Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
104
Добавлен:
29.05.2015
Размер:
3.14 Mб
Скачать

распределения Фишера, по уровню значимости = 0.05 и числам степе-

ней свободы k1 = nX – 1 = 12 – 1 = 11 и k2 = nY – 1 = 18 – 1 = 17 находим (см. Приложение 6) критическую точку

Fkp( , k1, k2) = Fkp(0.05, 11, 17) = 2.41.

Так как Fнабл = 2.1<2.41= Fkp, то нет оснований отвергать H0 о равенстве дисперсий. Предположение о равенстве дисперсий не отвергается, по-

этому долее проверим гипотезу о равенстве математических ожиданий. Вычислим наблюдаемое значение критерия Стьюдента

Tнабл

 

 

 

 

x y

 

 

nX nY

( nX nY

2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

nX nY

 

( n

X

1)s2

( n

1)s2

 

 

 

 

X

Y

Y

 

 

 

Подставляя числовые значения входящих в эту формулу величин, полу-

чим Tнабл = 7.1.

По условию конкурирующая гипотеза имеет вид H1: mX mY, поэтому критическая область – двусторонняя. По таблице критических точек распределения Стьюдента, по уровню значимости = 0.05, помещенному в верхней строке таблицы, и числу степеней свободы k = nX + nY - 2 = 12 + 18 – 2 = 28 находим (см. Приложение 4) критическую точ-

ку tkp( , k) = tkp(0.05, 28) = 2.05.

Так как Tнабл = 7.1 >2.05= tkp, то нулевую гипотезу о равенстве математических ожиданий отвергаем. Другими словами, математические

ожидания различаются значимо.

В-четвертых, вернемся ко второму случаю и рассмотрим далее второй вариант, когда гипотеза о равенстве дисперсий отвергается. Пусть имеются две выборки объемов nX и nY, на основании которых подсчитаны выборочными значениями математических ожиданий x и

y и исправленные выборочные дисперсии sx2 и sy2 . Для того, чтобы

при заданном уровне значимости проверить гипотезу H0: mX = mY о равенстве математических ожиданий двух малых нормальных выборок с неизвестными дисперсиями DX и DY, надо предварительно проверить гипотезу о равенстве дисперсий (см. п. 2.5.1) по подсчитанным исправ-

ленным выборочным дисперсиям sx2 и sy2 . Пусть гипотеза о равенстве

дисперсий отвергается, то есть дисперсии хотя и неизвестны, но предполагаются разными. Тестирование такой гипотезы H0: mX = mY основано на распределении Стьюдента с числом степеней свободы k:

k

 

( sx2 nx sy2 ny )2

 

 

( sx2 nx )2

 

( sy2

ny )2

 

 

 

 

 

 

nx 1

ny

1

 

 

 

 

 

91

Далее вычисляют наблюдаемое значение критерия по формуле

Tнабл

 

 

 

x y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s2

n

X

s2

n

 

 

 

x

 

y

Y

Затем строят критическую область в зависимости от конкурирующей гипотезы следующим образом:

1) При конкурирующей гипотезе H1: mX mY по таблице критических точек распределения Стьюдента (см. Приложение 4), по заданному уровню значимости , помещенному в верхней строке таблицы, и числу степеней свободы k найти критическую точку tkp двусторонней критической области.

Если Tнабл < tkp , то нет оснований отвергать H0.

Если Tнабл > tkp , то нулевую гипотезу отвергают.

2) При конкурирующей гипотезе H1: mX > mY по таблице критических точек распределения Стьюдента (см. Приложение 4), по заданному уровню значимости , помещенному в нижней строке таблицы, и числу степеней свободы k найти критическую точку tkp односторонней критической области.

Если Tнабл < tkp, то нет оснований отвергать H0. Если Tнабл > tkp, то нулевую гипотезу отвергают.

3) При конкурирующей гипотезе H1: mX < mY по таблице критических точек распределения Стьюдента (см. Приложение 4), по заданному уровню значимости , помещенному в нижней строке таблицы, и числу степеней свободы k найти « вспомогательную критическую точку» tkp односторонней критической области.

