Оценка математического ожидания и дисперсии по выборке. Точечные оценки математического ожидания и дисперсии

Пусть случайная выборка порождена наблюдаемой случайной величиной ξ, математическое ожидание и дисперсия которой неизвестны. В качестве оценок для этих характеристик было предложено использовать выборочное среднее

и выборочную дисперсию

. (3.14)

Рассмотрим некоторые свойства оценок математического ожидания и дисперсии.

1. Вычислим математическое ожидание выборочного среднего:

Следовательно, выборочное среднее является несмещенной оценкой для .

2. Напомним, что результаты наблюдений – независимые случайные величины, каждая из которых имеет такой же закон распределения, как и величина , а значит, , , . Будем предполагать, что дисперсия конечна. Тогда, согласно теореме Чебышева о законе больших чисел, для любого ε > 0 имеет место равенство ,

которое можно записать так: . (3.16) Сравнивая (3.16) с определением свойства состоятельности (3.11), видим, что оценка является состоятельной оценкой математического ожидания .

3. Найдем дисперсию выборочного среднего:

. (3.17)

Таким образом, дисперсия оценки математического ожидания уменьшается обратно пропорционально объему выборки.

Можно доказать, что если случайная величина ξ распределена нормально, то выборочное среднее является эффективной оценкой математического ожидания , то есть дисперсия принимает наименьшее значение по сравнению с любой другой оценкой математического ожидания. Для других законов распределения ξ это может быть и не так.

Выборочная дисперсия является смещенной оценкой дисперсии , так как . (3.18)

Действительно, используя свойства математического ожидания и формулу (3.17), найдем

.

Чтобы получить несмещенную оценку дисперсии, оценку (3.14) нужно исправить, то есть домножить на . Тогда получим несмещенную выборочную дисперсию

. (3.19)

Отметим, что формулы (3.14) и (3.19) отличаются лишь знаменателем, и при больших значениях выборочная и несмещенная дисперсии отличаются мало. Однако при малом объеме выборки следует пользоваться соотношением (3.19).

Для оценки среднего квадратического отклонения случайной величины используют так называемое “исправленное” среднее квадратическое отклонение, которое равно квадратному корню из несмещенной дисперсии: .

Интервальные оценки

В статистике имеются два подхода к оцениванию неизвестных параметров распределений: точечный и интервальный. В соответствии с точечным оцениванием, которое рассмотрено в предыдущем разделе, указывается лишь точка, около которой находится оцениваемый параметр. Желательно, однако, знать, как далеко может отстоять в действительности этот параметр от возможных реализаций оценок в разных сериях наблюдений.

Ответ на этот вопрос – тоже приближенный – дает другой способ оценивания параметров – интервальный. В соответствии с этим способом оценивания находят интервал, который с вероятностью, близкой к единице, накрывает неизвестное числовое значение параметра.

Понятие интервальной оценки

Точечная оценка является случайной величиной и для возможных реализаций выборки принимает значения лишь приближенно равные истинному значению параметра . Чем меньше разность , тем точнее оценка. Таким образом, положительное число , для которого , характеризует точность оценки и называется ошибкой оценки (или предельной ошибкой).

Доверительной вероятностью (или надежностью) называется вероятность β , с которой осуществляется неравенство , т. е.

. (3.20)

Заменив неравенство равносильным ему двойным неравенством , или , получим

Интервал , накрывающий с вероятностью β , , неизвестный параметр , называется доверительным интервалом (или интервальной оценкой), соответствующим доверительной вероятности β .

Случайной величиной является не только оценка , но и ошибка : ее значение зависит от вероятности β и, как правило, от выборки. Поэтому доверительный интервал случаен и выражение (3.21) следует читать так: “Интервал накроет параметр с вероятностью β ”, а не так: “Параметр попадет в интервал с вероятностью β ”.

Смысл доверительного интервала состоит в том, что при многократном повторении выборки объема в относительной доле случаев, равной β , доверительный интервал, соответствующий доверительной вероятности β , накрывает истинное значение оцениваемого параметра. Таким образом, доверительная вероятность β характеризует надежность доверительного оценивания: чем больше β , тем вероятнее, что реализация доверительного интервала содержит неизвестный параметр.

ЦЕЛЬ ЛЕКЦИИ: ввести понятие оценки неизвестного параметра распределения и дать классификацию таких оценок; получить точечные и интервальные оценки математического ожидания и дисперсии.

На практике в большинстве случаев закон распределения случайной величины неизвестен, и по результатам наблюдений
необходимо оценить числовые характеристики (например, математическое ожидание, дисперсию или другие моменты) или неизвестный параметр, который определяет закон распределения (плотность распределения)
изучаемой случайной величины. Так, для показательного распределения или распределения Пуассона достаточно оценить один параметр, а для нормального распределения подлежат оценке уже два параметра – математическое ожидание и дисперсия.

Виды оценок

Случайная величина
имеет плотность вероятности
, где– неизвестный параметр распределения. В результате эксперимента получены значения этой случайной величины:
. Произвести оценку по существу означает, что выборочным значениям случайной величины необходимо поставить в соответствие некоторое значение параметра, т. е. создать некоторую функцию результатов наблюдений
, значение которой принимается за оценкупараметра. Индексуказывает на количество проведенных опытов.

Любая функция, зависящая от результатов наблюдений, называется статистикой . Так как результаты наблюдений являются случайными величинами, то и статистика тоже будет случайной величиной. Следовательно, оценку
неизвестного параметраследует рассматривать как случайную величину, а ее значение, вычисленное по экспериментальным данным объемом, – как одно из возможных значений этой случайной величины.

Оценки параметров распределений (числовых характеристик случайной величины) подразделяются на точечные и интервальные. Точечная оценка параметраопределяется одним числом, и ее точность характеризуется дисперсией оценки.Интервальной оценкой называют оценку, которая определяется двумя числами,и– концами интервала, накрывающего оцениваемый параметрс заданной доверительной вероятностью.

Классификация точечных оценок

Чтобы точечная оценка неизвестного параметра
была наилучшей с точки зрения точности, необходимо, чтобы она была состоятельной, несмещенной и эффективной.

Состоятельной называется оценка
параметра, если она сходится по вероятности к оцениваемому параметру, т. е.

. (8.8)

На основании неравенства Чебышева можно показать, что достаточным условием выполнения соотношения (8.8) является равенство

.

Состоятельность является асимптотической характеристикой оценки при
.

Несмещенной называется оценка
(оценка без систематической ошибки), математическое ожидание которой равно оцениваемому параметру, т. е.

. (8.9)

Если равенство (8.9) не выполняется, то оценка называется смещенной. Разность
называется смещением или систематической ошибкой оценки. Если же равенство (8.9) выполняется лишь при
, то соответствующая оценка называется асимптотически несмещенной.

Необходимо отметить, что если состоятельность – практически обязательное условие всех используемых на практике оценок (несостоятельные оценки используются крайне редко), то свойство несмещенности является лишь желательным. Многие часто применяемые оценки свойством несмещенности не обладают.

В общем случае точность оценки некоторого параметра , полученная на основании опытных данных
, характеризуется средним квадратом ошибки

,

который можно привести к виду

,

где –дисперсия,
– квадрат смещения оценки.

Если оценка несмещенная, то

При конечных оценки могут различаться средним квадратом ошибки. Естественно, что, чем меньше эта ошибка, тем теснее группируются значения оценки около оцениваемого параметра. Поэтому всегда желательно, чтобы ошибка оценки была по возможности наименьшей, т. е. выполнялось условие

. (8.10)

Оценку , удовлетворяющую условию (8.10), называют оценкой с минимальным квадратом ошибки.

Эффективной называется оценка
, для которой средний квадрат ошибки не больше среднего квадрата ошибки любой другой оценки, т. е.

где – любая другая оценка параметра.

Известно, что дисперсия любой несмещенной оценки одного параметра удовлетворяет неравенству Крамера – Рао

,

где
– условная плотность распределения вероятностей полученных значений случайной величины при истинном значении параметра.

Таким образом, несмещенная оценка
, для которой неравенство Крамера – Рао обращается в равенство, будет эффективной, т. е. такая оценка имеет минимальную дисперсию.

