Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Математическая статистика и анализ данных. Учебное пособие-1

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
15.08.2026
Размер:
1 Мб
Скачать

Количественно степень близости экспериментальных точек к прямой линии, т.е. силу линейной взаимосвязи случайных переменных X

и Y, характеризует выборочный парный коэффициент корреляции

 

 

 

n

(xi - x )(yi - y )

 

 

 

 

 

rxy =

 

i=1

 

 

 

 

 

,

(3.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

n

 

 

 

(x

- x )2

(y - y )2

 

 

 

 

 

 

i=1

 

i

 

i=1

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где x,y – выборочные средние выборок x1,x2,...,xn и y1,y2,...,yn . Парный коэффициент корреляции (3.1) изменяется в пределах

-1rxy 1.

Чем ближе rxy к единице, тем плотнее точки на точечном графике группируются около наклонной прямой линии, тем сильнее (на фоне случайного разброса) выражена линейная связь переменных X и Y. Если rxy = ±1, то линейная связь является функциональной и точки ложатся строго на прямую. Условие rxy > 0 означает, что переменные X и Y изменяются в одном направлении, условие rxy < 0 – что они изменяются противоположных направлениях (как на рис. 3.1). Если rxy близок к нулю, то взаимосвязанного изменения случайных переменных X и Y нет, и точки на диаграмме рассеяния расположены хаотично. Величина парного коэффициента корреляции rxy не изменится, если каждое значение любой из выборок x1,x2,...,xn и y1,y2,...,yn умножить на произвольное число или прибавить ко всем значениям произвольное число.

Поскольку значения x1,x2,...,xn и y1,y2,...,yn являются выборочными, случайная группировка точек вокруг прямой линии может получиться и тогда, когда переменные X и Y на самом деле не коррелированны. Чтобы убедиться, что рассчитанный парный коэффициент корреляции rxy не случайно отличается от нуля, проверяют гипотезу о значимом отличии rxy от нуля. Значение rxy сравнивают с критическим (табличным) значением выборочного коэффициента корреляции ra,n с уровнем значимости a и числом степеней свободы n = n -2. Если

rxy

> ra,n ,

(3.2)

то с риском ошибки, не большим a считается, что выборочный парный коэффициент корреляции rxy отличается от нуля не случайно

31

(значимо отличается от нуля) и отражает действительную тенденцию взаимосвязанного изменения переменных X и Y. Если знак неравенства (3.2) противоположный, то нет достаточных оснований утверждать, что отличие коэффициента корреляции rxy от нуля не случайное. В этом случае говорят, что парный коэффициент корреляции rxy незначимо отличается от нуля (коэффициент незначимый).

Эмпирический эллипс рассеяния

Множеству наблюдений xi ,yi (i =1,2,...,n ) можно сопоставить

эмпирический эллипс рассеяния (рис. 3.1). Если случайные перемен-

ные X и Y распределены нормально, то внутрь эллипса попадает в среднем доля Р всех наблюдений (вероятность попадания точки xi ,yi внутрь эллипса равна P). Центр эллипса имеет координаты ( x y ), т.е. находится в центре тяжести точек xi ,yi . Форма и размеры эллипса определяются величинами стандартных отклонений выборок sx, sy, парного коэффициента корреляции rxy и заданной вероятностью Р. Уравнение эллипса рассеяния

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

x - x

 

 

y - y

-2r

x - x

 

y - y

= c 2

,

(3.3)

 

 

+

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

sx

 

 

 

sy

 

xy

sx

 

sy

 

P

 

 

-rxy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где cP2 - квантиль распределения Пирсона (c2 -распределения) с двумя степенями свободы. Если распределения случайных

переменных X и Y не слишком отличаются от нормального, эмпирический эллипс рассеяния дает наглядное представление о совместной области рассеяния данных.

