Kapitel 6 : Punkt und Intervallschätzer

Transkript

1 7 Kapitel 6 : Pukt ud Itervallschätzer Puktschätzuge. I der Statistik wolle wir Rückschlüsse auf das Wahrscheilichkeitsgesetz ziehe, ach dem ei vo us beobachtetes Zufallsexperimet abläuft. Hierzu beobachte wir uabhägige Wiederholuge eier Zufallsvariable X, d.h. iid. Zufallsvariable X, X,..., X, die gemäß F, dem Zufallsgesetz vo X, verteilt sid. : = (X, X,..., X ) bezeichet ma als Stichprobe aus F der Läge ud die hierfür beobachtete Werte : = (x, x,..., x ) als Date. Mit Hilfe der Date wolle wir da gewisse Parameter θ schätze, d.h. gewisse ubekate reelle Zahle, die das spezielle Gesetz F charakterisiere. Wäre z.b. X = d N(µ, σ ), wobei µ I R ud < σ <, da sid µ ud σ solche Parameter.. Das Grudaliege des Schätzes besteht u dari, daß ma für jede der Parameter θ eie geeigete Statistik T: I R I R sucht, so daß der de Date = (x, x,..., x ) zugeordete Wert T() (bekate reelle Zahl) gerade das Wesetliche vo θ umerisch widerspiegelt. Jeder solche Wert T() heißt Schätzwert vo θ ud wird mit bezeichet. Ma ka eie Schätzwert vo θ ituitiv erhalte oder mit Hilfe vo kokrete Methode. Die zugehörige Schätzprozedur T() heißt Schätzer vo θ. Zwei wüscheswerte Eigeschafte eies Schätzers T() vo θ sid:

2 8 ) Erwartugstreue (oder Uverzerrtheit) : E(T()) = θ. Bzw. midestes asymptotische Erwartugstreue: lim = θ, ( im Mittel schätzt de Parameter θ richtig). ) Asymptotisches Verschwide der Variaz : lim =. (Im Falle der Erwartugstreue bedeutet dies, daß die mittlere quadratische Abweichug für wachsede Stichprobeumfag gege Null strebt.) Sid beide Eigeschafte erfüllt, da gilt sogar (wege der Tschebyscheffsche Ugleichug) die (schwache) Kosistez: kovergiert stochastisch gege θ, d.h. >. Beispiel.3 : X besitze eie Erwartugswert µ = E(X) ud eie Variaz σ = Var(X). Da ma µ als Mittelwert der Verteilug F vo X verstehe ka, liegt es ahe, µ mit Hilfe des Stichprobemittelwerts = zu schätze, d.h. = = ist ei Schätzer für µ. ) ist erwartugstreu: = ( ) = = µ, da X, X,..., X iid.

3 9 ) : = = =, da X, X,..., X iid. P E(X), dies ist gerade das schwache Gesetz der große Zahle. ist also ei kosisteter Schätzer vo µ. Beispiel.4 : X wie i Beispiel.3. Es liegt ahe, σ = Var (X) durch die Stichprobevariaz S = zu schätze. Da jedoch E(S ) =, ist dieser Schätzer für σ verzerrt, aber immer och asymptotisch erwartugstreu. ( )= = = = = =. Bemerkug.5 : Aus diesem Grud defiiert ma die uverzerrte Stichprobevariaz : = =. Offesichtlich ist erwartugstreu für σ : ( )=. I der Praxis wird fast ausschließlich mit gearbeitet ud meistes wird als Stichprobevariaz bezeichet ud als S geschriebe.

4 Die χ ud die t Verteilug; Quatile Für das Weitere beötige wir och zwei eue Verteiluge.. Es seie X, X,..., X d = N(,) iid. Da ist Y : = j = X d j = χ gemäß eier χ Verteilug mit Freiheitsgrade (d.h. χ ) verteilt. χ hat die Dichte: f(x) = ( ) Γ( x ) e x x < x, wobei Γ(a) = a x x e dx, für a >. f (x)dx =. Weiter gilt: Γ() = ( )! für alle I N, ud deshalb ist χ = Exp( ). Γ(+½) = ()!! für alle I N. x ;β x ;β mit f (x)dx = β, < β <, heißt β Quatil vo χ. Das Quatil ist die Umkehrfuktio der Verteilugsfuktio.. Es seie X, X,..., X d = N(,) iid. Da ist Z : = X = d t gemäß eier Studetsche t Verteilug j= X j mit Freiheitsgrade (d.h. gemäß t ) verteilt.