Точечные оценки математического ожидания и дисперсии

Если рассматривается случайная величина
, имеющая математическое ожиданиеи дисперсию, то оба эти параметра считаются неизвестными. Поэтому над случайной величиной
производитсянезависимых опытов, которые дают результаты:
. Необходимо найти состоятельные и несмещенные оценки неизвестных параметров и.

В качестве оценок иобычно выбираются соответственно статистическое (выборочное) среднее значение и статистическая (выборочная) дисперсия:

; (8.11)

. (8.12)

Оценка математического ожидания (8.11) является состоятельной согласно закону больших чисел (теорема Чебышева):

.

Математическое ожидание случайной величины

.

Следовательно, оценка является несмещенной.

Дисперсия оценки математического ожидания:

Если случайная величина
распределена по нормальному закону, то оценкаявляется также и эффективной.

Математическое ожидание оценки дисперсии

В то же время

.

Так как
, а
, то получаем

. (8.13)

Таким образом,
– смещенная оценка, хотя является состоятельной и эффективной.

Из формулы (8.13) следует, что для получения несмещенной оценки
следует видоизменить выборочную дисперсию (8.12) следующим образом:

которая считается "лучшей" по сравнению с оценкой (8.12), хотя при больших эти оценки практически равны друг другу.

Методы получения оценок параметров распределения

Часто на практике на основании анализа физического механизма, порождающего случайную величину
, можно сделать вывод о законе распределения этой случайной величины. Однако параметры этого распределения неизвестны, и их необходимо оценить по результатам эксперимента, обычно представленных в виде конечной выборки
. Для решения такой задачи чаще всего применяются два метода: метод моментов и метод максимального правдоподобия.

Метод моментов . Метод состоит в приравнивании теоретических моментов соответствующим эмпирическим моментам того же порядка.

Эмпирические начальные моменты -го порядка определяются формулами:

,

а соответствующие им теоретические начальные моменты -го порядка – формулами:

для дискретных случайных величин,

для непрерывных случайных величин,

где – оцениваемый параметр распределения.

Для получения оценок параметров распределения, содержащего два неизвестных параметра и, составляется система из двух уравнений

где и– теоретический и эмпирический центральные моменты второго порядка.

Решением системы уравнений являются оценки инеизвестных параметров распределенияи.

Приравняв теоретический эмпирический начальные моменты первого порядка, получаем, что оценкой математического ожидания случайной величины
, имеющей произвольное распределение, будет выборочное среднее, т. е.
. Затем, приравняв теоретический и эмпирический центральные моменты второго порядка, получим, что оценка дисперсии случайной величины
, имеющей произвольное распределение, определяется формулой

.

Подобным образом можно найти оценки теоретических моментов любого порядка.

Метод моментов отличается простотой и не требует сложных вычислений, но полученные этим методом оценки часто являются неэффективными.

Метод максимального правдоподобия . Метод максимального правдоподобия точечной оценки неизвестных параметров распределения сводится к отысканию максимума функции одного или нескольких оцениваемых параметров.

Пусть
– непрерывная случайная величина, которая в результатеиспытаний приняла значения
. Для получения оценки неизвестного параметранеобходимо найти такое значение, при котором вероятность реализации полученной выборки была бы максимальной. Так как
представляют собой взаимно независимые величины с одинаковой плотностью вероятности
, тофункцией правдоподобия называют функцию аргумента :

Оценкой максимального правдоподобия параметра называется такое значение, при котором функция правдоподобия достигает максимума, т. е. является решением уравнения

,

которое явно зависит от результатов испытаний
.

Поскольку функции
и
достигают максимума при одних и тех же значениях
, то часто для упрощения расчетов используют логарифмическую функцию правдоподобия и ищут корень соответствующего уравнения

,

которое называется уравнением правдоподобия .

Если необходимо оценить несколько параметров
распределения
, то функция правдоподобия будет зависеть от этих параметров. Для нахождения оценок
параметров распределения необходимо решить системууравнений правдоподобия

.

