9.2 进行区间估计
1.几种区间估计
(1)区间估计的基本概念
区间估计以点估计为基础进一步优化,可算出总体参数的一个区间范围,该区间是利用样本数据得到的。其优点是可反映估计的误差范围,也就是说,能给出一个一定程度上的可信区间,而点估计无法做到这点。
如果总体X的概率分布定义中含有一个未知参数θ,对于任意已知的数α(0<α<1),如果存在两个统计量θ1(X1,X2,…,Xn)及θ2(X1,X2,…,Xn),且满足P{θ1<θ<θ2}=1-α,则称随机区间(θ1,θ2)为置信区间,θ1,θ2为参数θ的置信下限和置信上限,1-α为置信度。
本章中的符号假设:总体均值→μ;总体标准差→σ;总体方差→σ2;样本均值→
;样本方差→S2=
;置信度→1-α。
(2)单个正态总体的区间估计
①总体方差σ2已知时,对μ的区间估计
如果已知样本(X1,X2,…,Xn)是来自总体X~N(μ,σ2)的正态分布,总体方差σ2已知时,可按如下方法对置信度1-α对应的总体均值μ进行区间估计。
引入随机变量
,则有Z~N(0,1),

因为λ2=zα/2,λ1=-zα/2,所以就有

因此,总体方差已知时,总体均值μ的置信度为1-α的对应区间是

②总体方差σ2未知时,对总体均值μ的区间估计
如果样本(X1,X2,…,Xn)是来自总体X~N(μ,σ2)的正态分布已知,总体方差σ2未知时,可按如下方法对置信度1-α对应的总体均值μ进行区间估计。
引入统计变量
,则T~t(n-1),
![]()
因为λ2=tα/2(n-1),λ1=-tα/2(n-1),所以就有

因此,总体方差σ2未知时,总体均值μ的置信度为1-α的对应区间是

③总体均值μ已知时,对总体方差σ2的区间估计
如果已知样本(X1,X2,…,Xn)是来自总体X~N(μ,σ2)的正态分布,μ总体的均值已知时,可按如下方法对置信度1-α对应的总体方差σ2进行区间估计。
引进随机量χ2=
,则χ2~χ2(n)。

因此,总体均值μ已知时,总体方差σ2的置信度为1-α的对应区间是

④总体均值μ未知时,对总体方差σ2的区间估计
如果样本(X1,X2,…,Xn)是来自总体X~N(μ,σ2)的正态分布已知,总体均值μ未知时,可按如下方法对置信度1-α对应的总体方差σ2进行区间估计。

因此,总体均值μ未知时,总体方差σ2的置信度为1-α的对应区间是

(3)两个正态总体的区间估计
①两个总体均值之差μ1-μ2的区间估计
设有两个独立服从正态分布的总体,分别为X~N(μ1,
)和Y~N(μ2
),(X1,X2,X3,…,Xn)来自总体X,(Y1,Y2,Y3,…,Ym)来自总体Y,则
~![]()

置信度1-α的μ1-μ2的置信区间为

②两个总体方差之比
的区间估计
设有两个独立服从正态分布的总体,分别为X~N(μ1,
)和Y~N(μ2,
),(X1,X2,X3,…,Xn)来自总体X,(Y1,Y2,Y3,…,Ym)来自总体Y,引进随机变量

此时对应于置信度1-α的
的置信区间为

2.Excel区间估计模板的制作与设计
Excel区间估计模板的设计与制作过程用以下几个例子来阐述。
(1)正态总体均值的区间估计
例9.1 已知一批灯泡的使用寿命X服从正态分布N(μ,σ2),从中任抽出9只检验,分别为1600,1440,1458,1424,1453,1230,1310,1450,1550,试求以下条件下该批灯泡的使用寿命的置信度为0.95的置信区间:
①总体标准差已知(σ=30)时均值的区间估计;②总体标准差未知时均值的区间估计。
模板的制作过程如下。
①总体标准差已知
第一步,输入样本值。为了提高模板的通用性,单元格区域B2:P3设计为样本值输入区域,将样本Xi的9个值输入单元格区域B2:J3,如图9.3所示。

图9.3 样本数据输入区
第二步,输入已知量。将总体标准差σ=30输入单元格B4中,置信度1-α=0.95输入单元格B5。
第三步,计算各统计量和参数。将样本均值公式“=AVERAGE(B2:P3)”输入单元格B7,样本容量计算公式“=COUNT(B2:P3)”输入单元格B8,分位值α的计算公式“=1-B3”输入单元格B9,μα的计算公式“=NORMSINV(1-B9/2)”输入单元格B10。(https://www.daowen.com)
第四步,计算置信区间。将式(9.4)中
的计算公式“=B4*B10/SQRT(B8)”输入B11单元格,置信区间上限的计算公式“=ROUND(B7-B11,3)”(小数点后面保留三位)输入单元格B12,置信区间下限的计算公式“=ROUND(B7-B11,3)”输入单元格B13,置信区间确定公式“="["&B12&","&B13&"]"”输入单元格B14,如图9.4所示。

图9.4 总体标准差已知时对总体均值的区间估计模板
②总体标准差未知时
第一步,输入样本值。同图9.3所示的类似。
第二步,输入已知量。如图9.5所示,将置信度1-α=0.95输入单元格B4。
第三步,计算各统计量和参数。将样本均值计算公式“=AVERAGE(B2:Q3)”输入单元格B6,样本标准差计算公式“=STDEV.S(B2:P3)”输入单元格B7,样本容量计算公式“=COUNT(B2:P3)”输入单元格B8,分位值α的计算公式“=1-B4”输单元格B9,tα/2(n-1)的计算公式“=T.INV.2T(B9,B8-1)”输入单元格B10,式(9.5)中
(n-1)的计算公式“=B7*B10/SQRT(B8)”输入单元格B11,置信区间上限的计算公式“=ROUND(B6-B11,3)”输入单元格B12(小数点后保留三位),置信区间下限的计算公式“=ROUND(B6+B11,3)”输入单元格B13,置信区间确定公式“="["&B12&","&B13&"]"”输入单元格B14,如图9.5所示。

图9.5 总体标准差未知时对总体均值的区间估计模板
(2)正态总体方差的区间估计
例9.2 某品牌手表生产厂生产的手表的走时有误差,设误差X服从正态分布N(μ,σ2),工作人员从生产线上随机地抽取9只手表进行测量,结果如下:-4.1,2.8,3.1,-3.0,2.5,1.1,-2.9,2.0,0.9。
试求以下条件下该手表走时误差的置信度0.95的置信区间:
①总体均值已知(μ=0.3)时,总体方差的区间估计;②总体均值未知时,总体方差的区间估计。
模板的制作过程如下。
①总体均值已知
第一步,输入样本值。为了提高通用性,单元格区域B2:P3设计为样本值输入区域,将样本Xi的9个值输入单元格区域B2:J3,如图9.6所示。

图9.6 样本输入区
第二步,输入已知量。将总体期望0.3输入单元格B4,置信度1-α=0.95输入单元格B5。
第三步,计算各统计量和参数。将式(9.6)中
(Xi-μ)2的计算公式“=SUMSQ((B2:P3)-$B$4)-COUNTBLANK(B2:P3)*B4^2”输入单元格B7,样本容量计算公式“=COUNT(B2:P3)”输入单元格B8,分位值α的计算公式“=1-B6”输入单元格B9,
的计算公式“=CHIINV(B9/2,B8)”输入单元格
的计算公式“=CHISQ.INV(B9/2,B8)”输入单元格B11。
第四步,计算置信区间。用式(9.6)将置信区间上限的计算公式“=ROUND(B7/B10,3)”(小数点后面保留三位)输入单元格B12,置信区间下限的计算公式“=ROUND(B7/B11,3)”输入单元格B13,置信区间确定公式“="["&B12&","&B13&"]"输入单元格B14,如图9.7所示。

图9.7 均值已知时总体方差的区间估计模板
②总体均值未知
第一步,样本值输入。同图9.6所示的类似。
第二步,输入已知量。将置信度1-α=0.90输入单元格B4。
第三步,计算各统计量和参数。将样本均值计算公式“=AVERAGE(B2:P3)”输入单元格B6,样本方差计算公式“=VAR.S(B2:P3)”输入单元格B7,样本容量统计公式“=COUNT(B2:Q3)”输入单元格B8,分位值α的计算公式“=1-B4”输入单元格B9。
第四步,计算置信区间。将确定
(n-1)的公式“=CHIINV(B9/2,B8-1)”=CHIINV(B9/2,B8-1)输入单元格B10;确定
(n-1)的公式“=CHIINV(1-B9/2,B8-1)”输入单元格B11,用式(9.7)将置信区间上限的计算公式“=ROUND((B8-1)*B7/B10,3)”和置信区间下限的计算公式“=ROUND((B8-1)*B7/B11,3)”分别输入单元格B12和单元格B13,置信区间确定公式“="["&B12&","&B13&"]"”输入单元格B14,如图9.8所示。

图9.8 总体均值未知时总体方差的区间估计模板
(3)两个总体参数的区间估计
例9.3 某研究机构为了提高产量,从甲、乙类两种试验田分别随机抽取8亩(1亩≈666.67m2)地和10亩地,测得亩产量如下(单位:千克)。
甲类:12.6,10.2,11.7,12.3,11.1,10.5,10.6,12.2。
乙类:8.6,7.9,9.3,10.7,11.2,11.4,9.8,9.5,10.1,8.5。
这两类试验田的产量相互独立且都服从正态分布。
①“”总体甲类试验田的总体标准差为15,总体乙类试验田的总体标准差为9,求置信度0.95的总体均值之差μ1-μ2的置信区间。
②当总体甲类试验田和总体乙类试验田的总体标准差未知时,求置信度0.95的方差比
的区间估计。
模板的制作如下。
①总体均值之差μ1-μ2的置信区间
第一步,输入样本值。为了提高模板的通用性,将单元格区域B2:P3设计为第一个样本值的输入区域,将本例中样本Xi的8个值输入单元格区域B2:I2;将单元格区域B5:P6设计为第二个样本值的输入区域,将本例中样本Yi的10个值输入单元格区域B2:K2,如图9.9所示。
第二步,输入已知量。将甲类试验田(以下简称“甲样本”)的总体标准差15输入单元格B7,乙类试验田(以下简称“乙样本”)的总体标准差9输入单元格B8,置信度1-α=0.95输入单元格B9。

图9.9 两个总体样本值
第三步,计算各统计量和参数。将甲样本总体均值的计算公式“=AVERAGE(B2:P3)”输入单元格B11,乙样本总体均值的计算公式“=AVERAGE(B5:P6)”输入单元格B12,统计甲样本容量的计算公式“=COUNT(B2:P3)”输入单元格B13,统计乙样本容量的计算公式“=COUNT(B5:P6)”输入单元格B14,分位值α的计算公式“=1-B9”输入单元格B14,确定μα的公式“=NORMSINV(1-B15/2)”输入单元格B16。
第四步,计算置信区间。将式(9.8)中
的计算公式“=B16*SQRT(B7^2/B13+B8^2/B14)”输入单元格B17,置信区间上限和置信区间下限的计算公式“=ROUND(=B11-B12-B17,3)”和“=ROUND(=B11-B12+B17,3)”分别输入单元格B18和B19,置信区间确定公式“="["&B18&","&B19&"]"”输入单元格B20中,如图9.10所示。

图9.10 两个总体均值之差μ1-μ2的区间估计
②总体方差之比
的置信区间
第一步,输入样本值。同图9.9所示的类似。
第二步,输入已知量。如图9.11所示,将置信度1-α=0.95输入单元格B7。
第三步,计算各统计量和参数。将甲样本总体方差的计算公式“=VAR.S(B2:P3)”输入单元格B9,乙样本总体方差的计算公式“=VAR.S(B5:P6)”输入单元格B10,统计甲样本容量的计算公式“=COUNT(B2:P3)”输入单元格B11,统计乙样本容量的计算公式“=COUNT(B5:P6)”输入单元格B12,分位值α的计算公式“=1-B7”输入单元格B13,确定μα的公式“=NORMSINV(1-B15/2)”输入单元格B16。
第四步,计算置信区间。把式(9.10)中确定
(m-1,n-1)的公式“=F.INV(0.95,B12-1,B11-1)”输入单元格B14,置信区间上限和置信区间下限的计算公式“ROUND(1/B14*B9/B10,3)”和“=ROUND(B14*B9/B10,3)”分别输入单元格B15和B16,确定置信区间公式“="["&B18&","&B19&"]"”输入单元格B17,如图9.11所示。

图9.11 两个总体方差之比
/
的区间估计
在以上6个模板中的样本容量不超过30时,样本数据任意改变或者修正其他已知参数时,也可以计算相应的区间估计,模板具有通用性和扩展性。