Если Tнабл > - tkp, то нет оснований отвергать H0. Если Tнабл < - tkp, то нулевую гипотезу отвергают.

Пример 9.4. По двум малым независимым выборкам объемов nX = 5 и nY = 5 нормальных распределений найдены выборочные значениями математических ожиданий x = 13.32 и y = 13.80 и исправленные выбо-

рочные дисперсии sx2 = 3.37 и sy2 = 0.46. При уровне значимости =

0.05 проверить нулевую гипотезу H0: mX = mY при конкурирующей ги-

потезе H1: mX mY.

Решение: Исправленные выборочные дисперсии различны, поэтому проверим предварительно гипотезу о равенстве дисперсий, используя критерий Фишера.

Найдем отношение большей исправленной дисперсии к меньшей

92

s2

Fнабл Б = 3.37/0.46 7.33

sM2

Дисперсия sx2 значительно больше дисперсии sy2 , поэтому в качестве

конкурирующей гипотезы примем гипотезу H1: DX > DY. В этом случае критическая область – правосторонняя. По таблице критических точек распределения Фишера, по уровню значимости = 0.05 и числам степеней свободы k1 = nX – 1 = 5 – 1 = 4 и k2 = nY - 1 = 5 – 1 = 4 находим (см. Приложение 6) критическую точку Fkp( , k1, k2) = Fkp(0.05, 4, 4) = 6.39.

Так как Fнабл = 7.33 >6.39= Fkp, то гипотеза о равенстве дисперсий отклоняется.

Вычислим наблюдаемое значение критерия Стьюдента

Tнабл

 

 

 

x y

 

 

–0.55.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s2

n

 

s2

 

 

 

 

X

n

 

 

 

x

 

y

Y

Число степеней свободы

k

 

( sx2 nx sy2 ny )2

 

 

 

( 3.37 5 0.46 5 )2

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

5.

 

( sx2 nx )2

 

( sy2

ny )2

 

 

( 3.37 5 )2

 

( 0.46 5 )2

 

 

 

 

 

5 1

 

5 1

 

 

 

nx 1

ny

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По условию конкурирующая гипотеза имеет вид H1: mX mY, поэтому критическая область – двусторонняя. По таблице критических точек распределения Стьюдента, по уровню значимости = 0.05, помещенному в верхней строке таблицы, и числу степеней свободы k = nX + nY – 2 = 5 + 5 – 2 = 8 находим (см. Приложение 4) критическую точку

tkp( , k) = tkp(0.05, 8) = 2.31.

Так как Tнабл = 0.55 < 2.31= tkp, то нет оснований отвергать нулевую гипотезу о равенстве математических ожиданий. Другими словами, ма-

тематические ожидания различаются незначимо.

Задача №10. По критерию Пирсона при уровне значимости проверить гипотезу о распределении случайной величины Х по заданному закону, если задано nk попаданий выборочных значений случайной величины Х в подинтервал k = (ak , bk ):

k

a1 b1

a2 b2

. . .

ar br

nk

n1

n 2

. . .

nr

 

 

 

 

 

 

Для выполнения данного типа задачи необходимо изучить соответствующий материал в объеме п. 2.5 в [3] или гл. 19 в [1] и гл. 13 в [2]:

93

Пусть дана выборка наблюдений случайной величины Х:{x1, x2, , xn}. Проверяется гипотеза H0 , утверждающая, что Х имеет функцию распределения F(x) или плотность распределения f(x). По выборке наблюдений находят оценки неизвестных параметров (если таковые есть) предполагаемого закона распределения случайной величины Х. Далее, интервал возможных значений случайной величины Х разбивается на r непересекающихся подинтервалов k = (ak , bk ) , k =1,2,…,r < n. Пусть nk – число элементов выборки, принадлежащих подинтервалу k. Оче-

r

видно, что nk n . Используя предполагаемый закон распределения

k 1

случайной величины Х, находят вероятности pk того, что значение Х принадлежит подинтервалу k:

 

 

 

 

r

 

pk

P( X k ) f ( x )dx F( bk ) F( ak ) , pk

1 .