Метод максимального правдоподобия дает состоятельные и асимптотически эффективные оценки. Однако получаемые методом максимального правдоподобия оценки бывают смещенными, и, кроме того, для нахождения оценок часто приходится решать достаточно сложные системы уравнений.

Интервальные оценки параметров

Точность точечных оценок характеризуется их дисперсией. При этом отсутствуют сведения о том, насколько близки полученные оценки истинным значениям параметров. В ряде задач требуется не только найти для параметра подходящее численное значение, но и оценить его точность и надежность. Необходимо узнать, к каким ошибкам может привести замена параметраего точечной оценкойи с какой степенью уверенности следует ожидать, что эти ошибки не выйдут за известные пределы.

Такие задачи особенно актуальны при малом числе опытов , когда точечная оценкав значительной степени случайна и приближенная заменанаможет привести к значительным ошибкам.

Более полный и надежный способ оценивания параметров распределений заключается в определении не единственного точечного значения, а интервала, который с заданной вероятностью накрывает истинное значение оцениваемого параметра.

Пусть по результатам опытов получена несмещенная оценка
параметра. Необходимо оценить возможную ошибку. Выбирается некоторая достаточно большая вероятность
(например), такая, что событие с этой вероятностью можно считать практически достоверным событием, и находится такое значение, для которого

. (8.15)

В этом случае диапазон практически возможных значений ошибки, возникающей при замене на, будет
, а большие по абсолютной величине ошибки будут появляться лишь с малой вероятностью.

Выражение (8.15) означает, что с вероятностью
неизвестное значение параметрапопадет в интервал

. (8.16)

Вероятность
называетсядоверительной вероятностью , а интервал, накрывающий с вероятностьюистинное значение параметра, называетсядоверительным интервалом . Заметим, что неправильно говорить, что значение параметра лежит внутри доверительного интервала с вероятностью. Используемая формулировка (накрывает) означает, что хотя оцениваемый параметр и неизвестен, но он имеет постоянное значение и, следовательно, не имеет разброса, поскольку это не случайная величина.

Пусть имеется случайная величина X, и ее параметры математическое ожидание а и дисперсия неизвестны. Над величиной X произведеноn независимых опытов, давших результаты x 1, x 2, x n .

Не уменьшая общности рассуждений, будем считать эти значения случайной величины различными. Будем рассматривать значения x 1, x 2, x n как независимые, одинаково распределенные случайные величины X 1, X 2, X n .

Простейший метод статистического оценивания - метод подстановки и аналогии - состоит в том, что в качестве оценки той или иной числовой характеристики (среднего, дисперсии и др.) генеральной совокупности берут соответствующую характеристику распределения выборки - выборочную характеристику.

По методу подстановки в качестве оценки математического ожидания а надо взять математическое ожидание распределения выборки - выборочное среднее. Таким образом, получаем

Чтобы проверить несмещенность и состоятельность выборочного среднего как оценки а , рассмотрим эту статистику как функцию выбранного вектора (X 1, X 2, X n). Приняв во внимание, что каждая из величин X 1, X 2, X n имеет тот же закон распределения, что и величина X, заключаем, что и числовые характеристики этих величин и величины X одинаковые: M(X i ) = M(X) = a , D(X i ) = D(X) = , i = 1, 2, n, причем X i - независимые в совокупности случайные величины.

Следовательно,

Отсюда по определению получаем, что - несмещенная оценка а , и так как D()®0 при n®¥, то в силу теоремы предыдущего параграфа является состоятельной оценкой математического ожидания а генеральной совокупности.

Эффективность или неэффективность оценки зависит от вида закона распределения случайной величины X. Можно доказать, что если величина X распределена по нормальному закону, то оценка является эффективной. Для других законов распределения это может быть не так.

Несмещенной оценкой генеральной дисперсии служит исправленная выборочная дисперсия

,

Так как , где - генеральная дисперсия. Действительно,

Оценка s -- 2 для генеральной дисперсии является также и состоятельной, но не является эффективной. Однако в случае нормального распределения она является «асимптотически эффективной», то есть при увеличении n отношение ее дисперсии к минимально возможной неограниченно приближается к единице.

