第四章 随机抽样与抽样分布优秀PPT.ppt
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1、第四章 随机抽样与抽样分布第一页,本课件共有76页定义:定义:数理统计是以数理统计是以概率论概率论为基础,研究社会和为基础,研究社会和自然界中大量随机现象数量变化基本规律的一种自然界中大量随机现象数量变化基本规律的一种方法。方法。其主要内容有:其主要内容有:参数估计参数估计、假设检验假设检验、相关相关分析分析、试验设计试验设计、非参数统计非参数统计、过程统计过程统计等等。第二页,本课件共有76页特点:特点:它以随机现象的观察试验取得资料作为出发点,以概率论为理论基础来研究随机现象.根据资料为随机现象选择数学模型,且利用数学资料来验证数学模型是否合适,在合适的基础上再研究它的特点,性质和规律性.
2、第三页,本课件共有76页起源与发展起源与发展:古典时期古典时期(19(19世纪以前世纪以前):这是描述性的这是描述性的统计学统计学形成和发展阶段,是数理统计的形成和发展阶段,是数理统计的萌芽时期。瑞土数学家贝努里萌芽时期。瑞土数学家贝努里(1654-1795(1654-1795年年)较早地系较早地系统论证了统论证了大数定律大数定律。17631763年,英国数学家年,英国数学家贝叶斯贝叶斯提出了提出了一种一种归纳推理归纳推理的理论,后被发展为一种的理论,后被发展为一种统计推断统计推断方法方法贝叶斯方法,开创了数理统计的先河。法国数学家贝叶斯方法,开创了数理统计的先河。法国数学家棣莫棣莫佛佛(16
3、67-1754)(1667-1754)于于17331733年首次发现了年首次发现了正态分布正态分布的密度函数,的密度函数,并计算出该曲线在各种不同区间内的概率,为整个大样本理论并计算出该曲线在各种不同区间内的概率,为整个大样本理论奠定了基础。奠定了基础。18091809年,德国数学家高斯年,德国数学家高斯(1777-1855)(1777-1855)和法和法国数学家勒让德国数学家勒让德(1752-1833)(1752-1833)各自独立地发现了各自独立地发现了最小二最小二乘法乘法,并应用于观测数据的误差分析,在数理统计的,并应用于观测数据的误差分析,在数理统计的理论与应用方面都作出了重要贡献。理
4、论与应用方面都作出了重要贡献。第四页,本课件共有76页 近代时期近代时期(19(19世纪末至世纪末至18451845年年):数理统计的主要分支建立,是数理统计的形成时期。数理统计的主要分支建立,是数理统计的形成时期。18891889年,英国数学家年,英国数学家皮尔逊皮尔逊(1857-1936)(1857-1936)提出了矩估计法,提出了矩估计法,次年又提出了频率曲线的理论,并于次年又提出了频率曲线的理论,并于19001900年在德国数学家年在德国数学家赫尔梅特在发现卡方分布的基础上提出了卡方检验,这是数理赫尔梅特在发现卡方分布的基础上提出了卡方检验,这是数理统计发展史上出现的第一个小样本分布。
5、统计发展史上出现的第一个小样本分布。19081908年,英国的统年,英国的统计学家计学家戈塞特戈塞特(1876-1937)(1876-1937)创立了小样本检验代替了大样创立了小样本检验代替了大样本检验的理论和方法本检验的理论和方法(即即t t分布和分布和t t法法),这为数理统计的另,这为数理统计的另一分支一分支多元分析奠定理论基础。多元分析奠定理论基础。19121912年,英国统计学家年,英国统计学家费歇费歇(1890-1962)(1890-1962)推广了推广了t t检验法,同时发展了检验法,同时发展了显著性检验显著性检验及估计和及估计和方差分析方差分析等数理统计新分支。这样,数理统计等
6、数理统计新分支。这样,数理统计的一些重要分支如的一些重要分支如假设检验假设检验、回归分析回归分析、方差分析、正交、方差分析、正交设计等有了其决定其面貌的内容和理论设计等有了其决定其面貌的内容和理论.数理统计成为应用数理统计成为应用广泛、方法独特的一门数学学科。广泛、方法独特的一门数学学科。第五页,本课件共有76页 现代时期现代时期(1945(1945年以后年以后):美籍罗马尼亚美籍罗马尼亚数理统计学数理统计学家瓦你德家瓦你德(1902-1950)(1902-1950)致力于致力于用数学方法使统计学精确化、严密化,取得了很多重要成果,用数学方法使统计学精确化、严密化,取得了很多重要成果,他发展了
