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

Обработка эксперим данных Роганов

.pdf
Скачиваний:
29
Добавлен:
22.05.2015
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

Построение доверительного интервала для математического

ожидания

а при известной дисперсии σ2

нормально распределенной

генеральной совокупности.

 

 

 

Пусть выборка

X1, X2 , ..., Xn

состоит из независимых

нормально

распределенных

с параметрами

а и σ случайных величин,

причем σ известно, а величину а оцениваем по выборке:

a ≈ X = 1 ∑n Xk . n k =1

Оценим точность этого приближенного равенства, т.е. укажем границы (доверительные пределы), в которых практически достоверно лежит

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

неизвестное

число

а. Сумма

 

ζn = ∑ξk

независимых

 

нормально

 

 

 

 

 

k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

распределенных с параметрами

а

и

σ

случайных

величин ξ1, ..., ξn

распределена

также

нормально

с

математическим

ожиданием

а и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

n

среднеквадратичным

отклонением

σ

n ,

а

величина

 

 

=

∑Xk

X

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

распределена нормально с математическим ожиданием а и

среднеквадратичным отклонением σ / n . Поэтому

 

 

P(

 

 

 

 

<ε)=

1

ε

n /σ

 

ε

n

 

 

 

 

 

 

 

 

∫e

−x2 / 2

 

 

 

X −α

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

2π −ε

 

dx = 2Φ

σ

 

где Φ(x)=

1

x

 

 

n /σ

 

 

 

e−t2 / 2dt

– стандартная нормальная функция распределения.

 

2π

−∞∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зададим

коэффициент доверия

 

 

таким,

чтобы событие с

вероятностью можно было считать практически достоверным, и пусть t

– корень уравнения 2Φ(t )−1 = , который можно найти

по таблицам

 

x

 

нормальной функции распределения или функции Лапласа

21π ∫0

e−t2 / 2dt .

101

Например, при = 0,999 имеем t = 3,29 . Определим из условия

ε n / σ = t число ε : ε = t σ / n . Для данного ε

P(X −α < t σ / n )= 2Φ(t )−1 =

Таким образом, практически достоверно ( точнее, с вероятностью ),

что X −a < t σ / n , где 2Φ(t )−1 = . Последнее неравенство запишем в

виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X −t

σ

< a < X +t

σ

.

 

(10)

 

 

n

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Получена так называемая классическая оценка.

 

 

 

Таким

образом, интервал

со

случайными

концами X −t

σ

и

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

X +t σ

с вероятностью

покрывает неизвестное значение a = MXk .

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Этот интервал является доверительным интервалом для

а,

соответствующим

коэффициенту доверия . Доверительные пределы в

этом случае таковы:

X −t σ

и

X +t σ .

 

 

 

 

 

 

n

 

n

 

 

 

 

Оценка (10) предполагает известным среднее квадратичное отклонение σ , которое на практике чаще всего бывает неизвестно. Если величину σ в неравенстве (10) заменить ее приближенным значением

σ ≈

1

∑n [X k −

 

]2

X

 

 

n −1 k=1

то коэффициент доверия оценки (10) уменьшится. Поэтому если величина σ неизвестна, используют другой способ построения доверительного интервала для математического ожидания.

Построение доверительного интервала для математического ожидания а при неизвестной дисперсии σ2 нормально распределенной

102

генеральной совокупности. Для построения доверительного интервала воспользуемся следующей леммой.

Лемма.

В выборке

 

X1, X2 , ..., Xn

 

из

нормально

 

распределенной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

n

 

 

 

 

 

генеральной совокупности выборочное среднее

 

 

=

∑Xk и выборочная

X

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дисперсия

S 2

= 1 ∑n [X k −

 

]2

взаимно независимы. Величина

 

 

 

распределена

X

Х

 

 

n k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нормально

с

параметрами

а

и σ /

n ,

а

величина

nS2 / σ2

имеет

распределение χn2−1 с (n −1) степенями свободы.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим

две величины

Z =

n(X −α)/σ

и V = nS2 / σ2 , которые

согласно

лемме

независимы,

причем

Z

распределена

нормально с

параметрами 0 и 1, а V

распределена по закону

χn2−1 с

(n −1) степенями

свободы.

