Metody probabilistycze i statystyka Estymacja przedziałowa Dr Joaa Baaś Zakład Badań Systemowych Istytut Sztuczej Iteligecji i Metod Matematyczych Wydział Iformatyki Politechiki Szczecińskiej
Metody probabilistycze i statystyka. Estymacja przedziałowa Estymacja przedziałowa metoda wyzaczeia takiego przedziału liczbowego, aby z prawdopodobieństwem bliskim 1 moża było oczekiwać, że prawdziwa wartość iteresującego as parametru rozkładu cechy X zajduje się wewątrz tego przedziału θ iezay parametr zmieej losowej X, (X 1,, X próba losowa Jeżeli (0,1 i U = U ( X 1,..., X oraz U = U ( X 1,..., X dwiema statystykami takimi, że U < U oraz (.1 to przedział losowy (. ( U 1 P U azywamy przedziałem ufości dla parametru θ a poziomie ufości 1 < θ < = ( U, U są Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Realizacja przedziału ufości (.3 Uwagi a Jeżeli (x 1,, x jest próbką wartości cechy X i obliczymy wartości statystyk u = U ( x,..., x oraz u = U ( x,..., x, 1 1 ( to otrzymamy przedział rzeczywisty u, u, który jest jedą z wielu realizacji przedziału ufości (. Liczby u i u azywamy odpowiedio oceami dolą i górą parametru θ b Dla różych próbek wartości cechy X będziemy otrzymywać róże realizacje przedziałów ufości, lecz p. dla = 0.01 parametr będzie do ich ależał w 99 przypadkach a 100 próbek Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Przedziały ufości dla wartości oczekiwaej model 1 (.4 Wartość oczekiwaa Model 1 (rozkład ormaly, zaa wariacja X zmiea losowa o rozkładzie ormalym N(m,σ, wariacja σ = D X jest zaa 1 Średia z próby X = ( X 1 +... + X ma rozkład N ( m, σ, zatem statystyka X m X m U = = ma rozkład N(0,1 i dla dowolego (0,1 istieje u takie, że σ σ P( u < U < u = 1 u 1 0.1 f ( x 0 N(0,1 Rys..1. Gęstość rozkładu N(0,1 u Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Przedziały ufości dla wartości oczekiwaej model 1 Dalej dostajemy Φ ( u = 1, zatem u jest kwatylem rozkładu ormalego N(0,1 rzędu 1, odczytywaym z tablic, który będziemy ozaczać przez u 1 ( W rezultacie X m 1 = P u(1 < σ < u(1 σ σ = P u(1 < X m < u(1 ( ( σ σ (1 (1 = P X u < m < X + u Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Przedziały ufości dla wartości oczekiwaej model 1 Otrzymujemy przedział ufości dla wartości oczekiwaej a poziomie ufości 1 (1 σ X u, X u (1 σ + z realizacją dla próbki (x 1,, x Przykład (do modelu 1 Dokoao 100 pomiarów ciśieia wody pewym przyrządem Wielkość pomiaru to zmiea losowa X o rozkładzie ormalym N(m,σ, gdzie odchyleie stadardowe σ jest dla tego przyrządu zae i wyosi.1 Przyrząd mierzy bez błędu systematyczego, tz. EX = m Średia z próbki wyosi.1 ( ( (1 σ, (1 x u σ x + u Oszacować iezae średie ciśieie wody przedziałem ufości a poziomie ufości 0.95 Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Przedziały ufości dla wartości oczekiwaej model Model (rozkład ormaly, wariacja iezaa X zmiea losowa o rozkładzie ormalym N(m,σ, wariacja σ = D X ie jest zaa 1 1 Jeśli X = X +... + X i S = X X, ( ( 1 = 1 i i X m t = 1 S ma rozkład Studeta z 1 stopiami swobody Obszar ufości jest kostruoway aalogiczie do Modelu 1 Z tablic kwatyli rozkładu Studeta z 1 stopiami swobody odczytujemy kwatyl t(1 rzędu taki, że, 1 1 P t(1, 1 < t < t(1, 1 = 1 ( t(1, 1 1 0.1 to statystyka f ( x 0 Opracowała Joaa Baaś t t(1, 1 Rys... Gęstość rozkładu t
Metody probabilistycze i statystyka Przedziały ufości dla wartości oczekiwaej model Po przekształceiach otrzymujemy przedział ufości dla wartości oczekiwaej a poziomie ufości 1 z realizacją dla próbki (x 1,, x Przykład (do modelu S S ( X t(1, 1, X + t(1, 1 1 1 s s ( x t(1, 1, x + t(1, 1 1 1 Przeprowadzoo 10 iezależych pomiarów wartości przyspieszeia ziemskiego w pewym pukcie, otrzymując (w cm/s : 980,1 978,9 977,3 979, 978, 981,0 980,5 976,9 979,3 978,6 Wielkość pomiaru to zmiea losowa o rozkładzie ormalym N(m,σ Przyrząd pomiarowy mierzy bez błędu systematyczego Wyzaczyć 99 % realizację przedziału ufości dla wartości przeciętej przyspieszeia ziemskiego Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Przedziały