Θεωρία Πιθανοτήτων και Στατιστική

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Θεωρία Πιθανοτήτων και Στατιστική Ενότητα 2: Εκτίμηση Παραμέτρων Κουγιουμτζής Δημήτρης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Θεωρία Πιθανοτήτων και Στατιστική Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Θεωρία Πιθανοτήτων και Στατιστική Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών 3

4 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Σημειακή εκτίμηση, μέθοδοι υπολογισμού Διάστημα εμπιστοσύνης μέσης τιμής Διάστημα εμπιστοσύνης διασποράς και διαφοράς μέσων τιμών Εκτίμηση Παραμέτρων 4

5 EKTIMHSH PARAMETRWN - 1 EKTIMHSH PARAMETRWN - 1 Shmeiak EktÐmhsh Mèjodoc upologismoô thc shmeiak c ektðmhshc t.m. X me katanom F X (x; θ) Parˆmetroc θ: ˆgnwsth θ µ, σ 2, p DeÐgma {x 1,..., x n }: gnwstì EktÐmhsh paramètrou 1 Shmeiak ektðmhsh: ˆθ 2 EktÐmhsh diast matoc: [θ 1, θ 2 ] 'Allo deðgma ˆlla dedomèna {x 1,..., x n } {x 1,..., x n } sumbolðzoun: 1. Parathr seic 2. t.m. {X 1,..., X n } me katanom F X (x; θ)

6 EKTIMHSH PARAMETRWN - 1 Shmeiak EktÐmhsh Shmeiak EktÐmhsh Mèjodoc upologismoô thc shmeiak c ektðmhshc ˆθ: ektim tria thc θ ˆθ eðnai sunˆrthsh twn t.m. {x 1,..., x n } ˆθ eðnai t.m., E(ˆθ) µˆθ, Var(ˆθ) σ 2ˆθ EktÐmhsh mèshc tim c (deigmatik mèsh tim ) θ µ x = 1 n x i n i=1 EktÐmhsh diasporˆc (deigmatik diasporˆ) θ σ 2 s 2 = 1 n (x i x) 2 n i=1 ( s 2 = 1 n n ) (x i x) 2 = 1 xi 2 n x 2 n 1 n 1 i=1 i=1

7 EKTIMHSH PARAMETRWN - 1 Krit ria kal n ektimhtri n Shmeiak EktÐmhsh Mèjodoc upologismoô thc shmeiak c ektðmhshc 1. AmerolhyÐa ˆθ amerìlhpth: E(ˆθ) = θ alli c h merolhyða eðnai b(ˆθ) = E(ˆθ) θ ParadeÐgmata H deigmatik mèsh tim x eðnai amerìlhpth: E( x) = µ ( ) 1 n E( x) = E x i = 1 n E(x i ) = 1 n µ = µ n n n i=1 H deigmatik diasporˆ s 2 eðnai amerìlhpth: E(s 2 ) = σ 2? H deigmatik diasporˆ s 2 eðnai merolhptik : i=1 i=1 b( s 2 ) = E( s 2 ) σ 2 = n 1 n σ2 σ 2 = σ2 n Asumptwtikˆ (n ) h s 2 eðnai amerìlhpth

8 EKTIMHSH PARAMETRWN - 1 Krit ria kal n ektimhtri n (sunèqeia) Shmeiak EktÐmhsh Mèjodoc upologismoô thc shmeiak c ektðmhshc 2. Sunèpeia ˆθ sunep c: P( θ ˆθ ɛ) 1 ìtan n ParadeÐgmata x, s 2, s 2 eðnai sunepeðc H ektim tria thc µ: x d = (x min + x max )/2 den eðnai sunep c 3. Apotelesmatikìthta DÔo ektim triec ˆθ 1 kai ˆθ 2 thc θ: ˆθ 1 eðnai pio apotelesmatik apì ˆθ 2 ìtan σ 2ˆθ1 < σ 2ˆθ2 Parˆdeigma x eðnai piì apotelesmatik apì th x d giatð σ 2 x < σ 2 x d.

9 EKTIMHSH PARAMETRWN - 1 Shmeiak EktÐmhsh Mèjodoc upologismoô thc shmeiak c ektðmhshc Krit ria kal n ektimhtri n (sunèqeia) 4. Epˆrkeia ˆθ eðnai epark c ìtan qrhsimopoieð ìlh thn plhroforða apì to deðgma pou sqetðzetai me th θ. ParadeÐgmata x, s 2, s 2 eðnai eparkeðc giatð qrhsimopoioôn ìlec tic parathr seic {x 1,..., x n } x d den eðnai epark c giatð qrhsimopoieð mìno x min kai x max. Parathr seic Mia kal ektim tria prèpei na plhreð autèc tic idiìthtec. Bèltisth ektim tria: amerìlhpth kai me thn elˆqisth diasporˆ

10 EKTIMHSH PARAMETRWN - 1 Upologismìc shmeiak c ektðmhshc Shmeiak EktÐmhsh Mèjodoc upologismoô thc shmeiak c ektðmhshc Jèloume na ektim soume th θ parˆmetro katanom c F (x; θ) miac t.m. X apì ta anexˆrthta dedomèna {x 1,..., x n }. Mèjodoc twn Rop n 1 EktimoÔme pr ta tic ropèc thc katanom c: ροπή πρώτου βαθμού: µ x ροπή δευτέρου βαθμού: σ 2 s 2 2 Apì th sqèsh thc θ me tic ropèc upologðzoume thn ektðmhsh ˆθ. ParadeÐgmata Kanonik katanom : parˆmetroi µ kai σ 2 eðnai oi Ðdiec ropèc (ˆmesh ektðmhsh). Omoiìmorfh katanom sto [a, b]: parˆmetroi a kai b upologðzontai apì µ = a+b 2 kai σ 2 = (b a)2 12 (èmmesh ektðmhsh).

11 EKTIMHSH PARAMETRWN - 1 Shmeiak EktÐmhsh Mèjodoc upologismoô thc shmeiak c ektðmhshc Parˆdeigma: 'Orio èntashc hlektrikoô reômatoc asfalei n twn 40 ampèr A/A x i (ampèr) xi SÔnolo

12 EKTIMHSH PARAMETRWN - 1 Shmeiak EktÐmhsh Mèjodoc upologismoô thc shmeiak c ektðmhshc Upojètoume kanonik katanom : parˆmetroi µ kai σ 2 EktÐmhsh mèshc tim c: x = x i = = i=1 Gia s 2, upologðzoume pr ta to ˆjroisma tetrag nwn 25 xi 2 = i=1 EktÐmhsh diasporˆc: s 2 = ( 25 ) 1 xi 2 25 x i=1 = 1 24 ( ) = Upojètoume omoiìmorfh katanom sto [a, b]: parˆmetroi a kai b EktÐmhsh twn a kai b: x = a+b 2 s 2 = (b a)2 12 â = x 3s ˆb = x + 3s â = ˆb = 41.40

13 EKTIMHSH PARAMETRWN - 1 Shmeiak EktÐmhsh Mèjodoc upologismoô thc shmeiak c ektðmhshc Mèjodoc MegÐsthc Pijanofˆneiac DÐnontai anexˆrthta {x 1,..., x n }, x i F (x; θ) poia eðnai h pio pijan tim gia th θ? f (x i ; θ) P(X = x i ; θ) gia kˆpoia tim X = x i Sunˆrthsh pijanofˆneiac (πιθανότητα να παρατηρήσουμε {x 1,..., x n } σ ένα τυχαίο δείγμα) L(x 1,..., x n ; θ) = f (x 1 ; θ) f (x n ; θ) 'An L(x 1,..., x n ; θ 1 ) > L(x 1,..., x n ; θ 2 ) tìte θ 1 pio alhjofan c apì θ 2 H piì alhjofan s tim thc θ: aut pou megistopoieð th L(x 1,..., x n ; θ) log L(x 1,..., x n ; θ). Ektim tria megðsthc pijanofˆneiac ˆθ dðnetai apì thn exðswsh log L(x 1,..., x n ; θ) θ = 0.

14 EKTIMHSH PARAMETRWN - 1 Shmeiak EktÐmhsh Mèjodoc upologismoô thc shmeiak c ektðmhshc Mèjodoc MegÐsthc Pijanofˆneiac (sunèqeia) Jèloume na ektim soume θ 1,..., θ m Sunˆrthsh pijanìfaneiac: L(x 1,..., x n ; θ 1,..., θ m ) Ektim triec megðsthc pijanofˆneiac ˆθ 1,..., ˆθ m dðnontai apì log L(x 1,..., x n ; θ 1,..., θ m ) θ j = 0 j = 1,..., m. Parathr seic H mèjodoc megðsthc pijanofˆneiac mporeð na efarmosjeð gia opoiod pote θ an xèroume thn katanom F X (x; θ). H mèjodoc twn rop n den efarmìzetai an h θ de mporeð na upologisjeð apì tic ropèc. H ektim tria megðsthc pijanofˆneiac eðnai amerìlhpth (asumptwtikˆ), sunep c, apotelesmatik ki epark c.

15 EKTIMHSH PARAMETRWN - 1 Shmeiak EktÐmhsh Mèjodoc upologismoô thc shmeiak c ektðmhshc EktÐmhsh paramètrwn kanonik c katanom c {x 1,..., x n } apì kanonik katanom N(µ, σ 2 ) kai σ 2 gnwst f X (x; µ) f (x) = 1 2πσ e (x µ)2 2σ 2 ektðmhsh tou µ? sunˆrthsh pijanìfaneiac ( ) [ 1 n/2 L(x 1,..., x n ; µ) = 2πσ 2 exp 1 2σ 2 ] n (x i µ) 2 i=1 log L(x 1,..., x n ; µ) = n 2 log 2π n 2 log(σ2 ) 1 2σ 2 n (x i µ) 2 Ektim tria megðsthc pijanofˆneiac ˆµ log L µ = 0 1 n σ 2 (x i µ) = 0 ˆµ = 1 n x i = x n i=1 i=1 i=1

16 EKTIMHSH PARAMETRWN - 1 Shmeiak EktÐmhsh Mèjodoc upologismoô thc shmeiak c ektðmhshc EktÐmhsh paramètrwn kanonik c katanom c (sunèqeia) Kai h diasporˆ σ 2 ˆgnwsth log L µ = 0 1 σ 2 n (x i µ) = 0 i=1 log L σ 2 = 0 n 2σ σ 4 H epðlush dðnei gia µ, ˆµ = x, kai gia σ 2 n (x i µ) 2 = 0 i=1 ˆσ 2 = 1 n n (x i ˆµ) 2 = 1 n i=1 n (x i x) 2 = s 2 i=1

17 'Askhsh EKTIMHSH PARAMETRWN - 1 Shmeiak EktÐmhsh Mèjodoc upologismoô thc shmeiak c ektðmhshc Metr jhkan oi qrìnoi (se èth kai dekadikì tou ètouc) diˆrkeiac mpatari n autokin tou miac etaireðac Upojètoume ìti h diˆrkeia thc mpatarðac T akoloujeð ekjetik katanom f T (t) = 1 λ exp t/λ Na upologisjeð h ektðmhsh mègisthc pijanofˆneiac thc mèshc diˆrkeiac λ thc mpatarðac.

18 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ EktÐmhsh Diast matoc empistosônhc Melet same thn ektim tria ˆθ paramètrou θ: An gnwrðzoume thn katanom thc X kai eðnai F X (x; θ), tìte brðskoume th ˆθ me 1 Mèjodo rop n 2 Mèjodo megðsthc pijanofˆneiac Anexˆrthta apì thn katanom thc X èqoume touc ektimhtèc: θ := µ ˆθ = x θ := σ 2 ˆθ = s 2 ˆθ = s 2 H tim thc ektim triac ˆθ exartˆtai apì to deðgma {x 1,..., x n }. ˆθ eðnai t.m. me E(ˆθ) µˆθ, Var(ˆθ) σ 2ˆθ Katanom thc ˆθ? E(ˆθ)? Var(ˆθ)? Me bˆsh thn katanom thc ˆθ jèloume na orðsoume èna diˆsthma [θ 1, θ 2 ] pou ja perièqei me kˆpoia pijanìthta thn pragmatik tim thc θ.

19 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ Diˆsthma empistosônhc thc µ Ektim tria (shmeiak ektðmhsh) thc µ: x µ x = E(ˆµ)= µ σ 2 x = Var( x) = Var Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) ( 1 n ) n x i i=1 = 1 n n 2 Var(x i ) = 1 n 2 i=1 n i=1 = 1 n 2 (n σ2 )= σ2 n σ x = σ/ n stajerì sfˆlma H katanom thc x exartˆtai apì 1 th diasporˆ thc X, σ 2 (gnwst / ˆgnwsth) 2 thn katanom thc X (kanonik ìqi) 3 mègejoc tou deðgmatoc n (megˆlo / mikrì) σ 2

20 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) Diˆsthma empistosônhc thc µ - gnwst diasporˆ σ 2 Gia thn katanom thc x èqoume dôo peript seic 1 X N(µ, σ 2 ) 2 n > 30 x N(µ, σ 2 /n) X N(µ, σ 2 ) n < 30 x? 1 An h katanom thc X eðnai kanonik κατανομή της X X n είναι κανονική h katanom thc x eðnai kanonik 2 An to deðgma eðnai megˆlo n > 30 Κεντρικό Οριακό Θεώρημα h katanom thc x eðnai kanonik

21 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) gnwstì σ 2 kai x akoloujeð kanonik katanom x N(µ, σ 2 /n) z x µ σ/ N(0, 1) n Gia kˆje pijanìthta α (kai 1 α) upˆrqoun oi antðstoiqec timèc thc z, z α/2 = z 1 α/2 : P(z < z α/2 ) = Φ(z α/2 ) = α/2 P(z > z 1 α/2 ) = 1 Φ(z 1 α/2 ) = 1 (1 α/2) = α/2 P(z < z α/2 z > z 1 α/2 ) = α P(z α/2 < z < z 1 α/2 ) =Φ(z 1 α/2 ) Φ(z α/2 ) = 1 α Apì ton statistikì pðnaka tupik c kanonik c katanom c DÐnetai pijanìthta 1 α krðsimh tim z 1 α/2 = Φ 1 (1 α/2) }

22 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) gnwstì σ 2, x akoloujeð kanonik katanom (sunèqeia) h z an kei sto diˆsthma [z α/2, z 1 α/2 ] = [ z 1 α/2, z 1 α/2 ] me pijanìthta 1 α. Apì to metasqhmatismì z x µ σ/ n diast matoc [ z 1 α/2, z 1 α/2 ] z 1 α/2 = x µ σ/ n LÔnoume wc proc µ èqoume gia ta ˆkra tou z 1 α/2 = x µ σ/ n µ = x + z 1 α/2 σ n µ = x z 1 α/2 σ n Diˆsthma empistosônhc thc µ se epðpedo empistosônhc 1 α [ x z 1 α/2 σ n, x + z 1 α/2 σ n ]