Итак, если дана выборка из распределения F(x ) случайной величины X с неизвестным математическим ожиданием а и дисперсией , то для вычисления значений этих параметров мы имеем право пользоваться следующими приближенными формулами:

a ,

.

Здесь x- i - - варианта выборки, n- i - - частота варианты x i , - - объем выборки.
Для вычисления исправленной выборочной дисперсии более удобна формула

.

Для упрощения расчета целесообразно перейти к условным вариантам (в качестве с выгодно брать первоначальную варианту, расположенную в середине интервального вариационного ряда). Тогда

, .

Интервальное оценивание

Выше мы рассмотрели вопрос об оценке неизвестного параметра а одним числом. Такие оценки мы назвали точечными. Они имеют тот недостаток, что при малом объеме выборки могут значительно отличаться от оцениваемых параметров. Поэтому, чтобы получить представление о близости между параметром и его оценкой, в математической статистике вводятся, так называемые, интервальные оценки.

Пусть во выборке для параметра q найдена точечная оценка q * . Обычно исследователи заранее задаются некоторой достаточно большой вероятностью g (например, 0,95; 0,99 или 0,999) такой, что событие с вероятностью g можно считать практически достоверным, и ставят вопрос об отыскании такого значения e > 0, для которого

.

Видоизменив это равенство, получим:

и будем в этом случае говорить, что интервал ]q * - e; q * + e[ покрывает оцениваемый параметр q с вероятностью g.

Интервал ]q * -e; q * +e [ называется доверительным интервалом .

Вероятность g называется надежностью (доверительной вероятностью) интервальной оценки.

Концы доверительного интервала, т.е. точки q * -e и q * +e называются доверительными границами .

Число e называется точностью оценки .

В качестве примера задачи об определении доверительных границ, рассмотрим вопрос об оценке математического ожидания случайной величины Х, имеющей нормальный закон распределения с параметрами а и s, т.е. Х = N(a , s). Математическое ожидание в этом случае равно а . По наблюдениям Х 1 , Х 2 , Х n вычислим среднее и оценку дисперсии s 2 .

Оказывается, что по данным выборки можно построить случайную величину

которая имеет распределение Стьюдента (или t-распределение) с n = n -1 степенями свободы.

Воспользуемся таблицей П.1.3 и найдем для заданных вероятности g и числа n число t g такое, при котором вероятность

P(|t(n)| < t g) = g,

.

Сделав очевидные преобразования получим,

Порядок применения F-критерия следующий:

1. Принимается предположение о нормальности распределения генеральных совокупностей. При заданном уровне значимости a формулируется нулевая гипотеза Н 0: s х 2 = s y 2 о равенстве генеральных дисперсий нормальных совокупностей при конкурирующей гипотезе Н 1: s х 2 > s y 2 .

2. Получают две независимые выборки из совокупностей Х и Y объемом n x и n y соответственно.

3. Рассчитывают значения исправленных выборочных дисперсий s х 2 и s y 2 (методы расчета рассмотрены в §13.4). Большую из дисперсий (s х 2 или s y 2) обозначают s 1 2 , меньшую - s 2 2 .

4. Вычисляется значение F-критерия по формуле F набл = s 1 2 / s 2 2 .

5. По таблице критических точек распределения Фишера - Снедекора, по заданному уровню значимости a и числом степеней свободы n 1 = n 1 - 1, n 2 = n 2 - 1 (n 1 - число степеней свободы большей исправленной дисперсии), находится критическая точка F кр (a, n 1 , n 2).

Отметим, что в таблице П.1.7 приведены критические значения одностороннего F-критерия. Поэтому, если применяется двусторонний критерий (Н 1: s х 2 ¹ s y 2), то правостороннюю критическую точку F кр (a/2, n 1 , n 2) ищут по уровню значимости a/2 (вдвое меньше заданного) и числам степеней свободы n 1 и n 2 (n 1 - число степеней свободы большей дисперсии). Левостороннюю критическую точку можно и не отыскивать.

6. Делается вывод: если вычисленное значение F-критерия больше или равно критическому (F набл ³ F кр), то дисперсии различаются значимо на заданном уровне значимости. В противном случае (F набл < F кр) нет оснований для отклонения нулевой гипотезы о равенстве двух дисперсий.