 

k

 

k 1

 

Далее вычисляют статистическое значение критерия по формуле

 

r

2

 

 

 

Z

( nk

npk )

.

 

 

 

 

 

 

k 1

npk

 

По теореме Пирсона величина Z должна быть распределена по за-

кону 2

с r – l – 1 степенями свободы, где l число неизвестных пара-

метров распределения, оцениваемых по выборке. При заданном уровне значимости гипотеза о распределении Х по закону F(x) отвергается, если Z > zkp и не отвергается, если Z < zkp , где zkp определяется по таб-

лице критических точек распределения 2 с r – l – 1 степенями свобо-

ды так, чтобы P( 2 z

kp

)

(см. Приложение 5).

 

 

 

Пример 10.1. По критерию Пирсона при уровне значимости = 0.05 проверить гипотезу о распределении случайной величины Х по нормальному закону (l = 2), если задано nk попаданий выборочных значений случайной величины Х в подинтервал k = (ak , bk ):

k

12 14

14 16

16 18

18 20

20 22

22 24

nk

5

10

25

35

15

10

r

Решение: Определим объем выборки nk n = 100. Найдем по вы-

k 1

борке оценки математического ожидания и дисперсии (таким образом l = 2) предполагаемого нормального распределения случайной величины Х, принимая за xk середины подинтервалов:

94

xk

13

 

 

15

 

17

 

19

 

21

23

nk

5

 

 

10

 

25

 

35

 

15

10

 

 

 

 

 

1

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

xk nk

=18.5;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100 k 1

 

 

 

 

 

 

1

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s2

( xk x )2 nk

6.41414;

s 2.5326 .

 

 

 

 

 

 

99 k 1

 

 

 

 

 

 

 

 

Подсчитаем вероятности pk для предполагаемого нормального распределения случайной величины Х по формуле

pk P( X k

) Ф(

bk x

) Ф(

ak

x

) , k =1,2,3,4,5,6 ,

 

 

 

 

 

s

s

где ak и bk соответственно нижняя и верхняя границы k , причем крайние границы расширены до бесконечности (a1 = - , b6 = ), а значения функции Лапласа Ф(х) вычисляются по таблице значений функции Лапласа (см. Приложение 3). Добавим также строку плотностей частоты

fk , деля nk на объем выборки и на длину подинтервала: fk nk . Та-

2n

ким образом, расширенную таблицу выборочного распределения можно представить в виде:

k

- 14

14 16

16 18

18 20

20 22

22

nk

5

10

25

35

15

10

pk

0.038

0.124

0.260

0.301

0.193

0.084

fk

0.025

0.05

0.125

0.175

0.075

0.05

Zk

0.394

0.464

0.038

0.783

0.972

0.326

Далее вычисляем статистическое значение критерия по формуле

6

6

( nk

2

 

Z Zk

 

npk )

2.977 .

 

npk

k 1

k 1

 

Промежуточные значения Zk

добавлены пятой строкой в расши-

ренную таблицу выборочного распределения.

Затем, при уровне значимости = 0.05, определяем zkp по таблице критических точек распределения 2 с r – l – 1 = 6 – 2 – 1 = 3 степеня-

ми свободы (см. Приложение 5): zkp( , r – l – 1) = zkp(0.05, 3) = 7.8. Наконец, так как Z = 2.977< 7.8=zkp, то делаем вывод о том, что гипотеза о распределении случайной величины Х по нормальному закону не отвер-

95

гается. В рамках графического контроля изобразим на фоне точек массива {xk , fk } график кривой плотности нормального распределения

 

 

1

 

 

( x а )2

 

1

x а

 

 

 

 

 

2 2

 

f ( x )

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

беря в качестве математического ожидания a и стандартного отклонения σ их подсчитанные точечные оценки: x 18.5; s 2.5326 и используя

x а

 

таблицу (см. Приложение 2) значений функции

 

 

(рис.10.1).