23 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) gnwstì σ 2, x akoloujeð kanonik katanom (sunèqeia) ErmhneÐa diast matoc empistosônhc me pijanìthta (empistosônh) 1 α h mèsh tim µ brðsketai mèsa s' autì to diˆsthma OQI an qrhsimopoioôsame pollˆ tètoia diast mata apì diaforetikˆ deðgmata, posostì (1 α)% apì autˆ ja perieðqan th µ NAI me 1 α pijanìthta (empistosônh) to diˆsthma autì ja perièqei thn pragmatik µ NAI

24 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) gnwstì σ 2, x akoloujeð kanonik katanom (sunèqeia) DiadikasÐa ektðmhshc tou diast matoc empistosônhc tou µ 1 Epilog tou 1 α, σ gnwstì, x apì to deðgma. 2 EÔresh krðsimhc tim c z 1 α/2 apì ton pðnaka gia tupik kanonik katanom. 3 Antikatˆstash ston tôpo [ x z 1 α/2 σ n, x + z 1 α/2 σ n ]

25 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ Parˆdeigma Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) Diˆsthma empistosônhc se epðpedo 95% gia gia to mèso ìrio èntashc hlektrikoô reômatoc gia asfˆleiec twn 40 ampèr pou parˆgei mia etaireða? DÐnetai σ 2 = 1 (ampèr) 2 Iστoγραμμα oριoυ ρευματος για ασφαλειες εταιρειας A Θηκoγραμμα oριoυ ρευματος για ασφαλειες εταιριας A συχνoτητα ευρoς A summetrða, ìqi makrièc ourèc, ìqi akraða shmeða X N(µ, 1) µ =?

26 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ Parˆdeigma (sunèqeia) Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) X N(µ, 1) x N(µ, 1/25) x = i=1 x i = = 39.8 DiadikasÐa ektðmhshc tou diast matoc empistosônhc tou µ 1 1 α = 0.95, σ = 1, x = KrÐsimh tim : z = Φ 1 (0.975) = σ x ± z 1 α/2 n 39.8 ± [39.41, 40.20] Sumpèrasma: Se 95% epðpedo empistosônhc perimènoume to mèso ìrio èntashc hlektrikoô reômatoc gia asfˆleiec twn 40 ampèr me bˆsh to deðgma apì thn etairða A na kumaðnetai metaxô kai

27 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) Diˆsthma empistosônhc thc µ, ˆgnwsth diasporˆ σ 2 PerÐptwsh 1: megˆlo deðgma (n > 30) s 2 σ 2 : [ x z 1 α/2 s n, x + z 1 α/2 s n ] PerÐptwsh 2: mikrì deðgma (n < 30) kai X N(µ, σ 2 ) Tìte isqôei t x µ s/ n t n 1 katanom student me n 1 bajmoôc eleujerðac N(0,1) t 5 t 24 t 50 f (x) X x

28 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ 'Agnwsth diasporˆ σ 2 Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) f X (x) t 24,0.025 = t 24,0.975 = x DiadikasÐa ektðmhshc tou diast matoc empistosônhc tou µ 1 Epilog tou 1 α, σ ˆgnwsto, x kai s apì to deðgma. 2 EÔresh krðsimhc tim c t n 1, 1 α/2 apì ton pðnaka gia katanom student. 3 Antikatˆstash ston tôpo [ x t n 1,1 α/2 s n, x + t n 1,1 α/2 s n ]

29 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ 'Agnwsth diasporˆ σ 2 Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) PerÐptwsh 3: mikrì deðgma (n < 30) kai X N(µ, σ 2 ) Mh-parametrik mèjodoc

30 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ Parˆdeigma Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) Diˆsthma empistosônhc se epðpedo 95% gia to mèso ìrio èntashc hlektrikoô reômatoc thc asfˆleiac? [σ 2 ˆgnwsto] Mikrì deðgma (n < 30) kai X N(µ, σ 2 ) t x µ s/ n t n 1, bajmoð eleujerðac: n 1 = 24 ( s 2 = 1 25 ) xi 2 25 (39.8) 2 = (ampèr) 2 24 i=1 DiadikasÐa ektðmhshc tou diast matoc empistosônhc tou µ 1 1 α = 0.95, x = 39.8, s 2 = KrÐsimh tim : t 24,0.975 = s x ± t n 1,1 α/2 n ± [39.42, 40.18] An z = 1.96 antð t 24, = ± [39.44, 40.16]

31 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) EktÐmhsh diast matoc empistosônhc thc µ diasporˆ X -katanom n x -katanom d.e. gnwst kanonik z x µ σ/ N(0, 1) n x ± z 1 α/2 σ n gnwst mh kanonik megˆlo z x µ σ/ N(0, 1) n x ± z 1 α/2 σ n gnwst mh kanonik mikrì ˆgnwsth megˆlo z x µ s/ N(0, 1) x ± z n 1 α/2 s n ˆgnwsth kanonik mikrì t x µ s/ n tn 1 x ± t n 1,1 α/2 s n ˆgnwsth mh kanonik mikrì Genikˆ gia to d.e. thc µ brðsketai apì σ x ± z α/2 n s x ± t n 1,1 α/2 n

