统计学基础:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 12 道练习题,完整解答附在最后。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

1公式与方法

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

概率

补事件
P(not A) = 1 − P(A)
加法公式
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
独立事件
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
条件概率
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
二项分布
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

正态分布

z 分数
z = (x − μ)/σ
小于 x
P(X < x) = Φ(z)
大于 x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
介于两者之间
Φ(z2) − Φ(z1)
百分位数
x = μ + z·σ

方法

  1. 把数值换算为 z 分数:z = (x − μ)/σ。
  2. 查 Φ(z),即 z 左侧的面积。
  3. 右侧面积用 1 − Φ(z);区间面积用两个左侧面积相减。
  4. 求百分位数时反向计算:先由面积求 z,再求 x = μ + z·σ。

置信区间

σ 已知
x̄ ± z·σ/√n
σ 未知
x̄ ± t·s/√n, df = n − 1
临界 z 值
90%: 1.645, 95%: 1.96, 99%: 2.576
样本量
n = (z·σ/E)², rounded up

方法

  1. 在 z(已知总体 σ)和 t(只有样本 s,自由度为 n − 1)之间作出选择。
  2. 求该置信水平下的临界值。
  3. 误差限:E = 临界值 × 标准差/√n。
  4. 区间:x̄ ± E。

假设检验与置信区间

均值的 z 检验
z = (x̄ − μ0)/(σ/√n)
均值的 t 检验
t = (x̄ − μ0)/(s/√n), df = n − 1
5% 双侧
若 |z| > 1.96 则拒绝 H0
置信区间
x̄ ± z·σ/√n

方法

  1. 写出 H₀ 和 H₁,并确定是单侧检验还是双侧检验。
  2. 计算检验统计量:(x̄ − μ₀)/(σ/√n),或者用 s 和 t。
  3. 与临界值比较,或求出 p 值。
  4. 若统计量超出临界值(p 小于 α),则拒绝 H₀,并用文字写出结论。

线性回归与相关

平方和
Sxx = Σ(x − x̄)² = Σx² − (Σx)²/n, Sxy = Σxy − ΣxΣy/n
斜率
b = Sxy/Sxx
截距
a = ȳ − b·x̄
相关系数
r = Sxy/√(SxxSyy)
残差
e = y − ŷ

2练习题

1.描述统计中等
152025303540

求数据的样本标准差 s:16, 40, 24, 11, 43。

n = 5
s =
2.描述统计困难
z −2−1012

某量服从正态分布,平均数为 50,标准差为 8。数值低于 42 的比例 P 是多少?

μ = 50σ = 8x = 42
P =
3.概率中等
红球: 7蓝球: 7

袋中有 7 个红球和 7 个蓝球。不放回地依次摸出两个球。两个都是红球的概率 P 是多少?

7 / 7
P =
4.概率困难
xp(x)00.3520.2540.1560.25μ

X 的分布如图所示,Y = −2X + 5。求 Y 的标准差 σY。

x: 0, 2, 4, 6p(x): 0.35, 0.25, 0.15, 0.25Y = −2X + 5
σY =
5.正态分布中等
246.25256.25P = ?

袋装重量服从正态分布,均值为 250 g,标准差为 5 g。介于 246.25 和 256.25 g 之间的比例是多少?P 以小数表示。

μ = 250σ = 5x1 = 246.25x2 = 256.25
P =
6.正态分布困难
μ = 65x = ?80%

考试成绩服从正态分布,均值为 65 分,标准差为 10 分。求数值 x,使得有 80% 的数据低于它(第 80 百分位数)。

μ = 65σ = 10P = 80%
x = 分
7.置信区间中等
x̄E₁ = 11.995%, n = 100x̄E₂ = ?99%, n = 100

基于 100 个观测值且 σ 已知的均值 95% 置信区间,其误差范围为 11.9。 用同样的数据计算 99% 区间,其误差范围 E₂ 是多少?

95%n₁ = 100E₁ = 11.999%
E₂ =
8.置信区间困难
σ = 6, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 2.599%

总体标准差为 6。样本量 n 至少要多大,才能使均值的 99% 置信区间的误差范围不超过 2.5?

