background image

2013-04-03 

Metody   probabilistyczne 

 

 

Estymacja podstawowych parametrów populacji 

 

Estymacja przedziałowa 

Estymacja przedziałowa 

Estymacja przedziałowa

 

polega na budowaniu przedziału liczbowego, 

który z określonym prawdopodobieństwem będzie zawierał nieznaną 
wartość szacowanego parametru θ. 
 

Przedział ten nosi nazwę 

przedziału ufności

 

P{g

1

(

θ

n

) < 

θ < g

2

(

θ

n

)} = 1-

α 

 

gdzie: 

θ

n

 – estymator parametru θ, 

 

g

1

n

) – dolny kres przedziału ufności, 

 

g

2

n

) – górny kres przedziału ufności, 

 

1- 

α - prawdopodobieństwo tzw. współczynnik ufności 

 

background image

2013-04-03 

Estymacja przedziałowa 

Przedziałem ufności

 

nazywa się taki przedział liczbowy,  

który z zadanym z góry prawdopodobieństwem (1-

), zwanym 

poziomem (współczynnikiem) ufności

, pokrywa nieznaną wartość 

parametru w populacji generalnej. 

Typowe wartości poziomu ufności: 0,95; rzadziej 0,90 lub 0,98; 0,99 

 

Interpretacja współczynnika ufności (1-

): 

Przy wielokrotnym pobieraniu n-

elementowych prób prostych  

i wyznaczeniu na ich podstawie granic przedziałów ufności, średnio  
w (1-

)*100% przypadkach otrzymujemy przedziały pokrywające 

nieznaną wartość parametru. 

 

Długość przedziału ufności:

 g

2

n

) - g

1

n

) => im długość przedziału 

mniejsza tym szacowanie bardziej precyzyjne, 

 

Maksymalny błąd szacunku

 ( g

2

n

) - g

1

n

) )/2. 

Przedział ufności dla średniej  

(wartości przeciętnej)  μ – model 1 

Model 1 

Cecha X w populacji generalnej ma rozkład N(μ,σ),  

Średnia μ – nieznana, odchylenie standardowe σ - znane 
 

Przedział ufności dla średniej ma postać: 

 
 

 
 

 

 
gdzie: 

– liczebność próby 

    

średnia wyznaczona dla wartości z próby 

u

α

wartość zmiennej losowej U o rozkładzie N(0,1), dla którego  

 
 

1

n

u

X

n

u

X

P

2

u

1

u

U

u

P

n

N

,

   

   

X

background image

2013-04-03 

Przedział ufności dla średniej  

(wartości przeciętnej)  μ – model 2 

Model 2 

Cecha X w populacji generalnej ma rozkład N(μ,σ),  

Średnia μ – nieznana, odchylenie standardowe σ – nieznane,  

Próba mała (n≤30). 
 

Przedział ufności dla średniej ma postać 

 
 
 

lub 
 
 
 

 
 
gdzie: 

– liczebność próby, 

   , S, S

*

 

średnia i odchylenie standardowe wyznaczone dla wartości z próby, 

 

t

α,n-1

wartość zmiennej losowej T o rozkładzie t-Studenta dla n-1 stopni swobody,  

dla którego  
 
 

1

1

1

1

,

1

,

n

S

t

X

n

S

t

X

P

n

n

1

*

1

,

*

1

,

n

S

t

X

n

S

t

X

P

n

n

1

,

1

n

n

t

T

P

X

Przedział ufności dla średniej  

(wartości przeciętnej)  μ – model 3 

Model 3 

Cecha X w populacji generalnej ma rozkład N(μ,σ),  

Średnia μ – nieznana, odchylenie standardowe σ – nieznane, 

Próba duża  (n>30), 
 

Przedział ufności dla średniej ma postać

 

 

 
 
 
 

 

u

α

wartość zmiennej losowej U o rozkładzie N(0,1), dla którego  

 
 

2

u

1

n

S

u

X

n

S

u

X

P

1

u

U

u

P

background image

2013-04-03 

Przedział ufności dla średniej  

(wartości przeciętnej)  μ – przykład 1 

W 100 losowo wybranych gospodarstwach domowych średnia miesięczna opłata za 
energię elektryczną wyniosła 68 złotych, a odchylenie standardowe s=14 złotych. 
Oszacuj za pomocą przedziału ufności średnie miesięczne wydatki na energię 
elektryczną w całej populacji przyjmując  poziom ufności 1-α=0,96. 
 

Dane:  n=100,                            s=14,    1-

α=0,96 

Model 3:  σ ≈ s, 

Odczyt  -u

α

:   

α = 0,04     =>  

α/2 = 0,02 

Z tablic dystrybuanty rozkładu normalnego odczytujemy wartość u

0,02

=-2,05, dla 

której  Φ(-2,05)=0,02 

Przedział ufności wyliczymy następująco: 
 

n

u

X

n

u

X

100

14

05

,

2

68

100

14

05

,

2

68

9

,

70

1

,

65

Wniosek:   
Przedział (65,1 zł ; 70,9 zł)  
z prawdopodobieństwem 0,96 
(z ufnością 96%) pokrywa nieznane 
przeciętne wydatki na energię 
elektryczną w całej populacji. 

68

x

Przedział ufności dla średniej  

(wartości przeciętnej)  μ – przykład 2 

Dla 17 losowo wybranych pracowników firmy A otrzymano średni czas dojazdu 26 
minut, a odchylenie standardowe s=6 minut. Oszacuj za pomocą przedziału 
ufności przeciętny czas dojazdu (μ) w całej populacji pracowników firmy A 
przyjmując poziom ufności 0,95.  
 

Dane:  n=17, ‾x=26,   s=6,    1-α=0,95 

Założenie: Cecha ma w populacji rozkład normalny N(μ;

).  

Model 2:  σ ≈ s, 

Odczyt  -t

α

:   

α = 0,05;  

Z tablic rozkładu t-Studenta, dla liczby stopni swobody n-1=17-1=16  
wartość –t

0,05,16

=2,1199;  

Przedział ufności wyliczymy następująco: 
 

Wniosek:   
Przedział (22,8 min; 29,2 min) 
z prawdopodobieństwem 0,95  
(z ufnością 95%) pokrywa nieznany 
przeciętny czas dojazdu w całej 
populacji pracowników firmy A 

1

1

1

,

1

,

n

S

t

X

n

S

t

X

n

n

1

17

6

1199

,

2

26

1

17

6

1199

,

2

26

2

,

29

8

,

22

background image

2013-04-03 

Przedział ufności dla wskaźnika struktury  p  

Model 

Przedział taki konstruujemy tylko dla dużych prób (n>100), 

Populacja generalna ma rozkład dwupunktowy z parametrem p oraz p > 0,05.  
 

Przedział ufności dla wskaźnika struktury ma postać: 

 
 

 
 

 

 

 
 

gdzie: 

– liczebność próby, 

– liczba elementów wyróżnionych w próbie, 

 

u

α

wartość zmiennej losowej U o rozkładzie N(0,1),  

dla której P{- u

 < u

} = 1-

 





 

 

1

1

1

n

n

m

n

m

u

n

m

p

n

n

m

n

m

u

n

m

P

*

*





n

p

p

p

N

1

*

,

  

  

10 

Przedział ufności wskaźnika struktury  p  

– przykład 

Zapytano 200 losowo wybranych pracowników : 
„Kto w codziennych dojazdach do pracy korzysta z prywatnego samochodu?”  
W 72 przypadkach otrzymano odpowiedź, że ankietowany korzysta z samochodu. 
Zbuduj przedział ufności dla pracowników (p), w którzy dojeżdżają prywatnym 
samochodem, przyjmując poziom ufności 0,99, 

Dane:  n=200, m=72,    1-

α=0,99 

Założenie: Cecha ma w populacji rozkład dwupunktowy.  

Odczyt  -u

α

:   

α = 0,01   =>  

α/2 = 0,005;  

Z tablic dystrybuanty rozkładu normalnego odczytujemy wartość –u

0,005

=2,58;   

Φ(-2,58)=0,005 
 

Przedział ufności wyliczymy następująco: 
 

Wniosek:   
Przedział (27,2% ; 44,8%) z 
prawdopodobieństwem 0,99 (z 
ufnością 99%) pokrywa nieznany 
(dla całej populacji) odsetek 
pracowników dojeżdżających do 
pracy prywatnym samochodem. 

n

n

m

n

m

u

n

m

p

n

n

m

n

m

u

n

m

 

 

1

1

200

200

72

1

200

72

58

,

2

200

72

200

200

72

1

200

72

58

,

2

200

72

 