32 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ EÔroc diast matoc empistosônhc) Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) To diˆsthma empistosônhc exartˆtai apì: thn katanom kai th σ 2 thc t.m. X to mègejoc n tou deðgmatoc to epðpedo empistosônhc 1 α Gia dedomèno eôroc diast matoc empistosônhc mporoôme na broôme to mègejoc n pou antistoiqeð apì ton antðstoiqo tôpo. Endeiktik perðptwsh: n < 30, X N(µ, σ 2 ) kai σ 2 ˆgnwsto eôroc tou d.e. w = 2t n 1,1 α/2 s n Gia eôroc w prèpei to deðgma na èqei mègejoc n = ( 2t n 1,1 α/2 s ) 2 ( n = 2z w 1 α/2 s ) 2 w anˆloga me to n pou brðskoume.

33 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ Parˆdeigma Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) Sto prohgoômeno arijmhtikì parˆdeigma (asfˆleiec}, qrhsimopoi ntac t-katanom br kame 95% d.e ± [39.42, 40.18] EÔroc d.e.: w = = 0.76 isodônama akrðbeia gôrw apì th x : = 0.38 An jèloume eôroc 0.5 ( akrðbeia 0.25), pìso prèpei na megal sei to deðgma? ( ) 2 (kanonik katanom ) n = = (katanom student) ( ) 2 t 24,0.975 = n = = ( ) 2 t 58,0.975 = n = = ( ) 2 t 54,0.975 = n = =

34 'Askhsh Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) Εγιναν 15 μετρήσεις της συγκέντρωσης διαλυμένου οξυγόνου (Δ.Ο.) σε ένα ποτάμι (σε mg/l) Από παλιότερες μετρήσεις γνωρίζουμε ότι η διασπορά του Δ.Ο. είναι 0.1 (mg/l) 2. 1 Εκτιμείστε τη διασπορά της συγκέντρωσης Δ.Ο. από το δείγμα καθώς και τα διαστήματα εμπιστοσύνης σε επίπεδο 99% και 90%. Εξετάστε και για τα δύο επίπεδα εμπιστοσύνης αν μπορούμε να δεχτούμε την εμπειρική τιμή της διασποράς γι αυτό το δείγμα. 2 Εκτιμείστε τη μέση συγκέντρωση Δ.Ο. από το δείγμα και δώστε γι αυτήν 95% διάστημα εμπιστοσύνης υποθέτοντας πρώτα ότι η διασπορά είναι γνωστή και μετά χρησιμοποιώντας αυτήν του δείγματος. 3 Αν υποθέσουμε ότι για ένα εργοστάσιο δίπλα στο ποτάμι είναι σημαντικό η μέση συγκέντρωση Δ.Ο. να μην πέφτει κάτω από 1.8 mg/l, θα προκαλούσαν ανησυχία αυτές οι παρατηρήσεις (διασπορά από το δείγμα);

35 Diˆsthma empistosônhc thc mèshc tim c µ 'Askhsh (sunèqeia) Gnwst diasporˆ σ 2 'Agnwst diasporˆ σ 2 EÔroc diast matoc empistosônhc) 4 Αν δε μας ικανοποιεί το εύρος του τελευταίου παραπάνω διαστήματος και θέλουμε να το μειώσουμε σε 0.2 mg/l πόσες επιπρόσθετες ημερήσιες μετρήσεις πρέπει να γίνουν; 5 Ενας άλλος τρόπος να ελέγξουμε αν η συγκέντρωση του Δ.Ο. πέφτει σε μη επιθυμητά επίπεδα είναι να δούμε αν το ποσοστό των ημερών που η τιμή της συγκέντρωσης Δ.Ο. πέφτει στο επίπεδο 1.6 mg/l και κάτω ξεπερνάει το 15%. Εκτιμείστε αυτό το ποσοστό από το δείγμα. Μπορείτε να δώσετε 95% διάστημα εμπιστοσύνης για το ποσοστό; Πόσο πρέπει να είναι το μέγεθος του δείγματος για να μπορεί να εκτιμηθεί 95% διάστημα εμπιστοσύνης για το ποσοστό με πλάτος το πολύ 10%;

36 Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Diˆsthma empistosônhc thc σ 2 s 2 ektim tria thc σ DÐnetai χ 2 (n 1)s2 σ 2 X 2 n X f (x) X X 2 24 X x Gia polô megˆlo n: X 2 n 1 kanonik Xn 1 2 den eðnai summetrik katanom dôo krðsimec timèc: χ 2 n 1,α/2 P(χ 2 < χ 2 n 1,α/2 ) = α/2 χ 2 n 1,1 α/2 P(χ 2 < χ 2 n 1,1 α/2 ) = 1 α/2