В

этом

случае

величина

ζ = (Z /

V )

n −1 = X −α

n −1

имеет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

распределение Стьюдента с (n −1) степенями свободы. Зададим коэффициент доверия и предположим, что t – корень уравнения

∫t Sn−1 (x)dx = ,

−t

где Sn−1 (x) – плотность распределения вероятностей закона Стьюдента с (n −1) степенями свободы. Для значения t , которое находится из таблиц,

имеем

P(ζ < t )= t∫Sn−1 (x)dx =

−t

Таким образом, с коэффициентом доверия выполняется неравенство

 

ζ

 

< t или

X −a

n −1 < t . Преобразуя последнее неравенство, получаем

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

103

 

 

X −t

 

S

< a < X +t

S .

 

 

 

 

 

 

n −1

 

n −1

 

 

 

Итак,

случайный интервал

с

концами в

точках

X −t

S

и

n −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X +t

S

с вероятностью

 

содержит

внутри

себя неизвестное

n −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

значение а. Таким образом, построен доверительный интервал для величины а, соответствующий коэффициенту доверия .

Построение доверительного интервала для математического ожидания а в случае ненормально распределенной генеральной совокупности. Каков бы ни был закон распределения независимых одинаково распределенных случайных величин ξ1, ξ2 , ..., ξn , имеющих

n

конечную дисперсию, их сумма ζn = ∑ξk распределена приближенно

k =1

нормально при достаточно больших (согласно центральной предельной теореме). Оценка (10) имеет место с вероятностью, близкой к при достаточно больших n , и в случае, когда закон распределения генеральной совокупности не является нормальным, т.е.

 

σ

<α < X +t

σ

≈

(11)

P X −t

n

 

 

 

n

 

 

Здесь предполагается известным значение σ . Если же σ неизвестно, то можно использовать оценку величины σ по выборке

σ ≈

1

∑n [X k −

 

]2 =σ *

X

 

 

n −1 k=1

и заменить в равенстве (11) неизвестную величину σ величиной σ* . При больших значениях такая замена мало влияет на коэффициент доверия, и мы имеем

 

σ*

 

σ*

 

 

 

<α < X +t

 

≈

P X −t

n

 

 

 

n

 

104

 

 

σ*

σ*

 

 

 

 

<α < X +t

 

доверительным

т.е. интервал X −t

является

 

 

n

n

 

 

интервалом для а с коэффициентом доверия, близким к .

 

 

Построение

доверительного

интервала

для

среднего

квадратического отклонения σ и дисперсии

распределенной генеральной совокупности. Пусть выборка из нормальной генеральной совокупности. величина

2

 

n

nS2 =

1

∑(X i −

 

)2

X

2

σ

σ

i=1

σ2 нормально

X1, X2 , ..., Xn -

Согласно лемме

распределена по закону χ2n−1 с (n −1) степенями свободы. Зададим

коэффициент доверия и определим числа χ12 и χ22 из условия

χ22

∫kn−1(x)dx = ,

χ12

где kn−1(x) — плотность распределения вероятности закона χ2−1 с (n −1)

n

степенями свободы. Очевидно, числа χ12 и χ22 удовлетворяющие данному условию, можно выбрать бесчисленным множеством способов. Потребуем дополнительно, чтобы

χ2

 

1−

∫1 kn−1 (x)dx =

0

 

2

 

тогда

 

 

 

∞∫kn−1

(x)dx =

1−

2

 

χ2

 

 

2

 

 

 

и числа χ12 и χ22 однозначно

(их значения находятся из таблиц

распределения χ2n−1 с (n −1) степенями). Для величины nS2 / σ2 имеем

105

 

2

 

nS 2

2

χ22

 

 

 

 

χ1

<

 

2

 

= ∫kn−1(x)dx =

 

 

P

σ

< χ2

 

 

 

 

 

 

 

χ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

Итак, с вероятностью выполнены неравенства

χ12 < nS2 / σ2 < χ22 ,

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или

 

nS2 / χ22 <σ2 < nS2 / χ12 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nS / χ2 <σ < nS / χ1.

