10967

Интервалное оценивание

Лекция

Математика и математический анализ

Интервалное оценивание Ранее мы обсудили использование выборочных значений в качестве оценок параметров случайных величин. Однако такие процедуры дают только точечные оценки интересующих нас параметров и не позволяют судить о степени близости выборочных значений к о...

Русский

2013-04-03

150.45 KB

5 чел.

Интервалное оценивание

Ранее мы обсудили использование выборочных значений в качестве оценок параметров случайных величин. Однако такие процедуры дают только точечные оценки интересующих нас параметров и не позволяют судить о степени близости выборочных значений к оцениваемому параметру. Более предпочтительная процедура – построения интервала, который накрывает оцениваемый параметр с известной степенью достоверности. Такой подход называется "интервальным оцениванием". Сразу отметим следующее: чем больше уверенность в том, что оцениваемый параметр лежит в интервале, тем шире интервал. Так что искать интервал, накрывающий параметр с вероятностью равной единице, бессмысленно. Это вся область т.е. .

Пусть для параметра получена несмещённая оценка . Мы хотим оценить возможную при этом ошибку. Назначим некоторую достаточно большую вероятность (например: ), такую, что событие с вероятностью можно считать практически достоверным и найдем такое значение , для которого выполняется соотношение

(4.1)

Тогда диапазон практически возможных значений ошибки, возникающий при замене на , будет равен . Ошибки большие по абсолютной величине будут появляться с малой вероятностью . Запишем (4.1) в другом виде:

(4.2)

Т.е. с вероятностью неизвестное значение параметра попадает в интервал

(4.3)

Ранее (в теории вероятностей) мы рассматривали вероятность попадания случайной величины  на некоторый интервал. У нас же не случайная величина, а интервал – случаен, т.е. здесь корректно говорить о вероятности накрыть точку .

Вероятность принято называть доверительной вероятностью, а интервал  доверительным интервалом.

Перейдем к вопросу о нахождении доверительных границ и параметра , имеющего несмещенную оценку . Если бы нам был известен закон распределения величины , то из выражения (4.1) нахождение при заданной не представляло бы затруднений. Однако, как правило, мы не знаем закон распределения случайной величины .

Пусть теперь распределение случайной величины   отлично от нормального. Применяя центральную предельную теорему,  получаем следующий результат.

С увеличением объема выборки выборочное распределение выборочного среднего стремится к нормальному распределению независимо от вида распределения исходной случайной величины.

Практически во многих случаях выборочное можно считать нормальным уже при , а при приближение будет очень хорошим.

В качестве примера рассмотрим задачу о доверительном интервале математического ожидания: Пусть произведено независимых опытов над случайной величины с неизвестными . Для этих параметров выберем оценки:

(4.4)

Необходимо построить доверительный интервал , соответствующий доверительной вероятности :

(4 .5)

Интервальная оценка математического ожидания
при известной дисперсии

Пусть СВ имеет гауссово распределение с параметрами
, причём неизвестно, а значение известно. Тогда эффективной оценкой параметра будет .

При этом имеет нормальное распределение .

Статистика (оценка) СВ имеет распределение , независимо от параметра и как функция непрерывна и монотонна. Вспомним, что . Тогда, с учетом (4.2) запишем:

.

(4.6)

Здесь и   квантили стандартного нормального распределения , обладающие свойством: . Поставив  в явном виде в (4.6) получим:

(4.7)

Запишем это неравенство относительно :

(4.8)

Квантили стандартного нормального распределения определяются по таблицам, тогда окончательно получим:

(4.9)

Искомый доверительный интервал математического ожидания нормально распределенной СВ с известной дисперсией равен:

(4.10)

На рис.4.1. представлена плотность распределения стандартного нормального распределения с отмеченными квантилями.

Рис. 4.1. Гауссово (нормальное) распределение
(
)

Интервальная оценка математического ожидания
при неизвестной дисперсии

На практике почти всегда генеральная дисперсия , (как и оцениваемое математическое ожидание ) неизвестна. Итак, имеется нормально распределенная СВ , с неизвестными параметрами и . По случайной выборке найдем несмещённые, эффективные оценки: . Построение интервальной оценки основано на статистике:

(4.11)

Вспомним, что , и подставим в (4.11):

(4.12)

Числитель выражения (4.12), как было показано выше, имеет стандартное нормальное распределение . Показано, что величина имеет распределение с степенями свободы. А статистика имеет распределение Стьюдента с степенями свободы. Распределение Стьюдента не зависит от неизвестных параметров распределения случайной величины , а зависит лишь от числа , называемого числом степеней свободы.

