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学生教师

例 6.6.1

medium一级题目发布者: ai-batch

题干

设 x1,x2,⋯ ,x10x_1, x_2, \cdots, x_{10}x1​,x2​,⋯,x10​ 是来自 N(μ,σ2)N(\mu, \sigma^2)N(μ,σ2) 的样本,则 μ\muμ 的置信水平为 1−α1-\alpha1−α 的置信区间为

[xˉ−t1−α/2(9) s/10,xˉ+t1−α/2(9) s/10],\left[\bar{x} - t_{1-\alpha/2}(9)\,s/\sqrt{10},\quad \bar{x} + t_{1-\alpha/2}(9)\,s/\sqrt{10}\right],[xˉ−t1−α/2​(9)s/10​,xˉ+t1−α/2​(9)s/10​],

其中 xˉ,s\bar{x}, sxˉ,s 分别为样本均值和样本标准差。

现假定 μ=15,σ2=4\mu = 15, \sigma^2 = 4μ=15,σ2=4,用随机模拟方法由 N(15,4)N(15, 4)N(15,4) 产生一个容量为 10 的样本如下:

14.8513.0113.5014.9316.9714.85 \quad 13.01 \quad 13.50 \quad 14.93 \quad 16.9714.8513.0113.5014.9316.97 13.8017.9513.3716.2912.3813.80 \quad 17.95 \quad 13.37 \quad 16.29 \quad 12.3813.8017.9513.3716.2912.38

(1)取 α=0.10\alpha = 0.10α=0.10,求 μ\muμ 的置信水平为 0.90 的置信区间,并验证该区间是否包含参数真值。

(2)取 α=0.50\alpha = 0.50α=0.50,求 μ\muμ 的置信水平为 0.50 的置信区间,并验证该区间是否包含参数真值。

(3)分别解释置信水平 0.90 和 0.50 的含义。

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解析

由该样本可以算得

xˉ=14.705,s=1.843.\bar{x} = 14.705, \quad s = 1.843.xˉ=14.705,s=1.843.

(1) 取 α=0.10\alpha = 0.10α=0.10,则 t0.95(9)=1.833  1t_{0.95}(9) = 1.833\;1t0.95​(9)=1.8331,置信区间化为

[xˉ−0.579  7s,xˉ+0.579  7s].[\bar{x} - 0.579\;7s, \quad \bar{x} + 0.579\;7s].[xˉ−0.5797s,xˉ+0.5797s].

代入数据得 μ\muμ 的一个区间估计为

[14.705−0.579  7×1.843,  14.705+0.579  7×1.843]=[13.637,  15.773],[14.705 - 0.579\;7 \times 1.843,\; 14.705 + 0.579\;7 \times 1.843] = [13.637,\; 15.773],[14.705−0.5797×1.843,14.705+0.5797×1.843]=[13.637,15.773],

该区间包含 μ\muμ 的真值 15。若重复这样的方法 100 次,可以得到 100 个区间,其中约有 91 个包含参数真值 15,另外 9 个不包含参数真值。这是置信水平 1−α=0.901-\alpha = 0.901−α=0.90 的一个合理解释。

(2) 取 α=0.50\alpha = 0.50α=0.50,则 t0.75(9)=0.702  7t_{0.75}(9) = 0.702\;7t0.75​(9)=0.7027,于是 μ\muμ 的置信水平为 0.50 的置信区间为

[xˉ−0.222  2s,xˉ+0.222  2s].[\bar{x} - 0.222\;2s, \quad \bar{x} + 0.222\;2s].[xˉ−0.2222s,xˉ+0.2222s].

代入数据得 μ\muμ 的区间估计为

[14.705−0.222  2×1.843,  14.705+0.222  2×1.843]=[14.295,  15.115],[14.705 - 0.222\;2 \times 1.843,\; 14.705 + 0.222\;2 \times 1.843] = [14.295,\; 15.115],[14.705−0.2222×1.843,14.705+0.2222×1.843]=[14.295,15.115],

该区间也包含了参数真值。

(3) 置信水平的含义:若重复抽样 100 次产生 100 个置信区间,置信水平为 0.90 时约有 90 个区间包含参数真值;置信水平为 0.50 时约有 50 个区间包含参数真值。当然,若换 100 个样本,也不一定正好 50% 包含真值,但应差不多,譬如 49 个或 51 个都是合理的。

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