描述统计
- 平均数
- x̄ = Σx/n
- 样本标准差
- s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
- 中位数
- 排序后数据的中间值
- z 分数
- z = (x − μ)/σ
- 正态分布
- 68% 落在 ±1σ 内,95% 落在 ±2σ 内
公式表、每个专题的关键方法步骤和 16 道练习题,完整解答附在最后。
在完全正态分布中:
一项有 10 名参与者的研究发现了一个大但不显著的效应。最恰当的结论是什么?
求数据的样本标准差 s:25, 19, 21, 54, 58, 15, 17。
考试成绩服从正态分布,平均数为 170,标准差为 15。求成绩 192.5 的 z 分数 z。
一颗均匀骰子掷 4 次。至少掷出一次六点的概率 P 是多少?
X 的分布如图所示,Y = 3X + 1。求 Y 的标准差 σY。
拖动 z,使标准正态曲线下 z 右侧的阴影面积为 0.2810。求 z,保留两位小数。
一组人中男性的身高 X 与女性的身高 Y相互独立且服从正态分布:X 的均值为 180 cm,标准差为 10 cm,Y 的均值为 170 cm,标准差为 12 cm。求 X 大于 Y 的概率 P。z 取两位小数。
基于 25 个观测值且 σ 已知的均值 95% 置信区间,其误差范围为 10.4。 如果同一研究改用 100 个观测值,误差范围 E₂ 是多少?
事先对缺陷产品的比例一无所知。 必须检验多少件产品 n,才能使比例的 99% 置信区间的误差范围不超过 0.03?
两条生产线生产同一种零件。生产线 1:50 个零件的样本平均长度为 142 mm,该生产线的已知标准差为 13 mm。生产线 2:50 个零件的样本均值为 145.9 mm,已知标准差为 10 mm。取差值为 x̄₁ − x̄₂(生产线 1 减生产线 2),求 H₀: μ₁ = μ₂ 的检验统计量 z。
81 次测量的样本均值为 497.8。总体标准差为 8。求均值 95% 置信区间的上限 U。
表中给出 6 对观测值 x = 温度 (°C) 和 y = 冰淇淋销量。 已给出它们的各项和。由这些和求皮尔逊相关系数 r。
表中给出 6 对观测值 x = 荷载 (kN) 和 y = 伸长量 (mm)。 使用最小二乘直线 ŷ = a + b·x。 x 取何值 x 时,直线预测 ŷ = 16?
列联表给出了观测频数。计算行变量与列变量独立性检验的卡方统计量 χ²。不使用连续性校正。
表中给出了观测频数。在 α = 0.01 下检验两个变量是否独立(不使用连续性校正)。计算检验统计量 χ²,再与表中的临界值比较。
答案: A · 平均数、中位数和众数相等
正态分布是对称的钟形,因此三种集中趋势指标都落在中心。
答案: B · 该研究可能统计检验力不足,因此结果尚无定论
样本小时,即使真实的效应也常常达不到显著(第二类错误)。研究者应报告效应量和置信区间,并用更大的样本重复研究。
答案: s = 18.17
描述统计:平均数是总和除以 n;中位数是排序后数据的中间值(n 为偶数时取中间两个数的平均)。样本标准差 s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))。z 分数 z = (x − μ)/σ 表示某个值离平均数多少个标准差。
答案: z = 1.5
描述统计:平均数是总和除以 n;中位数是排序后数据的中间值(n 为偶数时取中间两个数的平均)。样本标准差 s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))。z 分数 z = (x − μ)/σ 表示某个值离平均数多少个标准差。
答案: P = 0.5177
概率:在等可能结果下,P(A) = 有利结果数/总数。独立事件相乘:P(A 且 B) = P(A)·P(B)。补事件常常有用:P(至少一个) = 1 − P(一个都没有)。二项分布:在 n 次独立试验中,成功概率为 p,P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ。
答案: σY = 3.186
离散随机变量:概率分布列出变量能取的每个值 x 及其概率 p(x);概率介于 0 和 1 之间,且总和为 1。期望值(均值)是 E(X) = Σx·p(x),即长期平均值。方差为 Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ²,标准差为 σ = √Var(X)。对线性变换 Y = aX + b:E(Y) = a·E(X) + b,Var(Y) = a²·Var(X),σY = |a|·σX;加上常数不会改变离散程度。
均值确实会改变:E(Y) = 3·1.35 + 1 = 5.05。
答案: z = 0.58
由面积反求 z:Φ(z) 是 z 左侧的面积。对于左尾面积 A,在表中找出使 Φ(z) = A 的 z。右尾面积 A 意味着 Φ(z) = 1 − A。−z 与 z 之间的中间面积 A 使每个尾部剩下 (1 − A)/2,所以 Φ(z) = (1 + A)/2。对于数值 x,用 x = μ + zσ。
在表中找到 0.7190,读出 z。
答案: P = 0.7389
正态变量的和与差:若 X 和 Y 相互独立且服从正态分布,则 X + Y 与 X − Y 也服从正态分布。均值相加或相减:E(X ± Y) = μX ± μY。方差总是相加,差也是如此:Var(X ± Y) = σX² + σY²,所以 σ = √(σX² + σY²)。标准差从不直接相加。n 个独立同分布项的总和,均值为 n·μ,标准差为 σ·√n。然后照常标准化:z = (x − 均值)/σ,再查 Φ(z)。
答案: E₂ = 5.2
Confidence interval for a mean: x̄ ± margin of error. With a known population σ the margin is z·σ/√n; with only the sample standard deviation s, use t with n − 1 degrees of freedom: t·s/√n. Critical values: z = 1.645 (90%), 1.96 (95%), 2.576 (99%). To get a margin E or smaller, you need n ≥ (z·σ/E)², rounded up.
答案: n = 1844
Confidence interval for a proportion: p̂ ± z·√(p̂(1 − p̂)/n), where p̂ = x/n. To reach a margin E you need n ≥ z²·p(1 − p)/E², rounded up; without a prior estimate use p = 0.5, which gives the largest n.
答案: z = −1.681
Hypothesis test: the test statistic = (estimate − value under H₀)/(standard error under H₀). The p-value is the probability, assuming H₀ is true, of a statistic at least as extreme as the one observed: the area in one tail for a one-sided H₁, twice the tail area for a two-sided H₁. Reject H₀ when p ≤ α.
|z| < 1.96,所以在 5% 水平下不拒绝 H₀(双侧)。
答案: U = 499.5
均值检验:检验统计量衡量样本均值离 H₀ 所声称的值有多少个标准误:σ 已知时 z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n),由样本估计时 t = (x̄ − μ₀)/(s/√n)。置信区间为 x̄ ±(临界值)·(标准误)。
答案: r = 0.9165
最小二乘回归:设 x̄ 和 ȳ 为均值,Sxx = Σ(x − x̄)²,Syy = Σ(y − ȳ)²,Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ),则直线 ŷ = a + b·x 的斜率 b = Sxy/Sxx,截距 a = ȳ − b·x̄,因此它总是通过 (x̄, ȳ)。皮尔逊相关系数 r = Sxy/√(Sxx·Syy) 介于 −1 与 1 之间;r² 是 y 的变异中能被该直线解释的比例。
答案: x = 10.89
最小二乘回归:设 x̄ 和 ȳ 为均值,Sxx = Σ(x − x̄)²,Syy = Σ(y − ȳ)²,Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ),则直线 ŷ = a + b·x 的斜率 b = Sxy/Sxx,截距 a = ȳ − b·x̄,因此它总是通过 (x̄, ȳ)。皮尔逊相关系数 r = Sxy/√(Sxx·Syy) 介于 −1 与 1 之间;r² 是 y 的变异中能被该直线解释的比例。
答案: χ² = 4.667
卡方检验:用 χ² = Σ(O − E)²/E 比较观测频数 O 与 H₀ 下的期望频数 E。拟合优度检验:每个类别 E = n·p,df = k − 1(每由数据估计一个参数再减一)。r × c 列联表的独立性检验:E = 行合计 × 列合计 / 总计,df = (r − 1)(c − 1)。当 χ² 超过所选 α 下的临界值时拒绝 H₀。
df = 2。在 α = 0.05 时临界值为 5.991,所以 H₀(独立)不被拒绝。
答案: χ² = 1.708
卡方检验:用 χ² = Σ(O − E)²/E 比较观测频数 O 与 H₀ 下的期望频数 E。拟合优度检验:每个类别 E = n·p,df = k − 1(每由数据估计一个参数再减一)。r × c 列联表的独立性检验:E = 行合计 × 列合计 / 总计,df = (r − 1)(c − 1)。当 χ² 超过所选 α 下的临界值时拒绝 H₀。
χ² 低于临界值,所以不拒绝 H₀:没有显著证据表明两者相关。
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