МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ

ОТ ВЫБОРКИ — К ВЫВОДУ

Точечные оценки параметров распределения

Как превратить наблюдения
в обоснованную оценку

θ̂ = T(X₁, …, Xₙ)

Много наблюдений. Одна оценка.

АВТОР

Петрова Светлана Михайловна

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАМАРШРУТ ЗАНЯТИЯ

От расчёта показателей
к осмысленной оценке

60 мин

Разбираем вместе

Короткая теория чередуется с пошаговыми примерами.

Среднее и разброс
Свойства оценок
Методы оценивания
30 мин

Решаете самостоятельно

Рассчитываете оценки и объясняете, что они говорят о данных.

Задания по теме
Ответы и выводы —
в конце презентации
РЕЗУЛЬТАТ ЗАНЯТИЯ

Вы сможете выбрать оценку, вычислить её и интерпретировать результат в социальной работе.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАОСНОВНАЯ ИДЕЯ

Выборка помогает оценить
неизвестный параметр

ПАРАМЕТР θ

Числовая характеристика распределения в генеральной совокупности.

ТОЧЕЧНАЯ ОЦЕНКА θ̂

Функция выборки, которая даёт одно число для оценки параметра.

θ̂ = T(X₁, …, Xₙ)
УЧЕБНЫЙ ПРИМЕР · СОЦИАЛЬНАЯ РАБОТА

Сколько дней ждут помощи?

Наблюдаемые сроки ожидания:

4 · 6 · 8 · 10 · 12
x̄ = (4 + 6 + 8 + 10 + 12) / 5
8 дней

Среднее по выборке — оценка среднего срока ожидания в совокупности.

До наблюдения выборки оценка — случайная величина. После расчёта её значение — конкретное число.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАДАННЫЕ И КОНТЕКСТ

Качество оценки начинается с качества выборки

Что наблюдаем?

Срок ожидания помощи в днях у случайно выбранных получателей за один период.

Объём выборки n — число наблюдений.

Что проверяем?

Одинаковые единицы и правила учёта.

Представлены ли разные группы получателей?

Нет ли повторного учёта одного человека?

Большая выборка сама по себе не исправляет систематический перекос отбора.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАВЫБОРОЧНОЕ СРЕДНЕЕ

Среднее использует каждое наблюдение

Сложите значения и разделите сумму на объём выборки.

x̄ = Σxᵢ / n

Для независимых одинаково распределённых наблюдений E(X)=μ.

ПРИМЕР · СРОК ОЖИДАНИЯ
4, 6, 8, 10, 12

Сумма: 40 дней. Объём: 5.

x̄ = 40 / 5 = 8 дней

Выборочное среднее оценивает μ — математическое ожидание распределения.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАГМУРМАН · № 457

Среднее пяти измерений равно 100 мм

УСЛОВИЕ В КРАТКОМ ПЕРЕСКАЗЕ

Длины стержня по пяти измерениям:

92, 94, 103, 105, 106

Найдём среднюю длину.

Два шага

1. Сумма: 92 + 94 + 103 + 105 + 106 = 500.

2. Разделим на n = 5.

x̄ = 500 / 5 = 100 мм

Среднее сохраняет единицы исходного признака; данные задачи № 457, издание 2004 года.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАГМУРМАН · № 450

Частоты задают вес каждого значения

xᵢ25710
nᵢ1612814

Объём: 16 + 12 + 8 + 14 = 50.

x̄ = Σ(nᵢxᵢ) / n

Взвешенная сумма

16·2 + 12·5 + 8·7 + 14·10 = 288.

x̄ = 288 / 50 = 5,76

Без частот результат был бы неверным.

Каждое значение учитывается столько раз, сколько оно встретилось в выборке.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАМЕДИАНА

Медиана делит упорядоченную выборку пополам

Сначала расположите значения по возрастанию.

Нечётное n

Возьмите значение на позиции (n + 1) / 2.

Чётное n

Усредните два центральных значения.

УЧЕБНЫЕ ПРИМЕРЫ
2, 4, [6], 8, 10

Me = 6.

2, [4, 6], 8

Me = (4 + 6) / 2 = 5.

