Точечная и интервальная оценки. Доверительный интервал. Методики нахождения точечных оценок.

Интервальное оценивание — один из видов статистического оценивания, предполагающий построение интервала, в котором с некоторой вероятностью находится истинное значение оцениваемого параметра.

 

 

Доверительный интервал и доверительная вероятность используется в математической статистике точности и надежности полученной оценки a* неизвестного параметра a.

 

=0,95 или 0,98; 0,99 - Назначим вероятность достаточно большую.

Найдем значение интервала , при котором вероятность a*-a

1.

2.

вероятность, что выйдет за пределы интервала:

Интервал, покрывающий a называется доверительным интервалом.

Вероятность называется доверительной вероятностью.

 

Оценка a* называется точечной оценкой.

Оценка называется интервальной оценкой.

 

 

1. Метод наибольшего правдоподобия.

 

Пусть Х – дискретная случайная величина, которая в результате п испытаний приняла значения х ₁, х ₂, …, х_п. Предположим, что нам известен закон распределения этой величины, определяемый параметром Θ, но неизвестно численное значение этого параметра. Найдем его точечную оценку.

Пусть р (х_i, Θ) – вероятность того, что в результате испытания величина Х примет значение х_i. Назовем функцией правдоподобия дискретной случайной величины Х функцию аргумента Θ, определяемую по формуле:

L (х ₁, х ₂, …, х_п; Θ) = p (x ₁,Θ) p (x ₂,Θ)… p (x_n,Θ).

Тогда в качестве точечной оценки параметра Θ принимают такое его значение Θ* = Θ(х ₁, х ₂, …, х_п), при котором функция правдоподобия достигает максимума. Оценку Θ* называют оценкой наибольшего правдоподобия.

Поскольку функции L и ln L достигают максимума при одном и том же значении Θ, удобнее искать максимум ln L – логарифмической функции правдоподобия. Для этого нужно:

1) найти производную ;

2) приравнять ее нулю (получим так называемое уравнение правдоподобия) и найти критическую точку;

3) найти вторую производную ; если она отрицательна в критической точке, то это – точка максимума.

Достоинства метода наибольшего правдоподобия: полученные оценки состоятельны (хотя могут быть смещенными), распределены асимптотически нормально при больших значениях п и имеют наименьшую дисперсию по сравнению с другими асимптотически нормальными оценками; если для оцениваемого параметра Θ существует эффективная оценка Θ*, то уравнение правдоподобия имеет единственное решение Θ*; метод наиболее полно использует данные выборки и поэтому особенно полезен в случае малых выборок.

Недостаток метода наибольшего правдоподобия: сложность вычислений.

 

Для непрерывной случайной величины с известным видом плотности распределения f (x) и неизвестным параметром Θ функция правдоподобия имеет вид:

L (х ₁, х ₂, …, х_п; Θ) = f (x ₁,Θ) f (x ₂,Θ)… f (x_n,Θ).

Оценка наибольшего правдоподобия неизвестного параметра проводится так же, как для дискретной случайной величины.

 

2. Метод моментов.

 

Метод моментов основан на том, что начальные и центральные эмпирические моменты являются состоятельными оценками соответственно начальных и центральных теоретических моментов, поэтому можно приравнять теоретические моменты соответствующим эмпирическим моментам того же порядка.

Если задан вид плотности распределения f (x, Θ), определяемой одним неизвестным параметром Θ, то для оценки этого параметра достаточно иметь одно уравнение. Например, можно приравнять начальные моменты первого порядка:

,

получив тем самым уравнение для определения Θ. Его решение Θ* будет точечной оценкой параметра, которая является функцией от выборочного среднего и, следовательно, и от вариант выборки:

Θ = ψ (х ₁, х ₂, …, х_п).

Если известный вид плотности распределения f (x, Θ₁, Θ₂) определяется двумя неизвестными параметрами Θ₁ и Θ₂, то требуется составить два уравнения, например

ν₁ = М ₁, μ₂ = т ₂.

Отсюда - система двух уравнений с двумя неизвестными Θ₁ и Θ₂. Ее решениями будут точечные оценки Θ₁* и Θ₂* - функции вариант выборки:

Θ₁ = ψ₁ (х ₁, х ₂, …, х_п),

Θ₂ = ψ₂(х ₁, х ₂, …, х_п).

 

3. Метод наименьших квадратов.

 

Если требуется оценить зависимость величин у и х, причем известен вид связывающей их функции, но неизвестны значения входящих в нее коэффициентов, их величины можно оценить по имеющейся выборке с помощью метода наименьших квадратов. Для этого функция у = φ (х) выбирается так, чтобы сумма квадратов отклонений наблюдаемых значений у ₁, у ₂,…, у_п от φ(х_i) была минимальной:

При этом требуется найти стационарную точку функции φ(x; a, b, c…), то есть решить систему:

(решение, конечно, возможно только в случае, когда известен конкретный вид функции φ).

Рассмотрим в качестве примера подбор параметров линейной функции методом наименьших квадратов.

Для того, чтобы оценить параметры а и b в функции y = ax + b, найдем Тогда . Отсюда . Разделив оба полученных уравнения на п и вспомнив определения эмпирических моментов, можно получить выражения для а и b в виде:

. Следовательно, связь между х и у можно задать в виде: