区间估计和误差计算
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五种估计参数的方法在统计学和数据分析中,参数估计是一种用于估计总体的未知参数的方法。
参数估计的目标是通过样本数据来推断总体参数的值。
下面将介绍五种常用的参数估计方法。
一、点估计点估计是最常见的参数估计方法之一。
它通过使用样本数据计算出一个单一的数值作为总体参数的估计值。
点估计的核心思想是选择一个最佳的估计量,使得该估计量在某种准则下达到最优。
常见的点估计方法有最大似然估计和矩估计。
最大似然估计(Maximum Likelihood Estimation,简称MLE)是一种常用的点估计方法。
它的核心思想是选择使得样本观测值出现的概率最大的参数值作为估计值。
最大似然估计通常基于对总体分布的假设,通过最大化似然函数来寻找最优参数估计。
矩估计(Method of Moments,简称MoM)是另一种常用的点估计方法。
它的核心思想是使用样本矩和总体矩之间的差异来估计参数值。
矩估计首先计算样本矩,然后通过解方程组来求解参数的估计值。
二、区间估计点估计只给出了一个参数的估计值,而没有给出该估计值的不确定性范围。
为了更全面地描述参数的估计结果,我们需要使用区间估计。
区间估计是指在一定的置信水平下,给出一个区间范围,该范围内包含了真实参数值的可能取值。
常见的区间估计方法有置信区间和预测区间。
置信区间是对总体参数的一个区间估计,表示我们对该参数的估计值的置信程度。
置信区间的计算依赖于样本数据的统计量和分布假设。
一般来说,置信区间的宽度与样本大小和置信水平有关,较大的样本和较高的置信水平可以得到更准确的估计。
预测区间是对未来观测值的一个区间估计,表示我们对未来观测值的可能取值范围的估计。
预测区间的计算依赖于样本数据的统计量、分布假设和预测误差的方差。
与置信区间类似,预测区间的宽度也与样本大小和置信水平有关。
三、贝叶斯估计贝叶斯估计是一种基于贝叶斯理论的参数估计方法。
它将参数看作是一个随机变量,并给出参数的后验分布。
贝叶斯估计的核心思想是根据样本数据和先验知识来更新参数的分布,从而得到参数的后验分布。
参数估计公式参数估计是统计学中非常重要的一个概念,它是指对于一个总体的一些参数进行估计,使得估计值接近于真实值。
参数估计一般分为点估计和区间估计两种,其中点估计是指用一个数值来估计总体参数,而区间估计是指用一个区间来估计总体参数。
本文将着重介绍点估计中的一些常用的精确估计方法。
首先,最简单也是最常用的点估计方法是样本均值估计总体均值。
假设我们有一个样本数据集,包含n个观测值,样本均值可以作为总体均值的一个良好估计。
它的计算公式如下:\[\bar{x}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}x_i\]其中,\(\bar{x}\)表示样本均值,\(x_i\)表示第i个样本数据点的取值,n表示样本的个数。
样本均值可以作为总体均值的一个无偏估计,即样本均值的期望等于总体均值。
另外一个常用的点估计方法是样本方差估计总体方差。
样本中的每一个数据点和样本均值之间的差别可以用来估计总体的分散程度。
样本方差可以通过以下公式计算:\(s^2 = \frac{1}{n-1} \sum_{i=1}^{n}(x_i-\bar{x})^2\)其中,\(s^2\)表示样本方差,\(\bar{x}\)表示样本均值,\(x_i\)表示第i个样本数据点的取值,n表示样本的个数。
样本方差是总体方差的一个无偏估计,即样本方差的期望等于总体方差。
除此之外,还有一些其他的点估计方法,例如极大似然估计和最小二乘估计等。
极大似然估计是一种常用的参数估计方法,它通过最大化观测数据的似然函数来估计参数值。
最小二乘估计是一种常用的线性回归模型参数估计方法,它通过最小化观测数据与模型估计值之间的平方残差和来估计参数值。
在进行参数估计时,我们通常需要估计参数的精确度。
一个常用的方法是计算参数的标准误差。
对于样本均值的标准误差,可以用以下公式计算:\(SE(\bar{x}) = \frac{s}{\sqrt{n}}\)其中,\(SE(\bar{x})\)表示样本均值的标准误差,s表示样本方差,n表示样本的个数。
参数的区间估计1. 参数的概念参数是指一种描述总体特性的量,通常用符号表示。
以样本均值为例,我们通常用$\bar{x}$表示样本均值,用$\mu$表示总体均值,$\bar{x}$就是关于$\mu$的一个参数。
2. 区间估计的基本思想区间估计是通过样本的统计量来估计总体的参数,因为样本数据毕竟是有限的,所以估计值与真实值之间必然存在误差。
为了消除这种误差,我们采用确定一个区间的方法,即“置信区间”。
置信区间是指用样本数据计算出来的一个范围,其含义是真实的总体参数值有一定的置信水平(置信度)落在这个区间内。
①确定信赖水平(置信度)$1-\alpha$,$\alpha$称为显著性水平。
②根据样本均值选择合适的经验公式或理论公式来计算样本估计量的标准误差。
③根据置信度$1-\alpha$,查找$t$分布表或正态分布表,得到置信水平为$1-\alpha$的$t$值或$z$值。
④根据样本容量和总体方差是否已知,确定区间估计公式。
⑤根据置信度和样本数据计算出置信区间。
下面具体介绍区间估计的步骤:A. 确定总体所服从的概率分布总体可以服从正态分布、泊松分布、二项分布等概率分布,其中正态分布是最为常用的一种分布。
B. 确定样本容量$n$样本容量$n$的大小直接影响到置信区间的精度,当样本容量越大,置信区间的长度就越短。
一般观测数据越多,则样本容量越大。
C. 确定置信度$1-\alpha$置信度是指总体参数落在某一特定区间内的概率,一般取$95\%$或$99\%$。