Чтобы построить эллипс рассеяния надо перейти к новым переменным, т.к. рассчитывать координаты точек эллипса непосредственно по уравнению (3.3) неудобно. Для расчета сначала перейдем к стандартизованным безразмерным переменным h и g – центрируем исходные переменные и нормируем их на стандартные отклонения соответствующих выборок

h = x - x ; g = y - y . sx sy

Затем введем новые переменные u и v, координатные оси которых совпадают с главными осями эллипса рассеяния

32

u = h +2g ; v = g -2h .

В переменных u и v уравнение эллипса рассеяния примет вид

 

u

2

 

v

2

 

 

+

 

= c2P ,

 

 

su

sv

 

где стандартные отклонения переменных u и v

su =

1+ rxy

; sv =

1-rxy

.

(3.4)

Точки на эллипсе рассчитываются из параметрического уравнения эллипса

u = ksu cos(j), v = ksv sin(j),

(3.5)

где k – коэффициент размера эллипса: k = cP2 , j – параметр:

0≤j≤ 2π.

После расчета точек на эллипсе в переменных u и v по параметрическому уравнению (3.5) их координаты преобразуются к исходным переменным х и у по формулам

x = u

 

v s + x ; y = u +

v sy + y .

(3.6)

 

 

2

 

 

3.2. Задание

1. По наблюдениям xi ,yi (i =1,2,...,n ) рассчитать выборочный парный коэффициент корреляции rxy, сравнить его с табличным значением с уровнем значимости a = 0,05, проверить гипотезу о значимом отличии коэффициента корреляции rxy от нуля.

2. По 12 точкам рассчитать эллипс рассеяния наблюдений xi yi с вероятностью попадания внутрь эллипса P = 0,95. Построить точечный график наблюдений xi ,yi , нанести на него эллипс рассеяния. Отметить особенности данных, если они есть.

33

3.3. Порядок выполнения задания

Задание 1 1.1. Вычислить суммы

n

n

n

Cx = xj ; Cy = y j ; C2x = x2j ;

j=1

j=1

j=1

 

n

n

C2y = y2j ; Cxy = xj y j .

 

j=1

j=1

1.2.Рассчитать средние

x= Cnx ; y = Cnx .

1.3.Провести промежуточные расчеты

Dx =C2x - 1n Cx2 ; Dy =C2y - 1n Cy2 ;

V =Cxy - 1n CxCy .

1.4. Рассчитать парный коэффициент корреляции r =

 

V

.

 

 

xy

Dx Dy

 

 

1.5.Оценить значимость парного коэффициента корреляции, срав-

нив его с критическим (табличным) значением ra,n с уровнем значимости a = 0,05 и числом степеней свободы n = n -2 (табл. 5 приложения).

1.6.Построить диаграмму рассеяния исходных данных – нанести на график точки с координатами хi, уi (рис. 3.1).

Задание 2 2.1. Вычислить дисперсии и стандартные отклонения

sx2 = n1-1Dx ; s2y = n1-1Dy ; sx = sx2 ; sy = s2y .

2.2. Рассчитать по формуле (3.4) стандартные отклонения su и sv. 2.3.  Для вероятности попадания наблюдения внутрь эллипса P = 0,95 по табл. 3.1 приложения определить квантиль распределе-

34

ния Пирсона с двумя степенями свободы cP2 и рассчитать коэффициент размера эллипса k = cP2 . (Учесть, что в табл. 3 приложения в качестве аргумента приводится не величина Р, а величина a =1- P.)

В табл. 3.1 даны 12 значений параметра ji (j [0;2π]) с шагом π6 (ст. 1). В ст. 2 и 3 табл. 3.1 рассчитаны значения cos(ji ) и sin(ji). По формулам (3.5) рассчитать координаты u и v точек эллипса (пример – столбцы 4 и 5 табл. 3.1).

Рассчитать координаты х и у точек эллипса, используя формулы

(3.6) (пример – ст. 6 и 7 табл. 3.1).