5 Allgemei: Y d = N(,) ud V d = seie uabhägig d = t. + Γ( ) + x t hat die Dichte: f(x) = ( + ) π Γ( ), x I R. f (x)dx =. f(x) ist symmetrisch um die y Achse. t ; t ;β mit β f (x)dx = β, < β <, ist das β Quatil vo t..3 Für die Stadard Normalverteilug N(, ) bezeichet ma das β Quatil mit z β, < β < : = β..4 Für ist die zetrale Regio der t Verteilug eier N(, ) Dichte ählich. Im Grezfall ( ) fällt diese Dichte mit φ(x) zusamme. (Für die Awedug uterscheide sich die übliche Wahrscheilichkeite vo t ud Φ icht mehr.)

6 Bemerkug.5 : Gegebe sei die Stichprobe: X,..., X d = N(µ,σ ) iid. Betrachte de Stichprobemittelwert die uverzerrte Stichprobevariaz = = ud. (i) = d, ud deshalb d = N(,) (siehe Kapitel 5, Beispiel.5 c), Bemerkug). (ii) Ist σ ubekat, so muß es durch geschätzt werde. Ma ka zeige, daß i diesem Fall () d = ud vo uabhägig ist. Wege. ergibt sich, daß = () d = t. De Verlust des eie Freiheitsgrades ka ma sich folgedermaße plausibel mache: Zur Berechug vo muß aus de Date geschätzt werde. Bei bekatem sid da aber ur och ( ) der Variable X, X,..., X frei wählbar. 3 Kofidezitervall für de Erwartugswert µ eier Normalverteilug bei bekater ud bei ubekater Variaz σ X,..., X d = N(µ,σ ) iid. sei eie ormalverteilte Stichprobe. 3. σ = σ bekat : Wir wolle de Erwartugswert µ schätze ud gleichzeitig eie Hiweis auf die Geauigkeit ud die Vertraueswürdigkeit des Schätzwertes erhalte.

7 3 Es liegt ahe, de Mittelwert µ durch de Stichprobemittelwert zu schätze. Weiter wählt ma eie Größe C so, daß das zufällige Itervall, + µ mit hoher Wahrscheilichkeit überdeckt, d.h. daß da der Schätzfehler C. Hierzu gibt ma sich eie Wahrscheilichkeit γ ahe bei vor (typische Werte sid: γ =,9; γ =,95; γ =,99 ) ud bestimmt C so, daß, + γ. Da σ = die Stadardabweichug userer Normalverteilug ist, wählt ma C = b σ für eie geeigete Kostate b >. Wir wisse, daß d = N(, ). Deshalb ergibt sich:, + b σ b ud deshalb,+ = P( b X µ σ = Φ(b ) Φ( b ) = Φ(b ) ( Φ(b )), b ) = da φ(x) symmetrisch um die y Achse ist : = Φ(b )! = γ Φ(b ) = b = b =

8 4 Als Ergebis erhält ma I γ =, + = : ± ist das gesuchte γ Kofidezitervall (bzw. γ % KI) für µ. γ heißt Kofideziveau. 3. σ ubekat : I diesem Fall müsse wir σ durch S u = schätze, d.h. wir wähle C = b S u. Nach Bemerkug.5 wisse wir, daß Deshalb ergibt sich u : d = t., + b S u b ud deshalb, + = P( b X µ S u b ) = = t (b ) t ( b ) = t (b ) ( t (b )), da f(x) symmetrisch um die y Achse ist : = t (b )! = γ t (b ) = b = ;. b = ;

9 5 Als Ergebis erhält ma I γ = ;, + ; ist das gesuchte γ Kofidezitervall für µ. = ± ; Beispiel 3.3 : Wir habe die Körperläge vo = 6 Exemplare der Drosophila melaogaster i Rheihesse gemesse ud eie Stichprobemittelwert =,5 (mm) sowie eie Stadardabweichug s u =,3 (mm) errechet. I eier Zeitschrift habe wir gelese, daß der richtige Wert,3 (mm) ist. Ist dies mit userem Ergebis vereibar? Zur Beatwortug dieser Frage ehme wir a, daß die Körperläge N(µ, σ ) verteilt sid, ud kostruiere das 95% Kofidezitervall für µ: γ =,95 + γ =,975; ( ) = 5; t 5;,975 =,57 I,95 =,5 ±,,57 =,5 ±,3 = [,9;,8],3 ; d.h. die Agabe i der Zeitschrift ist mit usere Beobachtuge auf eiem Kofideziveau vo 95% vereibar.