引入
为什么样本方差要除以 而不是 ?
用样本均值估计总体均值,误差有多大?这个误差能算出来吗?
直方图的组距选得不一样,形状会变吗?
统计学的基本问题是:只观测到一部分,如何推断整体。样本均值、样本方差、频率分布是最基础的三件工具。
正文
定义
从总体中抽取的 个个体组成样本, 为样本容量。样本的统计量(均值、方差等)用于估计总体的相应参数。
样本均值
样本均值是总体均值 的点估计。它有两个重要性质:
| 性质 | 内容 |
|---|---|
| 无偏性 | |
| 方差 |
说明了什么? 样本量越大,样本均值的波动越小,估计越稳定。这是”多测几次取平均更准”的数学依据。
样本方差
为什么除以 ?
因为计算偏差时用的是样本均值 而不是总体均值 。 本身由样本决定,会”贴近”样本数据,导致 系统性地偏小。除以 而不是 ,正好补偿这个偏差,使 。
| 分母 | 结果 | 性质 |
|---|---|---|
| 偏小 | 有偏估计 | |
| 无偏 | 无偏估计 |
称为自由度:因为 , 个偏差中只有 个可以自由变化。
频率分布直方图
| 概念 | 定义 |
|---|---|
| 组距 | 每个分组的宽度 |
| 频率 | 该组频数 / 样本容量 |
| 频率/组距 | 直方图的纵坐标 |
纵坐标为什么是”频率/组距”而不是”频率”? 因为直方图的面积要表示频率:面积 = 组距 × (频率/组距) = 频率。所有矩形面积之和为 。
| 组距变化 | 效果 |
|---|---|
| 变小 | 图形更细致,但随机波动明显 |
| 变大 | 图形更平滑,但细节丢失 |
组距的选择没有唯一答案,需要在”细节”和”稳定”之间权衡。
用样本估计总体
| 总体参数 | 样本估计量 |
|---|---|
| 均值 | |
| 方差 | |
| 比例 | 样本频率 |
| 中位数 | 样本中位数 |
点估计只给一个数,不说明可靠程度。要说明可靠性,需要区间估计。
抽样误差与标准误
标准误描述”样本均值与总体均值的典型偏差”。
| 样本量 | 标准误 | 含义 |
|---|---|---|
| 较大 | ||
| 较小 |
标准误按 缩小:要让误差减半,样本量要变成 倍。这是抽样调查成本估算的基本依据。
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| ”样本方差除以 “ | 应除以 ,否则有偏 |
| ”样本量越大,样本一定越有代表性” | 还需随机抽样 |
| ”直方图纵坐标是频率” | 是频率/组距 |
| ”标准误随 线性减小” | 按 减小 |
| ”样本均值一定等于总体均值” | 只是无偏,不是相等 |
引出
为什么自由度是 而不是 ?
区间估计如何利用标准误构造置信区间?
如果样本不是随机抽取的,这些估计量还有意义吗?