知识点

分布拟合检验

定义

把样本结果划分为 kk 个互斥且完备的类别,第 ii 类的观察频数记为 OiO_i。原假设下第 ii 类的概率为 pip_i,样本量为 nn,则期望频数为

Ei=npi,∑i=1kOi=n,∑i=1kpi=1.E_i=np_i,\qquad \sum_{i=1}^kO_i=n,\qquad \sum_{i=1}^kp_i=1.

卡方拟合优度统计量定义为

Q=∑i=1k(Oi−Ei)2Ei.Q=\sum_{i=1}^k\frac{(O_i-E_i)^2}{E_i}.

若原假设完全指定了各类概率,并且样本满足大样本近似条件,则

Q≈χ2(k−1).Q\approx\chi^2(k-1).

QQ 衡量观察频数偏离期望频数的程度:Q=0Q=0 当且仅当每类都有 Oi=EiO_i=E_i,QQ 越大,数据与假设分布越不一致。因此检验只在右尾拒绝:

Q>χα2(k−1).Q>\chi^2_\alpha(k-1).

这里的 χα2(ν)\chi^2_\alpha(\nu) 是上 α\alpha 分位点,满足 P{χ2(ν)>χα2(ν)}=αP\{\chi^2(\nu)>\chi^2_\alpha(\nu)\}=\alpha,记号与上侧分位点一致。

性质与适用条件

参数由样本估计时的自由度

若假设分布中有 rr 个独立参数由同一样本适当估计,在常用正则条件及相应估计方法下,使用近似自由度

ν=k−1−r.\nu=k-1-r.

例如拟合参数未知的泊松分布通常减去 11;拟合均值、方差均未知的正态分布通常减去 22。分组后估计参数的方法应与所用卡方近似相匹配,不能对任意估计方法都无条件套该规则。

  1. 先确定最终类别数

    合并稀疏类别之后,类别数才是参与计算自由度与统计量的 kk。

  2. 扣除总频数约束

    各类期望频数之和等于 nn,这一个约束已经体现在 k−1k-1 中。

  3. 再扣除估计参数数

    从 k−1k-1 中减去 rr,并确认 ν>0\nu>0;自由度为非正时,这组数据与所选近似不匹配。

分组与期望频数

卡方近似要求期望频数不能过小。入门计算通常要求各组期望频数不小于 55;这是一种常用的保守规则,不是精确的适用性分界。

连续分布需要分组。若组边界为

a0=−∞<a1<⋯<ak=+∞,a_0=-\infty<a_1<\cdots<a_k=+\infty,

则第 ii 组的理论概率为

pi=F(ai)−F(ai−1),p_i=F(a_i)-F(a_{i-1}),

其中 FF 是原假设下的分布函数。尾部不能遗漏:第一组从 −∞-\infty 到 a1a_1,最后一组从 ak−1a_{k-1} 到 +∞+\infty。拟合泊松分布时,最后一组常取“mm 次及以上”,而不是在最大观察值处截断概率。

稀疏类别可以合理合并;合并后要重新计算期望频数与自由度。若原假设给某类别零概率,而该类别出现正频数,原假设已经与数据直接矛盾,不能计算除以零的项。

例子

掷骰子 6060 次,检验骰子是否公平

掷一枚骰子 6060 次,六个点数的观察频数依次为 8,12,9,11,10,108,12,9,11,10,10。原假设 H0H_0 为每个点数概率都是 1/61/6,于是每类期望频数都是

Ei=60×16=10.E_i=60\times\frac16=10.

统计量为

Q=(8−10)2+(12−10)2+(9−10)2+(11−10)2+(10−10)2+(10−10)210=1.Q=\frac{(8-10)^2+(12-10)^2+(9-10)^2+(11-10)^2+(10-10)^2+(10-10)^2}{10}=1.

原假设完全指定了概率,没有估计参数,所以 r=0r=0,自由度为

ν=6−1=5.\nu=6-1=5.

取 α=0.05\alpha=0.05,查表得 χ0.052(5)≈11.070\chi^2_{0.05}(5)\approx11.070。因为 Q=1<11.070Q=1<11.070,不拒绝公平性假设。

探索

观察频数偏离公平骰子模型时发生什么?

固定总次数,比较观察频数和期望频数。

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题集

练习

  1. 掷骰子 6060 次检验骰子是否公平,统计量 QQ 的自由度是 。

    参考解答

    六个类别完全指定概率,r=0r=0,所以 ν=6−1=5\nu=6-1=5。

  2. 把数据分成 55 个类别,拟合参数 λ\lambda 未知的泊松分布,并用同一样本估计 λ\lambda。卡方统计量的近似自由度是 。

    参考解答

    k=5k=5,r=1r=1,所以 ν=5−1−1=3\nu=5-1-1=3。

  3. 卡方拟合优度检验的拒绝域位于卡方分布的哪一侧?

    选择答案
    参考解答

    QQ 越大表示观察频数越偏离原假设,因此只在右尾拒绝。