Критерии пирсона используются для оценки. Проверка гипотезы о нормальном распределении генеральной совокупности по критерию пирсона
В некоторых случаях исследователь не знает заранее, по какому именно закону распределены наблюдаемые значение исследуемого признака. Но у него могут быть достаточно веские причины предполагать, что распределение подчинено тому или иному закону, например, нормальному или равномерному. В этом случае выдвигаются основная и альтернативная статистические гипотезы следующего вида:
H 0: распределение наблюдаемого признака подчинено закону распределения A ,
H 1: распределение наблюдаемого признака отличается от A ;
где в качестве A может выступать тот или иной закон распределения: нормальный, равномерный, показательный и т. д.
Проверка гипотезы о предполагаемом законе распределения проводится при помощи так называемых критериев согласия. Имеется несколько критериев согласия. Наиболее универсальным из них является -критерий Пирсона, так как он применим к любому виду распределения.
-Критерий Пирсона
Обычно эмпирические и теоретические частоты различаются. Случайно ли расхождение частот? Критерий Пирсона дает ответ на этот вопрос, правда, как и любой статистический критерий, он не доказывает справедливость гипотезы в строго математическом смысле, а лишь устанавливает на определенном уровне значимости ее согласие или несогласие с данными наблюдений.
Итак, пусть по выборке объема получено статистическое распределение значений признака, где- наблюдаемые значения признака,- соответствующие им частоты:
Суть критерия Пирсона состоит в вычислении критерия по следующей формуле:
где - это число разрядов наблюдаемых значений, а- теоретические частоты соответствующих значений.
Понятно, что чем меньше разности , тем ближе эмпирическое распределение к эмпирическому, поэтому, чем меньше значение критерия, тем с большей достоверностью можно утверждать, что эмпирическое и теоретическое распределение подчинены одному закону.
Алгоритм критерия Пирсона
Алгоритм критерия Пирсона несложен и состоит в выполнении следующих действий:
Итак, единственным нетривиальным действием в этом алгоритме является определение теоретических частот. Они, разумеется, зависят от закона распределения, поэтому - для различных законов определяются по-разному.
Статистический критерий
Правило, по которому гипотеза Я 0 отвергается или принимается, называется статистическим критерием. В названии критерия, как правило, содержится буква, которой обозначается специально составленная характеристика из п. 2 алгоритма проверки статистической гипотезы (см. п. 4.1), рассчитываемая в критерии. В условиях данного алгоритма критерий назывался бы «в -критерий».
При проверке статистических гипотез возможны два типа ошибок:
- - ошибка первого рода (можно отвергнуть гипотезу Я 0 , когда она на самом деле верна);
- - ошибка второго рода (можно принять гипотезу Я 0 , когда она на самом деле не верна).
Вероятность а допустить ошибку первого рода называется уровнем значимости критерия.
Если за р обозначить вероятность допустить ошибку второго рода, то (l - р) - вероятность не допустить ошибку второго рода, которая называется мощностью критерия.
Критерий согласия х 2 Пирсона
Существует несколько типов статистических гипотез:
- - о законе распределения;
- - однородности выборок;
- - численных значениях параметров распределения и т.д.
Мы будем рассматривать гипотезу о законе распределения на примере критерия согласия х 2 Пирсона.
Критерием согласия называют статистический критерий проверки нулевой гипотезы о предполагаемом законе неизвестного распределения.
В основе критерия согласия Пирсона лежит сравнение эмпирических (наблюдаемых) и теоретических частот наблюдений, вычисленных в предположении определенного закона распределения. Гипотеза # 0 здесь формулируется так: по исследуемому признаку генеральная совокупность распределена нормально.
Алгоритм проверки статистической гипотезы # 0 для критерия х 1 Пирсона:
- 1) выдвигаем гипотезу Я 0 - по исследуемому признаку генеральная совокупность распределена нормально;
- 2) вычисляем выборочную среднюю и выборочное среднее квадратическое отклонение о в;
3) по имеющейся выборке объема п рассчитываем специально составленную характеристику ,
где: я, - эмпирические частоты, - теоретические частоты,
п - объем выборки,
h - величина интервала (разность между двумя соседними вариантами),
Нормализованные значения наблюдаемого признака,
- табличная функция. Также теоретические частоты
могут быть вычислены с помощью стандартной функции MS Excel НОРМРАСП по формуле ;
4) по выборочному распределению определяем критическое значение специально составленной характеристики xl P
5) при гипотеза # 0 отвергается, при гипотеза # 0 принимается.
