要点精讲
把关键道理、证明与典型例子重新过一遍。
1. 三大抽样分布的构造定义:χ2(n)=∑Xi2、t(n)=Y/nX、F(n1,n2)=V/n2U/n1 与上 α 分位点★★ 必会
这三个分布不是用密度公式来定义的,而是用
由标准正态随机变量作出的构造来定义的;一切判别题都是把统计量化回这三种构造。
每个定义中的独立性条件都不可缺少。
① χ2 分布:设
X1,…,Xn 相互独立且均服从
N(0,1),则
χ2=X12+X22+⋯+Xn2∼χ2(n),其中自由度
n= 相互独立的标准正态随机变量的平方的
个数。它的数字特征为
E(χ2)=n、
D(χ2)=2n(推导见下一条)。
可加性:如果
χ12∼χ2(m) 与
χ22∼χ2(n) 相互独立,那么
χ12+χ22∼χ2(m+n)。
② t 分布:设
X∼N(0,1),
Y∼χ2(n),且
X 与
Y 相互独立,则
t=Y/nX∼t(n).它的密度关于
0 对称(当
n>1 时
E(t)=0);当
n→∞ 时趋于
N(0,1)。
③ F 分布:设
U∼χ2(n1),
V∼χ2(n2),且
U 与
V 相互独立,则
F=V/n2U/n1∼F(n1,n2),这里两个自由度都要
除在各自的 χ2 之下,且
分子的自由度写在前面。由此直接得到
F1∼F(n2,n1)(见证明)。
④ 上 α 分位点:对随机变量
X 与给定
α∈(0,1),满足
P{X>xα}=α的数
xα 称为该分布的
上 α 分位点,即右侧尾部的面积为
α,其记号如
zα, χα2(n), tα(n), Fα(n1,n2)。查表时常用两条换算式:
t1−α(n)=−tα(n),
F1−α(n1,n2)=Fα(n2,n1)1(证明见本节后条)。
证明 / 推导
证 由构造定义证明 F1∼F(n2,n1)。 设 F=V/n2U/n1,其中 U∼χ2(n1)、V∼χ2(n2) 且相互独立。取倒数得
F1=U/n1V/n2,
右端恰好是相互独立的 χ2(n2) 除以自身的自由度,再比上 χ2(n1) 除以自身的自由度,这就是 F(n2,n1) 的构造定义,因此 F1∼F(n2,n1)。取倒数时两个自由度必须随分子、分母一起对调,这就是分位数换算式 F1−α(n1,n2)=1/Fα(n2,n1) 中自由度次序颠倒的来源。■举例说明
真题(2005·数一). 设 X1,…,Xn (n≥2) 来自 N(0,1),Xˉ 为样本均值,S2 为样本方差,问下列哪个正确:(A) nXˉ∼N(0,1);(B) nS2∼χ2(n);(C) S(n−1)Xˉ∼t(n−1);(D) ∑i=2nXi2(n−1)X12∼F(1,n−1)。
解. 逐项与构造定义对照。X1∼N(0,1)⇒X12∼χ2(1);X2,…,Xn 独立同 N(0,1)⇒i=2∑nXi2∼χ2(n−1),且二者由不相交的样本构成,因而相互独立。按 F 分布的定义,
(∑i=2nXi2)/(n−1)X12/1=∑i=2nXi2(n−1)X12∼F(1,n−1),
故 (D) 正确。其余三项都错在系数不对:Xˉ∼N(0,n1),应为 nXˉ∼N(0,1),故 A 错;正确的结论是 (n−1)S2∼χ2(n−1),而不是 nS2∼χ2(n),故 B 错;S/nXˉ=SnXˉ∼t(n−1),系数是 n 而不是 n−1,故 C 错。答案为 D。■2. E(χ2)=n 与 D(χ2)=2n 的来历,以及 χ² 与 Gamma 分布、指数分布的关系
在三大抽样分布中 χ2 分布是基础,它的两个数字特征 E[χ2(n)]=n、D[χ2(n)]=2n 不必强记,可以直接由定义 χ2=∑i=1nXi2(其中 Xi 独立同服从 N(0,1))算出。所需要的只是标准正态的两个矩:E(X2)=1 与 E(X4)=3。
顺便说明 χ2 分布的来历:它是 Gamma 分布的特例,即 χ2(n)=Γ(2n,21);特别地,χ2(1) 就是一个标准正态随机变量的平方,而 χ2(2) 恰是参数为 21 的指数分布(密度为 21e−x/2,均值为 2)。知道了这些关系,分布之间的许多换算就容易理解了。
证明 / 推导
证 推导 E[χ2(n)]=n、D[χ2(n)]=2n。 设 X∼N(0,1)。标准正态的矩为 E(X2)=D(X)=1 与 E(X4)=3(后者可由 E(X2k)=(2k−1)!! 取 E(X4)=3!!=3 得到,也可用分部积分算出)。于是对单项有
E(X2)D(X2)=1=E(X4)−[E(X2)]2=3−1=2.
