Критерии хи-квадрат: задачи с пошаговыми решениями

Другие названия: хи-квадрат · критерий Пирсона · критерий χ²

Бесплатные задачи по теме Критерии хи-квадрат с рисунками, подсказками и подробными решениями. Каждый раз новые значения, трёх уровней: согласие с распределением, проверка независимости, решение по критическому значению.

Бесплатная задачаЛёгкая
цветкрасныеоранжевыйжёлтыйзелёныесиниенаблюдаемые6129442145заявленные30%20%20%15%15%

Производитель конфет заявляет доли цветов, указанные в таблице. Случайная выборка из 200 конфет даёт наблюдаемые частоты. Вычислите статистику критерия согласия хи-квадрат χ² для H₀: заявленные доли верны.

n = 200k = 5
Следующая задача →

Что вы отрабатываете

  1. Лёгкаясогласие с распределением
  2. Средняяпроверка независимости
  3. Сложнаярешение по критическому значению

Основные формулы

Статистика критерия
χ² = Σ(O − E)²/E
Согласие с распределением
E = n·p, df = k − 1 − (estimated parameters)
Независимость
E = row total × column total / grand total, df = (r − 1)(c − 1)
Критические значения (α = 0,05)
df 1: 3,841, 2: 5,991, 3: 7,815, 4: 9,488
Решение
отвергнуть H0, если χ² > χ²crit

Изучите тему «Критерии хи-квадрат» с нуля

Перед этим: Проверка гипотез и доверительные интервалы

1Что делает критерий хи-квадрат

Критерий хи-квадрат (χ²) сравнивает частоты. Он проверяет, отличаются ли наблюдаемые вами частоты от ожидаемых сильнее, чем можно объяснить случайностью.

Пример: вы бросаете кубик 60 раз. Если он правильный, каждая грань должна выпасть примерно 60 · 1/6 = 10 раз. Это ожидаемые частоты E.

Вы наблюдаете 8, 12, 9, 11, 6 и 14. Это наблюдаемые частоты O. Они никогда не равны ровно 10, даже для правильного кубика. Вопрос в том, слишком ли они далеки от 10.

Как и в любой проверке гипотез, H₀ утверждает, что ничего особенного не происходит: кубик правильный или две переменные независимы.

Самопроверка Кубик бросают 120 раз, чтобы проверить, правильный ли он. Какова ожидаемая частота для каждой грани?
  1. 1/6
  2. 120
  3. 20
  4. 6

Ответ: 20. E = n · p = 120 · 1/6 = 20. Вероятность 1/6 — это не частота; её нужно умножить на число бросков.

2Статистика критерия

Для каждой категории возьмите разность O − E, возведите её в квадрат и разделите на E. Затем сложите по всем категориям:

χ² = Σ (O − E)² / E

Возведение в квадрат делает каждое слагаемое положительным. Деление на E приводит к тому, что разность 4 весит больше, когда ожидалось только 10, чем когда ожидалось 1000.

Для кубика: (8 − 10)²/10 + (12 − 10)²/10 + … + (14 − 10)²/10 = (4 + 4 + 1 + 1 + 16 + 16)/10 = 4,2.

Число степеней свободы для этого критерия согласия равно df = k − 1, где k — число категорий. Шесть граней дают df = 5.

Большое значение χ² означает, что данные плохо согласуются с H₀. Отклоняйте H₀, если χ² больше критического значения из таблицы. При α = 0,05:

  • df 1: 3,841, df 2: 5,991, df 3: 7,815
  • df 4: 9,488, df 5: 11,070, df 6: 12,592

Для кубика 4,2 меньше 11,070, поэтому нет оснований считать его неправильным.

Самопроверка У одной категории O = 14 и E = 10. Какой вклад она вносит в χ²?
  1. 0,4
  2. 1,6
  3. 16
  4. 4

Ответ: 1,6. (14 − 10)²/10 = 16/10 = 1,6. Если забыть возвести в квадрат, получится 0,4, а если забыть разделить на E — 16.

3Критерий независимости

Таблица сопряжённости считает случаи сразу по двум переменным, например по лечению (строки) и результату (столбцы). H₀: две переменные независимы.

Если они независимы, ожидаемая частота в каждой ячейке следует из итогов:

E = итог по строке × итог по столбцу / общий итог

Затем χ² вычисляется по той же формуле, что и раньше, по всем ячейкам таблицы, без итогов.

df = (r − 1)(c − 1)

Здесь r — число строк, а c — число столбцов, не считая итогов. У таблицы 2×2 df = 1.

Самопроверка В таблице с общим итогом 120 у ячейки итог по строке 40, а по столбцу 30. Какова её ожидаемая частота?
  1. 10
  2. 1200
  3. 3
  4. 70

Ответ: 10. E = 40 · 30 / 120 = 1200/120 = 10. 1200 получается, если забыть разделить на общий итог.

4Метод по шагам

  1. Сформулируйте H₀: заявленные доли верны (критерий согласия) или переменные независимы.
  2. Вычислите все ожидаемые частоты: E = n · p или итог по строке × итог по столбцу / общий итог.
  3. Для каждой ячейки вычислите (O − E)²/E. Сложите всё, чтобы получить χ².
  4. Найдите df: k − 1 для критерия согласия, (r − 1)(c − 1) для независимости.
  5. Найдите критическое значение для этого df при α = 0,05.
  6. Отклоните H₀, если χ² больше критического значения. Сформулируйте вывод словами.

Проверка: ожидаемые частоты в каждой строке и столбце в сумме дают те же итоги, что и наблюдаемые частоты.

5Разобранный пример

Пройдите каждый шаг. Попробуйте предсказать следующий, прежде чем открыть его.

Разобранный пример

В испытании 120 пациентов получают новое лекарство (строка A), а 100 — плацебо (строка B). В столбце 1 указано число пациентов, у которых наступило улучшение, в столбце 2 — тех, у кого нет. Проверьте при α = 0,05, не зависит ли результат от лечения.

1

Прочитайте таблицу

12ΣABΣ56641205446100110110220

Итоги по строкам: 120 и 100. Итоги по столбцам: 110 и 110. Общий итог: 220.

2

Ожидаемые частоты

EA1 = 120 · 110 / 220 = 60, EA2 = 60
EB1 = 100 · 110 / 220 = 50, EB2 = 50
12ΣABΣ56(60)64(60)12054(50)46(50)100110110220
3

Статистика

χ² = (56 − 60)²/60 + (64 − 60)²/60 + (54 − 50)²/50 + (46 − 50)²/50
χ² = 0,267 + 0,267 + 0,32 + 0,32 = 1,173
4

Степени свободы и критическое значение

df = (2 − 1)(2 − 1) = 1, χ²crit = 3,841
5

Примите решение

3,8415%1,17χ²

1,173 меньше 3,841, поэтому χ² не попадает в критическую область. H₀ не отклоняется.

Ответ

χ² ≈ 1,17 < 3,841: нет значимых оснований считать, что улучшение зависит от лечения.

6Типичные ошибки

  • Использовать проценты или доли вместо частот. χ² работает только с частотами.
  • Делить на O вместо E.
  • Включать в сумму строку или столбец итогов.
  • Использовать неверное df: для таблицы это (r − 1)(c − 1), а не число ячеек минус один.
  • Отклонять H₀, когда χ² меньше критического значения. Лишь большое χ² свидетельствует против H₀.
Самопроверка Критерий независимости использует таблицу из 3 строк и 4 столбцов (без учёта итогов). Сколько у него степеней свободы?
  1. 11
  2. 12
  3. 5
  4. 6

Ответ: 6. df = (3 − 1)(4 − 1) = 2 · 3 = 6. 11 — это число ячеек минус один, то есть правило критерия согласия, ошибочно применённое к таблице.

7Как выглядят экзаменационные задачи

  • Лёгкая: критерий согласия. Частоты граней кубика или цветов конфет сравниваются с заявленными долями; вычислите χ².
  • Средняя: критерий независимости. Вычислите ожидаемые частоты по итогам, а затем χ², без поправки на непрерывность.
  • Сложная: решение по критическому значению. Найдите df и критическое значение χ²crit при α = 0,05 по таблице.

Быстрая проверка: χ² никогда не бывает отрицательным и равно 0 только тогда, когда каждая наблюдаемая частота равна ожидаемой.

Изучайте шаг за шагом в приложенииИзучайте шаг за шагом в приложении

Разобранные примеры

Пример 1Лёгкая
грань123456наблюдаемые534862505433

Игральную кость бросают 300 раз, чтобы проверить, правильная ли она. Показано, сколько раз выпала каждая грань. Вычислите статистику критерия согласия хи-квадрат χ² для H₀: каждая грань выпадает с вероятностью 1/6.

n = 300k = 6

Найти: χ²

Показать подсказки
  1. Ожидаемые частоты при H₀: E = n·p для каждой категории.
  2. E = 50, 50, 50, 50, 50, 50.
  3. Сложите (O − E)²/E по всем категориям.
Показать ответ и пошаговое решение

Критерии хи-квадрат: сравнивают наблюдаемые частоты O с частотами E, ожидаемыми при H₀, по формуле χ² = Σ(O − E)²/E. Согласие с распределением: E = n·p для каждой категории, df = k − 1 (и ещё минус один за каждый параметр, оцениваемый по данным). Независимость в таблице r × c: E = итог по строке × итог по столбцу / общий итог, df = (r − 1)(c − 1). Отвергайте H₀, когда χ² превышает критическое значение для выбранного α.

Ожидаемые частоты

E = 300·p = 50, 50, 50, 50, 50, 50

Статистика хи-квадрат

χ² = (53 − 50)²/50 + (48 − 50)²/50 + (62 − 50)²/50 + (50 − 50)²/50 + (54 − 50)²/50 + (33 − 50)²/50
χ² = 9,24

Ответ

χ² = 9,24

df = 5. При α = 0,05 критическое значение равно 11,070, поэтому H₀ не отвергается.