 

 

 

 

Рис. 10.1.

Взаимное расположение точек массива {xk , fk } и графика кривой

плотности нормального распределения подтверждают статистический вывод о том, что данные наблюдений согласуются с гипотезой о их распределении по нормального закону.

Пример 10.2. По критерию Пирсона при уровне значимости = 0.05 проверить гипотезу о распределении случайной величины Х по закону

3x2 , x [0,1]

f ( x ) (l = 0), если задано nk попаданий выборочных

0 , x [0,1]

значений случайной величины Х в подинтервал k = (ak , bk ):

k

0 0.25

0.25 0.5

0.5 0.75

0.75 1

nk

1

2

5

12

96

x

Решение: По формуле (1.10.12): F(х ) = f ( t )dt получаем выражение

функции распределения:

 

 

 

 

0,

x 0

 

 

 

x 0,1

 

F(х) = x3 ,

.

 

1,

x 1

 

 

 

Подсчитаем вероятности pk для предполагаемого нормального распределения случайной величины Х по формуле

pk P( X k ) F bk F ak , k =1,2,3,4,

где ak и bkсоответственно нижняя и верхняя границы подинтервалов k. Добавим также строку плотностей частоты fk , деля nk на объем

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

выборки nk

n = 20 и на длину подинтервала

k =0.25:

k 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fk

nk

 

 

nk

 

nk

.

 

 

n k

 

 

 

 

 

 

20

0.25 5

 

Таким образом, расширенную таблицу выборочного распределения можно представить в виде:

k

0 0.25

0.25 0.5

0.5 0.75

0.75 1

nk

1

2

5

12

pk

0.0156

0.1094

0.2969

0.5781

fk

0.2

0.4

1

2.4

Zk

1.5125

0.0161

0.1480

0.01655

Далее вычисляем статистическое значение критерия по формуле

6

6

( nk

2

 

Z Zk

 

npk )

1.693 .

 

npk

k 1

k 1

 

Промежуточные значения Zk добавлены пятой строкой в расширенную таблицу выборочного распределения.

Затем, при уровне значимости = 0.05, учитывая, что число неизвестных параметров заданного распределения l = 0, определяем zkp по

таблице критических точек распределения 2 с r – l – 1 = 4 – 0 – 1 = 3

степенями свободы (см. Приложение 5): zkp( , r – l – 1) = zkp(0.05, 3) = 7.8. Наконец, так как Z = 1.693 < 7.8 = zkp, то делаем вывод о том, что

97

гипотеза о распределении случайной величины Х по заданному закону не отвергается. В рамках графического контроля изобразим на фоне то-

чек массива {xk , fk } график кривой плотности заданного распределе-

ния (рис.10.2).

Рис. 10.2.

Взаимное расположение точек массива {xk , fk } и графика кривой

плотности заданного распределения подтверждают статистический вывод о том, что данные наблюдений согласуются с гипотезой о их распределении по заданному закону.

98

Приложение 1

Таблица

важнейших дискретных и непрерывных распределений случайной величины Х

Распределение

 

 

 

 

Параметры

(Х)

 

 

 

D(Х)

Биноми-

 

P{Х=m} =

n=1, 2, ...

 

 

np

 

 

 

npq

алное

Cm

рm(1-p)n-m

0 p 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m = 0, 1, ... , n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пуассона

P{Х = m} =

 

 

 

a 0

 

 

 

a

 

 

 

 

a

 

 

ame a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m = 0, 1, 2, ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Геомет-

P{Х=m}=р(1-p)m

0 p 1

 

1 p

 

 

1 p

рическое

m = 0, 1, ...