[

 

nS / χ1 ]

Таким образом, интервалы [nS 2 / χ22 , nS 2 / χ12 ] и

nS / χ2 ,

являются доверительными

интервалами

для дисперсии

σ2 и

среднего

квадратичного отклонения σ , соответствующими коэффициенту доверия в случае нормально распределенной генеральной совокупности.

§5. Обработка результатов измерений Оценка истинного значения измеряемой величины и

среднеквадратичной ошибки измерения.

Как правило, для получения истинного значения а измеряемой величины (а также для оценки средней квадратичной ошибки σ измерения) производят некоторое число n независимых измерений этой величины. Обозначим результаты измерений через X1, X2 , ..., Xn. Известно, что результат измерения есть случайная величина, распределенная нормально. Предположим, что MXi = a – условие отсутствия систематической ошибки,

и положим DXi = σ2 . Таким образом, величины X1, X2 , ..., Xn оказываются независимыми нормально распределенными с параметрами а и σ случайными величинами. Эти параметры подлежат определению по результатам измерений, т.е. по выборке. Истинное значение а измеряемой

величины и среднюю квадратичную ошибку σ

измерения находят по

формулам:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

n

(X i −

 

)2

α ≈

 

=

1 ∑X i , σ ≈

1

∑

 

X

X

 

 

 

 

n i=1

n −1 i=1

 

 

 

106

Y =ϕ(X )

Для оценки точности данных приближенных равенств можно построить доверительные интервалы.

Сглаживание экспериментальных зависимостей. Пусть величины Х и Y связаны функциональной зависимостью вида Y =ϕ(X ), причем функция

ϕ нам не известна и ее требуется определить по результатам наблюдений.

Предположим, что имеется возможность на опыте измерять значения величины Y в различных точках xi . Обозначая результат i -го измерения через yi , имеем

yi =ϕ(xi )+δi ,

где δi – случайная измерения. Таким образом, величина yi как всякий результат измерения является случайной величиной. Если нанести на график точки (xi ; yi ) и соединить их кривой, вид этой кривой отличается от кривой из-за наличия случайных погрешностей при определении ее ординат. Возникает вопрос: как обработать опытные данные, чтобы

наилучшим образом определить зависимость Y от X ?

Это так называемая задача о сглаживании экспериментальных зависимостей. Рассмотрим частный, но наиболее важный для приложений случай, когда заранее известно, что функция ϕ(X ) принадлежит к

некоторому классу функций, зависящему от одного или нескольких параметров, т.е. ϕ(X )= ϕ(X ,α1,α2 , ...,αk ). В этом случае задача отыскания

наилучшей функции

ϕ(X )

сводится к задаче наилучшего определения

параметров α1 , α2 ,

..., αk

по опытным данным. Словам “наилучшим

образом” необходимо придать точный смысл, что можно сделать по-разному. В соответствии с этим возможны разные способы решения задачи о сглаживании. Слова “наилучшим образом” будем понимать в дальнейшем в смысле метода наименьших квадратов, так как такое понимание является общепринятым и на практике приводит обычно к несложным вычислениям. Будем говорить, что неизвестные параметры α1 , α2 , ..., αk функции

107

ϕ(X ,α1,α2 , ...,αk ), задающей зависимость Y = ϕ(X ,α1,α2 , ...,αk ),

определены наилучшим образом в смысле метода наименьших квадратов,

если сумма квадратов отклонений экспериментальных точек yi от ординат сглаживающей кривой ϕ(xi ,α1,α2 , ...,αk ) минимальна, т.е. минимальна величина

n

δ 2 = ∑[yi −ϕ(xi ,α1,α2 ,...,αk )]2

i=1

Для нахождения точки минимума величины δ2 в обычных аналитических условиях нужно приравнять нулю ее частные производные по

α1 , α2 , ..., αk :

∑[yi −ϕ(xi ,α1,α2 ,...,αk )]= ∂ϕ(xi ,α1,α2 ,...,αk )

= 0, 1 ≤ j ≥ k .

n

 

 

 

 

i=1

∂αj

 

 

Таким образом, имеем систему k

уравнений с k

неизвестными, из

которой определяем искомые значения α1 , α2 , ..., αk . Заметим, что система

содержит случайные величины y1, y2 , ..., yn ,

поэтому и

ее решение

α*1 , α*2 , ..., α*k

также случайно. Величины α*1 , α*2 , ..., α*k являются оценками

неизвестных

параметров α1 , α2 , ..., αk по

результатам

наблюдений.

