核心概念与定义
9 项
定义
#B
点估计: 用样本统计量的一个具体数值,作为总体参数的估计值
\(
\begin{aligned}
&\text{一般地,当总体 }X\text{ 的分布函数 }F(x;\theta_{1},\theta_{2},\dots,\theta_{k})\text{ 的形式已知,}\\
&\text{但其中存在未知参数 }\theta_{1},\theta_{2},\dots,\theta_{k}\text{,甚至分布函数的形式未知时,}\\
&\text{可以利用如下估计参数的方法:设 }(X_{1},X_{2},\dots,X_{n})\text{ 是总体 }X\text{ 的一个样本,}\\
&\text{根据一定的原理,用 }(X_{1},X_{2},\dots,X_{n})\text{ 构造统计量 }\hat{\theta}_{j}=\hat{\theta}_{j}(X_{1},X_{2},\dots,X_{n}),\\
&j=1,2,\dots,k,\text{ 然后再代入样本数据 }(x_{1},x_{2},\dots,x_{n}),\\
&\text{由此对未知参数 }\theta_{j}\;(j=1,2,\dots,k)\text{ 进行估计。}\\[6pt]
&\text{这种用 }(X_{1},X_{2},\dots,X_{n})\text{ 构造统计量去估计未知参数的方法称为}\textbf{点估计法}。
\end{aligned}
\)
定义
#E
E
\(
\begin{aligned}
&\textbf{区间估计中置信区间的定义:}\\
&\text{设总体 }X\text{ 的分布函数为 }F(x;\theta),\;\theta\text{ 为未知参数},\;
(X_{1},X_{2},\dots,X_{n})\text{ 是来自总体 }X\text{ 的一个样本}.\\
&\forall\,\alpha\,(0<\alpha<1),\;\text{若存在统计量 }\hat{\theta}_{1}=\hat{\theta}_{1}(X_{1},X_{2},\dots,X_{n})\;
\text{和 }\hat{\theta}_{2}=\hat{\theta}_{2}(X_{1},X_{2},\dots,X_{n})\\
&\text{使得 }P\bigl(\hat{\theta}_{1}<\theta<\hat{\theta}_{2}\bigr)=1-\alpha,\\
&\text{则称区间 }\bigl(\hat{\theta}_{1},\hat{\theta}_{2}\bigr)\text{ 是 }\theta\text{ 的置信度为 }1-\alpha\text{ 的置信区间},\\
&\hat{\theta}_{1}\text{ 和 }\hat{\theta}_{2}\text{ 分别称为置信下限与置信上限。}
\end{aligned}
\)
定义
#B21
以样本k阶原点矩等式替代总体k阶原点矩,求解参数估计值
\(
\begin{aligned}
&\text{设总体 }X\text{ 的分布函数为 }F\bigl(x;\theta_{1},\theta_{2},\dots,\theta_{k}\bigr),
\text{其中待估计参数为 }\theta_{1},\theta_{2},\dots,\theta_{k}.\\
&\text{假设 }k\text{ 阶原点矩 }\mu_{r}\bigl(\theta_{1},\theta_{2},\dots,\theta_{k}\bigr)=E\bigl(X^{r}\bigr)
\text{ 存在,}r=1,2,\dots,k.\\
&\text{由大数定律,可列出矩方程组:}\\
&\qquad
\begin{cases}
\mu_{1}\bigl(\theta_{1},\theta_{2},\dots,\theta_{k}\bigr)=
\dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i=1}^{n}X_{i},\\[12pt]
\mu_{2}\bigl(\theta_{1},\theta_{2},\dots,\theta_{k}\bigr)=
\dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i=1}^{n}X_{i}^{2},\\
\;\;\vdots\\
\mu_{k}\bigl(\theta_{1},\theta_{2},\dots,\theta_{k}\bigr)=
\dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i=1}^{n}X_{i}^{k}.