 

 

 

 

p

 

 

 

 

p

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гипер-

 

 

 

 

 

 

 

 

m n m

N = 2, 3, …

 

 

nM

 

nM( N M )( N n )

P{ X m }

CM CN M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

( N 1)N 2

геомет-

 

 

 

M=1,2,…<N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CNn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рическое

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1,2,…<N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m = 0,1,…,min(M,n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Равно-

 

 

1

 

 

 

 

 

x ( a,b )

(a, b)-

 

a b

 

( b a )2

мерное

 

 

 

 

,

 

 

любой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ( x ) b a

 

 

 

 

2

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

0,

 

 

 

 

 

x ( a,b )

интервал на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оси Ох

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Показа-

 

 

 

0,

 

 

 

x 0

0

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

f ( x )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тельное

 

 

 

 

 

 

x 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

e x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нормаль-

 

 

1

 

 

 

 

e

( x a )2

 

- а

 

 

 

а

 

 

 

2

ное

f(x) =

 

 

 

 

2 2

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Гаусса)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

99

Приложение 2

Таблица значений функции

( x )

1

e x

2

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

x

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,0

0,398

3989

3989

3988

3986

3984

3982

3980

3977

3973

0,1

3970

3965

3961

3956

3951

3945

3939

3932

3925

3918

0,2

3910

3902

3894

3885

3876

3867

3857

3847

3836

3825

0,3

3814

3802

3790

3778

3765

3752

3739

3726

3712

3697

0,4

3683

3668

3652

3637

3621

3605

3589

3572

3555

3538

0,5

3521

3503

3485

3467

3448

3429

3410

3391

3372

3352

0,6

3332

3312

3292

3271

3251

3230

3209

3187

3166

3144

0,7

3123

3101

3079

3056

3034

3011

2989

2966

2943

2920

0,8

2897

2874

2850

2827

2803

2780

2756

2732

2709

2685

0,9

2661

2637

2613

2589

2565

2541

2516

2492

2468

2444

1,0

0,242

2396

2371

2347

2323

2299

2275

2251

2227

2203

1,1

2179

2155

2131

2107

2083

2059

2036

2012

1989

1965

1,2

1942

1919

1895

1872

1849

1826

1804

1781

1758

1736

1,3

1714

1691

1669

1647

1626

1604

1582

1561

1539

1518

1,4

1497

1476

1456

1435

1415

1394

1374

1354

1334

1315

1,5

1295

1276

1257

1238

1219

1200

1182

1163

1145

1127

1,6

1109

1092

1074

1057

1040

1023

1006

0989

0973

0957

1,7

0940

0925

0909

0893

0878

0863

0848

0833

0818

0804

1,8

0790

0775

0761

0748

0734

0721

0707

0694

0681

0669

1,9

0656

0644

0632

0620

0608

0596

0584

0573

0562

0551

2,0

0,054

0529

0519

0508

0498

0488

0478

0468

0459

0449

2,1

0440

0431

0422

0413

0404

0396

0387

0379

0371

0363

2.2

0355

0347

0339

0332

0325

0317

0310

0303

0297

0290

2,3

0283

0277

0270

0264

0258

0252

0246

0241

0235

0229

2,4

0224

0219

0213

0208

0203

0198

0194

0189

0184

0180

2,5

0175

0171

0167

0163

0158

0154

0151

0147

0143

0139

2,6

0136

0132

0129

0126

0122

0119

0116

0113

0110

0107

2,7

0104

0101

0099

0096

0093

0091

0088

0086

0084

0081

2,8

0079

0077

0075

0073

0071

0069

0067

0065

0063

0061

2,9

0060

0058

0056

0055

0053

0051

0050

0048

0047

0046

3,0

0,004

0043

0042

0040

0039

0038

0037

0036

0035

0034

3,1

0033

0032

0031

0030

0029

0028

0027

0026

0025

0025

3,2

0024

0023

0022

0022

0021

0020

0020

0019

0018

0018

3,3

0017

0017

0016

0016

0015

0015

0014

0014

0013

0013

3,4

0012

0012

0012

0011

0011

0010

0010

0010

0009

0009

3,5

0009

0008

0008

0008

0008

0007

0007

0007

0007

0006

100

Соседние файлы в папке 2014_09_04_08_30_18_main