Задача 15.1 . Расход сырья на единицу продукции по старой технологии составил:

По новой технологии:

Предположив, что соответствующие генеральные совокупности X и Y имеют нормальные распределения, проверить, что по вариативности расход сырья по новой и старой технологиям не отличаются, если принять уровень значимости a = 0,1.

Решение . Действуем в порядке, указанном выше.

1. Будем судить о вариативности расхода сырья по новой и старой технологиям по величинам дисперсий. Таким образом, нулевая гипотеза имеет вид Н 0: s х 2 = s y 2 . В качестве конкурирующей примем гипотезу Н 1: s х 2 ¹ s y 2 , поскольку заранее не уверены в том, что какая-либо из генеральных дисперсий больше другой.

2-3. Найдем выборочные дисперсии. Для упрощения вычислений перейдем к условным вариантам:

u i = x i - 307, v i = y i - 304.

Все вычисления оформим в виде следующих таблиц:

Контроль: å m i u i 2 + 2å m i u i + m i = Контроль: å n i v i 2 + 2å n i v i + n i = 13 + 2 + 9 = 24 = 34 + 20 + 13 = 67

Найдем исправленные выборочные дисперсии:

4. Сравним дисперсии. Найдем отношение большей исправленной дисперсии к меньшей:

.

5. По условию конкурирующая гипотеза имеет вид s х 2 ¹ s y 2 , поэтому критическая область двусторонняя и при отыскании критической точки следует брать уровни значимости, вдвое меньше заданного.

По таблице П.1.7 по уровню значимости a/2 = 0,1/2 = 0,05 и числам степеней свободы n 1 = n 1 - 1 = 12, n 2 = n 2 - 1 = 8 находим критическую точку F кр (0,05; 12; 8) = 3,28.

6. Так как F набл. < F кр то гипотезу о равенстве дисперсий расхода сырья при старой и новой технологиях принимаем.

Выше при проверке гипотез предполагалось нормальность распределения исследуемых случайных величин. Однако специальные исследования показали, что предложенные алгоритмы весьма устойчивы (особенно при больших объемах выборок) по отношению к отклонению от нормального распределения.

Важнейшими числовыми характеристиками случайной величины Х являются её математическое ожидание m x =M и дисперсия σ 2 x =D[x] = M[(X – m x) 2 ] = M – . Число m x является средним значением случайной величины, около которого разбросаны значения величин Х , мерой этого разброса являются дисперсия D[x] и среднеквадратическое отклонение:

s x = (1.11)

Мы будем в дальнейшем рассмотривать важную задачу для исследования наблюдаемой случайной величины. Пусть имеется некоторая выборка (будем обозначать её S ) случайной величины Х . Требуется по имеющейся выборке оценить неизвестные значения m x и .

Теория оценок различных параметров занимает в математической статистике значительное место. Поэтому рассмотрим сначала общую задачу. Пусть требуется оценить некоторый параметр a по выборке S . Каждая такая оценка a* является некоторой функцией a*=a*(S) от значений выборки. Значения выборки случайны, поэтому и сама оценка a* является случайной величиной. Можно построить множество различных оценок (то есть функций) a* , но при этом желательно иметь «хорошую» или даже «наилучшую», в некотором смысле, оценку. К оценкам обычно предъявляются следующие три естественных требования.

1. Несмещённость. Математическое ожидание оценки a* должно равняться точному значению параметра: M = a . Другими словами, оценка a* не должна иметь систематической ошибки.

2. Состоятельность. При бесконечном увеличении объёма выборки, оценка a* должна сходиться к точному значению, то есть при увеличении числа наблюдений ошибка оценки стремится к нулю.

3. Эффективность. Оценка a* называется эффективной, если она не смещена и имеет минимально возможную дисперсию ошибки. В этом случае минимален разброс оценки a* относительно точного значения и оценка в определённом смысле является «самой точной».

К сожалению, не всегда удаётся построить оценку, удовлетворяющую всем трём требованиям одновременно.

