Konfidensintervall
Transcription
Konfidensintervall
Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Konfidensintervall KONFIDENSINTERVALL Konfidensintervall för väntevärdet μ för en normalfördelad s.v. ξ ∈ N ( μ , σ ) med konfidensgraden 1 − α . x1 + x2 + L + x n . Vid bestämning av n konfidensintervall för μ av typen [a,b], där a och b är symmetrisk belägna runt x , betraktar vi två fall, är känt och är okänt: Låt x1 , x2 ,....xn vara n st. mätningar och x = Fall 1 ( σ är känt). Om är känt bestämmer vi λα / 2 från normalfördelningens tabell (sidan 15, inversen till Φ(x ) ) genom att bestämma x så att Φ( x ) = 1 − α 2 . Konfidensintervall för μ med konfidensgraden 1 − α är [ x − λα / 2 σ n , x + λα / 2 σ n ] (om σ är känt) Längden av konfidensintervallet är d = 2 ⋅ λα / 2 σ n ======================================================= Fall 2 ( σ är okänt). Om är okänt använder vi t-fördelning (sidan 16 i formelsamling). 1 n x + x2 + L + xn , därefter variansen = σ 2 = Först bestämmer vi x = 1 ∑ ( xi − x ) 2 och n − 1 i =1 n slutligen standardavvikelsen σ = Variansen . Kvantilen tα / 2 (n − 1) bestämmer vi från t-fördelningens tabell (sidan 16 i formelsamling) där vi väljer rad = − 1. Man säger att fördelningen har (n-1) frihetsgrader. Konfidensintervall för μ med konfidensgraden 1 − α är 1 av 7 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR σ [ x − tα / 2 (n − 1) n Konfidensintervall , x + tα / 2 (n − 1) σ n ] (om σ är okänt) ======================================================= Om vi söker ett "ensidigt" konfidensintervall för μ , dvs ett intervall av typ ( −∞, b] eller [a,+∞) med konfidensgrad 1 − α , då gäller följande formler [−∞, x + λα σ n ] eller [ x − λα σ n , + ∞] om σ är känt och [−∞, x + tα ( n − 1) σ* n ] eller [ x − tα ( n − 1) σ* n , + ∞] om σ är okänt. ÖVNINGSUPPGIFTER Uppgift 1. En forskare gjorde 8 mätningar av syrekoncentrationen och fick följande resultat (enhet: mg/l): 0.6, 0.4, 1.6, 1.8, 1.2, 2.4, 1.7, 1.3 N ( μ , σ ) kan antas vars standardavvikelse är känd, σ=1. Normalfördelningen a) Bestäm ett 95 % konfidensintervall för μ . b) Hur många mätningar behövs för att få ett konfidensintervall som har 98 % konfidensgrad och som är hälften så brett? Lösning: a) 2 av 7 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR x= Konfidensintervall x1 + x2 + L + x n =1.375 n (λα / 2 = λ0.025 = 1.96) Konfidensintervall (standardavvikelsen är känd, σ=1 ): ( x − λα / 2 σ , x + λα / 2 σ ) = (1.38 − 1.96 n n (1.375 − 0.693, 1.375 + 0.693) 1 1 ,1.38 + 1.96 ) ≈ 8 8 ≈ (0.682, 2.068) Svar a) (0.682, 2.068) b) Intervallets längd= d/2= 0.693 (λα / 2 = 2,326) Från formeln för konfidensintervall (med konfidensgrad 98%) får vi 2λα / 2 σ n = 0.693 ⇒ 2 ⋅ 2.326 ⋅ 1 2 ⋅ 2.326 = 0,693 ⇒ n = ⇒ 0.693 n 2 ⎛ 2 ⋅ 2.326 ⎞ n=⎜ ⎟ ⇒ ⎝ 0.693 ⎠ n ≈ 45 Svar b) : Det behövs 45 mätningar Uppgift 2. En student gjorde 5 mätningar för en normalfördelade stokastisk variabel ξ ∈ N ( μ , σ ) och fick följande