Нанести точки эллипса в координатах х и у на диаграмму рассеяния и построить по точкам эмпирический эллипс рассеяния (пример – рис. 3.1). Описать взаимное расположение экспериментальных точек и эллипса рассеяния. Отметить особенности данных, если они есть (например, расположение точек несколькими обособленными группами, отдельные точки, далеко отстоящие от всех остальных, большое число точек вне 95%-ного эллипса рассеяния).

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.1

Параметр j

cos(j)

sin (j)

u эллипса

v эллипса

x эллипса

у эллипса

1

2

3

4

5

6

7

0

1

0

1,540

0

736,3

24,12

0,524

0,866

0,5

1,333

1,550

697,2

26,05

1,047

0,5

0,866

0,770

2,685

659,4

26,88

1,571

0

1

0

3,100

633,0

26,36

2,094

-0,5

0,866

-0,770

2,685

625,1

24,66

2,618

-0,866

0,5

-1,333

1,550

637,8

22,21

3,142

-1

0

-1,540

0

667,7

19,68

3,665

-0,866

-0,5

-1,333

-1,550

706,8

17,75

4,189

-0,5

-0,866

-0,770

-2,685

744,6

16,92

4,712

0

-1

0

-3,100

771,0

17,44

5,236

0,5

-0,866

0,770

-2,685

778,9

19,14

5,760

0,866

-0,5

1,333

-1,550

766,2

21,59

35

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. 12-е изд. – М.: Высшее образование, 2006. – 479 с.

2.Крамер Г. Математические методы статистики. 2-е изд. – М.: Мир, 1975. – 648 с., репринтное переиздание – М.: Издательство РХД, 2003.

3.Худсон Д. Статистика для физиков. Лекции по теории вероятностей и элементарной статистике. 2-е изд. – М.: Мир, 1970. – 296 с.

4.Мельниченко А.С. Статистический анализ в металлургии и материаловедении. – М.: Издательский Дом МИСиС, 2009. – 268 с.

5.Большев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статисти-

ки. 3-е изд. – М. Наука, 1983. – 416 с.

36

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица П1. Процентные точки t-распределения Стьюдента

В таблице приведены значения t, такие, что

 

 

 

2wt (x,n)dx = a, где wt (x,n) - плотность

 

 

t

 

 

t-распределения Стьюдента с n степенями сво-

 

боды (значения двустороннего t-критерия

-t

t

ta 2,n

 

с уровнем значимости a).

 

 