Следует отметить, что распределение Стьюдента напоминает нормальное распределение, и при сколь угодно близко приближается к нему.

Число степеней свободы определяется как общее число наблюдений (вариантов) случайной величины минус число уравнений , связывающих эти наблюдения, т.е. .

Так, например, для распределения  статистики число степеней свободы , т.к. одна степень свободы "теряется" при определении выборочного среднего ( наблюдений связаны одним уравнением).

Таким образом, по аналогии с (4.6) запишем:

.

(4.13)

(4.14)

(4.15)

На рис.4.2. представлена плотность распределения Стьюдента с пятнадцатью степенями свободы.

Доверительный интервал математического ожидания нормально распределенной СВ с неизвестной дисперсией равен:

(4.16)

Рис. 4.2. Распределение Стьюдента ()

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

61077. ПИСЬМОВИЙ СТИСЛИЙ ПЕРЕКАЗ РОЗПОВІДНОГО ТЕКСТУ З ЕЛЕМЕНТАМИ ОПИСУ МІСЦЕВОСТІ В ХУДОЖНЬОМУ СТИЛІ 45.5 KB
  Школярі знайомляться з цілісним висловлюванням. Робота за змістом і структурою тексту Довести належність висловлювання до художнього стилю наводячи приклади з тексту. Якою ви уявили місцевість описану письменником...
61078. Контрольний твір за творчістю Й. В. Ґете 31.5 KB
  Мета: розвивати письмове звязне мовлення та творчі здібності учнів; виховувати інтерес до аналізу літературних творів; учити аргументувати власну точку зору; провести контроль знань з теми Життя та творчість...
61079. І. Котляревський. «Енеїда». Історія створення. Національний колорит. Проблеми і мотиви твору. Характеристика героїв, що уособлюють самодержавство, панів, чиновників, духовенство 132 KB
  Венера Афродита богиня кохання побічна дочка Зевса мати Енея. Анхіз цар Трої батько Енея. Початок подорожі Енея. Відвідини Енея із Сівіллою.
61080. Складнопідрядне речення, його будова і засоби зв’язку в ньому 48 KB
  Мета: ознайомити девятикласників з поняттям про складнопідрядне речення його будову і засоби звязку в ньому; розвивати організаційноконтрольні вміння оцінювати роль складнопідрядних речень у текстах...
61081. Виды линий 36 KB
  Луч выходит из точки бесконечен в одну сторону. Нарисовать в тетради 2 точки и провести через них прямую. Как вы думаете можно ли провести ещё одну прямую через эти две точки А луч А отрезок Сколько лучей и отрезков можно провести через 2 точки бесконечное количество Пробуем. Как вы думаете почему через две точки можно провести только одну прямую и бесконечно много лучей и отрезков Попробуйте объяснить.
61082. Рисуем Сосну 298.5 KB
  Сначала рисуем ствол. Прямой ствол как мачта и корявый. Наш ствол приобретает конусную форму. Теперь ствол и ветки.
61083. Проблеми довкілля (Environment and Greener Living). Захист довкілля 75.5 KB
  Today we’re starting a new unit in which we’ll continue talking about our planet but in some different aspects. In this unit we’re going to discuss the problems of pollution of the environment and the ways to protect it from pollution.
61084. Производство розовых вин 1.2 MB
  Розовые вина никогда не получают методом смешения белого и красного вин, за исключением розового шампанского. Точнее, вино, полученное смешением красного и белого, не считается натуральным розовым вином.
61085. СЛОВОСПОЛУЧЕННЯ. БУДОВА Й ВИДИ СЛОВОСПОЛУЧЕНЬ ЗА СПОСОБОМ ВИРАЖЕННЯ ГОЛОВНОГО СЛОВА 953 KB
  Мета: поглибити знання восьмикласників про словосполучення його будову; формувати загальнопізнавальні вміння знаходити прості й складні словосполучення розрізняти лексичні й фразеологічні словосполучення...