因 χ2=∑i=1nXi2,且各 Xi2 相互独立,故
E(χ2)=i=1∑nE(Xi2)=n,D(χ2)=i=1∑nD(Xi2)=2n.■3. t 分布与 F 分布的联系:t2(n)=F(1,n)
t 分布与 F 分布看似互不相干,其实二者有一个简洁的联系:若 T∼t(n),则 T2∼F(1,n)。原因就在定义的结构之中:t 的分子是一个标准正态随机变量 X,平方后 X2∼χ2(1),于是 t 的平方自然成为χ2(1) 比 χ2(n)之比的形式,这就是 F(1,n)。
这一关系在解题时很有用:凡是能化为 t(n) 的统计量,它的平方自动服从 F(1,n);反之,遇到分子自由度为 1 的 F 分布,可以回过头把它看作某个 t 的平方。它把两张分布表联系了起来,也是假设检验中单参数情形下 t 检验与 F 检验等价的根据。
证明 / 推导
证 下面证明 T2∼F(1,n)。 按定义 T=Y/nX,其中 X∼N(0,1),Y∼χ2(n),且 X⊥Y。取平方得
T2=Y/nX2=Y/nX2/1.
因 X∼N(0,1),故 X2∼χ2(1);又 Y∼χ2(n);且 X2 与 Y 相互独立(这是因为 X⊥Y)。这就是 F 分布的定义结构χ2(n)/nχ2(1)/1,因此 T2∼F(1,n)。■
再看一个典型例子:当 X1,…,X4 独立同服从 N(0,1) 时,Y2=(X22+X32+X42)/3X1∼t(3),而 Y3=X22+X32+X423X12=Y22。由上述结论立即知道 Y3∼F(1,3),这与直接判别的结果完全一致。4. 分位数换算式可以证明:t1−α=−tα 与 F1−α(m,n)=1/Fα(n,m)★ 要懂
t1−α(n)=−tα(n) 和 F1−α(n1,n2)=Fα(n2,n1)1 这两条换算式不必强记,它们可以由分布的对称性与倒数性质直接证明。弄清了证法,就不会把自由度的次序写反,而这是 F 分布换算中最常见的失分之处。
先记牢上侧 α 分位数的定义:P{⋅>(分位数)}=α,即右侧尾部的概率为 α。t 的换算依据是密度关于 0 对称;F 的换算依据是F∼F(n1,n2)⇒F1∼F(n2,n1)这条倒数性质。正因为取了倒数,两个自由度才必须一起对调。
证明 / 推导
证 (1)t 的对称换算。 设 T∼t(n),它的密度关于 0 对称。由定义 P{T>tα(n)}=α。又由对称性得 P{T>−a}=P{T<a}=1−P{T>a}(这里是连续型)。取 a=tα(n),得
P{T>−tα(n)}=1−P{T>tα(n)}=1−α,
而这恰是 t1−α(n) 的定义,故 t1−α(n)=−tα(n)。
(2)F 的倒数换算。 设 F∼F(n1,n2),则 F1∼F(n2,n1)。由定义 P{F>F1−α(n1,n2)}=1−α,取对立事件,得 P{F≤F1−α(n1,n2)}=α,即
P{F1≥F1−α(n1,n2)1}=α.
又 F1∼F(n2,n1),故上式说明 F1−α(n1,n2)1 是 F(n2,n1) 的上侧 α 分位数,即有 F1−α(n1,n2)1=Fα(n2,n1),整理得
F1−α(n1,n2)=Fα(n2,n1)1.■5. 综合判别的要领:先把非标准正态标准化,再对照定义确定常数★★ 必会
判别抽样分布的题目,难点常常不在套用定义,而在两处预备工作:(1)总体不是标准正态时要先作标准化,若 Xi∼N(μ,σ2),必须先化为 σXi−μ∼N(0,1),它们的平方和才是 χ2 变量;(2)出现待定常数时,靠化成标准形来确定它。这里有一个常见的现象:只要统计量中各量的搭配正确,未知的 σ 会在 t、F 中自动约去。下面这道题两点兼有,是求常数使统计量服从 t分布的典型。
举例说明
例。 设 X1,X2,X3,X4,X5 独立同分布于 N(0,σ2)(σ 未知)。求常数 c,使
Y=c⋅X32+X42+X52X1+X2∼t(k),
并指出自由度 k。
解. 分子:X1+X2∼N(0,2σ2),标准化后 U=2σX1+X2∼N(0,1)。
分母:每个 σXi∼N(0,1),故 V=σ2X32+X42+X52∼χ2(3)。又 U 只依赖 X1,X2,而 V 只依赖 X3,X4,X5,因此二者相互独立。按 t 分布的定义,
V/3U=(X32+X42+X52)/(3σ2)(X1+X2)/(2σ)=23⋅X32+X42+X52X1+X2∼t(3).