n

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2

0,1

0,05

0,02

0,01

0,002

0,001

1

3,078

6,314

12,706

31,821

63,657

318,309

636,619

2

1,886

2,920

4,303

6,965

9,925

22,327

31,599

3

1,638

2,353

3,182

4,541

5,841

10,215

12,924

4

1,533

2,132

2,776

3,747

4,604

7,173

8,610

5

1,476

2,015

2,571

3,365

4,032

5,893

6,869

6

1,440

1,943

2,447

3,143

3,707

5,208

5,959

7

1,415

1,895

2,365

2,998

3,499

4,785

5,408

8

1,397

1,860

2,306

2,896

3,355

4,501

5,041

9

1,383

1,833

2,262

2,821

3,250

4,297

4,781

10

1,372

1,812

2,228

2,764

3,169

4,144

4,587

11

1,363

1,796

2,201

2,718

3,106

4,025

4,437

12

1,356

1,782

2,179

2,681

3,055

3,930

4,318

13

1,350

1,771

2,160

2,650

3,012

3,852

4,221

14

1,345

1,761

2,145

2,624

2,977

3,787

4,140

15

1,341

1,753

2,131

2,602

2,947

3,733

4,073

16

1,337

1,746

2,120

2,583

2,921

3,686

4,015

17

1,333

1,740

2,110

2,567

2,898

3,646

3,965

18

1,330

1,734

2,101

2,552

2,878

3,610

3,922

19

1,328

1,729

2,093

2,539

2,861

3,579

3,883

20

1,325

1,725

2,086

2,528

2,845

3,552

3,850

21

1,323

1,721

2,080

2,518

2,831

3,527

3,819

22

1,321

1,717

2,074

2,508

2,819

3,505

3,792

23

1,319

1,714

2,069

2,500

2,807

3,485

3,768

24

1,318

1,711

2,064

2,492

2,797

3,467

3,745

25

1,316

1,708

2,060

2,485

2,787

3,450

3,725

26

1,315

1,706

2,056

2,479

2,779

3,435

3,707

27

1,314

1,703

2,052

2,473

2,771

3,421

3,690

37

n

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2

0,1

0,05

0,02

0,01

0,002

0,001

28

1,313

1,701

2,048

2,467

2,763

3,408

3,674

29

1,311

1,699

2,045

2,462

2,756

3,396

3,659

30

1,310

1,697

2,042

2,457

2,750

3,385

3,646

40

1,303

1,684

2,021

2,423

2,704

3,307

3,551

60

1,296

1,671

2.000

2,390

2,660

3,232

3,460

120

1,289

1,658

1,980

2,358

2,617

3,160

3,373

1,282

1,645

1,960

2,326

2,576

3,090

3,291

Таблица П2. Функция нормального распределения

 

 

 

 

 

 

 

x

1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В таблице приведены значения функции F(x) =

exp -t

 

dt .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

2π

 

 

2

 

 

0

1

2

3

4

5

6

 

7

 

8

 

 

9

–­ 2,9

0,002

0,002

0,002

0,002

0,002

0,002

0,002

 

0,001

0,001

 

0,001

–2,8

0,003

0,002

0,002

0,002

0,002

0,002

0,002

 

0,002

0,002

 

0,002

–2,7

0,003

0,003

0,003

0,003

0,003

0,003

0,003

 

0,003

0,003

 

0,003

–2,6

0,005

0,005

0,004

0,004

0,004

0,004

0,004

 

0,004

0,004

 

0,004

–2,5

0,006

0,006

0,006

0,006

0,006

0,005

0,005

 

0,005

0,005

 

0,005

–2,4

0,008

0,008

0,008

0,008

0,007

0,007

0,007

 

0,007

0,007

 

0,006

–2,3

0,011

0,010

0,010

0,010

0,010

0,009

0,009

 

0,009

0,009

 

0,008

–2,2

0,014

0,014

0,013

0,013

0,013

0,012

0,012

 

0,012

0,011

 

 

0,011

–2,1

0,018

0,017

0,017

0,017

0,016

0,016

0,015

 

0,015

0,015

 

0,014

–2

0,023

0,022

0,022

0,021

0,021

0,020

0,020

 

0,019

0,019

 

0,018

–1,9

0,029

0,028

0,027

0,027

0,026

0,026

0,025

 

0,024

0,024

 

0,023

–1,8

0,036

0,035

0,034

0,034

0,033

0,032

0,031

 

0,031

0,030

 

0,029

–1,7

0,045

0,044

0,043

0,042

0,041

0,040

0,039

 

0,038

0,038

 

0,037

–1,6

0,055

0,054

0,053

0,052

0,051

0,049

0,048

 

0,047

0,046

 

0,046

–1,5

0,067

0,066

0,064

0,063

0,062

0,061

0,059

 

0,058

0,057

 

0,056

–1,4

0,081

0,079

0,078

0,076

0,075

0,074

0,072

 

0,071

0,069

 

0,068

–1,3

0,097

0,095

0,093

0,092

0,090

0,089

0,087

 

0,085

0,084

 

0,082

–1,2

0,115

0,113

0,111

0,109

0,107

0,106

0,104

 

0,102

0,100

 

0,099

–1,1

0,136

0,133

0,131

0,129

0,127

0,125

0,123

 

0,121

0,119

 

 

0,117

–1

0,159

0,156

0,154

0,152

0,149

0,147

0,145

 