Пример. Рассмотрим признак X - величину показателей тестирования осужденных в одной из исправительных колоний по некоторой психологической характеристике, представленный в виде вариационного ряда:
На уровне значимости 0,05 проверить гипотезу о нормальном распределении генеральной совокупности.
1. На основе эмпирического распределения можно выдвинуть гипотезу Н 0 : по исследуемому признаку «величина показателя тестирования по данной психологической характеристике» генеральная совокупность осу-
жденных распределена нормально. Альтернативная гипотеза 1: по исследуемому признаку «величина показателя тестирования по данной психологической характеристике» генеральная совокупность осужденных не распределена нормально.
2. Вычислим числовые выборочные характеристики:
Интервалы |
х г щ |
х} щ |
|||||
3. Вычислим специально составленную характеристику j 2 . Для этого в предпоследнем столбце предыдущей таблицы найдем теоретические частоты по формуле , а в последнем столбце
проведем расчет характеристики % 2 . Получаем х 2 = 0,185.
Для наглядности построим полигон эмпирического распределения и нормальную кривую по теоретическим частотам (рис. 6).
Рис. 6.
4. Определим число степеней свободы s : к = 5, т = 2, s = 5-2-1 = 2.
По таблице или с помощью стандартной функции MS Excel «ХИ20БР» для числа степеней свободы 5 = 2 и уровня значимости а = 0,05 найдем критическое значение критерия xl P . =5,99. Для уровня значимости а = 0,01 критическое значение критерия х%. = 9,2.
5. Наблюдаемое значение критерия х =0,185 меньше всех найденных значений Хк Р.-> поэтому гипотеза Я 0 принимается на обоих уровнях значимости. Расхождение эмпирических и теоретических частот незначимое. Следовательно, данные наблюдений согласуются с гипотезой о нормальном распределении генеральной совокупности. Таким образом, по исследуемому признаку «величина показателя тестирования по данной психологической характеристике» генеральная совокупность осужденных распределена нормально.
- 1. Корячко А.В., Куличенко А.Г. Высшая математика и математические методы в психологии: руководство к практическим занятиям для слушателей психологического факультета. Рязань, 1994.
- 2. Наследов А.Д. Математические методы психологического исследования. Анализ и интерпретация данных: Учеб, пособие. СПб., 2008.
- 3. Сидоренко Е.В. Методы математической обработки в психологии. СПб., 2010.
- 4. Сошникова Л.А. и др. Многомерный статистический анализ в экономике: Учеб, пособие для вузов. М., 1999.
- 5. Суходольский Е.В. Математические методы в психологии. Харьков, 2004.
- 6. Шмойлова Р.А., Минашкин В.Е., Садовникова Н.А. Практикум по теории статистики: Учеб, пособие. М., 2009.
- Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. С. 465.
Ширина интервала составит:
Xmax - максимальное значение группировочного признака в совокупности.
Xmin - минимальное значение группировочного признака.
Определим границы группы.
Номер группы | Нижняя граница | Верхняя граница |
1 | 43 | 45.83 |
2 | 45.83 | 48.66 |
3 | 48.66 | 51.49 |
4 | 51.49 | 54.32 |
5 | 54.32 | 57.15 |
6 | 57.15 | 60 |
Одно и тоже значение признака служит верхней и нижней границами двух смежных (предыдущей и последующей) групп.
Для каждого значения ряда подсчитаем, какое количество раз оно попадает в тот или иной интервал. Для этого сортируем ряд по возрастанию.
