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数理统计

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数理统计

总体与个体

概念 P89

  1. 总体: 研究对象全体的集合
  2. 个体: 组成总体的元素

关系 P90

设总体XX的分布函数F(x)F(x), 若 X1,X2,...,XnX_1,X_2,...,X_n 相互独立且与总体同分布, 则称 X1,X2,...,XnX_1,X_2,...,X_n 是总体 XX 的容量为 nn 的样本

统计量 P92

g(x1,x2,...,xn)g(x_1,x_2,...,x_n) 不含未知参数, 有

Z=g(X1,X2,...,Xn) Z=g(X_1,X_2,...,X_n)

则称随机变量 ZZ 为统计量

样本均值

X=1ni=1nXi \overline{X}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i

样本方差

注意 n1n-1 , 此时样本方差为总体方差的无偏估计

S2=1n1i=1n(XiX)2 S^2=\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^n(X_i-\overline{X})^2

样本标准差

S=1n1i=1n(XiX)2 S=\sqrt{\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^n(X_i-\overline{X})^2}

抽样分布 P93

χ2\chi^2 (卡方)分布

(X1,X2,...,Xn)(X_1,X_2,...,X_n) 是总体 XN(0,1)X\sim N(0,1) 的样本, 称统计量

χ2=X12+X22+...+Xn2 \chi^2=X_1^2+X_2^2+...+X_n^2

服从自由度为n的卡方分布, 记为 χ2χ2(n)\chi^2\sim\chi^2(n)要求 (X1,X2,...,Xn)(X_1,X_2,...,X_n) 相互独立, 或仅有一个自由度(变量)时, 没有要求

概率密度

f(x)={12n/2Γ(n/2)xn21ex2,x00,x<0 f(x)=\begin{cases} \frac{1}{2^{n/2}\Gamma(n/2)}x^{\frac{n}{2}-1}e^{-\frac{x}{2}}&,x\ge0\\ 0&,x<0 \end{cases}

性质

  1. Eχ2=n E\chi^2=n

  2. Dχ2=2n D\chi^2=2n

  3. χ12χ2(n)  χ22χ2(m)(χ12+χ22)χ2(n+m)   \chi_1^2\sim\chi^2(n)\;\chi_2^2\sim\chi^2(m)\\(\chi_1^2+\chi_2^2)\sim\chi^2(n+m)\;

  4. χ2χ2(n)\chi^2\sim\chi^2(n) 常数 χα2(n)\chi^2_\alpha(n), α(0,1)\alpha\in(0,1), 满足

χα2(n)+fχ2(x)dx=P(χ2>χα2(n))=α \int_{\chi^2_\alpha(n)}^{+\infty}f_{\chi^2}(x)dx=P(\chi^2>\chi^2_\alpha(n))=\alpha

则称 χα2(n)\chi^2_\alpha(n)χ2(n)\chi^2(n) 分布的上侧 α\alpha 分位点

特例

XN(0,1)X\sim N(0,1)X2χ2(1)X^2\sim\chi^2(1)

t 分布

XN(0,1)  Yχ2(n)X\sim N(0,1)\;Y\sim\chi^2(n), 且 X,YX,Y 相互独立, 则称

T=(上下均匀, 同次)XY/nt(n) T=(\text{上下均匀, 同次})\frac{X}{\sqrt{Y/n}}\sim t(n)

表明 TT 服从自由度为 nntt 分布

性质

  1. tt 分布的概率密度函数为偶函数
  2. nn\to\infty, t(n)t(n) 分布趋近于标准正态分布
  3. Tt(n)T\sim t(n) 常数 tα(n)t_\alpha(n), α(0,1)\alpha\in(0,1), 满足

tα(n)+fT(x)dx=P(T>tα(n))=α \int_{t_\alpha(n)}^{+\infty}f_{T}(x)dx=P(T>t_\alpha(n))=\alpha

则称 tα(n)t_\alpha(n)t(n)t(n) 分布的上侧 α\alpha 分位点 4. 特征 分子分母为一次

特例

X,YX,Y 来自总体 N(0,1)N(0,1)Y=Y2  Y2χ2(1)\because|Y|=\sqrt{Y^2} \; Y^2\sim\chi^2(1)XYt(1)\therefore \frac{X}{|Y|}\sim t(1)

F 分布

Xχ2(n)  Yχ2(m)X\sim\chi^2(n)\;Y\sim\chi^2(m), 且 X,YX,Y 相互独立, 则称

F=(上下均匀, 同次)X/nY/mF(n,m) F=(\text{上下均匀, 同次})\frac{X/n}{Y/m}\sim F(n,m)

表明 FF 服从自由度为 (n,m)(n,m)FF 分布

性质

  1. FF(n,m)1FF(m,n) F\sim F(n,m)\to\frac{1}{F}\sim F(m,n)

  2. FF(n,m)F\sim F(n,m) 常数 Fα(n)F_\alpha(n), α(0,1)\alpha\in(0,1), 满足

Fα(n,m)+fF(x)dx=P(F>Fα(n,m))=α \int_{F_\alpha(n,m)}^{+\infty}f_{F}(x)dx=P(F>F_\alpha(n,m))=\alpha

则称 Fα(n,m)F_\alpha(n,m)F(n,m)F(n,m) 分布的上侧 α\alpha 分位点

  1. F1α(n,m)=1Fα(m,n) F_{1-\alpha}(n,m)=\frac{1}{F_\alpha(m,n)}

  2. 特征 分子分母为二次

正态总体的统计量分布 P95

前提条件: 设 (X1,X2,...,Xn)(X_1,X_2,...,X_n) 是总体 XN(μ,σ2)X\sim N(\mu, \sigma^2) 的样本

性质

  1. X\overline{X}S2S^2 独立
  2. XˉN(μ,σ2n) \bar{X}\sim N(\mu,\frac{\sigma^2}{n})

  3. SS 中分母为 n1n-1, 减去的值为随机变量 Xˉ\bar{X}

(n1)S2σ2χ2(n1) (n-1)\frac{S^2}{\sigma^2}\sim\chi^2(n-1)

  1. XiX_i 标准化后求平方和, 即卡方分布

1σ2i=1n(Xiμ)2χ2(n) \frac{1}{\sigma^2}\sum_{i=1}^n(X_i-\mu)^2\sim\chi^2(n)

统计量分布 P95

单随机变量序列

标准化的 X\overline{X} 与化为 χ2(n1)\chi^2(n-1)S2S^2 转换为 tt 分布时, 要除以 n1n-1 并开方

T=(Xμσ/n)/n1n1S2σ2=XˉμS/nt(n1) T=(\frac{\overline{X}-\mu}{\sigma/\sqrt{n}})/\sqrt{\frac{n-1}{n-1}\frac{S^2}{\sigma^2}}=\frac{\bar{X}-\mu}{S/\sqrt{n}}\sim t(n-1)

双变量

(X1,X2,...,Xn)(X_1,X_2,...,X_n) 是总体 XN(μx,σx2)X\sim N(\mu_x, \sigma_x^2) 的样本
(Y1,Y2,...,Ym)(Y_1,Y_2,...,Y_m) 是与 XX 独立的总体 YN(μy,σy2)Y\sim N(\mu_y, \sigma_y^2) 的样本

F=Sx2/σx2Sy2/σy2F(n1,m1) F=\frac{S_x^2/\sigma_x^2}{S_y^2/\sigma_y^2}\sim F(n-1,m-1)