7、他发展了决策理论决策理论,提出了一般的判别问题,创立了序,提出了一般的判别问题,创立了序贯分析理论,提出著名的序贯概率比检法。瓦尔德的贯分析理论,提出著名的序贯概率比检法。瓦尔德的两本著作两本著作序贯分析序贯分析和和统计决策函数论统计决策函数论,被认为是,被认为是数理发展史上的经典之作。数理发展史上的经典之作。由于计算机的应用,推动了数理统计在理论研究和应用方由于计算机的应用,推动了数理统计在理论研究和应用方面不断地向纵面不断地向纵深发展深发展,并产生一些新的分支和边缘性的,并产生一些新的分支和边缘性的新学科,如最优设计和非参数统计推断等。新学科,如最优设计和非参数统计推断等。当前,数理统计的
8、应用范围愈来愈广泛,已渗透到许多科学当前,数理统计的应用范围愈来愈广泛,已渗透到许多科学领域,应用到领域,应用到国民经济国民经济各个部门,成为科学研究不可缺各个部门,成为科学研究不可缺少的工具。少的工具。第六页,本课件共有76页第四章第四章 抽样分布抽样分布4.1.4.1.基本概念基本概念4.2.4.2.抽样分布抽样分布4.3.4.3.三种分布三种分布第七页,本课件共有76页抽样调查:抽样调查:通过调查群体中的一部分个通过调查群体中的一部分个体来了解整个群体体来了解整个群体.概率论的任务:概率论的任务:对不同的抽样结果出对不同的抽样结果出现的可能性大小进行讨论,为根据样本现的可能性大小进行讨论
9、,为根据样本情况推断总体情况提供理论依据情况推断总体情况提供理论依据.数理统计的任务:数理统计的任务:根据样本情况推断根据样本情况推断总体情况总体情况.第八页,本课件共有76页4.1 4.1 基本概念基本概念 一、总体与个体:一、总体与个体:总体:某一个问题的研究对象的全体总体:某一个问题的研究对象的全体.个体:组成总体每个基本单元个体:组成总体每个基本单元.把研究对象的某项数量指标的全体把研究对象的某项数量指标的全体看作总体;把每个数值看作个体看作总体;把每个数值看作个体第九页,本课件共有76页 一般地,我们把所研究的总体,即一般地,我们把所研究的总体,即研究对象的某项数量指标记作研究对象的
10、某项数量指标记作X,X,它的取它的取值在客观上有一定的分布,值在客观上有一定的分布,X X也是一个也是一个随机变量随机变量总体总体R.V.X有限总体有限总体无限总体无限总体第十页,本课件共有76页例例.研究一批灯泡的平均寿命研究一批灯泡的平均寿命.该批灯泡的全体该批灯泡的全体:总体,总体,其中每个灯泡其中每个灯泡:个体个体.总体总体个体个体抽抽样样推推断断第十一页,本课件共有76页二、抽样与样本二、抽样与样本抽样抽样:为了推断总体的性态而从总体中为了推断总体的性态而从总体中抽取部分个体的过程称为抽样抽取部分个体的过程称为抽样.样本样本:设从总体设从总体X X中随机抽取或观察中随机抽取或观察n
11、n个个个体个体X X1 1,X,X2 2 X Xn n,所得的这一组个体所得的这一组个体(X(X1 1,X,X2 2X Xn n)称为总体称为总体X X的一个样本的一个样本.其中个体的数目其中个体的数目n n称为称为样本容量样本容量.第十二页,本课件共有76页注注意意:在抽取或观察每个个体之前,在抽取或观察每个个体之前,X X1 1,X,X2 2X Xn n都是未知的,因而它们都都是未知的,因而它们都是随机变量,是随机变量,(X(X1 1,X,X2 2X Xn n)为为n n维随机维随机变量变量当当n n次抽取或观察一经完成,我们次抽取或观察一经完成,我们就得到一组实数(就得到一组实数(x1
12、1,x2 2,xn n),),称称其为其为样本观察值样本观察值或样本值或样本值第十三页,本课件共有76页三、简单随机抽样三、简单随机抽样定义定义:如果:如果X X1 1,X,Xn n是相互独立并且与是相互独立并且与X X同同分布的随机变量分布的随机变量,则称则称X X1 1,X,Xn n为来自总体为来自总体X X的容量为的容量为n n的简单随机样本的简单随机样本,简称样本简称样本.注注:有限总体时,采用放回抽样所得的:有限总体时,采用放回抽样所得的样本才是简单随机样本,今后只讨论简样本才是简单随机样本,今后只讨论简单随机样本单随机样本第十四页,本课件共有76页简单随机样本满足的三个条件:简单随