D. 求出样本均值$\bar{x}$样本均值$\bar{x}$是样本中所有元素值的总和除以样本容量$n$,即$\bar{x}=\frac{\sum_{i=1}^nx_i}{n}$E. 求出样本方差$s^2$若总体标准差未知,用样本标准差$s$代替,$S(\bar{x})=\frac{s}{\sqrt{n}}$G. 选择合适的分布当总体服从正态分布,$\frac{\bar{x}-\mu}{\frac{\sigma}{\sqrt{n}}}$服从标准正态分布;当总体未知且样本容量$n$较小($n<30$),$\frac{\bar{x}-\mu}{\frac{s}{\sqrt{n}}}$服从$t$分布。
求置信区间的最大误差
第一步:求一个样本的均值第二步:计算出抽样误差。
人们经过实践,通常认为调查:100个样本的抽样误差为±10%;500个样本的抽样误差为±5%;1200个样本时的抽样误差为±3%;
第三步:用第一步求出的“样本均值”加、减第二步计算的“抽样误差”,得出置信区间的两个端点。
置信区间是指由样本统计量所构造的总体参数的估计区间。
在统计学中,一个概率样本的置信区间(Confidence interval)是对这个样本的某个总体参数的区间估计。
置信区间展现的是这个参数的真实值有一定概率落在测量结果的周
围的程度。
置信区间给出的是被测量参数的测量值的可信程度,即前面所要求的“一个概率”。
置信区间与置信水平、样本量的关系1.样本量对置信区间的影响:在置信水平固定的情况下,样本量越多,置信区间越窄。
2.置信水平对置信区间的影响:在样本量相同的情况下,置信水平越高,置信区间越宽。
(二)区间估计 区间估计是指用样本指标、抽样误差和概率所构造的区间以估计总体指标存在的可能范围。 在进行区间估计的时候,根据所给定的条件不同,总体平均数和总体成数的估计有两条模式可供选择: 第一套:给定置信度要求,去推算抽样误差的可能范围。 第二套:根据已给定的抽样误差范围,求出概率保证程度。 1. 总体平均数的区间估计 按照第一套模式,根据置信度Ft()的要求,估计极限抽样误差的可能范围)(或px,并指出估计区间(置信区间)。具体步骤是: (1)抽取样本,并根据调查所得的样本单位标志值,计算样本平均数x;计算样本标准差;在大样本下用以代替总体标准差推算抽样平均误差。 (2)根据给定的置信度Ft()的要求,查《正态分布概率表》,求得概率度t值。 (3)根据概率度t和抽样平均误差x计算极限抽样误差的可能范围xxt,并据以计算置信区间的上下限。 例14 麦当劳餐馆在7周内抽查49位顾客的消费额(元)如下,求在概率95%的保证下,顾客平均消费额的置信区间。 15 24 38 26 30 42 18 30 25 26 34 44 20 35 24 26 34 48 18 28 46 19 30 36 42 24 32 45 36 21 47 26 28 31 42 45 36 24 28 27 32 36 47 35 22 24 32 46 26 第一步:根据样本计算样本平均数和标准差:
xxn32 (元)
Snxx2945().(元),用样本标准差代替总体标准差945.(元) 样本平均误差 xn94549135..(元) 第二步:根据给定的置信度Ft()95%,查概率表得t196. 第三步:根据概率度t和抽样平均误差推算抽样极限误差的可能范围。
65.235.196.1xxt(元) 将xx,的值代入区间估计公式
)(65.34)(35.2965.23265.232元元XXxXxxx
计算结果表明,以95%的概率保证,麦当劳餐馆顾客消费额在29.35~34.65元之间。 例15 某高校有5 000名学生,随机抽取250名调查每周收看电视的时间,分组资料见表4—7。 试按不重置抽样方法,以95.45%的概率推断该校全部学生每周收看电视时间的可能范围。
表4—7 每周收看电视时间(小时) 组中值x 学生人数f
2以下 2~4 4~6 6~8 8~10 1 3 5 7 9 22 56 92 60 20 250
巳知:N=5 000, n=250, 由Ft().9545%查表得t2 首先,计算样本指标
样本平均数 xxfn12235659276092025012502505()小时 样本方差
222222215355575952256926020250Sxxn()()()()()()
=11362504544. 由于不知道总体方差,所以用样本方差代替总体方差。 样本平均误差 xnnN21454425012505000013().().()小时 第二步:计算极限抽样误差 xx
t2013026..()小时
第三步:确定置信区间 5-0.26X5026. 4.74X526. 计算结果表明, 全部学生每周平均看电视的时间在4.74—5.26小时之间。 例16 某保险公司从投保人中随机抽取36人,计算出此36人的平均年龄x395.岁,巳知投保人年龄分布近似正态分布,标准差为7.2岁,试求所有投保人平均年龄99%的置信区间。 解 已知 x395.岁 72. n36 根据置信度Ftt().99%,258查正态分布概率表得 计算极限抽样误差
xtn22258362581443097.2....(岁) 总体的置信区间为 xXxxx 395309395309....X 36414259..X 计算结果表明:以99%的把握度保证,投保人
年龄在36.41~42.59岁之间。 例17 某研究机构进行了一项调查来估计吸烟者一月花在抽烟上的平均支出,该机构随机抽取了容量为200的样本进行调查,得到样本平均数为110元,样本标准差为30元,试以95%的把握度估计全部吸烟者月均烟钱支出的置信区间。 解 巳知x110, S30, n20030; Ft().096查概率分布表得t206. 由于不知道总体方差,所以用样本方差代替。计算极限抽样误差:
xtSn20630200437..(元) 置信区间: xxxXx 110—4.37X110437.