37 Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Diˆsthma empistosônhc thc σ 2 (sunèqeia) X f (x) X X 2 24,0.025 = 12.4 X 2 24,0.975 =39.4 ( P x ) χ 2 n 1,α/2 < χ2 < χ 2 n 1,1 α/2 = 1 α ) χ 2 n 1,1 α/2 = 1 α P (χ 2 n 1,α/2 < (n 1)s2 σ 2 ( P (n 1)s 2 χ 2 n 1,1 α/2 ) < σ 2 < (n 1)s2 χ 2 n 1,α/2 = 1 α

38 Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Diˆsthma empistosônhc thc σ 2 (sunèqeia) DiadikasÐa ektðmhshc tou diast matoc empistosônhc tou σ 2 1 Epilog tou 1 α, s 2 apì to deðgma. 2 EÔresh krðsimwn tim n χ 2 n 1,α/2 kai χ2 n 1,1 α/2 apì ton pðnaka gia katanom Xn 1 2. [ ] (n 1)s 3 Antikatˆstash ston tôpo 2 (n 1)s, 2 χ 2 χ n 1,1 α/2 2 n 1,α/2 Diˆsthma empistosônhc thc tupik c apìklishc σ To 95% d.e. gia thn tupik apìklish σ èqei wc ˆkra tic tetragwnikèc rðzec twn antðstoiqwn ˆkrwn tou 95% d.e. gia th diasporˆ σ 2. [ ] (n 1)s 2, χ 2 n 1,1 α/2 (n 1)s 2 χ 2 n 1,α/2

39 Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Parˆdeigma Diˆsthma empistosônhc se epðpedo 95% gia th diasporˆ tou orðou èntashc hlektrikoô reômatoc thc asfˆleiac 40 ampèr? χ 2 (n 1)s2 X 2 σ 2 n 1, bajmoð eleujerðac: n 1 = 24 s 2 = (ampèr) 2 DiadikasÐa ektðmhshc tou diast matoc empistosônhc tou σ α = 0.95, s 2 = KrÐsimec timèc: χ 2 24,0.025 = 12.4 kai χ2 24,0.975 [ ] = = [ , (n 1)s 2, χ 2 n 1,1 α/2 (n 1)s 2 χ 2 n 1,α/2 ] = [0.52, 1.65] To 95% d.e. gia thn tupik apìklish σ tou orðou èntashc hlektrikoô reômatoc eðnai [ 0.52, 1.65] = [0.72, 1.28].

40 Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Gnwstèc diasporèc σ 2 1, σ2 2 'Agnwstec diasporèc σ 2 1, σ2 2 Diˆsthma empistosônhc thc diaforˆc µ 1 µ 2 t.m. X 1 me mèsh tim µ 1 t.m. X 2 me mèsh tim µ 2 Diaforˆ µ 1 µ 2? [X 1 kai X 2 anexˆrthtec] DeÐgma {x 11, x 12,..., x 1n1 } x 1 DeÐgma {x 21, x 22,..., x 2n2 } x 2 Ektim tria thc µ 1 µ 2 : x 1 x 2 Katanom thc x 1 x 2? [όπως για x] Gnwstèc diasporèc σ 2 1 kai σ2 2 Upojètoume ( X1 N(µ 1, σ 2 1 ) X 2 N(µ 2, σ 2 2 )) (n 1 >30 n 2 >30) ( x 1 x 2 N µ 1 µ 2, ) σ1 2 n 1 + σ2 2 n 2 An σ 2 1 = σ2 2 = σ2 (omoskedastikèc katanomèc) diasporˆ: σ 2 ( 1 n n 2 )

41 Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Gnwstèc diasporèc σ 2 1, σ2 2 'Agnwstec diasporèc σ 2 1, σ2 2 D.e. thc µ 1 µ 2, gnwstˆ σ 2 1 kai σ2 2 H diadikasða eðnai ìpwc gia d.e. thc µ: µ µ 1 µ 2 ektim tria x x 1 x 2 mèsh tim thc µ µ 1 µ 2 σ diasporˆ thc n σ2 1 n 1 + σ2 2 n 2 σ d.e. x ±z σ 2 1 α/2 n ( x 1 x 2 ) ±z 1 1 α/2 DiadikasÐa ektðmhshc d.e. thc µ 1 µ 2 n 1 + σ2 2 n 2 1 Epilog tou 1 α, σ 1, σ 2 gnwstˆ, x 1 x 2 apì to deðgma. 2 EÔresh krðsimhc tim c z 1 α/2 apì ton pðnaka gia tupik kanonik katanom. 3 Antikatˆstash [ ston tôpo ] σ 2 x 1 x 2 z 1 1 α/2 n 1 + σ2 2 σ 2 n 2, x 1 x 2 + z 1 1 α/2 n 1 + σ2 2 n 2

42 Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Gnwstèc diasporèc σ 2 1, σ2 2 'Agnwstec diasporèc σ 2 1, σ2 2 Parˆdeigma: ìrio èntashc hlektrikoô reômatoc etaireða A etaireða B A/A x 1i (ampèr) x1i 2 x 2i (ampèr) x2i SÔnolo

