1.2 统计量 抽样分布

1 统计量

统计量

统计量是由样本算出的量, 或者说样本的函数; 只依赖于样本,不依赖于未知参数.
不过,统计量尽管表达式与参数无关,但有用的统计量的分布一定与参数有关.

常见的统计量:

1.1 样本均值

样本均值X1,,Xn是样本, 则为

(1.1)X=1ni=1nXi.

1.2 样本方差

样本方差

(1.2)S2=1n1i=1n(XiX)2.

采用因子(n1)1而非n1, 是为了保证估计总体方差的无偏性, 可以参考 这个例子.

1.3 次序统计量

X1,,Xn 按从小到大的顺序为 X(1)X(n), 将 (X(1),,X(n)) 称为次序统计量. 由此引出

(1.3)m={X(n+12),n为奇数,12(X(n2)+X(n2+1)),n为偶数.

2 抽样分布

抽样分布就是统计量的概率分布.

正态分布 / Gauss 分布

XN(a,σ2), 则

(2.1)f(x;a,σ)=12πσexp[(xia)22σ2].

(X1,,Xn)独立同分布,则

(2.2)f(x1,,xn;a,σ)=12πσexp[12σ2i=1n(xia)2].
指数分布

X服从参数为λ指数分布, 则概率密度为

(2.3)f(x,λ)={λeλx,x>0,0,x0.

3 χ2分布 t 分布 F 分布

当总体分布是正态分布时,许多重要统计量的抽样分布与下面的三种分布息息相关.

3.1 χ2分布

χ2 分布

X1,,Xni.i.dN(0,1). 令 ξ=i=1nXi2, 则 ξ 的分布称为有自由度 nχ2 分布, 记为 ξχn2.

下面我们指出χ2分布的表达式:

(3.1)f(x)={12n/2Γ(n/2)ex2xn21,x>0,0,x0.
定理 3.1 χ2 分布的性质

X1,,XnN(a,σ2), X,S2 是样本均值、样本方差, 由 (1.1), (1.2) 定义, 则

  1. XN(a,σ2n);
  2. (n1)S2σ2χn12;
  3. XS2独立.
定理 3.2 (Cochran 定理)

X=(X1,,Xn)T, XiN(ai,σ2) 相互独立, A1,,Amn 阶非负定方阵, A1++Am=In. 令 ξi=XTAiX, 则 (3.2)i=1mrankAi=n 时, ξ1,,ξm 独立.
a=(a1,,an), 则 (3.2) 成立, 且aA1a=0时, ξ1/σ2χn12, 其中ni=rankAi.

3.2 t 分布

t分布

设随机变量 X,Y 独立, XN(0,1),Yχn2. 则 (3.3)ξ=X/1nY 称为具自由度 n 的 t 分布, 记为 ξtn.

t 分布的概率密度函数为

(3.4)g(x)=Γ(n+12)nπΓ(n2)(1+x2n)n+12.

3.3 F 分布

F分布

X,Y独立, Xχm2,Yχn2. 令

(3.5)ξ=1mX/(1nY).

称为自由度m,n的F分布.

同样运用商的密度公式:

(3.6)h(x)={Γ(m+n2)Γ(m2)Γ(n2)mm2nn2xm21(n+mx)12(m+n),x>0,0,x0.
推论: χ2 分布的相加

ξ1,,ξm 相互独立, ξiχni2 (i=1,,m), 则 ξ=i=1mξiχn1++nm2.

统计量的极限分布 大样本与小样本

当样本大小趋于无穷, 称统计量的分布为极限分布/渐近分布/大样本分布.

定理

0<p<1, limnmnpn=0, 满足 ξpf(x)dx=p, 且假定 fξp 点连续非 0 (由此 ξpf 的唯一的 p 分位数), 则 n(4.1)nf(ξp)(X(m)ξp)p(1p)dN(0,1).

4 充分统计量

如果知道一个统计量的值就可以把原始数据丢掉,这样的统计量称为充分统计量.

充分统计量

X的分布族为{Fθ(x)|θΘ}. 设有统计量T=T(X). 若已知TX的条件分布与θ无关, 则T是充分统计量.

大多数情况下,样本空间XRn, 而T可以表示成T=(T1,,Tk),TiR, 且可以找到统计量W=(W1,,Wnk), 使得(4.1)X(T1(X),,Tk(X),W1(X),,Wnk(X))是一个双射. 此时若已知T(X)=(t1,,tk), X,W有一一对应的关系, 因此要确定给定TX的条件分布是否与θ有关, 只需考察W的条件分布.

这样T是充分的.

下面的定理可以简化定义验证统计量充分性的判定.

定理 4.1 (因子分解定理)

X=(X1,,Xn)的概率函数fθ(x1,,xn)依赖参数θ, T=T(X)是充分统计量的充分必要条件是fθ存在分解(4.1)fθ(X)=gθ(T(X))h(X).

X1,,XnN(a,σ2), 参数为θ=(a,σ), 则(X,S2)是充分统计量.

由于i=1n(xia)2=i=1nxi22ai=1nxi+na2,n(Xa)2+S2=n(1ni=1nxia)2+1n1i=1n(xiX)2=1n(i=1nxi)2