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
2025303540

求数据的样本标准差 s:16, 20, 27, 20, 35, 41, 35。

n = 7
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 12。数值低于 94 的比例 P 是多少?

μ = 70σ = 12x = 94
P =
3.概率中等
xp(x)10.320.2530.140.1550.2μ = 2.7

对图中的分布,求 X 的方差 Var(X)。

x: 1, 2, 3, 4, 5p(x): 0.3, 0.25, 0.1, 0.15, 0.2
Var(X) =
4.概率困难
n = 6, p = 0.7: P(X = 3) = ?k0123456

一份测试有 6 道选择题。一名靠猜的学生每题答对的概率为 0.7,相互独立。恰好答对 3 题的概率 P 是多少?

n = 6p = 0.7k = 3
P =
5.正态分布中等
57.575.5P = ?

考试成绩服从正态分布,均值为 65 分,标准差为 10 分。介于 57.5 和 75.5 分 之间的比例是多少?P 以小数表示。

μ = 65σ = 10x1 = 57.5x2 = 75.5
P =
6.正态分布困难
235240245250255260265g顶部 75%

袋装重量 服从正态分布,均值为 250 g,标准差为 5 g。拖动截断值,使阴影的前 75% 位于其右侧。求截断值 x。

μ = 250 gσ = 5 g75%
x = g
7.置信区间中等
n = 25, s = 5LUx̄ = 63.5E = ?99%

一个包含 25 个个体的样本,均值为 63.5,标准差 s = 5。总体近似服从正态分布。 求均值的 99% 置信区间的误差范围 E。

n = 25x̄ = 63.5s = 599%t(24) = 2.797
E =
8.置信区间困难
p ≈ 0.2, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0.0599%

一项预研究表明,约有 0.2 的产品有缺陷。 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 0.05?

p ≈ 0.2E = 0.0599%
n =
9.假设检验与置信区间中等
t −1.9901.99

81 名学生的样本平均分为 496.6,样本标准差为 10。求 H₀: μ = 500 的检验统计量 t。

μ₀ = 500x̄ = 496.6s = 10n = 81
t =
10.假设检验与置信区间困难
H₀H₁μ₀x̄cμ₀ + 4α = 0.05βσ = 25, 功效 95%, n = ?

在 α = 0.05 下的单侧 z 检验,必须以 95% 的功效检测出均值 4 个单位的偏移。标准差为 25。求最小样本量 n。

α = 0.05功效 = 95%δ = 4σ = 25zα = 1.645zβ = 1.645
n =
11.线性回归与相关中等
xy33553974095411521358xy510405060

表中给出 6 对观测值 x = 广告支出 (k€) 和 y = 销售额 (k€)。 求皮尔逊相关系数 r。

n = 6
r =
12.线性回归与相关困难
xy2124166288321043xy51010203040x = 7

表中给出 5 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。 新得到一个观测值 (7, 26)。求其残差 e = y − ŷ。

n = 5(7, 26)
e =

3溶液

1.描述统计

答案: s = 9.482

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 = 194/7 = 27.71

离差平方

Σ(x − x̄)² = (−11.71)² + (−7.714)² + (−0.7143)² + (−7.714)² + 7.286² + 13.29² + 7.286² = 539.4

标准差

s = √(539.4/6) = 9.482

答案

s = 9.482
2.描述统计

答案: P = 0.9772

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 = 2

标准正态分布表

Φ(2) = 0.9772
P = 0.9772

答案

P = 0.9772
3.概率

答案: Var(X) = 2.31

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 = 1·0.3 + 2·0.25 + 3·0.1 + 4·0.15 + 5·0.2 = 2.7

平方的均值

E(X²) = 1·0.3 + 4·0.25 + 9·0.1 + 16·0.15 + 25·0.2 = 9.6

方差

Var(X) = 9.6 − 2.7² = 2.31

答案

Var(X) = 2.31
4.概率

答案: P = 0.1852

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。

二项分布公式

P(X = 3) = 20·0.73·0.33 = 20·0.343·0.027 = 0.1852

答案

P = 0.1852
5.正态分布

答案: P = 0.6265

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 = (57.5 − 65)/10 = −0.75
z₂ = (75.5 − 65)/10 = 1.05

中间面积

P = Φ(1.05) − Φ(−0.75) = 0.8531 − 0.2266 = 0.6265

答案

P = 0.6265
6.正态分布

答案: x = 246.7 g

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。

左侧的面积

Φ(z) = 0.25

由表得到的 z

z ≈ −0.67

回到原来的单位

x = 250 − 0.67·5 = 246.7 g

答案

x = 246.7 g
7.置信区间

答案: E = 2.797

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 = 24, t = 2.797

误差范围

E = 2.797·5/√25 = 2.797

答案

E = 2.797
8.置信区间

答案: n = 425

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 = 2.576²·0.2·0.8/0.05² = 424.7

向上取整

n = 425

答案

n = 425
9.假设检验与置信区间

答案: t = −3.06

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 = 10/√81 = 10/9 = 1.111

检验统计量

t = (496.6 − 500)/1.111 = −3.06

答案

t = −3.06
t0.025; df = 80 = 1.99

|t| > 1.99,所以在 5% 水平下拒绝 H₀(双侧)。

10.假设检验与置信区间

答案: n = 423

检验的样本量:在水平 α 下的单侧 z 检验中,要以功效 1 − β 检测出真实偏移 δ,标准误必须满足 δ = (z_α + z_β)·σ/√n,所以 n = ((z_α + z_β)·σ/δ)²,向上取整。

解出 n

n = ((1.645 + 1.645)·25/4)² = 422.8

向上取整

n = 423

答案

n = 423
11.线性回归与相关

答案: r = 0.9473

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 = 48/6 = 8
ȳ = 278/6 = 46.33

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 168
Syy = Σ(y − ȳ)² = 449.3

相关系数

r = 168/√(70·449.3) = 0.9473

答案

r = 0.9473
12.线性回归与相关

答案: e = −4.1

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 = 30/5 = 6
ȳ = 131/5 = 26.2

平方和与乘积和

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 156

回归直线

b = 156/40 = 3.9
a = 26.2 − 3.9·6 = 2.8
ŷ = 2.8 + 3.9·x

预测值

ŷ = 2.8 + 3.9·7 = 30.1

残差

e = 26 − 30.1 = −4.1

答案

e = −4.1

该点位于直线下方。

ExamProblems · examproblems.com/courses/statistics-1