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 设X1,⋯,Xn是样本, 则为

(1.1)X―=1n∑i=1nXi.

1.2 样本方差

样本方差 为

(1.2)S2=1n−1∑i=1n(Xi−X―)2.

采用因子(n−1)−1而非n−1, 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

把 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

若 X∼N(a,σ2), 则

(2.1)f(x;a,σ)=12πσexp⁡[−(xi−a)22σ2].

若(X1,⋯,Xn)独立同分布,则

(2.2)f(x1,⋯,xn;a,σ)=12πσexp⁡[−12σ2∑i=1n(xi−a)2].
指数分布

若X服从参数为λ的指数分布, 则概率密度为

(2.3)f(x,λ)={λe−λx,x>0,0,x≤0.

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,⋯,Xn∼i.i.dN(0,1). 令 ξ=∑i=1nXi2, 则 ξ 的分布称为有自由度 n 的 χ2 分布, 记为 ξ∼χn2.

下面我们指出χ2分布的表达式:

(3.1)f(x)={12n/2Γ(n/2)e−x2xn2−1,x>0,0,x≤0.
定理 3.1 χ2 分布的性质

X1,⋯,Xn∼N(a,σ2), X―,S2 是样本均值、样本方差, 由 (1.1), (1.2) 定义, 则

  1. X―∼N(a,σ2n);
  2. (n−1)S2σ2∼χn−12;
  3. X―与S2独立.
定理 3.2 (Cochran 定理)

X=(X1,⋯,Xn)T, Xi∼N(ai,σ2) 相互独立, A1,⋯,Am 是 n 阶非负定方阵, A1+⋯+Am=In. 令 ξi=XTAiX, 则 (3.2)∑i=1mrankAi=n 时, ξ1,⋯,ξm 独立.
记a=(a1,⋯,an), 则 (3.2) 成立, 且a′A1a=0时, ξ1/σ2∼χn12, 其中ni=rankAi.

3.2 t 分布

t分布

设随机变量 X,Y 独立, X∼N(0,1),Y∼χn2. 则 (3.3)ξ=X/1nY 称为具自由度 n 的 t 分布, 记为 ξ∼tn.

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, X∼χm2,Y∼χn2. 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)mm2nn2xm2−1(n+mx)−12(m+n),x>0,0,x≤0.
推论: χ2 分布的相加

设 ξ1,⋯,ξm 相互独立, ξi∼χni2 (i=1,⋯,m), 则 ξ=∑i=1mξi∼χn1+⋯+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

设 0<p<1, limn→∞m−npn=0, 满足 ∫−∞ξpf(x)dx=p, 且假定 f 在 ξp 点连续非 0 (由此 ξp 为 f 的唯一的 p 分位数), 则 n→∞ 时 (4.1)nf(ξp)(X(m)−ξp)p(1−p)→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)|θ∈Θ}. 设有统计量T=T(X). 若已知T后X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X⊂Rn, 而T可以表示成T=(T1,⋯,Tk),Ti∈R, 且可以找到统计量W=(W1,⋯,Wn−k), 使得(4.1)X→(T1(X),⋯,Tk(X),W1(X),⋯,Wn−k(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T时X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,⋯,Xn∼N(a,σ2), 参数为θ=(a,σ), 则(X―,S2)是充分统计量.

由于∑i=1n(xi−a)2=∑i=1nxi2−2a∑i=1nxi+na2,n(X―−a)2+S2=n(1n∑i=1nxi−a)2+1n−1∑i=1n(xi−X―)2=1n(∑i=1nxi)2