0,142

0,140

 

0,138

–0,9

0,184

0,181

0,179

0,176

0,174

0,171

0,169

 

0,166

0,164

 

0,161

–0,8

0,212

0,209

0,206

0,203

0,200

0,198

0,195

 

0,192

0,189

 

0,187

–0,7

0,242

0,239

0,236

0,233

0,230

0,227

0,224

 

0,221

0,218

 

0,215

38

 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

–0,6

0,274

0,271

0,268

0,264

0,261

0,258

0,255

0,251

0,248

0,245

–0,5

0,309

0,305

0,302

0,298

0,295

0,291

0,288

0,284

0,281

0,278

–0,4

0,345

0,341

0,337

0,334

0,330

0,326

0,323

0,319

0,316

0,312

–0,3

0,382

0,378

0,374

0,371

0,367

0,363

0,359

0,356

0,352

0,348

–0,2

0,421

0,417

0,413

0,409

0,405

0,401

0,397

0,394

0,390

0,386

–0,1

0,460

0,456

0,452

0,448

0,444

0,440

0,436

0,433

0,429

0,425

–0

0,500

0,496

0,492

0,488

0,484

0,480

0,476

0,472

0,468

0,464

0

0,500

0,504

0,508

0,512

0,516

0,520

0,524

0,528

0,532

0,536

0,1

0,540

0,544

0,548

0,552

0,556

0,560

0,564

0,567

0,571

0,575

0,2

0,579

0,583

0,587

0,591

0,595

0,599

0,603

0,606

0,610

0,614

0,3

0,618

0,622

0,626

0,629

0,633

0,637

0,641

0,644

0,648

0,652

0,4

0,655

0,659

0,663

0,666

0,670

0,674

0,677

0,681

0,684

0,688

0,5

0,691

0,695

0,698

0,702

0,705

0,709

0,712

0,716

0,719

0,722

0,6

0,726

0,729

0,732

0,736

0,739

0,742

0,745

0,749

0,752

0,755

0,7

0,758

0,761

0,764

0,767

0,770

0,773

0,776

0,779

0,782

0,785

0,8

0,788

0,791

0,794

0,797

0,800

0,802

0,805

0,808

0,811

0,813

0,9

0,816

0,819

0,821

0,824

0,826

0,829

0,831

0,834

0,836

0,839

1

0,841

0,844

0,846

0,848

0,851

0,853

0,855

0,858

0,860

0,862

1,1

0,864

0,867

0,869

0,871

0,873

0,875

0,877

0,879

0,881

0,883

1,2

0,885

0,887

0,889

0,891

0,893

0,894

0,896

0,898

0,900

0,901

1,3

0,903

0,905

0,907

0,908

0,910

0,911

0,913

0,915

0,916

0,918

1,4

0,919

0,921

0,922

0,924

0,925

0,926

0,928

0,929

0,931

0,932

1,5

0,933

0,934

0,936

0,937

0,938

0,939

0,941

0,942

0,943

0,944

1,6

0,945

0,946

0,947

0,948

0,949

0,951

0,952

0,953

0,954

0,954

1,7

0,955

0,956

0,957

0,958

0,959

0,960

0,961

0,962

0,962

0,963

1,8

0,964

0,965

0,966

0,966

0,967

0,968

0,969

0,969

0,970

0,971

1,9

0,971

0,972

0,973

0,973

0,974

0,974

0,975

0,976

0,976

0,977

2

0,977

0,978

0,978

0,979

0,979

0,980

0,980

0,981

0,981

0,982

2,1

0,982

0,983

0,983

0,983

0,984

0,984

0,985

0,985

0,985

0,986

2,2

0,986

0,986

0,987

0,987

0,987

0,988

0,988

0,988

0,989

0,989

2,3

0,989

0,990

0,990

0,990

0,990

0,991

0,991

0,991

0,991

0,992

2,4

0,992

0,992

0,992

0,992

0,993

0,993

0,993

0,993

0,993

0,994

2,5

0,994

0,994

0,994

0,994

0,994

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

2,6

0,995

