- •Лабораторная работа № 1 первичная обработка результатов прямых многократных измерений /вычисление основных статистических параметров/
- •1. Цель работы
- •2. Задание
- •3. Краткая теория
- •4. Ход работы
- •5. Контрольные вопросы
- •4. Ход работы
- •1. Цель работы
- •2. Задание
- •3. Краткая теория
- •5. Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 3 проверка нормальности закона распределения /тремя различными методами/
- •4. Ход работы
- •5. Контрольные вопросы
- •4. Ход работы
- •5. Контрольные вопросы
- •4. Ход работы
- •5. Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 6 построение линейной эмпирической зависимости по опытным данным /метод наименьших квадратов/
- •1. Цель работы
- •2. Задание
- •3. Краткая теория
- •4. Ход работы
- •5. Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 7 оценка связи номинальных признаков /таблицы сопряженности/
- •1. Цель работы
- •2. Задание
- •3. Краткая теория
- •4. Ход работы
- •5. Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Приложение 1 Установка надстройки "Пакет анализа"
- •Приложение 2 Виды ошибок при задании формул
- •Приложение 3 Кратка теория диаграмм
- •Приложение 4 Статистические таблицы
- •Список литературы
- •Оглавление
5. Контрольные вопросы
В каком случае нельзя объединять две выборки данных?
Почему закон распределения объединенного массива неравноточных выборок оказывается отличным от нормального?
Какой доверительный интервал для математического ожидания шире – Стьюдента или Чебышева и по какой причине?
Предположим, Вы по объединенному массиву проверили гипотезу о нормальности распределения и не отвергли ее. Каким доверительным интервалом для математического ожидания Вы воспользуетесь?
Лабораторная работа № 6 построение линейной эмпирической зависимости по опытным данным /метод наименьших квадратов/
1. Цель работы
Изучить основные особенности и методы построения линейного приближенияэкспериментальных данных.
2. Задание
Методом наименьших квадратов построить линейную эмпирическую зависимость по опытным данным. Выполнить проверку адекватности математической модели опытным данным с помощью статистических критериев. Оценить погрешность эмпирической зависимости совместными доверительными F-интервалами.
3. Краткая теория
Метод наименьших квадратов
Одновременные измерения двух или более
разнородных физических величин с целью
нахождения зависимости между ними
называются совместнымиизмерениями
[2]. Обычно выполняется
измерений, при которых в заданных или
точно измеренных значениях аргумента
определены значения функции
.
Задача состоит в том, чтобы по
парам (
,
)
построить зависимость (эмпирическую),
которая была бы несмещенной и эффективной
оценкой истинной зависимости, общий
вид которой считают известным. Например,
известно, что истинная зависимость есть
прямая линия, представленная в виде
.
(6.1)
Параметры
,
неизвестны, их следует оценить по опытным
данным. Будем считать ошибки измерений
случайными с нулевым математическим
ожиданием и дисперсией
при любом
,
а также некоррелированными для разных
.
При этих условиях найти несмещенные и
эффективные оценки
,
параметров
,
(а следовательно и зависимости (6.1) в
целом) можно с помощью метода наименьших
квадратов (МНК).
Будем определять оценку
функции
в виде
,
(6.2)
а оценки
,
искать таким способом, чтобы сумма
квадратов отклонений
от
по всем узлам была минимальной (этот
подход называют также принципом
Лежандра):
.
(6.3)
Это эквивалентно условию
,
что приводит к уравнениям вида:
(6.4)
Учитывая, что
,
– некоторые числа, при этом
,
получаем
(6.5)
Отметим, что если бы мы записали выражение
(6.1) в обычном виде
,
мы вынуждены были бы решать систему
уравнений, выражая параметры один через
другой и проводя более сложные вычисления.
Использование линейной зависимости в
виде (6.1) позволило упростить вычисления
(что очень важно для более сложных
зависимостей) и получить статистически
независимые оценки
и
.
Учитывая это свойство, можно записать:

Переходя к оценкам, получаем:
(6.6)
При любом законе распределения (если
удовлетворяются указанные выше условия)
несмещенной оценкой
(а при нормальном законе распределения
и эффективной) является остаточная
дисперсия
, (6.7)
где
– число коэффициентов регрессии (для
прямой линии
=2).
Окончательно получаем
, (6.8)
то есть оценка СКО
является функцией от
.
Значение
минимально при
и увеличивается к началу и к концу
интервала значений аргумента.
Статистическая проверка адекватности модели
Все приведенные выше выражения справедливы
при выполнении предположения о том, что
истинный вид зависимости заранее
известен, причем эта зависимость линейна
по искомым параметрам. Если же это не
так, что обычно и имеет место, то
утверждение о несмещенности оценок
,
параметров
,
оценки
дисперсии
и оценки
(эмпирической зависимости) неизвестной
истинной зависимости
становится необоснованным, и правильнее
исходить из предположения об их
смещенности. Для того, чтобы проверить
гипотезу о несмещенности модели (говорят
обадекватности модели опытным данным),
пользуются статистическими критериями.
Известный F-критерий
проверки адекватности модели опытным
данным использует статистику в виде
отношения остаточной дисперсии
(6.7) кнезависимой несмещенной оценке
дисперсии опытных данных
,
где
– число степеней свободы этой оценки:
. (6.9)
На практике исследователь часто не имеет в своем распоряжении независимой несмещенной оценки дисперсии опытных данных и не может воспользоваться критерием (6.9). В этом случае можно воспользоваться следующим критерием:
. (6.10)
Этот критерий использует статистику в
виде отношения двух последовательных
по числу параметров модели остаточных
дисперсий; здесь, как обычно, число
степеней свободы
.
В нашем конкретном случае, когда модель
имеет вид прямой линии, остаточная
дисперсия (6.7) соответствует
(числитель статистики). Для нахождения
знаменателя следует перейти к более
сложной модели, содержащей не 2, а 3
параметра (параболе второй степени), и
найти для нее остаточную дисперсию.
Однако этот вопрос выходит за рамки
изучаемого курса, поэтому в данной
работе предполагается, что имеется
независимая несмещенная оценка дисперсии,
либо известна сама дисперсия
.
Линейному регрессионному анализу посвящено множество работ разной сложности, из которых отметим [6, 12, 13, 14]. Наиболее доступно он изложен в [5, 6].
Оценивание погрешности эмпирической зависимости
Погрешность – это некий интервал,
построенный в обе стороны от результата
измерений и включающий в себя
("накрывающий") неизвестное истинное
значение измеряемой физической величины
с высокой вероятностью (с заданной или
оцененной). Имея оценку СКО эмпирической
зависимости (6.8), можно при каждом значении
аргумента
вычислить доверительные границы для
истинного значения при данном значении
аргумента, т.е. построить доверительныйt-интервал для истинного
значения при данном значении аргумента.
Такие доверительныеt-интервалы
называются индивидуальнымиt-интервалами.
Если повторять опыты (каждый раз с новыми
опытными данными в тех же узлах) и следить
за любым выбранным узлом, то доля
индивидуальныхt-интервалов,
накрывающих истинное значение в этом
узле (любом) будет в точности равна
заданной доверительной вероятности.
Однако, если мы будем следить за
несколькими узлами (например, за всеми),
то мы заметим, что доля узлов, в которых
накрытие не имеет место в данном опыте,
совсем не соответствует этой доверительной
вероятности. Доля узлов, в которых
накрытие не имеет места, может оказаться
весьма значительной. От этого недостатка
свободны так называемыесовместные
доверительные интервалы, которые
обеспечивают одновременное накрытие
истинных значений во всех узлах с
вероятностью не меньше заданной.
Погрешность эмпирической зависимости будем выражать совместными доверительными интервалами [12, 5], например, F-интервалами Шеффе, которые проще всего вычислить (они имеют и более серьезные преимущества по сравнению с другими совместными интервалами). Интервалы Шеффе имеют вид:
,
(6.11)
где
– критическое значение статистикиfдля выбранного уровня значимости
и с числами степеней свободы
(числитель) и
(знаменатель).