Для оценки математического ожидания чаще всего применяется оценка.

= , (1.12)

то есть среднее арифметическое по выборке. Если случайная величина X имеет конечные m x и s x , то оценка (1.12) не смещена и состоятельна. Эта оценка эффективна, например, если X имеет нормальное распределение (рис.п.1.4, приложение 1). Для других распределений она может оказаться неэффективной. Например, в случае равномерного распределения (рис.п.1.1, приложение 1) несмещённой, состоятельной оценкой будет

(1.13)

В то же время оценка (1.13) для нормального распределения не будет ни состоятельной, ни эффективной, и будет даже ухудшаться с ростом объёма выборки.

Таким образом, для каждого типа распределения случайной величины Х следовало бы использовать свою оценку математического ожидания. Однако в нашей ситуации тип распределения может быть известен лишь предположительно. Поэтому будем использовать оценку (1.12), которая достаточно проста и имеет наиболее важные свойства несмещённости и состоятельности.

Для оценки математического ожидания по группированной выборке используется следующая формула:

= , (1.14)

которую можно получить из предыдущей, если считать все m i значений выборки, попавших в i –й интервал, равными представителю z i этого интервала. Эта оценка, естественно, грубее, но требует значительно меньшего объёма вычислений, особенно при большом объёме выборки.

Для оценки дисперсии чаще всего используется оценка:

= , (1.15)

Эта оценка не смещена и состоятельна для любой случайной величины Х , имеющей конечные моменты до четвёртого порядка включительно.

В случае группированной выборки используется оценка:

= (1.16)

Оценки (1.14) и (1.16), как правило, смещены и несостоятельны, так как их математические ожидания и пределы, к которым они сходятся, отличны от m x и в силу замены всех значений выборки, попавших в i –й интервал, на представителя интервала z i .

Отметим, что при больших n, коэффициент n /(n – 1) в выражениях (1.15) и (1.16) близок к единице, поэтому его можно опустить.

Интервальные оценки.

Пусть точное значение некоторого параметра равно a и найдена его оценка a*(S) по выборке S . Оценке a* соответствует точка на числовой оси (рис.1.5), поэтому такая оценка называется точечной . Все оценки, рассмотренные в предыдущем параграфе, точечные. Практически всегда, в силу случайности

a* ¹ a , и мы можем надеяться только на то, что точка a* находится где–то вблизи a . Но насколько близко? Любая другая точечная оценка будет иметь тот же недостаток – отсутствие меры надёжности результата.

Рис.1.5. Точечная оценка параметра.

Более определённым в этом отношении являются интервальные оценки . Интервальные оценка представляет собой интервал I b = (a , b) , в котором точное значение оцениваемого параметра находится с заданной вероятностью b . Интервал I b называется доверительным интервалом , а вероятность b называется доверительной вероятностью и может рассматриваться как надёжность оценки .

Доверительный интервал состоится по имеющейся выборке S , он случаен в том смысле, что случайны его границы a(S) и b(S) , которые мы будем вычислять по (случайной) выборке. Поэтому b есть вероятность того, что случайный интервал I b накроет неслучайную точку a . На рис. 1.6. интервал I b накрыл точку a , а I b * - нет. Поэтому не совсем правильно говорить, что a « попадает» в интервал.

Если доверительная вероятность b велика (например, b = 0,999 ), то практически всегда точное значение a находится в построенном интервале.

Рис.1.6. Доверительные интервалы параметра a для различных выборок.

Рассмотрим метод построения доверительного интервала для математического ожидания случайной величины Х, основанный на центральной предельной теореме .

Пусть случайная величина Х имеет неизвестное математическое ожидание m x и известную дисперсию . Тогда, в силу центральной предельной теоремы, среднее арифметическое:

= , (1.17)

результатов n независимых испытаний величины Х является случайной величиной, распределение которой при больших n , близко к нормальному распределению со средним m x и среднеквадратическим отклонением . Поэтому случайная величина

(1.18)

имеет распределение вероятностей, которое можно считать стандартным нормальным с плотностью распределения j(t) , график которой изображён на рис.1.7 (а также на рис.п.1.4, приложение 1).

