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。

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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
30354045505560

求数据的样本标准差 s:27, 42, 60, 57, 51, 52。

n = 6
s =
2.描述统计困难
z −2−1012

某量服从正态分布,平均数为 60,标准差为 15。数值低于 45 的比例 P 是多少?

μ = 60σ = 15x = 45
P =
3.概率中等
xp(x)100.2200.1300.35400.35μ = 28.5

对图中的分布,求 X 的标准差 σ。

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0.2, 0.1, 0.35, 0.35
σ =
4.概率困难
€p(x)−20.8960.1380.01

一局游戏的参与费用为 €2。你以概率 0.1 赢得 €8,以概率 0.01 赢得 €40;其余情况什么也赢不到。赌注不退还。求每局的期望净收益 E(G)。

赌注 = €2€8: p = 0.1€40: p = 0.01
E(G) = €
5.正态分布中等
105 s114.6 sX + Y?

X 服从均值 60 s、标准差 5 s 的正态分布;Y 独立,服从均值 45 s、标准差 4 s 的正态分布。求 X + Y 大于 114.6 s 的概率 P。z 取两位小数。

μX = 60, σX = 5μY = 45, σY = 4X + Y > 114.6 s
P =
6.正态分布困难
0.05 mm0D − d?

孔径 D 服从均值 25.05 mm、标准差 0.02 mm 的正态分布。轴径 d 独立,服从均值 25 mm、标准差 0.02 mm 的正态分布。随机选取的一根轴在 D − d > 0 时能装入。求它能装入的概率 P。z 取两位小数。

孔: μ = 25.05 mm, σ = 0.02 mm轴: μ = 25 mm, σ = 0.02 mm
P =
7.置信区间中等
x̄E₁ = 2.695%, n = 25x̄E₂ = ?90%, n = 25

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 2.6。 用同样的数据计算 90% 区间,其误差范围 E₂ 是多少?

95%n₁ = 25E₁ = 2.690%
E₂ =
8.置信区间困难
σ = 24, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 399%

总体标准差为 24。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 3?

σ = 24E = 399%
n =
9.假设检验与置信区间中等
−2.2012.201t = ?df = 11

12 名员工在培训课程前后各参加一次打字测试。记录每人的差值 d = 培训后 − 培训前(每分钟字数)。平均差值为 2.4,差值的标准差为 3.2。求 H₀: μd = 0 的配对检验统计量 t。

n = 12d̄ = 2.4sd = 3.2
t =
10.假设检验与置信区间困难
σ = 4, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 1.590%

样本至少要多大,才能使均值的 90% 置信区间的误差范围不超过 1.5?标准差为 4。求最小样本量 n。

σ = 4E = 1.590%
n =
11.线性回归与相关中等
xy1463525607699691181xy5106080

表中给出 6 对观测值 x = 学习小时数 和 y = 考试成绩。 求最小二乘直线的决定系数 r²。

n = 6
r² =
12.线性回归与相关困难
xy169018100201172213024131xy20100120x = 23

表中给出 5 对观测值 x = 温度 (°C) 和 y = 冰淇淋销量。 使用最小二乘直线 ŷ = a + b·x。 预测 x = 23 时的 ŷ。

n = 5x = 23
ŷ =

3溶液

1.描述统计

答案: s = 12.06

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 = 289/6 = 48.17

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−21.17)² + (−6.167)² + 11.83² + 8.833² + 2.833² + 3.833² = 726.8

标准差

s = √(726.8/5) = 12.06

答案

s = 12.06
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: σ = 11.08

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。

平均数

μ = 10·0.2 + 20·0.1 + 30·0.35 + 40·0.35 = 28.5

平方的均值

E(X²) = 100·0.2 + 400·0.1 + 900·0.35 + 1600·0.35 = 935

方差

Var(X) = 935 − 28.5² = 122.8
σ = √122.8 = 11.08

答案

σ = 11.08
4.概率

答案: E(G) = −0.8 €

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。

净结果

G: 6 (p = 0.1), 38 (p = 0.01), −2 (p = 0.89)

期望值

E(G) = 6·0.1 + 38·0.01 − 2·0.89 = −0.8 €

答案

E(G) = −0.8 €

负值表示平均而言你会亏钱。

5.正态分布

答案: P = 0.06681

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)。

和的分布

μ = 105 s, σ = √(5² + 4²) = 6.403 s

标准化

z = (114.6 − 105)/6.403 = 1.5

上尾

P = 1 − Φ(1.5) = 1 − 0.9332 = 0.06681

答案

P = 0.06681
6.正态分布

答案: P = 0.9616

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)。

差的分布

μ = 25.05 − 25 = 0.05 mm, σ = 0.02828 mm

标准化

z = (0 − 0.05)/0.02828 = −1.77

概率

P = 1 − Φ(−1.77) = 0.9616

答案

P = 0.9616
7.置信区间

答案: E₂ = 2.182

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 = (1.645/1.96)·√(25/25) = 0.8393

新的误差范围

E₂ = 2.6·0.8393 = 2.182

答案

E₂ = 2.182
8.置信区间

答案: n = 425

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 = (2.576·24/3)² = 424.7

向上取整

样本量是整数,向下取整会使误差范围过大。

n = 425

答案

n = 425
9.假设检验与置信区间

答案: t = 2.598

Testing a mean: the test statistic measures how many standard errors the sample mean lies from the value claimed in H₀: z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n) when σ is known, t = (x̄ − μ₀)/(s/√n) when it is estimated from the sample. A confidence interval is x̄ ± (critical value)·(standard error).

平均差值的标准误

SE = 3.2/√12 = 0.9238

检验统计量

t = 2.4/0.9238 = 2.598

答案

t = 2.598

df = 11 时,双侧 5% 的临界值为 2.201;|t| 更大,所以拒绝 H₀。

10.假设检验与置信区间

答案: n = 20

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 = (1.645·4/1.5)² = 19.24

向上取整

n = 20

答案

n = 20
11.线性回归与相关

答案: r² = 0.9682

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 = 36/6 = 6
ȳ = 377/6 = 62.83

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 235
Syy = Σ(y − ȳ)² = 814.8

决定系数

r² = 235²/(70·814.8) = 0.9682

答案

r² = 0.9682

y 的变异中约有 96.82% 可由该直线解释。

12.线性回归与相关

答案: ŷ = 130.4

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 = 100/5 = 20
ȳ = 568/5 = 113.6

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 224

回归直线

b = 224/40 = 5.6
a = 113.6 − 5.6·20 = 1.6
ŷ = 1.6 + 5.6·x

预测

ŷ = 1.6 + 5.6·23 = 130.4

答案

ŷ = 130.4

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