σ = 6E = 2.599%
n =
9.假设检验与置信区间中等
t −1.99801.998

64 名学生的样本平均分为 496.5,样本标准差为 20。求 H₀: μ = 500 的检验统计量 t。

μ₀ = 500x̄ = 496.5s = 20n = 64
t =
10.假设检验与置信区间困难
σ = 20, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 299%

样本至少要多大,才能使均值的 99% 置信区间的误差范围不超过 2?标准差为 20。求最小样本量 n。

σ = 20E = 299%
n =
11.线性回归与相关中等
xy25045666388010831299xy5106080100

表中给出 6 对观测值 x = 学习小时数 和 y = 考试成绩。 求皮尔逊相关系数 r。

n = 6
r =
12.线性回归与相关困难
xy122222320417516xy2416182022x = 2.5

表中给出 5 对观测值 x = 车龄(年) 和 y = 价格 (k€)。 使用最小二乘直线 ŷ = a + b·x。 新得到一个观测值 (2.5, 18)。求其残差 e = y − ŷ。

n = 5(2.5, 18)
e =

3溶液

1.描述统计

答案: s = 14.24

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。

平均数

x̄ = 134/5 = 26.8

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−10.8)² + 13.2² + (−2.8)² + (−15.8)² + 16.2² = 810.8

标准差

s = √(810.8/4) = 14.24

答案

s = 14.24
2.描述统计

答案: P = 0.1587

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。

标准化

z = −1

标准正态分布表

Φ(−1) = 0.1587
P = 0.1587

答案

P = 0.1587
3.概率

答案: P = 0.2308

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。

第一次和第二次摸球

P = 7/14 · 6/13 = 42/182 = 0.2308

答案

P = 0.2308
4.概率

答案: σY = 4.75

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。

X 的离散程度

μ = 2.6, Var(X) = 5.64, σX = 2.375

线性变换

σY = |−2|·2.375 = 4.75

答案

σY = 4.75

均值确实会改变:E(Y) = −2·2.6 + 5 = −0.2。

5.正态分布

答案: P = 0.6677

正态分布:把数值 x 换算成 z 分数 z = (x − μ)/σ,它表示离均值有多少个标准差。z 表(或 Φ(z))给出 z 左侧的面积,即 P(X < x)。右侧面积为 1 − Φ(z),两个值之间的面积等于它们左侧面积之差。

z 分数

z₁ = (246.25 − 250)/5 = −0.75
z₂ = (256.25 − 250)/5 = 1.25

中间面积

P = Φ(1.25) − Φ(−0.75) = 0.8944 − 0.2266 = 0.6677

答案

P = 0.6677
6.正态分布

答案: x = 73.42 分

正态分布:把数值 x 换算成 z 分数 z = (x − μ)/σ,它表示离均值有多少个标准差。z 表(或 Φ(z))给出 z 左侧的面积,即 P(X < x)。右侧面积为 1 − Φ(z),两个值之间的面积等于它们左侧面积之差。

该百分位数对应的 z

Φ(z) = 0.8 → z = 0.8416

换算回 x

x = 65 + 0.8416·10 = 73.42 分

答案

x = 73.42 分
7.置信区间

答案: E₂ = 15.64

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.

误差范围之比

E₂/E₁ = (2.576/1.96)·√(100/100) = 1.314

新的误差范围

E₂ = 11.9·1.314 = 15.64

答案

E₂ = 15.64
8.置信区间

答案: n = 39

均值的置信区间:x̄ ± 误差范围。总体 σ 已知时,误差范围为 z·σ/√n;只有样本标准差 s 时,用自由度为 n − 1 的 t:t·s/√n。临界值:z = 1.645(90%)、1.96(95%)、2.576(99%)。要使误差范围不超过 E,需要 n ≥ (z·σ/E)²,并向上取整。

解出 n

n = (2.576·6/2.5)² = 38.22

向上取整

样本量是整数,向下取整会使误差范围过大。

n = 39

答案

n = 39
9.假设检验与置信区间

答案: t = −1.4

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)。

标准误

SE = 20/√64 = 20/8 = 2.5

检验统计量

t = (496.5 − 500)/2.5 = −1.4

答案

t = −1.4
t0.025; df = 63 = 1.998

|t| < 1.998,所以在 5% 水平下不拒绝 H₀(双侧)。

10.假设检验与置信区间

答案: n = 664

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)。

解出 n

n = (2.576·20/2)² = 663.6

向上取整

n = 664

答案

n = 664
11.线性回归与相关

答案: r = 0.9843

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。

均值

x̄ = 42/6 = 7
ȳ = 431/6 = 71.83

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 343
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1735

相关系数

r = 343/√(70·1735) = 0.9843

答案

r = 0.9843
12.线性回归与相关

答案: e = −2.25

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。

均值

x̄ = 15/5 = 3
ȳ = 97/5 = 19.4

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −17

回归直线

b = −17/10 = −1.7
a = 19.4 − (−1.7)·3 = 24.5
ŷ = 24.5 − 1.7·x

预测值

ŷ = 24.5 + (−1.7)·2.5 = 20.25

残差

e = 18 − 20.25 = −2.25

答案

e = −2.25

该点位于直线下方。

ExamProblems · examproblems.com/courses/statistics-1