1056311437..X 结论,我们有95%的把握认为吸烟者月均烟钱
支出在105.63~114.37元之间。 例18 某年某地区抽查了400户农民家庭年人均穿衣的消费支出,得到平均值为220元,标准差为86元,试以95%的置信水平估计该地区农民家庭年人均穿衣的消费支出。 解 因为 n=400是大样本,则有 t196. ,极限抽样误差为
)(42.84008696.1元ntx
置信区间: 220—8.4222042.8X 211.58元元42.228X 结论,我们有95%的把握认为该地区农民家庭年人均穿衣的消费支出,在3211.58元至228.42元之间。 此例可以看出,样本容量越大,样本平均数越接近总体平均数。 第二套是根据给定的极限抽样误差范围x,求概率保证程度Ft()。具体步骤是: (1)抽取样本,根据样本单位标志值计算样本算术平均数,作为总体平均数的估计值,并计算样本标准差以推算抽样平均误差x。 (2)根据给定的极限抽样误差范围x,估计总体平均数的置信区间,即估计总体平均数的下限xx
和总体平均数的上限xx。
(3)根据给定的极限抽样误差x,除以抽样平均误差x,求出概率度t,即,xxt再根据t值查《正态
分布概率表》,求出相应的置信度Ft()。 例7 某乡水稻总面积20 000亩,以不重置抽样方法从中随机抽取500亩实割实测求得样本平均亩产x550千克,标准差为65千克。要求极限抽样误差不超过5.74千克,试对该乡水稻的亩产和总产量作估计。 解 第一步 根据算出的样本平均亩产x550千克, 样本标准差65千克,计
xnnN221500150020000
28765()().
(千克)
第二步 根据给定的x574.千克,计算该乡平均亩产和总产量的上限和下限。 亩产下限=xx55057454426..(千克) 总产量下限=2000054426108852..万(千克) 亩产上限=xx55057455574..(千克) 总产量上限=2000055574111148..万(千克) 第三步:根据txx5742872..,查概率表得F().209545或95.45%. 区间估计:以概率95.45%保证的保证程,估计该乡水稻平均亩产在544.26~555.74千克之间;总产量在1088.52~1111.48万千克之间。 2.总体成数的区间估计 总体成数估计和总体平均数估计相类似,也有两套模式。 第一套模式是根据给一的置信度Ft()要求,估计极限抽样误差范围p。现举例说明具体步骤: 例19 在一项新广告活动的跟踪调查中,在被调查的400中有240人会记起广告标语。假定在95.45%概率保证程度下,能记起广告标语占总体比率的置信区间是多少? 首先,根据样本资料计算 抽样成数 pnn124040060% 抽样方差 2160%160%)0604024Spp()(...
抽样平均误差 pppn()...102440000245245%
其次,根据假定的置信度Ft().9545% ,查概率表求得t2 。 最后,求出被估计的总体比率的置信区间
pp
t2245%49%...
总体比率的置信区间: pPppp 60%49%60%49%..P 55.1%P649%.
计算结果说明,以概率95.45%的保证程度,估计会记起广告标语的人数占总体比率在55.1%~64.9%之间。 第二套模式是根据已经给定的极限抽样误差范围p,求概率保证程度。具体步骤是: (1)抽取样本,计算样本成数p及标准差p,并据此推算抽样平均误差p。 (2)根据给定的极限抽样误差范围p,估计总体成数置信区间的下限pp和上限pp。 (3)将极限抽样误差p除以抽样平均误差p,求出概率度t值,再根据t值查概率表,求出相应的置信度Ft()。