Рис.1.7. Плотность распределения вероятностей случайной величины t .

Пусть задана доверительная вероятность b и t b - число, удовлетворяющее уравнению

b = Ф 0 (t b) – Ф 0 (-t b) = 2 Ф 0 (t b), (1.19)

где - функция Лапласа . Тогда вероятность попадания в интервал (-t b , t b) будет равна заштрихованной на рис.1.7. площади, и, в силу выражения (1.19), равна b . Следовательно

b = P(-t b < < t b) = P( – t b < m x < + t b ) =

= P( – t b < m x < + t b ) . (1.20)

Таким образом, в качестве доверительного интервала можно взять интервал

I b = ( – t b ; + t b ) , (1.21)

так как выражение (1.20) означает, что неизвестное точное значение m x находится в I b с заданной доверительной вероятностью b . Для построения I b нужно по заданному b найтиt b из уравнения (1.19). Приведём несколько значений t b , необходимых в дальнейшем :

t 0,9 = 1,645; t 0,95 = 1,96; t 0,99 = 2,58; t 0,999 = 3,3.

При выводе выражения (1.21) предполагалось, что известно точное значение среднеквадратического отклонения s х . Однако оно известно далеко не всегда. Воспользуемся поэтому его оценкой (1.15) и получим:

I b = ( – t b ; + t b ) . (1.22)

Соответственно, оценки и , полученные по группированной выборке, дают следующую формулу для доверительного интервала:

I b = ( – t b ; + t b ) . (1.23)

Оценки математического ожидания и дисперсии.

С понятием параметров распределения мы познакомились в теории вероятностей. Например, в нормальном законе распределения, задаваемом функцией плотности вероятности

параметрами служат а – математическое ожидание и а – среднее квадратическое отклонение. В распределении Пуассона параметром является число а = пр.

Определение. Статистической оценкой неизвестного параметра теоретического распределения называют его приближенное значение, зависящее от данных выборки (х 1 , х 2 , х 3 , ..., х k ; п 1 , п 2 , п 3 , ..., п k ), т. е. некоторую функцию этих величин.

Здесь х 1 , х 2 , х 3 , ..., х k – значения признака, п 1 , п 2 , п 3 , ..., п k –соответствующие частоты. Статистическая оценка является случайной величиной.

Обозначим через θ – оцениваемый параметр, а через θ * – его статистическую оценку. Величину |θ *–θ | называют точностью оценки. Чем меньше |θ *–θ |, тем лучше, точнее определен неизвестный параметр.

Чтобы оценка θ * имела практическое значение, она не должна содержать систематической ошибки и вместе с тем иметь возможно меньшую дисперсию. Кроме того, при увеличении объема выборки вероятность сколь угодно малых отклонений |θ *–θ | должна быть близка к 1.

Сформулируем следующие определения.

1. Оценка параметра называется несмещенной, если ее математическое ожидание М (θ *) равно оцениваемому параметру θ , т. е.

М (θ *) = θ, (1)

и смещенной, если

М (θ *) ≠ θ, (2)

2. Оценка θ* называется состоятельной, если при любом δ > 0

(3)

Равенство (3) читается так: оценка θ * сходится по вероятности к θ .

3. Оценка θ* называется эффективной, если при заданном п она имеет наименьшую дисперсию.

Теорема 1. Выборочная средняя Х В является несмещенной и состоятельной оценкой математического ожидания.

Доказательство. Пусть выборка репрезентативна, т. е.. все элементы генеральной совокупности имеют одинаковую возможность попасть в выборку. Значения признака х 1 , х 2 , х 3 ,...,х n можно принять за независимые случайные величины Х 1 , Х 2 , Х 3 , ...,Х n с одинаковыми распределениями и числовыми характеристиками, в том числе с равными математическими ожиданиями, равными а,

Так как каждая из величин Х 1 , Х 2 , Х 3 , …, Х п имеет распределение, совпадающее с распределением генеральной совокупности, то М (Х ) = а. Поэтому

откуда следует, что – состоятельная оценка М (Х ).

Используя правило исследования на экстремум, можно доказать, что является и эффективной оценкой М (Х ).