43 Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Gnwstèc diasporèc σ 2 1, σ2 2 'Agnwstec diasporèc σ 2 1, σ2 2 Parˆdeigma (sunèqeia) DÐnetai ìti h diasporˆ eðnai koin kai gnwst σ 2 = 1 (ampèr) 2 Zhtˆme d.e. gia µ 1 µ 2 Katanom thc x 1 x 2? n 1 kai n 2 eðnai mikrˆ Iστoγραμμα oριoυ ρευματος για ασφαλειες εταιρειας A 6 Iστoγραμμα oριoυ ρευματος για ασφαλειες εταιρειας B 6 Θηκoγραμματα oριoυ ρευματος για ασφαλειες συχνoτητα 3 συχνoτητα ευρoς ευρoς A B X 1 N(µ 1, 1) kai X 2 N(µ 2, 1)

44 Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Gnwstèc diasporèc σ 2 1, σ2 2 'Agnwstec diasporèc σ 2 1, σ2 2 Parˆdeigma (sunèqeia) x 1 = x 2 = x 1 x 2 = 0.77 DiadikasÐa ektðmhshc tou d.e. thc µ 1 µ α = 0.95, σ = 1, x 1 x 2 = KrÐsimh tim : z = Φ 1 (0.975) = σ 2 3 ( x 1 x 2 ) ± z 1 1 α/ ± ( ) 1 [ 1.36, 0.18] n 1 + σ2 2 n 2 = Sumperˆsmata Se epðpedo empistosônhc 95% mporoôme na poôme pwc to ìrio hlektrikoô reômatoc diafèrei shmantikˆ stic asfˆleiec thc etaireðac A kai B. Oi asfˆleiec twn 40 ampèr thc etaireðac A kaðgontai se qamhlìtero ìrio hlektrikoô reômatoc ap' ìti oi asfˆleiec twn 40 ampèr thc etaireðac B katˆ èna posì metaxô 0.18 kai 1.36.

45 Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Gnwstèc diasporèc σ 2 1, σ2 2 'Agnwstec diasporèc σ 2 1, σ2 2 'Agnwstec diasporèc σ 2 1 kai σ2 2 PerÐptwsh 1: megˆla deðgmata (n 1, n 2 > 30) s 2 1 σ 2 1 kai s 2 2 σ 2 2 : x 1 x 2 z 1 α/2 s 2 1 n 1 + s2 2 n 2, x 1 x 2 + z 1 α/2 s 2 1 n 1 + s2 2 n 2

46 Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Gnwstèc diasporèc σ 2 1, σ2 2 'Agnwstec diasporèc σ 2 1, σ2 2 'Agnwstec diasporèc σ 2 1 kai σ2 2 (sunèqeia) PerÐptwsh 2: mikrˆ deðgmata (n 1 n 2 < 30) kai X 1 N(µ 1, σ 2 ) X 2 N(µ 2, σ 2 ) kai omoskedastikèc katanomèc: σ 2 1 = σ2 2 = σ2 UpologÐzoume pr ta thn ektðmhsh thc koin c diasporˆc s 2 = (n 1 1)s (n 2 1)s 2 2 n 1 + n 2 2 s 2 eðnai amerìlhpth ektim tria thc koin c diasporˆc σ 2 Ektim tria diasporˆc thc µ 1 µ 2 : s 2 ( 1 n n 2 ) t ( x 1 x 2 ) (µ 1 µ 2 ) t n1 +n 2 2 s 1 n n 2 (1 α)% d.e.: ( x 1 x 2 ) ± t n1 +n 2 2,1 α/2 s n1 n2

47 Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Gnwstèc diasporèc σ 2 1, σ2 2 'Agnwstec diasporèc σ 2 1, σ2 2 'Agnwstec diasporèc σ 2 1 kai σ2 2 (sunèqeia) DiadikasÐa ektðmhshc d.e. thc µ 1 µ 2 1 Epilog tou 1 α, s kai x 1 x 2 apì to deðgma. 2 EÔresh krðsimhc tim c t n1 +n 2 2, 1 α/2 apì ton pðnaka gia katanom student. 3 Antikatˆstash ston tôpo ( x 1 x 2 ) ± t n1 +n 2 2,1 α/2 s n1 n2 PerÐptwsh 3: mikrˆ deðgmata (n 1 n 2 < 30) kai σ 2 1 = σ2 2 = σ2 kai (X 1 N(µ 1, σ 2 ) X 2 N(µ 2, σ 2 )) Mh-parametrik mèjodoc PerÐptwsh 4: mikrˆ deðgmata (n 1 n 2 < 30) kai σ 2 1 σ2 2 Den upˆrqei gnwst mèjodoc ektðmhshc d.e. (qrhsimopoioôntai teqnikèc epanadeigmatolhyðac)

48 Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Gnwstèc diasporèc σ 2 1, σ2 2 'Agnwstec diasporèc σ 2 1, σ2 2 Parˆdeigma: ìrio èntashc hlektrikoô reômatoc Diasporèc orðou èntashc hlektrikoô reômatoc gia asfˆleiec 40 ampèr twn dôo etairei n A kai B ˆgnwstec Mikrˆ deðgmata (n 1 = 25, n 2 = 20) kai katanomèc twn X 1, X 2 kanonikèc [ιστογράμματα, θηκογράμματα] x 1 x 2 = 0.77 s 2 1 = s2 2 = s 2 1 s2 2 σ 2 1 = σ2 2 = σ2 s = = s = DiadikasÐa ektðmhshc tou d.e. thc µ 1 µ α = 0.95, x 1 x 2 = 0.77, s = KrÐsimh tim : t 43,0.975 = ( x 1 x 2 ) ± t n1 +n 2 2,1 α/2 s 1 n n = ± [ 1.35, 0.19]