13、机样本满足的三个条件:(1).(1).随机性随机性:抽样或观察应随机地进行,每:抽样或观察应随机地进行,每个个体被抽或被观察的机会均等;个个体被抽或被观察的机会均等;(2).(2).独立性独立性:每次抽取或观察独立进行,其:每次抽取或观察独立进行,其结果不受其它抽取或观察结果的影响结果不受其它抽取或观察结果的影响(3).(3).代表性代表性:即从总体中抽出的一组样本,:即从总体中抽出的一组样本,它在所关注的指标上可以代表该群体它在所关注的指标上可以代表该群体.在上述三个条件之下,在上述三个条件之下,X X1 1,X,X2 2X Xn n是相是相互独立的,且与互独立的,且与X X有相同的分布有相
14、同的分布第十五页,本课件共有76页四、统计量四、统计量定义定义2 2:设:设X X1 1,X,X2 2,X,Xn n为总体为总体X X的一个容的一个容量为量为n n的样本,的样本,g(Xg(X1 1,X,X2 2,X,Xn n)为一个连为一个连续函数,如果续函数,如果g(g()中不包含未知参数,则中不包含未知参数,则称:称:g(Xg(X1 1,X,X2 2,X,Xn n)为关于总体为关于总体X X的的统计量统计量.统计量即不包含未知参数的样本函数统计量即不包含未知参数的样本函数第十六页,本课件共有76页例例.设设X X1 1,X X2 2,X Xn n为来自总体为来自总体N(N(,2 2)的样
15、的样本本.其中其中 已知已知,2 2 未知未知,则则哪些是统计量哪些是统计量?第十七页,本课件共有76页注:几种重要的统计量注:几种重要的统计量样本均值样本均值样本方差样本方差样本样本k k阶中心矩阶中心矩样本标准误样本标准误样本标准差样本标准差第十八页,本课件共有76页4.2 抽样分布抽样分布注意注意:统计量是独立同分布随机变量统计量是独立同分布随机变量X X1 1,X,X2 2 X Xn n的函数的函数,因而它也是一个随因而它也是一个随机变量,从而也就有了统计量的分布。机变量,从而也就有了统计量的分布。第十九页,本课件共有76页一、和的分布一、和的分布定理定理1 1:设:设X X1 1,X
16、,X2 2是两个是两个独立独立随机变量随机变量,其密度函数分别是其密度函数分别是 fx1(x1),fx2(x2),如果如果X=XX=X1 1+X+X2 2,则则X X的密度函数是的密度函数是第二十页,本课件共有76页密度函数密度函数 f(x)分布函数分布函数 F(x)分析分析:第二十一页,本课件共有76页证证 明明:第二十二页,本课件共有76页积分上限积分上限(变上限变上限)函函数数第二十三页,本课件共有76页例例:设:设X X1 1,X,X2 2独立同分布于独立同分布于N(N(,2 2),求求X X1 1+X+X2 2的分布的分布.故故 X1+X2 N(2,2 2)解解:由:由知知类似地类似
17、地 X1-X2 N(0,2 2)第二十四页,本课件共有76页例:设例:设X X1 1和和X X2 2独立独立,分别服从二项分布分别服从二项分布B(nB(n1 1,p),p)和和B(nB(n2 2,p),p).求求Y=XY=X1 1+X+X2 2的分布的分布.解:解:第二十五页,本课件共有76页二、样本均数的分布二、样本均数的分布定理定理2 2:设总体:设总体X X N(N(,2 2),X X1 1,X,X2 2,X Xn n为其容量为为其容量为n n的样本,则的样本,则第二十六页,本课件共有76页一般结果一般结果:随机变量随机变量X X N(N(,2 2),则,则它的线性它的线性函数函数Y=a
18、X+bY=aX+b仍然服从正态分布仍然服从正态分布,并且并且 Y N(a+b,a2 2)这里这里a,ba,b为常数为常数.第二十七页,本课件共有76页更一般结果:更一般结果:X X1 1,X,X2 2,X,Xn n相互独立相互独立,并且并且 i=1,2,i=1,2,n,n,则其线性组合:则其线性组合:仍然服从正态分布,并且仍然服从正态分布,并且这里这里c ci i为不全为零的常数为不全为零的常数.第二十八页,本课件共有76页三、一个重要定理三、一个重要定理 设设X X1 1,X X2 2,X Xn n是取自总体是取自总体N(,N(,2 2)的的一个样本一个样本,则则第二十九页,本课件共有76页
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