可见 σ 已自动约去。与所求的式子对照,得 c=23=26,自由度 k=3。■真题精选
近年原题,先做做看、自动判分,再对照答案、思路与完整解答。
2023 年 · 数一 · 第 9 题 · 选择题 · 5 分
设 X1,X2,⋯,Xn 为来自总体 N(μ1,σ2) 的简单随机样本,Y1,Y2,⋯,Ym 为来自总体 N(μ2,2σ2) 的简单随机样本,且两样本相互独立。记 X=n1i=1∑nXi, Y=m1i=1∑mYi, S12=n−11i=1∑n(Xi−X)2, S22=m−11i=1∑m(Yi−Y)2,则( )
- AS22S12∼F(n,m).
- BS22S12∼F(n−1,m−1).
- CS222S12∼F(n,m).
- DS222S12∼F(n−1,m−1).
2017 年 · 数一 · 第 8 题 · 选择题 · 4 分
设 X1,X2,⋯,Xn (n≥2) 为来自总体 N(μ,1) 的简单随机样本,记 Xˉ=n1∑i=1nXi,则下列结论中不正确的是( )
- Ai=1∑n(Xi−μ)2 服从 χ2 分布.
- B2(Xn−X1)2 服从 χ2 分布.
- Ci=1∑n(Xi−Xˉ)2 服从 χ2 分布.
- Dn(Xˉ−μ)2 服从 χ2 分布.
2013 年 · 数一 · 第 8 题 · 选择题 · 4 分
设随机变量 X∼t(n),Y∼F(1,n),给定 α (0<α<0.5),常数 c 满足 P{X>c}=α,则 P{Y>c2}=( )
随堂练习
先用基础题热身,再按年份从新到旧挑战本知识点的其余真题。
练习 1 · 选择题
设 X1,X2,…,Xn 相互独立且都服从 N(0,1),则 ∑i=1nXi2 服从( )。
- AN(0,n)
- Bχ2(n)
- Ct(n)
- DF(n,1)
练习 2 · 选择题
设
X∼N(0,1),
Y∼χ2(n),且
X 与
Y 相互独立,则
Y/nX 服从( )。
- Aχ2(n)
- BF(1,n)
- Ct(n)
- DN(0,1)
练习 3 · 填空题
设 X∼χ2(8),则 D(X)= ____。
练习 4 · 选择题
设随机变量 T∼t(n),则 T2 服从( )。
- AF(1,n)
- BF(n,1)
- Cχ2(1)
- Dt(n)
练习 5 · 填空题
设 F∼F(m,n),则 F1 服从的分布是 ____(用 F( ⋅ , ⋅ ) 表示)。
练习 6 · 选择题
设 X1,X2,…,Xn(n≥2)是来自正态总体 N(μ,σ2) 的简单随机样本,Xˉ=n1i=1∑nXi,S2=n−11i=1∑n(Xi−Xˉ)2。则下列结论中错误的是( )。
- Aσ/nXˉ−μ∼N(0,1)
- Bσ2(n−1)S2∼χ2(n−1)
- CS/nXˉ−μ∼t(n−1)
- Dσ21i=1∑n(Xi−Xˉ)2∼χ2(n)
练习 7 · 填空题
设 X1,X2,…,X6 相互独立且都服从 N(0,σ2)(σ>0),则
Y=X42+X52+X62(X1+X2+X3)2
服从的分布是 ____。
练习 8 · 解答题
设 X1,…,X16 是来自正态总体 N(μ1,σ2) 的简单随机样本,Xˉ 与 SX2 分别为其样本均值与样本方差;又设 Y1,…,Y9 是来自正态总体 N(μ2,σ2) 的简单随机样本,SY2 为其样本方差,且两组样本相互独立。
(1)指出 σ215SX2 所服从的分布,并由此求 E(SX2) 与 D(SX2);
(2)说明统计量 T=SX4(Xˉ−μ1) 服从什么分布;
(3)指出 F=SY2SX2 所服从的分布,并求 E(F)。
2005 年 · 数一 · 第 14 题 · 选择题 · 4 分
设 X1,X2,⋯,Xn(n≥2) 为来自总体 N(0,1) 的简单随机样本,Xˉ 为样本均值,S2 为样本方差,则( )
- AnXˉ∼N(0,1).
- BnS2∼χ2(n).
- CS(n−1)Xˉ∼t(n−1).
- Di=2∑nXi2(n−1)X12∼F(1,n−1).
2003 年 · 数一 · 第 12 题 · 选择题 · 4 分
设随机变量 X∼t(n) (n>1),Y=X21,则( )
- AY∼χ2(n).
- BY∼χ2(n−1).
- CY∼F(n,1).
- DY∼F(1,n).