 

p

448

,

0

272

,

0

p

background image

2013-04-03 

11 

Przedział ufności dla wariancji σ

– 

model 1 

Model 1 

Cecha X w populacji generalnej ma rozkład N(μ,σ),  

Średnia μ – nieznana, odchylenie standardowe σ – nieznane,  

Próba mała (n≤30), 

 
Przedział ufności dla wariancji ma postać: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gdzie: 

S

2

 lub S*

2

 

– wariancja z próby, 

  

 
 

 

 

1

2

2

1

2

2

2

2

2

nS

nS

P

1

 

1

 

1

2

2

1

2

*

2

2

2

2

*

S

n

S

n

P

2

2

2

2

1

wartości zmiennej losowej χ

2

 o n-

1 stopniach swobody, dla której  

2

2

1

,

2

2

n

P

2

2

1

,

2

1

2

n

P

lub 

12 

Przedział ufności dla odchylenia standardowego σ 

 

– 

model 2 

Model 2 

Cecha X w populacji generalnej ma rozkład N(μ,σ) lub zbliżony do 
normalnego, 

Średnia μ – nieznana, odchylenie standardowe σ – nieznane,  

Próba duża (n>>30) 
 

Przedział ufności dla odchylenia standardowego ma postać: 

 

 
 
 
 

gdzie: 

– odchylenie standardowe z próby, 

 

u

α

wartość zmiennej losowej U o rozkładzie N(0,1), dla której 

 
 
 

Estymator s parametru 

σ ma asymptotyczny rozkład normalny 

 

2

1

u

1

u

U

u

P

1

2

1

2

1

n

u

S

n

u

S

P

n

N

2

,

background image

2013-04-03 

13 

Przedział ufności dla wariancji σ

2

– przykład 1 

Badając wytrzymałość elementu konstrukcyjnego pewnego urządzenia 
dokonano 8 pomiarów wytrzymałości. Wariancja obliczona na podstawie próby 
s

2  

wynosi 139,5. Zbuduj przedział ufności dla wariancji σ

2

 

wytrzymałości 

elementu przyjmując współczynnik ufności 0,96.  
 

Dane:  n=8,   s

2

=139,5,    1-

α=0,96,   

α = 0,04

;      α/2=0,02 

Założenie: cecha ma w populacji rozkład normalny N(μ;

).  

Model 1:  σ ≈ s, 

Odczyt  

χ

2

1-

α/2,7

 i 

χ

2

α/2,7

  

Z tablic rozkładu χ

2

, dla liczby stopni swobody n-1=8-1=7  

wartość χ

2

0,02,7

=16,622  i  ; 

χ

2

0,98,7

=1,564  

Przedział ufności wyliczymy następująco: 
 

Wniosek:   
Przedział (7,7 ; 25,0) 
z prawdopodobieństwem 0,96  
(z ufnością 96%) pokrywa nieznane 
odchylenie standardowe dla 
wytrzymałości elementu 

2

1

,

2

/

1

2

2

2

1

,

2

/

2

n

n

nS

nS

564

1

5

139

7

622

16

5

139

7

2

,

,

*

,

,

*

0

25

7

7

4

624

7

58

2

,

 ; 

,

σ

,

,

14 

 

Ustalenie minimalnej liczebności próby  

z zadanym z góry  

błędem szacunku d  

 

background image

2013-04-03 

15 

Zagadnienie minimalnej liczebności próby 

Z reguły z populacji pobiera się tylko jedną n-elementową próbę 

Zbyt duża próba

 

=> zbyt duże koszty, opóźnienia czasu analizy 

wyników, 

Zbyt mała próba

 

=> nie zapewnia żądanej dokładności i 

wiarygodności wnioskowania. 
 

Aby wyznaczyć 

minimalną liczebność próby

 

należy ustalić: 

Poziom współczynnika ufności (1 - α ), 

Maksymalny błąd szacunku (długość przedziału ufności). 

16 

Ustalenie minimalnej liczebności próby dla 

oszacowania wartości średniej 

Dla szacowania 

średniej μ

 

na poziomie ufności 1-α 

 

gdy znane odchylenie standardowe σ – (model 1) 
minimalna liczebność próby wynosi: 
 
 

 

gdzie: d 

– zakładana dokładność (maksymalny błąd szacunku), 

 

u

α

wartość zmiennej losowej U o rozkładzie N(0,1), dla którego, 

 
 
 

gdy 

n nie jest całkowite – zaokrąglamy n w górę 

 

Większa dokładność wymaga większej liczebności próby  

2

2

2

d

u

n

1

u

U

u

P

1

n

u

X

n

u

X

P

d                            d  

background image

2013-04-03 

17 

Ustalenie minimalnej liczebności próby dla 

oszacowania wartości średniej 

Dla szacowania 

średniej μ

 

na poziomie ufności 1-α 

 

gdy σ

2

 

– nieznane  (model 2) 

 

 

 

 gdzie: 

wartość wariancji S

*

2

 szacujemy na podstawie n

o

 

elementowej próby 

wstępnej 
 
 
 

t

α

wartość zmiennej losowej T o rozkładzie t-Studenta o n

0

-1 stopniach 

 

     

swobody, dla której 

 

 

 

Następnie, gdy n>n

0

 

należy zwiększyć próbę wstępną o n-n

0

 

elementów. 

2

2

*

2

d

S

t

n

0

1

2

0

2

*

1

1

n

i

i

X

X

n

S

1

t

T

t

P

18 

Wyznaczanie niezbędnej liczby pomiarów do próby  – 

przykład 

Ile niezależnych doświadczeń należy przeprowadzić, aby przy współczynniku 
ufności 0,95 oszacować metodą przedziałową średni czas dojazdu 
pracowników firmy A z dokładnością do 2 minut. Próba wstępna - 17 losowo 
wybranych pracowników firmy A dała średni czas dojazdu 26 minut,  
a odchylenie standardowe s* = 6,18 minut.  

Dane:  n

0

=17, ‾x=26,   s*=6,18,   d=2,   1-α=0,95 

Założenie: Cecha ma w populacji rozkład normalny N(μ;

).  

Model 2:  σ ≈ s, 

Odczyt  -t

α

:   

α = 0,05;  

Z tablic rozkładu t-Studenta, dla liczby stopni swobody n-1=17-1=16  
wartość –t

0,05,16

=2,1199;  

Liczbę elementów w próbie wyliczymy następująco: 
 

Wniosek:   
Niezbędna liczba pomiarów dla 
oszacowania średniego czasu dojazdu z 
dokładnością do 2 minut wynosi 43.  
Należy dolosować 43-17=26 elementów 

2

2

2

1

d

S

t

n

n

*

,

2

2

2

2

18

,

6

1199

,

2

n

9

,

42

n

background image

2013-04-03 

10 

19 

Ustalenie minimalnej liczebności próby  

dla wskaźnika struktury 

Dla szacowania 

wskaźnika struktury p

 

na poziomie ufności 1-α 

z zadanym z góry błędem szacunku d (połowa długości przedziału ufności) 

 

 

p

0

 

– wstępne oszacowane p,  

lub za p

0

 podstawiamy 0,5 

 

 

 

 

u

α

wartość zmiennej losowej U o rozkładzie N(0,1), dla którego, 

 

 

gdy n nie jest całkowite – zaokrąglamy n w górę 

Większa dokładność wymaga większej liczebności próby.  

1

u

U

u

P

2

0

0

2

1

d

p

p

u

n

2

2

4d

u

n

20 

Niezbędna liczba pomiarów dla wskaźnika struktury  p 

– przykład 

O ile należy zwiększyć liczbę pomiarów, aby błąd oszacowania wskaźnika 
struktury nie przekroczył 4%. Zapytano 200 losowo wybranych pracowników  
i w 72 przypadkach otrzymano odpowiedź, że dojeżdżają do pracy prywatnym 
samochodem. Współczynnik ufności wynosi 0,99. 

Dane:  n=200, m=72,   p

o

=72/200=0,36;       1-

α=0,99 

Założenie: cecha ma w populacji rozkład dwupunktowy.  

Odczyt  -u

α

:   

α = 0,01;  

α/2 = 0,005;   u

0,995

=2,58;  

Niezbędną liczbę pomiarów wyliczymy następująco: 
 

Wniosek:   
Niezbędna liczba pomiarów dla 
oszacowania odsetka pracowników,  którzy 
dojeżdżają do pracy prywatnym 
samochodem z dokładnością 4%,  wynosi 
959. 
Należy dolosować 959-200 elementów. 

2

0

0

2

1

d

p

p

u

n

2

2

04

,

0

36

,

0

1

*

36

,

0

*

58

,

2

n

52

,

958

n