Рассмотренная задача отличается от задачи оценки неизвестных параметров распределения, изученной выше, так как величины y1, y2 , ..., yn хотя и предполагаются независимыми, но имеют, вообще говоря, различные распределения.

Рассмотрим оценку по методу наименьших квадратов параметров

линейной

функции

Y = kX +b. Пусть

из опыта

известна совокупность

 

 

 

 

n

значений

(xi ; yi ).

Рассмотрим

величину

δ 2 = ∑(yi −kxi −b)2 .

 

 

 

 

i=1

Продифференцировав, получим систему:

 

 

 

 

n

n

 

 

 

∑(yi −kxi −b) xi = 0, ∑(yi −kxi −b)= 0

 

 

i=1

i=1

 

108

Из второго уравнения находим

 

1

n

1

n

b = y − kx , где y =

∑yi , x =

∑xi .

n

n

 

i=1

i=1

 

 

 

Подставив найденное значение в первое уравнение и преобразовав его, придем к равенству

 

 

 

 

n

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

∑yi xi −k∑xi2 −nx(y −kx)= 0

 

 

 

 

i=1

 

 

 

i=1

 

 

 

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

∑yi xi −nxy

 

 

∑(yi − y)(xi − x)

 

 

 

k =

i=1

 

=

i=1

 

 

, k = m*x, y / Sx2 ,

 

 

 

n

 

 

n

 

 

 

 

 

∑xi2 −nx 2

 

 

 

∑(xi − x)2

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

i=1

 

 

*

1

n

2

 

1

 

n

 

2

 

где mx, y = n

∑i=1

(yi − y)(xi − x), Sx

= n

∑i=1 (xi

− x) .

Таким образом, задача решена, и линейная функция

m*

Y = Sx2, y x

m*

X + y − Sx2, y x x

наилучшим образом среди всех линейных функций выражает зависимость Y от X.

§6. Проверка статистических гипотез

Постановка задачи

Часто функция распределения случайной величины бывает заранее не известна, и возникает необходимость ее определения по эмпирическим данным. Во многих случаях из некоторых дополнительных соображений могут быть сделаны предположения о виде функции распределения FX (x).

Любое такое предположение называется (статистической) гипотезой и

математически выражается соотношением {FX H }, где H – множество функций распределения, FX – функция распределения наблюдаемой

109

F (x)
F = F (x)

случайной величины. Гипотезу обычно обозначают тем же символом, что и множество функций распределения: H = {FX H }.

Рассмотрим примеры статистических гипотез.

1. {FX F}, где – фиксированная функция распределения. В этом случае Н – множество, состоящее из единственного

 

элемента F.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение.

Статистическая гипотеза {FX F} называется простой

гипотезой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x −a

 

 

F = F (x)

 

2.

F

 

(x) F

 

 

, −∞ <α < ∞, σ

> 0

, где

– фиксированная

 

X

 

σ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функция распределения. Данная гипотеза состоит в том, что распределение наблюдаемой случайной величины принадлежит некоторому фиксированному типу. Так например, если – стандартная нормальная функция распределения, то данная гипотеза состоит в нормальности наблюдаемой случайной величины.

 

 

 

 

x

 

 

 

F = F (x) – фиксированная

 

 

 

 

3.

FX (x) F

 

, T ≥T0

 

 

, где

 

 

 

 

T

 

 

 

 

функция распределения.

Определение. Гипотеза, не являющаяся простой, называется сложной. По эмпирическим данным нужно проверить статистическую гипотезу Н. Для определенности назовем Н основной гипотезой. С гипотезой Н

конкурирует альтернативная гипотеза K = {FX K}. Здесь K – множество функций распределения, не пересекающееся с множеством Н. Если K – множество всех F, не входящих в Н, то это множество обычно вообще не упоминается.

Все гипотезы проверяют по эмпирическим данным, т.е.

по выборке.

Таким образом, необходимы критерии,

которые позволяли

бы судить,

согласуются ли наблюдаемые значения

X1, X2 , ..., Xn

величины

Х с

гипотезой относительно ее функции распределения.

Разработка

таких

110