Медиана описывает положение центра и менее чувствительна к величине крайних наблюдений.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАСРЕДНЕЕ И МЕДИАНА

Одно крайнее значение заметно меняет среднее

УЧЕБНЫЙ ПРИМЕР · ДНИ ОЖИДАНИЯ
2, 3, 4, 5, 6

Среднее = 4; медиана = 4.

2, 3, 4, 5, 36

Среднее = 10; медиана = 4.

Как читать результат?

Среднее учитывает длительное ожидание одного человека.

Медиана отражает центральное положение большинства наблюдений.

При асимметрии полезно приводить обе характеристики: они отвечают на разные вопросы.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАМОДА

Мода показывает наиболее частое значение

Mo — значение с максимальной частотой.

1, 2, 2, 2, 3, 4

Мода равна 2.

Для категорий можно найти наиболее частый вид обращения.

Мода не всегда единственна

1, 1, 2, 2, 3

Две моды: 1 и 2.

1, 2, 3, 4

Единственного лидера по частоте нет.

Мода, медиана и размах — описательные характеристики; роль параметра зависит от модели.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАРАЗМАХ

Размах использует только крайние наблюдения

R = xₘₐₓ − xₘᵢₙ

Единицы размаха совпадают с единицами признака.

Внутренние значения не участвуют в расчёте.

УЧЕБНЫЙ ПРИМЕР
2, 3, 4, 5, 6

R = 6 − 2 = 4 дня.

2, 3, 4, 5, 36

R = 36 − 2 = 34 дня.

Размах быстро показывает ширину данных, но сильно зависит от крайних значений.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАВЫБОРОЧНАЯ ДИСПЕРСИЯ

Дисперсия измеряет разброс относительно среднего

Dᵥ = Σ(xᵢ − x̄)² / n

Отклонения возводятся в квадрат, поэтому не взаимоуничтожаются.

Вычислите среднее, отклонения, квадраты и их сумму.

Единицы и смысл

Для данных в днях дисперсия выражается в днях².

σ̂ = √Dᵥ

Корень возвращает исходные единицы. Это ещё не гарантирует несмещённость.

При одинаковом центре большая дисперсия означает больший разброс наблюдений.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАГМУРМАН · № 457

Сумма квадратов отклонений равна 170

Для измерений 92, 94, 103, 105, 106 среднее x̄ = 100 мм.

xᵢ − x̄−8−6356
Квадрат643692536

1. Сумма квадратов:

64 + 36 + 9 + 25 + 36 = 170

2. Делим на пять наблюдений:

Dᵥ = 170 / 5 = 34 мм²

Квадраты учитывают и положительные, и отрицательные отклонения от среднего.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАИСПРАВЛЕННАЯ ДИСПЕРСИЯ

Делитель n−1 устраняет смещение дисперсии

s² = Σ(xᵢ − x̄)² / (n − 1)
s² = nDᵥ / (n − 1)

Нужно n > 1. При независимой одинаково распределённой выборке E(s²)=σ².

ПРОДОЛЖЕНИЕ № 457

n = 5; сумма квадратов = 170.

s² = 170 / 4 = 42,5 мм²

Dᵥ = 34 мм², а s² = 42,5 мм².

Сумма отклонений от выборочного среднего равна нулю: остаётся n−1 степень свободы.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАСВОЙСТВА ОЦЕНОК

Несмещённость — отсутствие систематического сдвига

E(θ̂) = θ

Свойство относится к повторным случайным выборкам, а не к одному расчёту.

Предполагаем независимые одинаково распределённые наблюдения с конечной дисперсией.

ОценкаОжидание
X̄μ
Dᵥ(n−1)σ² / n
s²σ²

Dᵥ в среднем занижает σ².

Несмещённая оценка может отличаться от параметра в конкретной выборке.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАСВОЙСТВА ОЦЕНОК

Состоятельная оценка приближается к параметру

P(|θ̂ₙ − θ| > ε) → 0

Для любого ε > 0 при n → ∞ вероятность большой ошибки стремится к нулю.

Это не обещание точного результата при каждом увеличении n.

Пример: среднее

Var(X̄) = σ² / n

При конечной σ² и независимых одинаково распределённых наблюдениях:

X̄ → μ по вероятности

Несмещённость и состоятельность — разные свойства: первое о сдвиге, второе о росте выборки.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАСВОЙСТВА ОЦЕНОК

Эффективность сравнивает точность оценок

В классе несмещённых оценок одного параметра эффективна оценка с наименьшей дисперсией.

Сравнение проводят при одной модели и одинаковом объёме выборки.

МОДЕЛЬ N(μ, σ²) · σ² ИЗВЕСТНА
Var(X̄) = σ² / n

Среднее достигает нижней границы Крамера — Рао для оценки μ.

В этой модели X̄ эффективно.

Нельзя объявить оценку эффективной без указания модели и класса сравнения.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАМЕТОД МОМЕНТОВ

Метод моментов связывает модель с выборкой

Три шага

1. Выразите моменты через параметры.

2. Приравняйте их выборочным моментам.

3. Решите уравнения.

E(X) = x̄
E(X²) = Σxᵢ² / n

Для двух параметров обычно нужны два уравнения.

Модель распределения должна быть задана заранее.

Метод моментов оценивает параметры выбранной модели, а не выбирает саму модель.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАГМУРМАН · № 471

Для распределения Пуассона λ оценивается средним

Пусть X₁, …, Xₙ — независимые наблюдения из Poisson(λ), λ > 0.

E(X) = λ

Приравниваем первый момент среднему выборки.

λ = x̄ ⇒ λ̂ = x̄
ДОБАВЛЕННЫЙ УЧЕБНЫЙ ПРИМЕР

Число обращений за равные периоды: 1, 2, 0, 3, 4.

λ̂ = 10 / 5 = 2

Оценка равна двум обращениям за период; применимость модели Пуассона нужно обосновать.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАМАКСИМАЛЬНОЕ ПРАВДОПОДОБИЕ

ММП ищет параметр, лучше согласующийся с данными

Наблюдённые данные фиксированы; меняется параметр θ.

L(θ) = ∏ f(xᵢ; θ)

Для дискретных данных вместо плотностей берутся вероятности.

θ̂ = arg max L(θ)

Удобно максимизировать ln L.

Ищем критические точки и проверяем максимум, границы и допустимость параметров.

Для непрерывной модели правдоподобие — произведение плотностей, а не вероятность точной выборки.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАГМУРМАН · № 489 · СЛУЧАЙ m=1

Для Бернулли ММП равен доле успехов

n независимых испытаний; k успехов; вероятность успеха p.

L(p) = pᵏ(1−p)ⁿ⁻ᵏ

ln L = k ln p + (n−k) ln(1−p).

k/p − (n−k)/(1−p) = 0
p̂ = k / n

При 0 < k < n вторая производная отрицательна: найден максимум.

При k = 0 или n максимум на границе: p̂ = 0 или 1.

Например, 12 успехов из 20: p̂ = 0,6.

Это частный случай биномиальной задачи № 489; числовой пример добавлен для занятия.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАПРИМЕНЕНИЕ В СОЦИАЛЬНОЙ РАБОТЕ

Оценка помогает описать работу службы

ВопросПоказатель
Средняя нагрузкаx̄
Центр сроков ожиданияМедиана
Частый вид обращенияМода
Неоднородность сроковs²

От числа к выводу

Доля получивших помощь: p̂ = k/n.

Разброс помогает выявить неоднородность обслуживания.

Укажите период, единицы, выборку и ограничения отбора.

Точечная оценка не показывает неопределённость и не доказывает причинную связь.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАСАМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА

За 30 минут рассчитайте оценки и сделайте выводы

10 + 10 + 10 = 30 минут

Задание 1: характеристики центра и размах.

Задание 2: две дисперсии.

Задание 3: методы и свойства оценок.

Как оформить ответ

Формула → подстановка → результат → вывод.

Можно использовать калькулятор.

Оцениваем правильность вычислений, единицы и интерпретацию.

Выполните все три задания до просмотра ответов. Ответы начинаются со слайда 27.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАЗАДАНИЕ 1 · 10 МИНУТ

Опишите центр выборки и её размах

УЧЕБНЫЙ ПРИМЕР · ДНИ ОЖИДАНИЯ
2, 3, 3, 4, 5, 7

Наблюдения приведены в порядке возрастания.

Размер выборки n = 6.

Найдите

Выборочное среднее.

Медиану и моду.

Размах.

Объясните различие среднего и медианы одним предложением.

Это авторское учебное задание в социальном контексте; единицы ответа — дни.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАЗАДАНИЕ 2 · 10 МИНУТ · ГМУРМАН № 458

Сравните выборочную и исправленную дисперсии

УСЛОВИЕ В КРАТКОМ ПЕРЕСКАЗЕ

Результаты четырёх измерений:

8, 9, 11, 12

Найдите среднее и сумму квадратов отклонений.

Вычислите

Dᵥ = Σ(xᵢ−x̄)² / n
s² = Σ(xᵢ−x̄)² / (n−1)

Какая оценка несмещённо оценивает генеральную дисперсию?

Дисперсии выразите в квадрате единиц измерения. Не округляйте промежуточные результаты.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАЗАДАНИЕ 3 · 10 МИНУТ

Найдите параметры и различите свойства оценок

ГМУРМАН · № 479 · ПЕРЕСКАЗ

Число испытаний до первого успеха:

2, 4, 6, 8

Геометрическая модель: E(X)=1/p.

Найдите p методом моментов.

Ещё два вопроса

В 10 испытаниях Бернулли — 7 успехов. Найдите p методом ММП.

Какое свойство означает отсутствие сдвига, а какое — приближение при росте n?

Последние два вопроса — авторские. Запишите уравнение метода моментов и короткие пояснения.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАОТВЕТЫ · ЗАДАНИЕ 1

Среднее равно 4 дням, медиана — 3,5 дня

ХарактеристикаОтвет
Среднее24 / 6 = 4 дня
Медиана(3 + 4) / 2 = 3,5 дня
Мода3 дня
Размах7 − 2 = 5 дней

Вывод

Значения 5 и 7 сдвигают среднее выше медианы.

Самое частое ожидание — 3 дня.

По шести наблюдениям нельзя описать всех получателей помощи без условий отбора.

Разные характеристики центра дополняют друг друга; размах описывает крайние значения.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАОТВЕТЫ · ЗАДАНИЕ 2

Исправленная дисперсия равна 10/3

x̄ = 40 / 4 = 10

Квадраты отклонений: 4, 1, 1, 4.

Σ(xᵢ−x̄)² = 10

Единицы дисперсии — квадрат единиц исходного признака.

Dᵥ = 10 / 4 = 2,5
s² = 10 / 3 ≈ 3,33

Исправленная дисперсия больше в 4/3 раза.

При стандартных предпосылках s² несмещённа.

Поправка меняет делитель, а не данные и не среднее. Для оценки σ² выбираем s².

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАОТВЕТЫ · ЗАДАНИЕ 3

Метод моментов даёт 0,2, ММП — 0,7

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ · № 479
x̄ = 20 / 4 = 5
1/p̂ = 5 ⇒ p̂ = 0,2

Вероятность успеха за одно испытание оценивается как 0,2.

МОДЕЛЬ БЕРНУЛЛИ
p̂ = 7 / 10 = 0,7

Несмещённость — отсутствие систематического сдвига.

Состоятельность — приближение по вероятности при росте выборки.

Это две разные модели и две разные выборки: результаты не должны совпадать.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКАВЫВОДЫ И ИСТОЧНИКИ

Обоснованная оценка требует данных и модели

Среднее, медиана и мода описывают центр; размах и дисперсия — разброс.

Для несмещённой оценки σ² используйте s².

Различайте несмещённость, состоятельность и эффективность.

Социальные примеры — авторские. Указывайте ограничения выводов.

Основной источник

Гмурман В. Е. «Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике». Высшая школа, 2004.

Глава X: № 450, 457, 458, 471, 479, 489.

Петрова Светлана Михайловна · Точечная оценка — одно число, а качество вывода зависит от предпосылок.

Сделано на ХостAI