\end{cases}\\[10pt]
&\text{若方程组有解(实际上,上述方程组均为近似方程)}\\
&\qquad
\hat{\theta}_{1}=\hat{\theta}_{1}(X_{1},X_{2},\dots,X_{n}),\;
\hat{\theta}_{2}=\hat{\theta}_{2}(X_{1},X_{2},\dots,X_{n}),\;\dots,\;
\hat{\theta}_{k}=\hat{\theta}_{k}(X_{1},X_{2},\dots,X_{n}),\\
&\text{则称 }\hat{\theta}_{1},\hat{\theta}_{2},\dots,\hat{\theta}_{k}
\text{ 为参数 }\theta_{1},\theta_{2},\dots,\theta_{k}\text{ 的矩估计量。}\\[6pt]
&\text{相应地,其样本值为}\\
&\qquad
\hat{\theta}_{1}=\hat{\theta}_{1}(x_{1},x_{2},\dots,x_{n}),\;
\hat{\theta}_{2}=\hat{\theta}_{2}(x_{1},x_{2},\dots,x_{n}),\;\dots,\;
\hat{\theta}_{k}=\hat{\theta}_{k}(x_{1},x_{2},\dots,x_{n}),\\
&\text{这组数即为参数 }\theta_{1},\theta_{2},\dots,\theta_{k}\text{ 的矩估计值。}
\end{aligned}
\)
定义
#B31
依样本数据,取使样本出现概率(即似然函数值)最大的参数为总体参数估计
\(
\begin{aligned}
&\text{求最大似然估计的一般步骤如下:}\\
&\textbf{(1)}\;\text{写出似然函数 }L(\theta_{1},\theta_{2},\dots,\theta_{k})\text{ 或对数似然函数 }\ln L(\theta_{1},\theta_{2},\dots,\theta_{k});\\
&\textbf{(2)}\;\text{写出似然方程组}\\
&\qquad
\frac{\partial L(\theta_{1},\theta_{2},\dots,\theta_{k})}{\partial \theta_{i}}
=0,\;i=1,2,\dots,k\\
&\text{或}\\
&\qquad
\frac{\partial\,\ln L(\theta_{1},\theta_{2},\dots,\theta_{k})}{\partial \theta_{i}}
=0,\;i=1,2,\dots,k;\\
&\textbf{(3)}\;\text{求解上述方程组得到 }\widehat{\theta}_{i}=\widehat{\theta}_{i}(x_{1},x_{2},\dots,x_{n}),\\
&\qquad
\text{于是 }\widehat{\theta}_{i}=\widehat{\theta}_{i}(x_{1},x_{2},\dots,x_{n})
\text{ 称为参数 }\theta_{i}\,(i=1,2,\dots,k)\text{ 的最大似然估计值},\\
&\qquad
\text{相应的统计量 }\widehat{\theta}_{i}(X_{1},X_{2},\dots,X_{n})
\text{ 称为参数 }\theta_{i}\,(i=1,2,\dots,k)\text{ 的最大似然估计量}.
\end{aligned}
\)
定义
#C11
估计量的数学期望 等于待估计参数
\(
\begin{aligned}
&\text{设参数 }\theta\text{ 的估计量为 }\hat{\theta}=\hat{\theta}(X_{1},X_{2},\dots,X_{n}),\;\text{若}\;E(\hat{\theta})=\theta,\\
&\text{则称 }\hat{\theta}\text{ 是 }\theta\text{ 的无偏估计量;反之若 }E(\hat{\theta})\neq\theta,\;\text{则称 }\varepsilon=E(\hat{\theta})-\theta\text{ 为估计量 }\hat{\theta}\text{ 的偏差。}
\end{aligned}
\)
定义
#C21
无偏估计量中, 方差越小越有效
\(
\begin{aligned}
&\text{设 }\hat{\theta}_{1}=\hat{\theta}_{1}(X_{1},X_{2},\dots,X_{n})\text{ 和 }\hat{\theta}_{2}=\hat{\theta}_{2}(X_{1},X_{2},\dots,X_{n})\text{ 均为参数 }\theta\text{ 的无偏估计量},\\
&\text{若 }D(\hat{\theta}_{1})\lt D(\hat{\theta}_{2}),\;\text{则称 }\hat{\theta}_{1}\text{ 比 }\hat{\theta}_{2}\text{ 有效。}
\end{aligned}
\)
定义
#C31
估计量依概率收敛于 待估参数
\(
\begin{aligned}
&\text{设 }\hat{\theta}_{n}=\hat{\theta}_{n}(X_{1},X_{2},\dots,X_{n})\text{ 是参数 }\theta\text{ 的估计量,若随机变量序列 }\{\hat{\theta}_{n}\}\text{ 依概率收敛于 }\theta,\\
&\text{即 }\forall\,\varepsilon>0,\;\lim_{n\to+\infty}P\bigl(\,|\hat{\theta}_{n}-\theta|<\varepsilon\,\bigr)=1
\;\text{或}\;\lim_{n\to+\infty}P\bigl(\,|\hat{\theta}_{n}-\theta|\ge\varepsilon\,\bigr)=0,\\
&\text{则称 }\hat{\theta}_{n}\text{ 是 }\theta\text{ 的一致估计量(或相合估计量)。}
\end{aligned}
\)
定义
#D5
注意
\[
\begin{array}{c}
\boxed{\text{单个正态总体}}\\[4pt]
\begin{array}{|c|c|c|}
\hline
\text{待估参数} & \text{已知 / 未知量及枢轴量} & 1-\alpha\;\text{置信区间} \\ \hline
\mu &
\sigma^{2}\;\text{已知},\;
U=\dfrac{\bar X-\mu}{\sigma/\sqrt n}\sim N(0,1) &
\Bigl(\bar X-u_{\alpha/2}\;\dfrac{\sigma}{\sqrt n},\;
\bar X+u_{\alpha/2}\;\dfrac{\sigma}{\sqrt n}\Bigr)
\\ \hline
\mu &
\sigma^{2}\;\text{未知},\;
T=\dfrac{\bar X-\mu}{S/\sqrt n}\sim t(n-1) &
\Bigl(\bar X-t_{\alpha/2}(n-1)\;\dfrac{S}{\sqrt n},\;
\bar X+t_{\alpha/2}(n-1)\;\dfrac{S}{\sqrt n}\Bigr)
\\ \hline
\sigma^{2} &
\mu\;\text{未知},\;
\chi^{2}=\dfrac{(n-1)S^{2}}{\sigma^{2}}\sim\chi^{2}(n-1) &
\Bigl(\dfrac{(n-1)S^{2}}{\chi^{2}_{\alpha/2}(n-1)},\;
\dfrac{(n-1)S^{2}}{\chi^{2}_{1-\alpha/2}(n-1)}\Bigr)
\\ \hline
\sigma^{2} &
\mu\;\text{已知},\;
\chi^{2}=\dfrac{1}{\sigma^{2}}\displaystyle\sum_{i=1}^{n}(X_{i}-\mu)^{2}\sim\chi^{2}(n) &
\Bigl(\dfrac{\displaystyle\sum_{i=1}^{n}(X_{i}-\mu)^{2}}{\chi^{2}_{\alpha/2}(n)},\;
\dfrac{\displaystyle\sum_{i=1}^{n}(X_{i}-\mu)^{2}}{\chi^{2}_{1-\alpha/2}(n)}\Bigr)
\\ \hline
\end{array}
\\[10pt]
\boxed{\text{两个正态总体}}\\[4pt]
\begin{array}{|c|c|c|}
\hline
\text{待估参数} & \text{已知 / 未知量及枢轴量} & 1-\alpha\;\text{置信区间} \\ \hline
\mu_{1}-\mu_{2} &
\begin{array}{l}
\sigma_{1}^{2},\sigma_{2}^{2}\text{ 均未知且不一定相等},\;n_{1}=n_{2}=n\\
\text{配对样本:}\;Z_{i}=X_{i}-Y_{i},\\
\bar Z=\dfrac1n\sum_{i=1}^{n}Z_{i},\;
S_{Z}^{2}=\dfrac1{n-1}\sum_{i=1}^{n}(Z_{i}-\bar Z)^{2}\\
T=\dfrac{\bar Z-(\mu_{1}-\mu_{2})}{S_{Z}/\sqrt n}\sim t(n-1)
\end{array}
&
\Bigl(\bar Z-t_{\alpha/2}(n-1)\;\dfrac{S_{Z}}{\sqrt n},\;
\bar Z+t_{\alpha/2}(n-1)\;\dfrac{S_{Z}}{\sqrt n}\Bigr)
\\ \hline
\mu_{1}-\mu_{2} &
\begin{array}{l}
\sigma_{1}^{2},\sigma_{2}^{2}\text{ 均未知},\;n_{1},n_{2}\gg50\\
S_{1}^{2},S_{2}^{2}\text{ 为样本方差}\\
U\approx\dfrac{\bar X-\bar Y-(\mu_{1}-\mu_{2})}
{\sqrt{\dfrac{S_{1}^{2}}{n_{1}}+\dfrac{S_{2}^{2}}{n_{2}}}}
\sim N(0,1)
\end{array}
&
\Bigl(\bar X-\bar Y-u_{\alpha/2}\,\sqrt{\dfrac{S_{1}^{2}}{n_{1}}+\dfrac{S_{2}^{2}}{n_{2}}},\;
\bar X-\bar Y+u_{\alpha/2}\,\sqrt{\dfrac{S_{1}^{2}}{n_{1}}+\dfrac{S_{2}^{2}}{n_{2}}}\Bigr)
\\ \hline
\dfrac{\sigma_{1}^{2}}{\sigma_{2}^{2}} &
\begin{array}{l}
\text{独立样本,}\sigma_{1}^{2},\sigma_{2}^{2}\text{ 均未知}\\
F=\dfrac{S_{1}^{2}/\sigma_{1}^{2}}{S_{2}^{2}/\sigma_{2}^{2}}
=\dfrac{S_{1}^{2}}{S_{2}^{2}}\;\dfrac{\sigma_{2}^{2}}{\sigma_{1}^{2}}
\sim F(n_{1}-1,n_{2}-1)
\end{array}
&
\Bigl(\dfrac{S_{1}^{2}/S_{2}^{2}}{F_{\alpha/2}(n_{1}-1,n_{2}-1)},\;
\dfrac{S_{1}^{2}/S_{2}^{2}}{F_{1-\alpha/2}(n_{1}-1,n_{2}-1)}\Bigr)
\\ \hline
\end{array}
\end{array}
\]
定义
#D6
D6
\(
\begin{aligned}
&\text{设总体 }X\text{ 的分布任意,}\;(X_{1},X_{2},\dots,X_{n})\text{ 为来自该总体的一组样本}.\\
&\text{欲对未知参数 }\mu=E(X)\text{ 进行区间估计}.\;\text{由中心极限定理,当 }n\text{ 充分大时}\\
&\qquad
U\;=\;\frac{\bar X-\mu}{S/\sqrt n}\;\dot\sim\;N(0,1).\\[6pt]
&\text{对于给定 }\alpha\;(0\lt \alpha\lt 1),\;\text{有}\\
&\qquad
P\bigl(|U|\lt u_{\alpha/2}\bigr)\approx1-\alpha,\\
&\text{即}\\
&\qquad
P\Bigl(\bar X-u_{\alpha/2}\,\tfrac{S}{\sqrt n}\lt \mu \lt \bar X+u_{\alpha/2}\,\tfrac{S}{\sqrt n}\Bigr)\approx1-\alpha.\\[8pt]
&\text{因此,}\mu\text{ 的近似 }1-\alpha\text{ 置信区间为}\\
&\qquad
\Bigl(\bar X-u_{\alpha/2}\,\tfrac{S}{\sqrt n},\;\bar X+u_{\alpha/2}\,\tfrac{S}{\sqrt n}\Bigr).\\[8pt]
&\text{一般要求 }n\gt 50\text{ 以保证近似精度;随着 }n\text{ 增大,近似效果更佳}.
\end{aligned}
\)