ufości dla wartości oczekiwaej model 3 Model 3 (rozkład iezay, duża próba 100 X zmiea losowa o iezaym rozkładzie, istieją wartość oczekiwaa EX = m i wariacja σ = D X > 0 Jeśli próba jest duża ( 100, to statystyka X m U = σ ma rozkład w przybliżeiu ormaly N(0,1 1 Poieważ próba jest duża, przyjmujemy σ S = X X Powtarzając przekształceia aalogiczie do Modelu 1, otrzymujemy a poziomie ufości przedział z realizacją ( (1 S, (1 S X u X + u ( (1 s, (1 s x u x + u i= 1 ( i Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Przedziały ufości dla wariacji i odchyleia stadardowego model 1 (.5 Wariacja i odchyleie stadardowe Model 1 (rozkład ormaly, parametry iezae X zmiea losowa o rozkładzie ormalym N(m,σ, parametry m i σ ie są zae 1 Jeśli S = ( to statystka X 1 i X, i= S χ = σ f ( x ma rozkład χ z 1 stopiami swobody Dla dowolego (0,1 istieją kwatyle rzędu rozkładu χ i 1 z 1 stopiami swobody takie, że ( P χ (, 1 < χ < χ (1, 1 = 1 Rys..3. Gęstość rozkładu χ 1 χ 0 χ (, 1 χ (1, 1 x Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Przedziały ufości dla wariacji i odchyleia stadardowego model 1 Dalej dostajemy S 1 = P χ (, 1 < < χ (1, 1 σ 1 σ 1 = P < < χ (1, 1 S χ (, 1 S S = P < σ < χ (1, 1 χ (, 1 Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Przedziały ufości dla wariacji i odchyleia stadardowego model 1 W rezultacie otrzymujemy przedział ufości dla wariacji S S, χ (1, 1 χ (, 1 i dla odchyleia stadardowego a poziomie ufości 1 Przykład (do modelu 1 W celu oszacowaia dokładości przyrządu pomiarowego, dokoao im 9 iezależych pomiarów pewej wielkości fizyczej Otrzymao odchyleie stadardowe z próbki 0.5 S S, χ (1, 1 χ (, 1 Wielkość pomiaru to zmiea losowa o rozkładzie ormalym N(m,σ Na poziomie ufości 0.9 oszacować przedziałem ufości odchyleie stadardowe, które przyjmujemy za miarę dokładości przyrządu Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Przedziały ufości dla wariacji i odchyleia stadardowego model Model (rozkład ormaly, parametry iezae, duża próba 50 X zmiea losowa o rozkładzie ormalym N(m,σ, parametry m i σ ie są zae Jeśli próba jest duża ( 50, to statystyka S S χ = = σ σ ma w przybliżeiu rozkład ormaly N a więc statystyka U = χ 3 ma rozkład ormaly N(0,1 Wtedy dla (0,1 otrzymujemy ( 3,1, ( P u(1 < χ 3 < u(1 = 1 Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Przedziały ufości dla wariacji i odchyleia stadardowego model Dalej dostajemy S 1 = P 3 u(1 < < 3 + u(1 σ 3 u(1 S 3 u(1 = P 1 < < 1 + σ 0 S S < σ < 1+ 1 P u u (1 (1 Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Przedziały ufości dla wariacji i odchyleia stadardowego model 1 W rezultacie otrzymujemy przedział ufości dla odchyleia stadardowego S S, 1+ 1 u u(1 (1 i dla wariacji a poziomie ufości 1 S, S u(1 u(1 1 1 + Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Przedział ufości dla wskaźika struktury (.6 Wskaźik struktury Model (rozkład 0-1, parametr p iezay, duża próba 100 X zmiea losowa o rozkładzie 0-1, parametr p ie jest zay Jeśli próba jest duża ( 100, to statystyka M p = gdzie M ozacza zmieą losową, której wartościami są liczby wyróżioych elemetów w -elemetowej próbce, ma w przybliżeiu rozkład ormaly p(1 p N p,, Wtedy statystyka ma rozkład N(0,1 U = M p p(1 p ( Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Przedział ufości dla wskaźika struktury Dla (0,1 otrzymujemy M p 1 = P u(1 < < u(1 (1 p p ( (1 (1 M p p M p p (1 (1 = P u < p < + u Końce przedziału zależą od p, które ie jest zae, ale wobec M 100, moża dla uproszczeia przyjąć p Otrzymujemy realizację przedziału ufości dla próbki (x 1,, x m m m m m (1 (1 m u(1 < p < + u(1 Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Przedział ufości dla wskaźika struktury Przykład 350 losowo wybraych wyrobów Zalezioo 31 wyrobów wadliwych Wykorzystując wyik badaia kotrolego podać 99 % realizację przedziału ufości dla frakcji wyrobów dobrych w całej partii produkowaych wyrobów Opracowała Joaa Baaś
Metody probabilistycze i statystyka Dziękuję za uwagę Opracowała Joaa Baaś