resultat ( σ okänt): 51, 52, 50.5, 49, 48 Bestäm ett 95 % konfidensintervall för medelvärdet μ . Lösning: 3 av 7 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Konfidensintervall x1 + x2 + L + x n = 50.1, n 1 n variansen = σ 2 = ∑ ( xi − x ) 2 n − 1 i =1 1 = ((51 − 50.1) 2 + (52 − 50.1) 2 + (50.5 − 50.1) 2 + (49 − 50.1) 2 + ( 48 − 50.1) 2 ) = 2.55 4 σ = Variansen =1.6. Från formelsamling (sidan 16 rad n-1= 5-1 =4 har vi tα / 2 = t0.025 = 2.7764 Konfidensintervall: x= ( x − tα / 2 σ n , x + tα / 2 σ n ) = (50.1 − 2.7764 1 .6 1 .6 , 50.1 + 2.7764 ) 5 5 =(48.1, 52.1) Svar: (48.1, 52.1) Uppgift 3. Vi gjorde 6 mätningar för en normalfördelad stokastisk variabel X ∈N(μ,σ) och fick följande resultat (σ okänt): X: 24 32 28 31 26 25 Bestäm ett 90 % konfidensintervall för medelvärdet μ. Lösning: x = 83/3=27.6667, σ =3.266 4 av 7 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Konfidensintervall Vi har 6-1=5 frihetsgrader (tα / 2 = t 0,05 =2.015 ( t- inversen till 0.95) Konfidensintervall: ( x − tα / 2 σ n , x + tα / 2 σ n ) = ( 27.6667 − 2.015 3.266 , 27.6667 + 2.015 3.266 ) 6 6 =(24.97, 30.36) Svar: (24.97, 30.36) Uppgift 4. Man har gjort 6 mätningar av en normalfördelade stokastisk variabel X och fått följande resultat: A 43 44 42 41 45 40 Ange ett 95% konfidensintervall för medelvärden E(X). Lösning: x = 42.5 , n=6, ⇒ stickprovets varians =3.5, r= (n-1) = 5 frihetsgrader α 2 σ * =1.8708 = 2.5% Alltså, söker vi tα / 2 (5) i 5-te raden och kolumnen under 0.975 ( t- inversen till 0.975) tα / 2 (5) = 2,5706 ( x − tα / 2 (n − 1) σ* σ* , x + tα / 2 (n − 1) ) n n 1.8708 1.8708 = (42.5 − 2,5706 , 42.5 + 2,5706 ) 6 6 = ( 40.5, 44.5) Svar: ( 40.5, 44.5) Uppgift 5. En student gjorde 8 mätningar av en lösnings fryspunkt och fick följande resultat: 0.5, 0.4, 1.6, 1.8, 2.2, 2.4, 2.5, 0.8 Normalfördelningen kan antas och standardavvikelse är känt, σ=2. a) Bestäm ett 95 % konfidensintervall (ett tvåsidigt konfint. av typen [a,b] ) för fryspunkten. 5 av 7 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Konfidensintervall b) Hur många mätningar behövs för att få ett konfidensintervall (av typen [a,b] ) som har 98 % konfidensgrad och som är hälften så brett c) Bestäm en ensidigt konfidensintervall för fryspunkten av typen (−∞, c ) med konfidensgraden 90 % Lösning: a) x =1.525 (λα / 2 = λ0.025 = 1.96) Konfidensintervall: ( x − λα / 2 σ n , x + λα / 2 σ n ) = (1.525 − 1.96 2 2 ,1.525 + 1.96 ) 8 8 =(0.139, 2.91) Svar a) (0.139, 2.91) b) Intervallets längd=d=2.77 d Hälften = = 1.39 . 2 (λα / 2 = λ0.01 = 2.3263) Från formeln för konfidensintervall får vi 2λα / 2 σ n = 1.39 ⇒ 2 ⋅ 2.3263 ⋅ 2 2 ⋅ 2.3263 ⋅ 2 = 1.39 ⇒ n = ⇒ 1.39 n 2 ⎛ 2 ⋅ 2.3263 ⋅ 2 ⎞ n=⎜ ⎟ ⇒ 1.39 ⎝ ⎠ n ≈ 45 Svar b) : Det behövs 45 mätningar ( 8 +37). c) (λα = λ0.10 = 1.2816 6 av 7 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Konfidensintervall Konfidensintervall: (−∞, x + λα σ n ) = (−∞, 1.525 + 1.2816 2 ) = (−∞, 2.43) 8 Svar c) (−∞, 2.43) 7 av 7