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
253035404550

求数据的样本标准差 s:21, 24, 27, 51, 49。

n = 5
s =
2.描述统计困难
z −2−1012

考试成绩服从正态分布,平均数为 70,标准差为 8。求成绩 58 的 z 分数 z。

μ = 70σ = 8x = 58
z =
3.概率中等
xp(x)00.1510.3520.1530.35μ = 1.7

对图中的分布,求 X 的方差 Var(X)。

x: 0, 1, 2, 3p(x): 0.15, 0.35, 0.15, 0.35
Var(X) =
4.概率困难
n = 9, p = 0.4: P(X ≤ 1) = ?k0123456789

测试 9 个元件,每个独立地以概率 0.4 失效。至多一个失效的概率 P 是多少?

n = 9p = 0.4
P =
5.正态分布中等
48 kg49.6 kgT = X₁ + … + X₄?

箱子的质量相互独立,服从均值 12 kg、标准差 0.8 kg 的正态分布。求其中 4 个的总质量超过 49.6 kg 的概率 P。z 取两位小数。

μ = 12 kgσ = 0.8 kgn = 4> 49.6 kg
P =
6.正态分布困难
μ = 250x = ?90%

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 90% 的数据低于它(第 90 百分位数)。

μ = 250σ = 5P = 90%
x = g
7.置信区间中等
n = 7, s = 13LU = ?x̄ = 100E99%

一个包含 7 个个体的样本,均值为 100,标准差 s = 13。总体近似服从正态分布。 求均值的 99% 置信区间的上限。

n = 7x̄ = 100s = 1399%t(6) = 3.707
上限 =
8.置信区间困难
p = 0.5, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0299%

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 0.02?

p = 0.5E = 0.0299%
n =
9.假设检验与置信区间中等
−1.961.96z = ?

两条生产线生产同一种零件。生产线 1:80 个零件的样本平均长度为 41.5 mm,该生产线的已知标准差为 8 mm。生产线 2:80 个零件的样本均值为 44.1 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。

n₁ = 80x̄₁ = 41.5 mmσ₁ = 8 mmn₂ = 80x̄₂ = 44.1 mmσ₂ = 10 mm
z =
10.假设检验与置信区间困难
μ₀x̄c

在 α = 0.10 下,用容量为 36 的样本对 H₀: μ = 500 与 H₁: μ > 500 进行单侧 z 检验;已知标准差为 6。实际上均值为 501.9。 求第二类错误的概率 β,以百分比表示。

μ₀ = 500μ = 501.9σ = 6n = 36α = 0.10
β = %
11.线性回归与相关中等
xy264861281910231227xy5101020

表中给出 6 对观测值 x = 荷载 (kN) 和 y = 伸长量 (mm)。 求皮尔逊相关系数 r。

n = 6
r =
12.线性回归与相关困难
xy124222322421519xy24202224ŷ = 21

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。 x 取何值 x 时,直线预测 ŷ = 21?

n = 5ŷ = 21
x =

3溶液

1.描述统计

答案: s = 14.42

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 = 172/5 = 34.4

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−13.4)² + (−10.4)² + (−7.4)² + 16.6² + 14.6² = 831.2

标准差

s = √(831.2/4) = 14.42

答案

s = 14.42
2.描述统计

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。

标准化

z = (58 − 70)/8 = −1.5

答案

z = −1.5
3.概率

答案: Var(X) = 1.21

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 = 0·0.15 + 1·0.35 + 2·0.15 + 3·0.35 = 1.7

平方的均值

E(X²) = 0·0.15 + 1·0.35 + 4·0.15 + 9·0.35 = 4.1

方差

Var(X) = 4.1 − 1.7² = 1.21

答案

Var(X) = 1.21
4.概率

答案: P = 0.07054

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) = 0.69 = 0.01008
P(X = 1) = 9·0.4·0.68 = 0.06047

相加

P = 0.01008 + 0.06047 = 0.07054

答案

P = 0.07054
5.正态分布

答案: P = 0.1587

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)。

总和的分布

μT = 48 kg, σT = 0.8·√4 = 1.6 kg

标准化

z = (49.6 − 48)/1.6 = 1

概率

P = 1 − Φ(1) = 0.1587

答案

P = 0.1587
6.正态分布

答案: x = 256.4 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) = 0.9 → z = 1.282

换算回 x

x = 250 + 1.282·5 = 256.41 g

答案

x = 256.41 g
7.置信区间

答案: 上限 = 118.2

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。

临界值

df = n − 1 = 6, t = 3.707

误差范围

E = 3.707·13/√7 = 18.21

区间

100 ± 18.21 → [81.79, 118.2]

答案

上限 = 118.2
8.置信区间

答案: n = 4148

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.

解出 n

n = 2.576²·0.5·0.5/0.02² = 4147

向上取整

n = 4148

答案

n = 4148
9.假设检验与置信区间

答案: z = −1.816

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.

差值的标准误

SE = √(8²/80 + 10²/80) = √2.05 = 1.432

检验统计量

z = (41.5 − 44.1)/1.432 = −1.816

答案

z = −1.816

|z| < 1.96,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: β = 26.83 %

检验功效:功效 = 1 − β,是 H₀ 为假时拒绝 H₀ 的概率。由 μ₀ 和 z_α 求出临界值 x̄c,再用真实均值计算落在 x̄c 以外的概率:z = (x̄c − μ)/(σ/√n)。

临界样本均值

SE = 6/√36 = 1
x̄c = 500 + 1.282·1 = 501.3

真实均值下的 z

z = (501.3 − 501.9)/1 = −0.618

第二类错误

功效 = P(Z > −0.618) = 73.17%
β = 100% − 73.17% = 26.83%

答案

β = 26.83%
11.线性回归与相关

答案: r = 0.9906

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 = 95/6 = 15.83

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 157
Syy = Σ(y − ȳ)² = 358.8

相关系数

r = 157/√(70·358.8) = 0.9906

答案

r = 0.9906
12.线性回归与相关

答案: x = 3.545

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 = 108/5 = 21.6

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −11

回归直线

b = −11/10 = −1.1
a = 21.6 − (−1.1)·3 = 24.9
ŷ = 24.9 − 1.1·x

解出 x

x = (21 − 24.9)/(−1.1) = 3.545

答案

x = 3.545

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