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
101520253035404550

求数据的样本标准差 s:12, 32, 50, 10, 46, 13。

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 70,标准差为 5。数值高于 65 的比例 P 是多少?

μ = 70σ = 5x = 65
P =
3.概率中等
xp(x)00.210.2520.330.25μ = 1.6

对图中的分布,求 X 的方差 Var(X)。

x: 0, 1, 2, 3p(x): 0.2, 0.25, 0.3, 0.25
Var(X) =
4.概率困难
n = 9, p = 0.2: P(X ≤ 1) = ?k0123456789

测试 9 个元件,每个独立地以概率 0.2 失效。至多一个失效的概率 P 是多少?

n = 9p = 0.2
P =
5.正态分布中等
32 min28.3 minX + Y?

X 服从均值 12 min、标准差 1.5 min 的正态分布;Y 独立,服从均值 20 min、标准差 2 min 的正态分布。求 X + Y 大于 28.3 min 的概率 P。z 取两位小数。

μX = 12, σX = 1.5μY = 20, σY = 2X + Y > 28.3 min
P =
6.正态分布困难
μ = 250x = ?95%

袋装重量服从正态分布,均值为 250 g,标准差为 5 g。求数值 x,使得有 95% 的数据低于它(第 95 百分位数)。

μ = 250σ = 5P = 95%
x = g
7.置信区间中等
n = 20, sd​ = 0.50LUd̄ = −3.4E = ?90%

测量 20 名患者治疗前后的血压。差值 d = 治疗前 − 治疗后 (mmHg) 的均值为 −3.4,标准差为 0.5。 求平均差值的 90% 置信区间的误差范围 E。

n = 20d̄ = −3.4sd = 0.590%t(19) = 1.729
E = mmHg
8.置信区间困难
σ = 29, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 199%

总体标准差为 29。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 1?

σ = 29E = 199%
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 503.2,样本标准差为 15。求 H₀: μ = 500 的检验统计量 t。

μ₀ = 500x̄ = 503.2s = 15n = 64
t =
10.假设检验与置信区间困难
z −1.64501.645

100 次测量的样本均值为 499.9。总体标准差为 4。求均值 90% 置信区间的下限 L。

x̄ = 499.9σ = 4n = 10090%
L =
11.线性回归与相关中等
xy128223321420517612xy246152025

表中给出 6 对观测值 x = 车龄(年) 和 y = 价格 (k€)。 已给出它们的各项和。由这些和求皮尔逊相关系数 r。

n = 6Σx = 21Σy = 121Σx² = 91Σy² = 2587Σxy = 374
r =
12.线性回归与相关困难
xy251362465574682786xy2466080x = 5.5

表中给出 6 对观测值 x = 学习小时数 和 y = 考试成绩。 使用最小二乘直线 ŷ = a + b·x。 新得到一个观测值 (5.5, 73)。求其残差 e = y − ŷ。

n = 6(5.5, 73)
e =

3溶液

1.描述统计

答案: s = 18.03

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 = 163/6 = 27.17

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−15.17)² + 4.833² + 22.83² + (−17.17)² + 18.83² + (−14.17)² = 1625

标准差

s = √(1625/5) = 18.03

答案

s = 18.03
2.描述统计

答案: P = 0.8413

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 = 1 − 0.1587 = 0.8413

答案

P = 0.8413
3.概率

答案: Var(X) = 1.14

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 = 0·0.2 + 1·0.25 + 2·0.3 + 3·0.25 = 1.6

平方的均值

E(X²) = 0·0.2 + 1·0.25 + 4·0.3 + 9·0.25 = 3.7

方差

Var(X) = 3.7 − 1.6² = 1.14

答案

Var(X) = 1.14
4.概率

答案: P = 0.4362

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。

零个和一个失效

P(X = 0) = 0.89 = 0.1342
P(X = 1) = 9·0.2·0.88 = 0.302

相加

P = 0.1342 + 0.302 = 0.4362

答案

P = 0.4362
5.正态分布

答案: P = 0.9306

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 = 32 min, σ = √(1.5² + 2²) = 2.5 min

标准化

z = (28.3 − 32)/2.5 = −1.48

上尾

P = 1 − Φ(−1.48) = 1 − 0.06944 = 0.9306

答案

P = 0.9306
6.正态分布

答案: x = 258.2 g

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) = 0.95 → z = 1.645

换算回 x

x = 250 + 1.645·5 = 258.22 g

答案

x = 258.22 g
7.置信区间

答案: E = 0.1933 mmHg

Interval for a difference: estimate ± critical value × standard error. For two independent means with known σ: SE = √(σ₁²/n₁ + σ₂²/n₂) and z. With equal unknown variances: pooled s_p and t with n₁ + n₂ − 2 degrees of freedom. For paired data, work with the differences: d̄ ± t·s_d/√n.

临界值

df = 19, t = 1.729

误差范围

E = 1.729·0.5/√20 = 0.1933

答案

E = 0.1933 mmHg
8.置信区间

答案: n = 5581

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 = (2.576·29/1)² = 5581

向上取整

样本量是整数,向下取整会使误差范围过大。

n = 5581

答案

n = 5581
9.假设检验与置信区间

答案: t = 1.707

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 = 15/√64 = 15/8 = 1.875

检验统计量

t = (503.2 − 500)/1.875 = 1.707

答案

t = 1.707
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: L = 499.2

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)。

误差范围

E = 1.645·4/√100 = 0.658

区间端点

L = 499.9 − 0.658 = 499.2

答案

L = 499.2
11.线性回归与相关

答案: r = −0.9765

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。

中心化后的和

Sxy = 374 − 21·121/6 = −49.5
Sxx = 91 − 21²/6 = 17.5
Syy = 2587 − 121²/6 = 146.8

相关系数

r = −49.5/√(17.5·146.8) = −0.9765

答案

r = −0.9765
12.线性回归与相关

答案: e = −3.971

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 = 27/6 = 4.5
ȳ = 420/6 = 70

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17.5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 122

回归直线

b = 122/17.5 = 6.971
a = 70 − 6.971·4.5 = 38.63
ŷ = 38.63 + 6.971·x

预测值

ŷ = 38.63 + 6.971·5.5 = 76.97

残差

e = 73 − 76.97 = −3.971

答案

e = −3.971

该点位于直线下方。

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