49 Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Gnwstèc diasporèc σ 2 1, σ2 2 'Agnwstec diasporèc σ 2 1, σ2 2 Parˆdeigma: ìrio èntashc hlektrikoô reômatoc (sunèqeia) Sumpèrasma: Se 95% epðpedo empistosônhc mporoôme na poôme pwc oi asfˆleiec thc etaireðac A katˆ mèso ìro kaðgontai se mikrìterh èntash hlektrikoô reômatoc ap' ìti oi asfˆleiec thc etaireðac B me diaforˆ metaxô 0.19 kai 1.35 ampèr.

50 Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Gnwstèc diasporèc σ 2 1, σ2 2 'Agnwstec diasporèc σ 2 1, σ2 2 EktÐmhsh diast matoc empistosônhc thc µ 1 µ 2 diasporèc katanom n 1, n 2 katanom thc x 1 x 2 diˆsthma empistosônhc twn X 1,X 2 twn X 1,X 2 gnwstèc kanonik z ( x 1 x 2 ) (µ 1 µ 2 ) σ σ2 2 n 1 n 2 gnwstèc mh kanonik megˆla z ( x 1 x 2 ) (µ 1 µ 2 ) σ σ2 2 n 1 n 2 N(0, 1) ( x 1 x 2 ) ± z 1 α/2 σ 2 1 n 1 + σ2 2 n 2 N(0, 1) ( x 1 x 2 ) ± z 1 α/2 σ 2 1 n 1 + σ2 2 n 2 gnwstèc mh kanonik mikrˆ ˆgnwstec ˆnisec/Ðsec ˆgnwstec Ðsec ˆgnwstec Ðsec ˆgnwstec ˆnisec megˆla z ( x 1 x 2 ) (µ 1 µ 2 ) s s2 2 n 1 n2 kanonik mikrˆ t ( x 1 x 2 ) (µ 1 µ 2 ) N(0, 1) ( x 1 x 2 ) ± z 1 α/2 s 2 1 n 1 + s2 2 n2 s 1 n1 + 1 n 2 t n1 +n 2 2 ( x 1 x 2 ) ± t n1 +n 2 2,1 α/2 s mh kanonik mikrˆ mikrˆ 1 n1 + 1 n 2

51 'Askhsh Diˆsthma empistosônhc thc diasporˆc σ 2 Diˆsthma empistosônhc diaforˆc µ 1 µ 2 Gnwstèc diasporèc σ 2 1, σ2 2 'Agnwstec diasporèc σ 2 1, σ2 2 Εγιναν μετρήσεις της συγκέντρωσης διαλυμένου οξυγόνου (Δ.Ο.) σε δύο ποτάμια (σε mg/l) Βρείτε 95% διάστημα εμπιστοσύνης για τη διαφορά των μέσων συγκεντρώσεων Δ.Ο. στα δύο ποτάμια υποθέτοντας πρώτα ότι η διασπορά είναι γνωστή (0.1 (mg/l) 2 ) και ίδια για τα δύο δείγματα και μετά χρησιμοποιώντας τις εκτιμήσεις των διασπορών από τα δείγματα. Μπορούμε να πούμε πως η μέση συγκέντρωση Δ.Ο. είναι ίδια στα δύο ποτάμια (στην κάθε περίπτωση); 2 Για το ίδιο πρόβλημα, σε 200 μετρήσεις στο πρώτο ποτάμι βρέθηκαν 26 τιμές κάτω από την κρίσιμη τιμή 1.6 mg/l και σε 200 μετρήσεις στο δεύτερο ποτάμι βρέθηκαν 18 τιμές κάτω από την κρίσιμη τιμή. Μπορούμε να πούμε σε επίπεδο 95% ότι η συγκέντρωση Δ.Ο. βρίσκεται σε μη επιθυμητά επίπεδα πιό συχνά στο πρώτο ποτάμι από ότι στο δεύτερο;

52 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Κουγιουμτζής Δημήτρης. «Θεωρία Πιθανοτήτων και Στατιστική. Εκτίμηση παραμέτρων». Έκδοση: 1.0. Θεσσαλονίκη Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Θεωρία Πιθανοτήτων και Στατιστική Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών

53 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά - Παρόμοια Διανομή [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. [1] Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Θεωρία Πιθανοτήτων και Στατιστική Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών

54 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Τέλος ενότητας Επεξεργασία: Καρανάσιος Αναστάσιος Θεσσαλονίκη, Μάιος 2015

55 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Σημειώματα

56 Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Θεωρία Πιθανοτήτων και Στατιστική Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών

57 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Θεωρία Πιθανοτήτων και Στατιστική Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών