Умблик
Высшая математика
Статистические выводы
Вероятность и статистика · Статистические выводы

Доверительные интервалы

Случайный интервал с заданным покрытием и корректная частотная интерпретация.

10 минут на чтениеЗаданий для самопроверки: 3

Чему научимся

Интервал показывает неопределённость оценки и связывает стандартную ошибку, объём данных, доверительный уровень и предпосылки распределения статистики.

Главная идея. Доверительный интервал — случайная процедура, чьи границы меняются от выборки к выборке. Уровень 95% означает долгосрочное покрытие фиксированного параметра в модели.

План рассуждения и проверка понимания
  1. Выберите параметр и статистику с известным или обоснованно приближённым распределением, затем задайте уровень до просмотра результата.
  2. Для среднего нормальной выборки с неизвестным σ используйте S/√n и квантиль t с n − 1 степенями свободы, а не z по привычке.
  3. Постройте две случайные границы и проверьте направление: повышение доверительного уровня расширяет интервал, увеличение n обычно сужает его.
  4. Интерпретируйте покрытие как свойство повторяемой процедуры и отдельно обсуждайте устойчивость к тяжёлым хвостам, зависимости и выбросам.

Частая ошибка. После получения интервала говорить, что истинный фиксированный параметр находится в нём с вероятностью 95 процентов в частотном смысле.

Как проверить себя. Случайность относится к границам до наблюдения данных. При повторении процедуры около 95 процентов интервалов накроют параметр; конкретный уже либо накрыл, либо нет.

Схема к теме

Наглядная модель: Доверительные интервалы

Случайный интервал с заданным покрытием и корректная частотная интерпретация.

Наглядная модель: Доверительные интервалыСлучайный интервал с заданным покрытием и корректная частотная интерпретация.расстояние междузначениями-3-2-1012345точка отсчётанаблюдаемоезначение
  • Диапазон от -3 до 5
  • 0: точка отсчёта
  • 3: наблюдаемое значение
  • Промежуток от 0 (граница включена) до 3 (граница включена) — расстояние между значениями
Числовая прямая позволяет одновременно видеть порядок значений и расстояние между ними. Вывод: Сначала отметьте границы и точки, затем переводите рисунок в неравенство или вычисление.
Проверка пониманияОбъясните тему своими словами

Объясните интервал 10 ± 1,96·0,2 при известном σ = 2 и n = 100 и предскажите, что станет с шириной при увеличении n в четыре раза.

В хорошем объяснении есть:

  • Стандартная ошибка вычислена как 2/√100 = 0,2.
  • Получены границы 9,608 и 10,392.
  • При четырёхкратном n ширина уменьшается вдвое.

Случайны границы, не фиксированный параметр

Доверительный интервал — процедура, которая по выборке возвращает две границы. Уровень 95% означает, что при многократном повторении этой процедуры в модели примерно 95% получаемых интервалов накроют фиксированный истинный параметр. После наблюдения конкретного интервала параметр либо внутри, либо снаружи; частотный уровень не является апостериорной вероятностью данного параметра.

Интервалы среднего

При независимой нормальной выборке и известном σ используют нормальный квантиль. При неизвестном σ и n≥2 заменяют его исправленным выборочным S и используют квантиль Стьюдента с n−1 степенями свободы. Точный t-закон требует нормальности; для иных законов такой интервал может быть лишь приближением и чувствителен к тяжёлым хвостам.

Доля и границы

Для биномиальной доли простой симметричный интервал Вальда может выйти за [0,1] и плохо работать возле нуля и единицы. Интервал Уилсона строят обращением score-теста; он учитывает граничные случаи заметно лучше, но его конечновыборочное покрытие не обязано точно равняться номинальному. «Точный» интервал Клоппера–Пирсона имеет другой, консервативный смысл.

Набросок построения

Найдите статистику с известным распределением, например (среднее−μ)/(S/√n) в нормальной модели. Ограничьте её между двумя квантилями и алгебраически выразите допустимые μ. Получается случайный интервал с указанным покрытием.

Широкий интервал показывает неопределённость, а не ошибку вычисления. Увеличение объёма независимой выборки обычно сужает его; повышение доверительного уровня, напротив, расширяет.

Три примера

  1. При известном σ=2,n=100 и среднем 10 нормальный 95%-интервал приблизительно 10±1,96·0,2, то есть [9,608;10,392].
  2. Если увеличить n в четыре раза при том же σ и уровне, стандартная ошибка уменьшается вдвое.
  3. Ноль успехов из десяти не означает, что верхняя граница интервала доли равна нулю: данные совместимы с небольшой положительной вероятностью.

Формула, смысл и ограничения

Главные формулы с расшифровкой

X‾±t1−α/2,n−1Sn\overline X\pm t_{1-\alpha/2,n-1}\frac{S}{\sqrt n}

Формула словами: Точный двухсторонний t-интервал среднего для независимой нормальной выборки; S² использует делитель n−1.

От формулы к наблюдению

Попробуйте самостоятельно

Измените параметры и сопоставьте расчёт с результатами случайного эксперимента.

От простого к сложному

Проверьте себя

Сначала запишите решение самостоятельно. Затем можно открыть намёк, сравнить каждый переход с пошаговым разбором и только после этого посмотреть ответ. Прогресс сохраняется в этом браузере.

Открываем задание…

Открываем задание…

Открываем задание…

Источники и соглашения

Объяснения и задачи — авторские. Источники помогают проверить определения, условия и школьную привязку. Обозначения и параметризация указаны в статье.