《概率论与数理统计》复习笔记(下)

样本及样本函数的分布

总体与样本

  • 研究对象的全体是总体,总体中的每个元素是个体,总体中的元素个数称为总体容量,分为有限总体和无限总体两种.
  • 研究对象的某一种数值指标,在总体中的分布可以用概率分布表示,则可以用随机变量 XX 表示总体的这项数量指标,称为总体 XX. 可以类比定义总体的分布函数、数字特征、离散型总体、连续型总体等概念.
  • 从总体中抽取若干个个体的过程叫做抽样,抽样结果得到的一组数据叫做样本,样本所含个体的数量称为样本容量. 满足随机性、独立性的抽样是简单随机抽样,得到的样本称为简单随机样本. 无限总体、有限总体的放回抽样是简单随机抽样;有限总体容量远大于样本容量时进行不放回抽样,抽样可近似认为是简单随机抽样.
  • 从总体中抽取容量为 nn 的样本,就是对表示总体的随机变量 XX 随机、独立地进行 nn 次观测,每次观测的结果都可视为一个随机变量,这些试验的结果就可看成独立同分布的随机变量 X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n. 设总体 XX 是具有某一概率分布的随机变量,如果随机变量 X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n 独立同分布,且与 XX 具有相同的概率分布,则称 X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n 是来自总体 XX 的样本,观测得到样本 X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n 的具体数值 x1,x2,,xnx_1,x_2,\cdots,x_n 称为样本观测值(观测值、样本值).
  • 从总体中抽取到样本的观测值,可以认为是事件 {X1=x1},{X2=x2},,{Xn=xn}\{X_1=x_1\},\{X_2=x_2\},\cdots,\{X_n=x_n\} 同时发生. 样本容量为 nn 的样本可看成 nn 维随机变量,类似之前提到的多维随机变量的概念,可以定义样本的分布函数、密度函数(概率分布)等.

样本函数及其概率分布

  • 统计量:设 X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n 是来自总体 XX 的样本,其观测值为 x1,x2,,xnx_1,x_2,\cdots,x_n. 若 g(t1,t2,,tn)g(t_1,t_2,\cdots,t_n)nn 元函数,则称 g(X1,X2,,Xn)g(X_1,X_2,\cdots,X_n) 为样本函数,它也是一个随机变量,相应地 g(x1,x2,,xn)g(x_1,x_2,\cdots,x_n) 是样本函数的观测值. 如果样本函数不含有未知参数,则称该样本函数为统计量.

以下设来自总体 XX 的样本 X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n 的观测值为 x1,x2,,xnx_1,x_2,\cdots,x_nXX 的均值和方差分别为 μ,σ2(σ>0)\mu,\sigma^2(\sigma>0).

  • 样本均值:称统计量

    Xˉ=1ni=1nXi\bar{X}=\dfrac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^nX_i

    为样本均值,其观测值为

    xˉ=1ni=1nxi\bar{x}=\dfrac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^nx_i

    样本均值的数学期望为 μ\mu,方差为 σ2n\dfrac{\sigma^2}{n}.

  • 样本方差:统计量

    S2=1n1i=1n(XiXˉ)2=1n1(i=1nXinXˉ2)S^2=\dfrac{1}{n-1}\sum\limits_{i=1}^n(X_i-\bar{X})^2=\dfrac{1}{n-1}\left(\sum\limits_{i=1}^nX_i-n\bar{X}^2\right)

    为样本方差,其观测值为

    s2=1n1i=1n(xixˉ)2=1n1(i=1nxinxˉ2)s^2=\dfrac{1}{n-1}\sum\limits_{i=1}^n(x_i-\bar{x})^2=\dfrac{1}{n-1}\left(\sum\limits_{i=1}^nx_i-n\bar{x}^2\right)

    样本方差的均值为 σ2\sigma^2,方差为 2σ4n1\dfrac{2\sigma^4}{n-1}.

    正态总体的样本均值和样本方差相互独立.

  • 样本标准差:记 S=S2S=\sqrt{S^2} 为样本标准差,其观测值记为 s=s2s=\sqrt{s^2}.

  • 样本 kk 阶原点矩:记

    Ak=1ni=1nXik,k=1,2,A_k=\dfrac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i^k,k=1,2,\cdots

    为样本 kk 阶原点矩,其观测值为

    ak=1ni=1nxik,k=1,2,a_k=\dfrac{1}{n}\sum_{i=1}^nx_i^k,k=1,2,\cdots

    显然,一阶原点矩是样本均值.

  • 样本 kk 阶中心矩:记

    Bk=1ni=1n(XiXˉ)k,k=1,2,B_k=\dfrac{1}{n}\sum_{i=1}^n(X_i-\bar{X})^k,k=1,2,\cdots

    为样本 kk 阶中心矩,其观测值为

    bk=1ni=1n(xixˉ)k,k=1,2,b_k=\dfrac{1}{n}\sum_{i=1}^n(x_i-\bar{x})^k,k=1,2,\cdots

    显然,一阶中心矩恒为0.

    • 为什么二阶中心矩不等于样本方差?或者说,为什么样本方差前面的系数是 1n1\dfrac{1}{n-1} 而不是 1n\dfrac{1}{n}?我总结出两方面原因:
    • 其一是二阶中心矩确实不是总体方差的无偏估计. 根据样本二阶中心矩的定义有

      B2=1ni=1n(XiXˉ)2B_2=\dfrac{1}{n}\sum_{i=1}^n(X_i-\bar{X})^2

      展开得

      B2=1ni=1n(Xi22XiXˉ+Xˉ2)=1ni=1nXi21ni=1n2XiXˉ+1nnXˉ2B_2=\dfrac{1}{n}\sum_{i=1}^n(X_i^2-2X_i\bar{X}+\bar{X}^2)=\dfrac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i^2-\dfrac{1}{n}\sum_{i=1}^n2X_i\bar{X}+\dfrac{1}{n}n\bar{X}^2

      由于

      1ni=1n2XiXˉ=2Xˉ(X1+X2++Xnn)=2Xˉ2\dfrac{1}{n}\sum_{i=1}^n2X_i\bar{X}=2\bar{X}\left(\dfrac{X_1+X_2+\cdots+X_n}{n}\right)=2\bar{X}^2

      B2B_2 的展开式可化简为

      B2=(1ni=1nXi2)Xˉ2=1n(i=1nXi2nXˉ2)B_2=\left(\dfrac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i^2\right)-\bar{X}^2=\dfrac{1}{n}\left(\sum_{i=1}^nX_i^2-n\bar{X}^2\right)