Пример 2Средняя
кашельнет кашляИтогокурящие334780некурящие3961100Итого72108180

Таблица сопряжённости содержит наблюдаемые частоты. Вычислите статистику хи-квадрат χ² для проверки независимости переменных строк и столбцов. Поправку на непрерывность не применяйте.

N = 1802 × 2

Найти: χ²

Показать подсказки
  1. Ожидаемая частота каждой клетки: E = итог по строке × итог по столбцу / общий итог.
  2. E = 32, 48 | 40, 60.
  3. Сложите (O − E)²/E по всем 4 клеткам.
Показать ответ и пошаговое решение

Критерии хи-квадрат: сравнивают наблюдаемые частоты O с частотами E, ожидаемыми при H₀, по формуле χ² = Σ(O − E)²/E. Согласие с распределением: E = n·p для каждой категории, df = k − 1 (и ещё минус один за каждый параметр, оцениваемый по данным). Независимость в таблице r × c: E = итог по строке × итог по столбцу / общий итог, df = (r − 1)(c − 1). Отвергайте H₀, когда χ² превышает критическое значение для выбранного α.

Ожидаемые частоты

курящие: 80·72/180 = 32, 80·108/180 = 48
некурящие: 100·72/180 = 40, 100·108/180 = 60

Статистика хи-квадрат

χ² = (33 − 32)²/32 + (47 − 48)²/48 + (39 − 40)²/40 + (61 − 60)²/60
χ² = 0,09375

Ответ

χ² = 0,09375

df = 1. При α = 0,05 критическое значение равно 3,841, поэтому H₀ (независимость) не отвергается.

Пример 3Сложная

Критерий независимости хи-квадрат применяется к таблице сопряжённости с 2 строками и 6 столбцами (не считая итогов). Сколько степеней свободы df у критерия?

2 × 6

Найти: df

Показать подсказки
  1. Число степеней свободы показывает, сколько клеток могут свободно меняться, когда итоги (и оцениваемые параметры) зафиксированы.
  2. Согласие с распределением: k − 1, минус один за каждый оцениваемый параметр.
  3. Независимость: (r − 1)(c − 1).
Показать ответ и пошаговое решение

Критерии хи-квадрат: сравнивают наблюдаемые частоты O с частотами E, ожидаемыми при H₀, по формуле χ² = Σ(O − E)²/E. Согласие с распределением: E = n·p для каждой категории, df = k − 1 (и ещё минус один за каждый параметр, оцениваемый по данным). Независимость в таблице r × c: E = итог по строке × итог по столбцу / общий итог, df = (r − 1)(c − 1). Отвергайте H₀, когда χ² превышает критическое значение для выбранного α.

Степени свободы

df = (2 − 1)·(6 − 1) = 5

Ответ

df = 5

Вопросы и ответы

Критерии хи-квадрат: что это?

Критерий хи-квадрат (χ²) сравнивает частоты. Он проверяет, отличаются ли наблюдаемые вами частоты от ожидаемых сильнее, чем можно объяснить случайностью.

Пример: вы бросаете кубик 60 раз. Если он правильный, каждая грань должна выпасть примерно 60 · 1/6 = 10 раз. Это ожидаемые частоты E.

Критерии хи-квадрат: как решать задачи шаг за шагом?

Критерии хи-квадрат: сравнивают наблюдаемые частоты O с частотами E, ожидаемыми при H₀, по формуле χ² = Σ(O − E)²/E. Согласие с распределением: E = n·p для каждой категории, df = k − 1 (и ещё минус один за каждый параметр, оцениваемый по данным). Независимость в таблице r × c: E = итог по строке × итог по столбцу / общий итог, df = (r − 1)(c − 1). Отвергайте H₀, когда χ² превышает критическое значение для выбранного α.

Критерии хи-квадрат: какие ошибки самые частые?
  • Делите каждую квадратную разность на ожидаемую частоту E, а не на наблюдаемую O.
  • Делите каждую квадратную разность на её собственную ожидаемую частоту E до суммирования, а не сумму на n.
  • Ожидаемые частоты получаются из маргинальных итогов, а не равномерным распределением общего итога: E = итог по строке × итог по столбцу / общий итог.
Критерии хи-квадрат: что вы тренируете?
  • Лёгкая: согласие с распределением
  • Средняя: проверка независимости
  • Сложная: решение по критическому значению

В каждой задаче новые значения, поэтому вы учите метод, а не ответ. Застряли? Сначала откройте небольшую подсказку, а полное объяснение — только когда оно понадобится.

Как проходят занятия

  • В каждой задаче новые значения, поэтому вы учите метод, а не ответ.
  • Застряли? Сначала откройте небольшую подсказку, а полное объяснение — только когда оно понадобится.
  • Ваш прогресс, ошибки и сохранённые задачи остаются, поэтому перед экзаменом вы сможете всё повторить.

Темы до и после этой

Сначала изучите

Калькуляторы

Курсы с этой темой

Другие темы: Математика и статистика

Лист заданий для печати