总体方差区间估计推导 -- 潘登同学的数理统计笔记
来源
在做总体方差的区间估计的时候遇到了,对于来自正态总体的样本容量为n的简单随机样本,统计量服从卡方分布
σ2(n−1)s2∼χ2(n−1)
老师上课讲了相关推导,感觉比网上用什么正交矩阵推导的简单自然,做下记录
推导
由恒等式开始
(n−1)Sn2=(n−2)Sn−12+nn−1(xn−xˉn−1)2
证明:
左边=(n−1)Sn2=i=1∑n(xi−xˉn)2=i=1∑n−1(xi−xˉn−1+xˉn−1−xˉn)2+(xn−xˉn)2=i=1∑n−1(xi−xˉn−1)2+2i=1∑n−1(xi−xˉn−1)(xˉn−1−xˉn)+i=1∑n−1(xˉn−1−xˉn)2+(xn−xˉn)2=i=1∑n−1(xi−xˉn−1)2+i=1∑n−1(xˉn−1−xˉn)2+(xn−xˉn)2=(n−2)sn−12+(n−1)(xˉn−1−xˉn)2+(xn−xˉn)2=(n−2)sn−12+n2n−1(xˉn−1−xn)2+(nn−1)2(xn−xˉn−1)2=(n−2)sn−12+nn−1(xˉn−1−xn)2=右边
数学归纳法
假设
σ2(n−1)s2∼χ2(n−1)
当n=2时
s22=2−1(x1−xˉ2)2+(x2−xˉ2)2=2(x2−x1)2
根据正态分布可加性
(x2−x1)∼N(0,2σ2)
根据χ定义,是标准正态的平方和
σ2(2−1)s22=(2σx2−x1)2∼χ2(1)
当n=k时,假设
σ2(k−1)s2∼χ2(k−1)
当n=k+1时
σ2ksk+12=σ2(k−1)sk2+k+1k(xk+1−xˉk)2=σ2(k−1)sk2+kk+1σ2(xk+1−xˉk)2
根据抽样分布
xˉk∼N(0,kσ2)
根据正态分布可加性
xk+1−xˉk∼N(0,kk+1σ2)
kk+1σ2(xk+1−xˉk)2=(kk+1σxk+1−xˉk)2∼χ2(1)
而前面部分根据归纳假设
σ2(k−1)sk2∼χ2(k−1)
根据卡方分布定义
σ2ksk+12∼χ2(k−1)+χ2(1)∼χ2(k)
回到方差估计上
正是因为
σ2(n−1)s2∼χ2(n−1)
我们就能用卡方分布去估计总体方差σ
在给定置信度1−α下
P(χ1−2α2≤σ2(n−1)s2≤χ2α2)=1−α
将σ调整到不等式中间
P(χ2α2(n−1)s2≤σ2≤χ1−2α2(n−1)s2)=1−α
不等式作用两端的就是估计区间了...