      因此 B2B_2 的数学期望为

      E(B2)=1ni=1nE(Xi2)E(Xˉ2)E(B_2)=\dfrac{1}{n}\sum_{i=1}^nE(X_i^2)-E(\bar{X}^2)

      根据方差的计算公式可得

      E(Xi2)=D(Xi)+[E(Xi)]2=σ2+μ2E(X_i^2)=D(X_i)+[E(X_i)]^2=\sigma^2+\mu^2

      E(Xˉ2)=D(Xˉ)+[E(Xˉ)]2=σ2n+μ2E(\bar{X}^2)=D(\bar{X})+[E(\bar{X})]^2=\dfrac{\sigma^2}{n}+\mu^2

      代入可得

      E(B2)=σ2+μ2σ2nμ2=n1nσ2σ2E(B_2)=\sigma^2+\mu^2-\dfrac{\sigma^2}{n}-\mu^2=\dfrac{n-1}{n}\sigma^2\neq \sigma^2

      所以,样本二阶中心矩不是总体方差的无偏估计,B2B_2S2S^2的关系是

      B2=n1nS2B_2=\dfrac{n-1}{n}S^2

    • 另一方面,样本观测值的均值是根据各次观测结果计算出来的,样本的一阶中心矩恒为0,即

      b1=1ni=1n(xixˉ)=0b_1=\dfrac{1}{n}\sum_{i=1}^n(x_i-\bar{x})=0

      n1n-1 个偏差被计算出来后,由于上式恒等于0,最后一个样本观测值与样本均值之间的偏差就不能自由变动,而被前面的观测值固定下来,因此缺少一个自由度.
  • 样本最大值和最小值:取样本观测值

    x(n)=max(x1,x2,,xn),x(1)=min(x1,x2,,xn)x_{(n)}=\max(x_1,x_2,\cdots,x_n),x_{(1)}=\min(x_1,x_2,\cdots,x_n)

    作为随机变量 X(n),X(1)X_{(n)},X_{(1)} 的观测值,分别称为样本最大值和样本最小值,即

    X(n)=max(X1,X2,,Xn),X(1)=min(X1,X2,,Xn)X_{(n)}=\max(X_1,X_2,\cdots,X_n),X_{(1)}=\min(X_1,X_2,\cdots,X_n)

    其分布函数分别为

    Fmax(x)=[F(x)]n,Fmin(x)=1[1F(x)]nF_{\max}(x)=[F(x)]^n,F_{\min}(x)=1-[1-F(x)]^n

  • XN(μ,σ2),X1,X2,,XnX\sim N(\mu,\sigma^2),X_1,X_2,\cdots,X_n 是来自总体 XX 的样本,Xˉ\bar{X} 是样本均值,则随机变量

    u=Xˉμσ/nN(0,1)u=\dfrac{\bar{X}-\mu}{\sigma/\sqrt{n}}\sim N(0,1)

  • XN(μ1,σ12),YN(μ2,σ22)X\sim N(\mu_1,\sigma^2_1),Y\sim N(\mu_2,\sigma^2_2),分别独立地从总体 X,YX,Y 抽取样本 X1,X2,,Xn1,Y1,Y2,,Yn2X_1,X_2,\cdots,X_{n_1},Y_1,Y_2,\cdots,Y_{n_2},样本均值分别为 Xˉ,Yˉ\bar{X},\bar{Y},则

    u=XˉYˉ(μ1μ2)σ12n1+σ2n2N(0,1)u=\dfrac{\bar{X}-\bar{Y}-(\mu_1-\mu_2)}{\sqrt{\dfrac{\sigma_1^2}{n_1}+\dfrac{\sigma^2}{n_2}}}\sim N(0,1)

卡方分布

X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n 是来自标准正态总体 N(0,1)N(0,1) 的样本,则统计量 χ2=X12+X22++Xn2\chi^2=X_1^2+X_2^2+\cdots+X_n^2 服从自由度为 nnχ2\chi^2 分布,记为 χ2χ2(n)\chi^2\sim\chi^2(n).

  • 三大分布的概率密度函数的解析式很复杂,个人认为非数学专业的应该用不上,所以也没怎么看。
  • χ2χ2(n)\chi^2\sim\chi^2(n),则 E(χ2)=n,D(χ2)=2nE(\chi^2)=n,D(\chi^2)=2n.
  • χ2\chi^2 分布的可加性:设 Xχ2(n1),Yχ2(n2)X\sim\chi^2(n_1),Y\sim\chi^2(n_2),且 X,YX,Y 相互独立,则 X+Yχ2(n1+n2)X+Y\sim\chi^2(n_1+n_2).
  • χ2χ2(n)\chi^2\sim\chi^2(n),当 nn 很大时,χ2n2n\dfrac{\chi^2-n}{\sqrt{2n}} 近似服从标准正态分布.
  • X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n 是来自正态总体 N(μ,σ2)N(\mu,\sigma^2) 的样本,则它们的标准化变量的平方和满足

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

  • X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n 是来自正态总体 XN(μ,σ2)X\sim N(\mu,\sigma^2) 的样本,则样本方差满足

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

  • χ2(n)\chi^2(n) 分布的 α(0<α<1)\alpha(0<\alpha<1) 分位点记为 χα2(n)\chi^2_\alpha(n),即

    P{χ2>χα2(n)}=χα2(n)+f(x)dxP\{\chi^2>\chi^2_\alpha(n)\}=\int_{\chi^2_\alpha(n)}^{+\infty}f(x)\mathrm{d}x

    其中 f(x)f(x)χ2(n)\chi^2(n) 分布的概率密度函数.

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,则随机变量

t=XY/nt=\dfrac{X}{\sqrt{Y/n}}

服从自由度为 nn 的t分布,记为 tt(n)t\sim t(n).

  • t 分布的图像关于纵轴成轴对称.
  • nn\to\infty 时,t(n)t(n) 近似于标准正态分布.
  • t(n)t(n) 分布的 α(0<α<1)\alpha(0<\alpha<1) 分位点记为 tα(n)t_\alpha(n),即

    P{t>tα(n)}=tα(n)+f(x)dxP\{t>t_\alpha(n)\}=\int_{t_\alpha(n)}^{+\infty}f(x)\mathrm{d}x

    其中 f(x)f(x)t(n)t(n) 分布的概率密度函数.
  • 根据 t 分布的对称性,有 tα(n)=t1α(n)t_\alpha(n)=-t_{1-\alpha}(n)
  • X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n 是来自正态总体 XN(μ,σ2)X\sim N(\mu,\sigma^2) 的样本,样本均值和样本方差分别为 Xˉ,S2\bar{X},S^2,则随机变量

    t=XˉμSnt(n1)t=\dfrac{\bar{X}-\mu}{S}\sqrt{n}\sim t(n-1)

    简单推导:

    XˉμSn=(Xˉμ)/(σ/n)S2(n1)(n1)σ2=uχ2(n1)n1\dfrac{\bar{X}-\mu}{S}\sqrt{n}=\dfrac{(\bar{X}-\mu)/(\sigma/\sqrt{n})}{\sqrt\dfrac{S^2(n-1)}{(n-1)\sigma^2}}=\dfrac{u}{\sqrt{\dfrac{\chi^2(n-1)}{n-1}}}

  • X1,X2,,Xn,Xn+1X_1,X_2,\cdots,X_n,X_{n+1} 是来自正态总体 XN(μ,σ2)X\sim N(\mu,\sigma^2) 的样本,样本均值和样本方差分别为

    Xˉn=1ni=1nXi,Sn2=1n1i=1n(XiXˉ)2\bar{X}_n=\dfrac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i,S^2_n=\dfrac{1}{n-1}\sum_{i=1}^n(X_i-\bar{X})^2

    也就是这里的样本均值、方差只考虑前 nn 个个体,则统计量

    t=nn+1Xn+1XˉnSnt(n1)t=\sqrt{\dfrac{n}{n+1}}\cdot\dfrac{X_{n+1}-\bar{X}_n}{S_n}\sim t(n-1)

    简单推导:

    Xn+1XˉnN(0,n+1nσ2)X_{n+1}-\bar{X}_n\sim N\left(0,\dfrac{n+1}{n}\sigma^2\right)

    nn+1Xn+1XˉnSn=(Xn+1Xˉn0)/n+1nσSnσ\sqrt{\dfrac{n}{n+1}}\cdot\dfrac{X_{n+1}-\bar{X}_n}{S_n}=\dfrac{(X_{n+1}-\bar{X}_n-0)/\sqrt{\dfrac{n+1}{n}}\sigma}{S_n\sigma}

    =(Xn+1Xˉn0)/n+1nσSn2(n1)(n1)σ2=uχ2(n1)/(n1)=\dfrac{(X_{n+1}-\bar{X}_n-0)/\sqrt{\dfrac{n+1}{n}}\sigma}{\sqrt\dfrac{S_n^2(n-1)}{(n-1)\sigma^2}}=\dfrac{u}{\sqrt{\chi^2(n-1)/(n-1)}}

  • 若从两个正态总体 N(μ1,σ2),N(μ2,σ2)N(\mu_1,\sigma^2),N(\mu_2,\sigma^2)(注意这两个正态总体是方差相同、均值不同的)分别独立地抽取样本,样本容量分别为 n1,n2n_1,n_2,样本均值分别为 Xˉ,Yˉ\bar{X},\bar{Y},样本方差分别为 S12,S22S_1^2,S_2^2,记

    SW=(n11)S12+(n21)S2n1+n22S_W=\sqrt{\dfrac{(n_1-1)S_1^2+(n_2-1)S^2}{n_1+n_2-2}}

    则随机变量

    t=XˉYˉ(μ1μ2)SW1n1+1n2t(n1+n22)t=\dfrac{\bar{X}-\bar{Y}-(\mu_1-\mu_2)}{S_W\sqrt{\dfrac{1}{n_1}+\dfrac{1}{n_2}}}\sim t(n_1+n_2-2)

    简单推导:

    XˉYˉN(μ1μ2,σ2n1+σ2n2)\bar{X}-\bar{Y}\sim N\left(\mu_1-\mu_2,\dfrac{\sigma^2}{n_1}+\dfrac{\sigma^2}{n_2}\right)

    因此有

    XˉYˉ(μ1μ2)σ1n1+1n2N(0,1)\dfrac{\bar{X}-\bar{Y}-(\mu_1-\mu_2)}{\sigma\sqrt{\dfrac{1}{n_1}+\dfrac{1}{n_2}}}\sim N(0,1)

    两个样本方差满足

    (n11)S12σ2χ2(n11),(n21)S22σ2χ2(n21)\dfrac{(n_1-1)S_1^2}{\sigma^2}\sim\chi^2(n_1-1),\dfrac{(n_2-1)S_2^2}{\sigma^2}\sim\chi^2(n_2-1)

    根据 χ2\chi^2 分布的可加性,得到

    (n11)S12σ2+(n21)S22σ2χ2(n1+n21)\dfrac{(n_1-1)S_1^2}{\sigma^2}+\dfrac{(n_2-1)S_2^2}{\sigma^2}\sim\chi^2(n_1+n_2-1)

    因此有

    t=XˉYˉ(μ1μ2)σ1n1+1n21σ(n11)S12+(n21)S22n1+n22t(n1+n22)t=\dfrac{\dfrac{\bar{X}-\bar{Y}-(\mu_1-\mu_2)}{\sigma\sqrt{\dfrac{1}{n_1}+\dfrac{1}{n_2}}}}{\dfrac{1}{\sigma}\sqrt{\dfrac{(n_1-1)S_1^2+(n_2-1)S_2^2}{n_1+n_2-2}}}\sim t(n_1+n_2-2)

F 分布

Xχ2(n1),Yχ2(n2)X\sim\chi^2(n_1),Y\sim\chi^2(n_2),且 X,YX,Y 相互独立,则随机变量

F=X/n1Y/n2F=\dfrac{X/n_1}{Y/n_2}

服从第一自由度为 n1n_1、第二自由度为 n2n_2 (或者自由度为 (n1,n2)(n_1,n_2))的 F 分布,记作 FF(n1,n2)F\sim F(n_1,n_2).

  • FF(n1,n2)F\sim F(n_1,n_2),则 1FF(n2,n1)\dfrac{1}{F}\sim F(n_2,n_1).

  • F(n1,n2)F(n_1,n_2) 分布的 α(0<α<1)\alpha(0<\alpha<1) 分位点记为 Fα(n1,n2)F_\alpha(n_1,n_2),即

    P{F>Fα(n1,n2)}=Fα(n1,n2)+f(x)dxP\{F>F_\alpha(n_1,n_2)\}=\int_{F_\alpha(n_1,n_2)}^{+\infty}f(x)\mathrm{d}x

    其中 f(x)f(x)F(n1,n2)F(n_1,n_2) 分布的概率密度函数.

  • F1α(n1,n2)=1Fα(n2,n1)F_{1-\alpha}(n_1,n_2)=\dfrac{1}{F_\alpha(n_2,n_1)}

  • X1,X2,,Xn1X_1,X_2,\cdots,X_{n_1} 是来自正态总体 XN(μ1,σ12)X\sim N(\mu_1,\sigma_1^2) 的样本,Y1,Y2,,Yn2Y_1,Y_2,\cdots,Y_{n_2} 是来自正态总体 N(μ2,σ22)N(\mu_2,\sigma^2_2) 的样本,且两个样本相互独立,则随机变量

    F=n2n1σ22σ12i=1n1(Xiμ1)2j=1n2(Yjμ2)2F(n1,n2)F=\dfrac{n_2}{n_1}\cdot\dfrac{\sigma_2^2}{\sigma_1^2}\cdot\dfrac{\sum\limits_{i=1}^{n_1}(X_i-\mu_1)^2}{\sum\limits_{j=1}^{n_2}(Y_j-\mu_2)^2}\sim F(n_1,n_2)

    简单推导:

    F=1n1i=1n1(Xiμ1)2σ121n2j=1n2(Yjμ2)2σ22F=\dfrac{\dfrac{1}{n_1}\sum\limits_{i=1}^{n_1}\dfrac{(X_i-\mu_1)^2}{\sigma_1^2}}{\dfrac{1}{n_2}\sum\limits_{j=1}^{n_2}\dfrac{(Y_j-\mu_2)^2}{\sigma^2_2}}

    注意到

    Xiμ1σ1,Yiμ2σ2\dfrac{X_i-\mu_1}{\sigma_1},\dfrac{Y_i-\mu_2}{\sigma_2}

    都是各自样本中个体的标准化变量,因此分子分母都是个体标准化变量的平方和的算术平均数. 记

    χ12=i=1n1(Xiμ1)2σ12,χ22=j=1n2(Yjμ2)2σ22\chi^2_1=\sum\limits_{i=1}^{n_1}\dfrac{(X_i-\mu_1)^2}{\sigma_1^2},\chi_2^2=\sum\limits_{j=1}^{n_2}\dfrac{(Y_j-\mu_2)^2}{\sigma^2_2}

    则有

    F=χ12/n1χ22/n2F(n1,n2)F=\dfrac{\chi_1^2/{n_1}}{\chi_2^2/{n_2}}\sim F(n_1,n_2)

  • 设从两个正态总体N(μ1,σ12),N(μ2,σ22)N(\mu_1,\sigma_1^2),N(\mu_2,\sigma_2^2) 分别独立地各抽取一个样本,它们的样本容量分别为 n1,n2n_1,n_2,样本方差分别为 S12,S22S_1^2,S_2^2,则随机变量

    F=σ22σ12S12S22F(n11,n22)F=\dfrac{\sigma^2_2}{\sigma_1^2}\cdot\dfrac{S_1^2}{S_2^2}\sim F(n_1-1,n_2-2)

    简单推导:

    F= (n11)S12(n11)σ12 (n21)S22(n22)σ22=χ12/(n11)χ22/(n21)F(n1,n2)F=\dfrac{\ \dfrac{(n_1-1)S_1^2}{(n_1-1)\sigma_1^2}\ }{\dfrac{(n_2-1)S_2^2}{(n_2-2)\sigma_2^2}}=\dfrac{\chi_1^2/(n_1-1)}{\chi^2_2/(n_2-1)}\sim F(n_1,n_2)

  • 上面提到的几个统计量非常重要,后面参数估计和假设检验会经常用到

参数估计

参数估计解决的是总体分布类型已知,但参数未知的情况.

参数的点估计

设总体 XX 的分布含有未知参数 θ\theta(可以是数值,或者向量 (θ1,θ2,,θr)(\theta_1,\theta_2,\cdots,\theta_r)),从总体中抽取样本 X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n,其观测值为 x1,x2,,xnx_1,x_2,\cdots,x_n,点估计就是构造适当的统计量 θ^(X1,X2,,Xn)\hat{\theta}(X_1,X_2,\cdots,X_n),代入观测值求得未知参数的估计值 θ^\hat{\theta}.

  • θ^(X1,X2,,Xn)\hat{\theta}(X_1,X_2,\cdots,X_n) 称为点估计.
  • θ^(x1,x2,,xn)\hat{\theta}(x_1,x_2,\cdots,x_n) 称为点估计.
  • 未知参数有 rr 个时,需要构造 rr 个统计量分别作为各个未知参数的点估计量.
  • 点估计量和点估计值一般都用符号 θ^\hat{\theta},但是要注意题目问的是什么.

矩估计法

设总体 XX 的分布含有 rr 个未知参数 θ1,θ2,,θr\theta_1,\theta_2,\cdots,\theta_r,总体的 1,2,,r1,2,\cdots,r 阶原点矩都存在,它们都是 θ1,θ2,,θr\theta_1,\theta_2,\cdots,\theta_r 的函数,即

μk=μk(θ1,θ2,,θr)=E(Xk),k=1,2,,r\mu_k=\mu_k(\theta_1,\theta_2,\cdots,\theta_r)=E(X^k),k=1,2,\cdots,r

从总体中抽取样本 X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n,根据辛钦定理可得当 nn\to\infty 时样本 kk 阶原点矩依概率收敛于总体的 kk 阶原点矩 μk\mu_k,取样本 kk 阶原点矩 AkA_k 作为总体 kk 阶原点矩 μk\mu_k 的估计,用样本矩的连续函数作为总体矩的同一个连续函数. 令

{μ1(θ1,θ2,,θr)=A1,μ2(θ1,θ2,,θr)=A2,,μr(θ1,θ2,,θr)=Ar\begin{equation*} \begin{cases} \mu_1(\theta_1,\theta_2,\cdots,\theta_r)=A_1,\\ \mu_2(\theta_1,\theta_2,\cdots,\theta_r)=A_2,\\ \cdots,\\ \mu_r(\theta_1,\theta_2,\cdots,\theta_r)=A_r \\ \end{cases} \end{equation*}

这是一个关于未知参数 (θ1,θ2,,θr)(\theta_1,\theta_2,\cdots,\theta_r) 的方程组,记方程组的解为

{θ1^=θ1^(A1,A2,,Ar),θ2^=θ2^(A1,A2,,Ar),,θr^=θr^(A1,A2,,Ar),\begin{equation*} \begin{cases} \hat{\theta_1}=\hat{\theta_1}(A_1,A_2,\cdots,A_r),\\ \hat{\theta_2}=\hat{\theta_2}(A_1,A_2,\cdots,A_r),\\ \cdots,\\ \hat{\theta_r}=\hat{\theta_r}(A_1,A_2,\cdots,A_r),\\ \end{cases} \end{equation*}

称为未知参数 θ1,θ2,,θr\theta_1,\theta_2,\cdots,\theta_r 的矩估计量,这种求点估计量的方法叫做矩估计法,代入样本观测值即可得到矩估计量的观测值(估计值)

{θ1^=θ1^(a1,a2,,ar),θ2^=θ2^(a1,a2,,ar),,θr^=θr^(a1,a2,,ar),\begin{equation*} \begin{cases} \hat{\theta_1}=\hat{\theta_1}(a_1,a_2,\cdots,a_r),\\ \hat{\theta_2}=\hat{\theta_2}(a_1,a_2,\cdots,a_r),\\ \cdots,\\ \hat{\theta_r}=\hat{\theta_r}(a_1,a_2,\cdots,a_r),\\ \end{cases} \end{equation*}

其中 aka_k 即为各阶样本矩的观测值.

第一次看到这玩意的定义可能一头雾水,可以这样理解:矩估计法就是用样本的 kk 阶矩去估计总体的 kk 阶矩。样本矩是我们有观测数据的,能直接算出来的,做题的时候写出表达式就行;总体矩是一个理论值,要通过理论推导,我们用要求的未知参数表示出来。这样,在 总体矩 = 样本矩 这个方程中,我们就得到了关于未知参数的方程,解出来就是矩估计量,代入具体观测值就是矩估计值,实在不行看一两个例题就明白了。

无论总体服从什么分布,总体均值的矩估计量都是样本均值,总体方差的矩估计量都是样本二阶中心矩. 有多组解表示出某个未知参数时,一般情况下优先使用低阶矩.

最大似然估计法

最大似然估计法是利用已知的总体的概率密度(概率分布)和样本,根据概率最大的事件在一次试验中最可能出现的原理,求总体的概率密度(或概率分布)的未知参数的点估计的方法。

对于离散型总体,若只有一个未知参数,设总体 XX 为离散型随机变量,其概率分布为 P{X=x}=p(x;θ)P\{X=x\}=p(x;\theta),其中 θ\theta 是未知参数. 若样本 X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n 的观测值为 x1,x2,,xnx_1,x_2,\cdots,x_n,由于样本中的各个随机变量之间相互独立,因此相当于 {X1=x1},{X2=x2},,{Xn=xn}\{X_1=x_1\},\{X_2=x_2\},\cdots,\{X_n=x_n\} 同时发生,其概率为

p(x1;θ)p(x2;θ)p(xn;θ)=i=1np(xi;θ)p(x_1;\theta)p(x_2;\theta)\cdots p(x_n;\theta)=\prod_{i=1}^np(x_i;\theta)

由于概率分布 pp、样本观测值 x1,x2,,xnx_1,x_2,\cdots,x_n 都是已知的,上式仅含有唯一的未知参数 θ\theta,即上式是 θ\theta 的函数,记为

L(θ)=i=1np(xi;θ)L(\theta)=\prod_{i=1}^np(x_i;\theta)

并称为样本的似然函数. 选取 L(θ)L(\theta) 取得最大值的 θ^\hat{\theta} 作为 θ\theta 的估计,此时样本观测值 x1,x2,,xnx_1,x_2,\cdots,x_n 出现的概率最大. 若在 θ\theta 的取值范围内恒有 L(θ^)L(θ)L(\hat{\theta})\ge L(\theta),则称 θ^\hat{\theta}θ\theta 的最大似然估计值,这样得到的估计量可以根据 x1,x2,,xnx_1,x_2,\cdots,x_n 计算出来. 把样本观测值换成对应的随机变量,就得到最大似然估计量.

L(θ)L(\theta) 的最大值点,要先求出 L(θ)L(\theta) 的极大值点. 当 L(θ)L(\theta) 是可导函数时,可以利用导数求出它的极大值点,也就是解方程

dL(θ)dθ=0\dfrac{\mathrm{d}L(\theta)}{\mathrm{d}\theta}=0

这个方程叫做似然方程. 如果 L(θ)L(\theta) 有唯一的驻点 θ^\hat{\theta},则认为它是似然函数的极大值点.

似然方程一般含有大量关于 θ\theta 的表达式相乘的结构,求导数比较麻烦,由于 lnx\ln x 在定义域上是单调增加函数,L(θ),lnL(θ)L(\theta),\ln L(\theta) 在同一点处取得极大值,可以由方程

dlnL(θ)dθ=0\dfrac{\mathrm{d}\ln L(\theta)}{\mathrm{d}\theta}=0

求得 θ\theta 的最大似然估计值,该方程称为对数似然方程.

对于连续型随机变量的情形,可以类似取似然函数

L(θ)=i=1nf(xi;θ)L(\theta)=\prod_{i=1}^nf(x_i;\theta)

并按照上述方法求极大值点,进而得到最大似然估计量和估计值. 这相当于让样本观测值取到 x1,x2,,xnx_1,x_2,\cdots,x_n 邻域内的概率最大.

如果含有多个未知参数,则可按照类似的方法求关于每个未知参数的偏导数,解出各个未知参数的估计量、估计值:

L(θ1,θ2,,θr)θi=0\dfrac{\partial L(\theta_1,\theta_2,\cdots,\theta_r)}{\partial\theta_i}=0

或者取对数似然方程

lnL(θ1,θ2,,θr)θi=0\dfrac{\partial \ln L(\theta_1,\theta_2,\cdots,\theta_r)}{\partial\theta_i}=0

对于未知参数 θ\theta 的函数 u(θ)u(\theta),若已知 θ^\hat{\theta} 是最大似然估计值,则 u^=u(θ^)\hat{u}=u(\hat{\theta})u=u(θ)u=u(\theta) 的最大似然估计值.

有时候题目里面的似然函数是在定义域上单调的,这时需要考虑样本的边界值,比如最大最小值.

估计量的评选标准

  • 无偏性:设 θ^=θ^(X1,X2,,Xn)\hat{\theta}=\hat{\theta}(X_1,X_2,\cdots,X_n) 是未知参数 θ\theta 的估计量,若 E(θ^)E(\hat{\theta}) 存在,且满足 E(θ^)=θE(\hat{\theta})=\theta,则称 θ^\hat{\theta}θ\theta 的无偏估计(量),或 θ^\hat{\theta} 作为 θ\theta 的估计具有无偏性.
  • 有效性:设 θ^1=θ^1(X1,X2,,Xn),θ^2=θ^2(X1,X2,,Xn)\hat{\theta}_1=\hat{\theta}_1(X_1,X_2,\cdots,X_n),\hat{\theta}_2=\hat{\theta}_2(X_1,X_2,\cdots,X_n) 是未知参数 θ\theta 的两个无偏估计量,若 D(θ^1)<D(θ^2)D(\hat{\theta}_1)<D(\hat{\theta}_2),则称 θ^1\hat{\theta}_1θ^2\hat{\theta}_2 更有效. 在无偏估计中,一般认为以方差更小的为好.
  • 一致性:设 θ^n=θ^n(X1,X2,,Xn)\hat{\theta}_n=\hat{\theta}_n(X_1,X_2,\cdots,X_n) 是未知参数 θ\theta 的估计量序列,若当 nn\to\infty 时,θ^Pθ\hat{\theta}\xrightarrow{P}\theta,则称 θ^n=θ^n(X1,X2,,Xn)\hat{\theta}_n=\hat{\theta}_n(X_1,X_2,\cdots,X_n) 为未知参数 θ\theta 的一致估计(量)或相合估计(量),也称以 θ^\hat{\theta} 估计 θ\theta 具有一致性或相合性,即当 nn 充分大时 θ^n\hat{\theta}_n 稳定在 θ\theta 的附近. 证明一致性可以使用切比雪夫不等式.

双侧区间估计

设总体 XX 的分布中含有一个未知参数 θ\theta(X1,X2,,Xn)(X_1,X_2,\cdots,X_n) 是来自总体 XX 的样本. 如果对于给定的概率 1α(0<α<1)1-\alpha(0<\alpha<1),存在两个统计量 θ1=θ1(X1,X2,,Xn),θ2=θ2(X1,X2,,Xn)\theta_1=\theta_1(X_1,X_2,\cdots,X_n),\theta_2=\theta_2(X_1,X_2,\cdots,X_n),使得 P{θ1<θ<θ2}=1αP\{\theta_1<\theta<\theta_2\}=1-\alpha,则称 1α1-\alpha 为置信度或置信水平,称随机区间 (θ1,θ2)(\theta_1,\theta_2) 为未知参数 θ\theta 的置信水平为 1α1-\alpha 的置信区间,分别称 θ1,θ2\theta_1,\theta_2 为置信水平为 1α1-\alpha 的双侧置信区间的置信下限和置信上限. 这种估计未知参数的方法叫做区间估计.

置信水平的意义是,置信区间 (θ1,θ2)(\theta_1,\theta_2) 包含未知变量的真值的概率为 1α1-\alpha. 对于同一个未知参数 θ\theta,置信水平为 1α1-\alpha 的置信区间不唯一. 区间长度越短,估计精确度越高.

计算置信区间的一般步骤:

  1. 构造样本函数 T(X1,X2,,Xn;θ)T(X_1,X_2,\cdots,X_n;\theta),要求仅包含一个未知参数 θ\theta.
  2. 根据给定的置信水平和 TT 的分布,找到两个常数 a,ba,b 满足

    P{a<T<b}=1αP\{a<T<b\}=1-\alpha

  3. 解不等式求出 θ\theta 的置信区间

以下给出一些针对正态总体的区间估计方法. 假设总体 XN(μ,σ2)X\sim N(\mu,\sigma^2),从总体中抽取样本 X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n,样本均值和样本方差分别为 Xˉ,S2\bar{X},S^2,置信水平为 1α1-\alpha.

  • σ2\sigma^2 已知,求 μ\mu 的置信区间:标准正态分布 N(0,1)N(0,1)

    根据

    u=XˉμσnN(0,1)u=\dfrac{\bar{X}-\mu}{\sigma}\sqrt{n}\sim N(0,1)

    利用正态分布的对称性,有 uα2=u1α2u_{\frac{\alpha}{2}}=-u_{1-\frac{\alpha}{2}},得到

    P{uα/2<Xˉμσn<uα/2}=1αP\left\{-u_{\alpha/2}<\dfrac{\bar{X}-\mu}{\sigma}\sqrt{n}<u_{\alpha/2}\right\}=1-\alpha

    由于 Xˉ,σ,n\bar{X},\sigma,n 都是已知条件,正态分布查表可得到 uα/2u_{\alpha/2} 的数据,中间这一坨服从正态分布,这个概率是天然成立的,因此解不等式

    uα/2<Xˉμσn<uα/2-u_{\alpha/2}<\dfrac{\bar{X}-\mu}{\sigma}\sqrt{n}<u_{\alpha/2}

    即可得到 μ\mu 的置信区间

    (Xˉuα/2σn,Xˉ+uα/2σn)\left(\bar{X}-u_{\alpha/2}\dfrac{\sigma}{\sqrt{n}},\bar{X}+u_{\alpha/2}\dfrac{\sigma}{\sqrt{n}}\right)

    该区间的长度为

    l=2uα/2σnl=2u_{\alpha/2}\dfrac{\sigma}{\sqrt{n}}

    置信水平一定的情况下,lln\sqrt{n} 成反比. 设 aa 为正实数,若要使 lal\le a,则样本容量应当满足

    n(2uα/2σa)2n\ge \left(2u_{\alpha/2}\dfrac{\sigma}{a}\right)^2

  • σ2\sigma^2 未知,求 μ\mu 的置信区间:t(n1)t(n-1) 分布

    根据

    t=XˉμSnt(n1)t=\dfrac{\bar{X}-\mu}{S}\sqrt{n}\sim t(n-1)

    利用 t 分布的对称性,选取 t 分布关于原点对称的区间:

    P{tα/2(n1)<XˉμSn<tα/2(n1)}=1αP\left\{-t_{\alpha/2}(n-1)<\dfrac{\bar{X}-\mu}{S}\sqrt{n}<t_{\alpha/2}(n-1)\right\}=1-\alpha

    解不等式,得到 μ\mu 的置信区间为

    (XˉSntα/2(n1),Xˉ+Sntα/2(n1))\left(\bar{X}-\dfrac{S}{\sqrt{n}}t_{\alpha/2}(n-1),\bar{X}+\dfrac{S}{\sqrt{n}}t_{\alpha/2}(n-1)\right)

  • μ\mu 已知,求 σ2\sigma^2 的置信区间:χ2(n)\chi^2(n) 分布

    根据

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

    可得关于 σ2\sigma^2 的不等式

    χ1α22(n)<1σ2i=1n(Xiμ)2<χα22(n)\chi^2_{1-\frac{\alpha}{2}}(n)<\dfrac{1}{\sigma^2}\sum_{i=1}^n(X_i-\mu)^2<\chi^2_{\frac{\alpha}{2}}(n)

    解得置信区间为

    (i=1n(Xiμ)2χα22(n),i=1n(Xiμ)2χ1α22(n))\left(\dfrac{\sum\limits_{i=1}^n(X_i-\mu)^2}{\chi^2_{\frac{\alpha}{2}}(n)},\dfrac{\sum\limits_{i=1}^n(X_i-\mu)^2}{\chi^2_{1-\frac{\alpha}{2}}(n)}\right)

  • μ\mu 未知,σ2\sigma^2 的置信区间:χ2(n1)\chi^2(n-1) 分布 根据

    χ2=(n1)σ2σ2χ2(n1)\chi^2=\dfrac{(n-1)\sigma^2}{\sigma^2}\sim\chi^2(n-1)

    仿照上述过程得到关于 σ2\sigma^2 的不等式

    χ1α22(n1)<(n1)S2σ2<χα22(n1)\chi^2_{1-\frac{\alpha}{2}}(n-1)<\dfrac{(n-1)S^2}{\sigma^2}<\chi^2_{\frac{\alpha}{2}}(n-1)

    解得置信区间为

    ((n1)S2χα22(n1),(n1)S2χ1α22(n1))\left(\dfrac{(n-1)S^2}{\chi^2_{\frac{\alpha}{2}}(n-1)},\dfrac{(n-1)S^2}{\chi^2_{1-\frac{\alpha}{2}}(n-1)}\right)

对于两个正态总体 N(μ1,σ12),N(μ2,σ22)N(\mu_1,\sigma_1^2),N(\mu_2,\sigma_2^2),分别独立地抽取样本 X1,X2,,Xn1X_1,X_2,\cdots,X_{n_1}Y1,Y2,,Yn2Y_1,Y_2,\cdots,Y_{n_2}样本均值分别为 Xˉ,Yˉ\bar{X},\bar{Y},样本方差分别为 S12,S22S_1^2,S_2^2.

  • σ12,σ22\sigma_1^2,\sigma_2^2 已知,求 μ1μ2\mu_1-\mu_2 的置信区间:标准正态分布 N(0,1)N(0,1)

    根据

    u=XˉYˉ(μ1μ2)σ12n1+σ22n2N(0,1)u=\dfrac{\bar{X}-\bar{Y}-(\mu_1-\mu_2)}{\sqrt{\dfrac{\sigma_1^2}{n_1}+\dfrac{\sigma_2^2}{n_2}}}\sim N(0,1)

    得到关于 μ1μ2\mu_1-\mu_2 的不等式

    uα2<XˉYˉ(μ1μ2)σ12n1+σ22n2<uα2-u_{\frac{\alpha}{2}}<\dfrac{\bar{X}-\bar{Y}-(\mu_1-\mu_2)}{\sqrt{\dfrac{\sigma_1^2}{n_1}+\dfrac{\sigma_2^2}{n_2}}}<u_{\frac{\alpha}{2}}

    解得置信区间为

    (XˉYˉuα2σ12n1+σ22n2,XˉYˉ+uα2σ12n1+σ22n2)\left(\bar{X}-\bar{Y}-u_{\frac{\alpha}{2}}\sqrt{\dfrac{\sigma^2_1}{n_1}+\dfrac{\sigma_2^2}{n_2}},\bar{X}-\bar{Y}+u_{\frac{\alpha}{2}}\sqrt{\dfrac{\sigma^2_1}{n_1}+\dfrac{\sigma_2^2}{n_2}}\right)

    μ1μ2\mu_1-\mu_2 的置信区间可以用来比较两个总体的均值大小. 如果置信区间下界大于0,则以置信水平 1α1-\alpha 认为 μ1>μ2\mu_1>\mu_2;若置信区间上界小于0,则以置信水平 1α1-\alpha 认为 μ1<μ2\mu_1<\mu_2.

  • σ12=σ22=σ2\sigma_1^2=\sigma_2^2=\sigma^2 未知,求 μ1μ2\mu_1-\mu_2 的置信区间:t(n1+n22)t(n_1+n_2-2) 分布

    注意这里的两个方差是相等的. 根据

    t=XˉYˉ(μ1μ2)SW1n1+1n2t(n1+n22)t=\dfrac{\bar{X}-\bar{Y}-(\mu_1-\mu_2)}{S_W\sqrt{\dfrac{1}{n_1}+\dfrac{1}{n_2}}}\sim t(n_1+n_2-2)

    其中

    SW=(n11)S12+(n21)S22n1+n22S_W=\sqrt{\dfrac{(n_1-1)S_1^2+(n_2-1)S_2^2}{n_1+n_2-2}}

    得到关于 μ1μ2\mu_1-\mu_2 的不等式

    tα2(n1+n22)<XˉYˉ(μ1μ2)SW1n1+1n2<tα2(n1+n22)-t_{\frac{\alpha}{2}}(n_1+n_2-2)<\dfrac{\bar{X}-\bar{Y}-(\mu_1-\mu_2)}{S_W\sqrt{\dfrac{1}{n_1}+\dfrac{1}{n_2}}}<t_{\frac{\alpha}{2}}(n_1+n_2-2)

    解得置信区间为

    (XˉYˉtα2(n1+n22)SW1n1+1n2,XˉYˉ+tα2(n1+n22)SW1n1+1n2)\left(\bar{X}-\bar{Y}-t_{\frac{\alpha}{2}}(n_1+n_2-2)S_W\sqrt{\dfrac{1}{n_1}+\dfrac{1}{n_2}},\bar{X}-\bar{Y}+t_{\frac{\alpha}{2}}(n_1+n_2-2)S_W\sqrt{\dfrac{1}{n_1}+\dfrac{1}{n_2}}\right)

  • 已知 μ1,μ2\mu_1,\mu_2,求 σ12σ22\dfrac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} 的置信区间:F(n1,n2)F(n_1,n_2) 分布

    利用 FF 分布解答双侧区间估计问题时,常利用 F1α(n1,n2)=1/Fα(n2,n1)F_{1-\alpha}(n_1,n_2)=1/F_{\alpha}(n_2,n_1) 这一性质. 根据

    F=n2n1σ22σ12i=1n1(Xiμ1)2i=1n2(Yiμ1)2F(n1,n2)F=\dfrac{n_2}{n_1}\cdot\dfrac{\sigma_2^2}{\sigma_1^2}\cdot\dfrac{\sum\limits_{i=1}^{n_1}(X_i-\mu_1)^2}{\sum\limits_{i=1}^{n_2}(Y_i-\mu_1)^2}\sim F(n_1,n_2)

    得到关于 σ12σ22\dfrac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} 的不等式

    F1α2(n1,n2)<n2n1σ22σ12i=1n1(Xiμ1)2i=1n2(Yiμ1)2<Fα2(n1,n2)F_{1-\frac{\alpha}{2}}(n_1,n_2) < \dfrac{n_2}{n_1}\cdot\dfrac{\sigma_2^2}{\sigma_1^2}\cdot\dfrac{\sum\limits_{i=1}^{n_1}(X_i-\mu_1)^2}{\sum\limits_{i=1}^{n_2}(Y_i-\mu_1)^2} < F_{\frac{\alpha}{2}}(n_1,n_2)

    等价于

    σ12σ22<n2i=1n1(Xiμ1)2n1i=1n2(Yiμ1)2Fα2(n2,n1)\dfrac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} < \dfrac{n_2\sum\limits_{i=1}^{n_1}(X_i-\mu_1)^2}{n_1\sum\limits_{i=1}^{n_2}(Y_i-\mu_1)^2}F_{\frac{\alpha}{2}}(n_2,n_1)

    σ12σ22>n2i=1n1(Xiμ1)2n1i=1n2(Yiμ1)21Fα2(n1,n2)\dfrac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} > \dfrac{n_2\sum\limits_{i=1}^{n_1}(X_i-\mu_1)^2}{n_1\sum\limits_{i=1}^{n_2}(Y_i-\mu_1)^2}\cdot \dfrac{1}{F_{\frac{\alpha}{2}}(n_1,n_2)}

    即其置信区间为

    (n2i=1n1(Xiμ1)2n1i=1n2(Yiμ1)21Fα2(n1,n2),n2i=1n1(Xiμ1)2n1i=1n2(Yiμ1)2Fα2(n2,n1))\left(\dfrac{n_2\sum\limits_{i=1}^{n_1}(X_i-\mu_1)^2}{n_1\sum\limits_{i=1}^{n_2}(Y_i-\mu_1)^2}\cdot \dfrac{1}{F_{\frac{\alpha}{2}}(n_1,n_2)},\dfrac{n_2\sum\limits_{i=1}^{n_1}(X_i-\mu_1)^2}{n_1\sum\limits_{i=1}^{n_2}(Y_i-\mu_1)^2}F_{\frac{\alpha}{2}}\textcolor{red}{(n_2,n_1)}\right)

  • μ1,μ2\mu_1,\mu_2 未知,求 σ12σ22\dfrac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} 的置信区间:F(n11,n21)F(n_1-1,n_2-1) 分布

    根据

    F=σ22σ12S12S22F(n11,n22)F=\dfrac{\sigma_2^2}{\sigma_1^2}\cdot\dfrac{S_1^2}{S_2^2}\sim F(n_1-1,n_2-2)

    可得关于 σ12σ22\dfrac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} 的不等式

    F1α2(n11,n22)<σ22σ12S12S22<Fα2(n11,n22)F_{1-\frac{\alpha}{2}}(n_1-1,n_2-2)<\dfrac{\sigma_2^2}{\sigma_1^2}\cdot\dfrac{S_1^2}{S_2^2}<F_{\frac{\alpha}{2}}(n_1-1,n_2-2)

    解得置信区间为

    (S12S221Fα2(n11,n22),S12S22Fα2(n21,n12))\left(\dfrac{S_1^2}{S_2^2}\cdot\dfrac{1}{F_{\frac{\alpha}{2}}(n_1-1,n_2-2)},\dfrac{S_1^2}{S_2^2}\cdot F_{\frac{\alpha}{2}}\textcolor{red}{(n_2-1,n_1-2)}\right)

  • 如果 σ12σ22\dfrac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} 的置信区间下限大于1,则以置信水平 1α1-\alpha 认为 σ12>σ22\sigma_1^2>\sigma_2^2; 若 σ12σ22\dfrac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} 的置信区间上限小于1,则以置信水平 1α1-\alpha 认为 σ12>σ22\sigma_1^2>\sigma_2^2.

单侧区间估计

需要求得未知参数的上/下限,而不关心另一个边界值时,可以用单侧区间估计来计算所需的边界值. 设总体 XX 的分布中含有未知参数 θ\theta,从总体 XX 中抽取样本 X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n,对于给定的概率 1α(0<α<1)1-\alpha(0<\alpha<1)

  • 如果统计量 θ1=θ1(X1,X2,,Xn)\theta_1=\theta_1(X_1,X_2,\cdots,X_n) 满足 P{θ>θ1}=1αP\{\theta>\theta_1\}=1-\alpha,则称随机区间 (θ1,+)(\theta_1,+\infty) 为置信水平为 1α1-\alpha 的单侧置信区间,θ1\theta_1 称为 θ\theta 的置信水平为 1α1-\alpha 的单侧置信下限.
  • 如果统计量 θ2=θ2(X1,X2,,Xn)\theta_2=\theta_2(X_1,X_2,\cdots,X_n) 满足 P{θ<θ2}=1αP\{\theta<\theta_2\}=1-\alpha,则称随机区间 (,θ2)(-\infty,\theta_2) 为置信水平为 1α1-\alpha 的单侧置信区间,θ2\theta_2 称为 θ\theta 的置信水平为 1α1-\alpha 的单侧置信上限.

实际上还是利用标准正态分布和三大分布的那几个统计量,只不过把需要解的不等式换成单侧的而已. 例如:

设总体 XN(μ,σ2)X\sim N(\mu,\sigma^2)XX 的均值和方差 μ,σ2\mu,\sigma^2 都存在但未知. 从总体中抽取样本 X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n,对于给定的置信水平 1α1-\alpha

  • 求未知参数 μ\mu 的置信水平下限. 根据

    t=XˉμSnt(n1)t=\dfrac{\bar{X}-\mu}{S}\sqrt{n}\sim t(n-1)

    可得不等式

    XˉμSn<tα(n1)\dfrac{\bar{X}-\mu}{S}\sqrt{n}<t_\alpha(n-1)

    解得置信区间为

    (XˉSntα(n1),+)\left(\bar{X}-\dfrac{S}{\sqrt{n}}t_\alpha(n-1),+\infty\right)

    即置信区间下限为

    μ1=XˉSntα(n1)\mu_1=\bar{X}-\dfrac{S}{\sqrt{n}}t_\alpha(n-1)

  • 求未知参数 σ2\sigma^2 的置信水平上限. 根据

    χ2=(n1)S2σ2χ2(n1)\chi^2=\dfrac{(n-1)S^2}{\sigma^2}\sim\chi^2(n-1)

    列出不等式

    (n1)S2σ2>χ1α2(n1)\dfrac{(n-1)S^2}{\sigma^2}>\chi_{1-\alpha}^2(n-1)

    解得置信区间为

    (0,(n1)S2χ1α2(n1))\left(0,\dfrac{(n-1)S^2}{\chi^2_{1-\alpha}(n-1)}\right)

    即所求置信区间上限为

    σ22=(n1)S2χ1α2(n1)\sigma_2^2=\dfrac{(n-1)S^2}{\chi^2_{1-\alpha}(n-1)}

假设检验

2025-2026学年 “迎期末·庆六一” 微积分A2信心卷
Valaxy v0.28.8 驱动|主题-Yunv0.28.8