24)=2.797 $$
$$ 50\pm2.797\times\frac{2}{5} =50\pm1.119 $$
$$ (48.881,\ 51.119) $$
(2)假设检验:
原假设:
$$ H_0:\mu=49 $$
检验统计量:
$$ t=\frac{50-49}{2/5}=2.5 $$
拒绝域:
$$ |t|>2.797 $$
因为:
$$ |t|=2.5<2.797 $$
所以接受 $H_0$。
双侧检验用 $z_{\alpha/2}$,单侧检验用 $z_\alpha$。
$$ \frac{\bar{X}-\mu}{S/\sqrt n}\sim t(n-1) $$
自由度是 $n-1$。
$$ \left(\frac{(n-1)S^2}{\chi^2_{\alpha/2}(n-1)},\ \frac{(n-1)S^2}{\chi^2_{1-\alpha/2}(n-1)}\right) $$
注意 $\chi^2$ 分布不对称。
原假设通常为“等于”,备择假设为“不等于”或“大于/小于”。
$$ F=\frac{S_1^2}{S_2^2} $$
注意分子分母对应的自由度。
$$ S_w^2=\frac{(m-1)S_1^2+(n-1)S_2^2}{m+n-2} $$
置信度 $1-\alpha$ 的置信区间与显著性水平 $\alpha$ 的双侧检验等价。
样本容量越大,置信区间越窄。
常见形式:
处理方法:
常见形式:
$$ \sigma^2\text{ 的置信区间} $$
处理方法:
常见形式:
$$ H_0:\mu=\mu_0 $$
处理方法:
常见形式:
$$ H_0:\sigma^2=\sigma_0^2 $$
处理方法:
常见形式:
$$ H_0:\mu_1=\mu_2 $$
处理方法:
常见形式:
$$ H_0:\sigma_1^2=\sigma_2^2 $$
处理方法:
常见形式:
处理方法:
置信区间($\sigma$ 已知):
$$ \bar{X}\pm z_{\alpha/2}\frac{\sigma}{\sqrt n} $$
置信区间($\sigma$ 未知):
$$ \bar{X}\pm t_{\alpha/2}(n-1)\frac{S}{\sqrt n} $$
$\sigma^2$ 的置信区间:
$$ \left(\frac{(n-1)S^2}{\chi^2_{\alpha/2}(n-1)},\ \frac{(n-1)S^2}{\chi^2_{1-\alpha/2}(n-1)}\right) $$
$Z$ 检验统计量:
$$ Z=\frac{\bar{X}-\mu_0}{\sigma/\sqrt n} $$
$t$ 检验统计量:
$$ t=\frac{\bar{X}-\mu_0}{S/\sqrt n} $$
$\chi^2$ 检验统计量:
$$ \chi^2=\frac{(n-1)S^2}{\sigma_0^2} $$
$F$ 检验统计量:
$$ F=\frac{S_1^2}{S_2^2} $$
常用分位点:
$$ z_{0.05}=1.645 $$
$$ z_{0.025}=1.96 $$
$$ z_{0.005}=2.576 $$
两类错误:
检验步骤:
口诀:
区间估计求范围,$\sigma$ 已知用 $Z$,未知用 $t$;
方差估计用 $\chi^2$,两个方差比用 $F$;
假设检验五步走,原假设备择假设要分清;
双侧检验用 $\alpha/2$,单侧检验用 $\alpha$;
弃真取伪两类错,显著性水平控制第一类。
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