0,995

0,996

0,996

0,996

0,996

0,996

0,996

0,996

0,996

2,7

0,997

0,997

0,997

0,997

0,997

0,997

0,997

0,997

0,997

0,997

2,8

0,997

0,998

0,998

0,998

0,998

0,998

0,998

0,998

0,998

0,998

2,9

0,998

0,998

0,998

0,998

0,998

0,998

0,998

0,999

0,999

0,999

Аргумент х функции F(х) с шагом 0,01 приведен в левом столбце (целая часть и первый десятичный знак) и верхней строке (второй десятичный знак) таблицы.

39

Таблица П3. Процентные точки c2 распределения

Пирсона

В таблице приведены значения c2 , такие,

что wc (x,n)dx = a , где wc (x,n) - плотность

c2

c2 -распределения Пирсона с n степенями свободы.

0

c2

 

 

 

 

 

a

 

 

 

n

0,99

0,975

0,95

0,90

 

0,10

0,05

0,025

0,01

1

0,00016

0,00098

0,00393

0,0158

 

2,706

3,841

5,024

6,635

2

0,0201

0,0506

0,103

0,211

 

4,605

5,991

7,378

9,210

3

0,115

0,216

0,352

0,584

 

6,251

7,815

9,348

11,345

4

0,297

0,484

0,711

1,064

 

7,779

9,488

11,143

13,277

5

0,554

0,831

1,145

1,610

 

9,236

11,071

12,833

15,086

6

0,872

1,237

1,635

2,204

 

10,645

12,592

14,449

16,812

7

1,239

1,690

2,167

2,833

 

12,017

14,067

16,013

18,475

8

1,647

2,180

2,733

3,490

 

13,362

15,507

17,535

20,090

9

2,088

2,700

3,325

4,168

 

14,684

16,919

19,023

21,666

10

2,558

3,247

3,940

4,865

 

15,987

18,307

20,483

23,209

11

3,053

3,816

4,575

5,578

 

17,275

19,675

21,920

24,725

12

3,571

4,404

5,226

6,304

 

18,549

21,026

23,337

26,217

13

4,107

5,009

5,892

7,042

 

19,812

22,362

24,736

27,688

14

4,660

5,629

6,571

7,790

 

21,064

23,685

26,119

29,141

15

5,229

6,262

7,261

8,547

 

22,307

24,996

27,488

30,578

16

5,812

6,908

7,962

9,312

 

23,542

26,296

28,845

32,000

17

6,408

7,564

8,672

10,085

 

24,769

27,587

30,191

33,409

18

7,015

8,231

9,390

10,865

 

25,989

28,869

31,526

34,805

19

7,633

8,907

10,117

11,651

 

27,204

30,144

32,852

36,191

20

8,260

9,591

10,851

12,443

 

28,412

31,410

34,170

37,566

21

8,897

10,283

11,591

13,240

 

29,615

32,671

35,479

38,932

22

9,542

10,982

12,338

14,041

 

30,813

33,924

36,781

40,289

23

10,196

11,689

13,091

14,848

 

32,007

35,172

38,076

41,638

24

10,856

12,401

13,848

15,659

 

33,196

36,415

39,364

42,980

25

11,524

13,120

14,611

16,473

 

34,382

37,652

40,646

44,314

26

12,198

13,844

15,379

17,292

 

35,563

38,885

41,923

45,642

27

12,879

14,573

16,151

18,114

 

36,741

40,113

43,195

46,963

28

13,565

15,308

16,928

18,939

 

37,916

41,337

44,461

48,278

29

14,256

16,047

17,708

19,768

 

39,087

42,557

45,722

49,588

30

14,953

16,791

18,493

20,599

 

40,256

43,773

46,979

50,892

40

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]