43 | 43 - 45.83 | 1 |
48.5 | 45.83 - 48.66 | 1 |
49 | 48.66 - 51.49 | 1 |
49 | 48.66 - 51.49 | 2 |
49.5 | 48.66 - 51.49 | 3 |
50 | 48.66 - 51.49 | 4 |
50 | 48.66 - 51.49 | 5 |
50.5 | 48.66 - 51.49 | 6 |
51.5 | 51.49 - 54.32 | 1 |
51.5 | 51.49 - 54.32 | 2 |
52 | 51.49 - 54.32 | 3 |
52 | 51.49 - 54.32 | 4 |
52 | 51.49 - 54.32 | 5 |
52 | 51.49 - 54.32 | 6 |
52 | 51.49 - 54.32 | 7 |
52 | 51.49 - 54.32 | 8 |
52 | 51.49 - 54.32 | 9 |
52.5 | 51.49 - 54.32 | 10 |
52.5 | 51.49 - 54.32 | 11 |
53 | 51.49 - 54.32 | 12 |
53 | 51.49 - 54.32 | 13 |
53 | 51.49 - 54.32 | 14 |
53.5 | 51.49 - 54.32 | 15 |
54 | 51.49 - 54.32 | 16 |
54 | 51.49 - 54.32 | 17 |
54 | 51.49 - 54.32 | 18 |
54.5 | 54.32 - 57.15 | 1 |
54.5 | 54.32 - 57.15 | 2 |
55.5 | 54.32 - 57.15 | 3 |
57 | 54.32 - 57.15 | 4 |
57.5 | 57.15 - 59.98 | 1 |
57.5 | 57.15 - 59.98 | 2 |
58 | 57.15 - 59.98 | 3 |
58 | 57.15 - 59.98 | 4 |
58.5 | 57.15 - 59.98 | 5 |
60 | 57.15 - 59.98 | 6 |
Результаты группировки оформим в виде таблицы:
Группы | № совокупности | Частота fi |
43 - 45.83 | 1 | 1 |
45.83 - 48.66 | 2 | 1 |
48.66 - 51.49 | 3,4,5,6,7,8 | 6 |
51.49 - 54.32 | 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 | 18 |
54.32 - 57.15 | 27,28,29,30 | 4 |
57.15 - 59.98 | 31,32,33,34,35,36 | 6 |
Таблица для расчета показателей.
Группы | x i | Кол-во, f i | x i * f i | Накопленная частота, S | |x - x ср |*f | (x - x ср) 2 *f | Частота, f i /n |
43 - 45.83 | 44.42 | 1 | 44.42 | 1 | 8.88 | 78.91 | 0.0278 |
45.83 - 48.66 | 47.25 | 1 | 47.25 | 2 | 6.05 | 36.64 | 0.0278 |
48.66 - 51.49 | 50.08 | 6 | 300.45 | 8 | 19.34 | 62.33 | 0.17 |
51.49 - 54.32 | 52.91 | 18 | 952.29 | 26 | 7.07 | 2.78 | 0.5 |
54.32 - 57.15 | 55.74 | 4 | 222.94 | 30 | 9.75 | 23.75 | 0.11 |
57.15 - 59.98 | 58.57 | 6 | 351.39 | 36 | 31.6 | 166.44 | 0.17 |
36 | 1918.73 | 82.7 | 370.86 | 1 |
Для оценки ряда распределения найдем следующие показатели:
Показатели центра распределения .
Средняя взвешенная
Мода
Мода - наиболее часто встречающееся значение признака у единиц данной совокупности.
где x 0 – начало модального интервала; h – величина интервала; f 2 –частота, соответствующая модальному интервалу; f 1 – предмодальная частота; f 3 – послемодальная частота.
Выбираем в качестве начала интервала 51.49, так как именно на этот интервал приходится наибольшее количество.
Наиболее часто встречающееся значение ряда – 52.8
Медиана
Медиана делит выборку на две части: половина вариант меньше медианы, половина - больше.
В интервальном ряду распределения сразу можно указать только интервал, в котором будут находиться мода или медиана. Медиана соответствует варианту, стоящему в середине ранжированного ряда. Медианным является интервал 51.49 - 54.32, т.к. в этом интервале накопленная частота S, больше медианного номера (медианным называется первый интервал, накопленная частота S которого превышает половину общей суммы частот).
Таким образом, 50% единиц совокупности будут меньше по величине 53.06
Показатели вариации .
Абсолютные показатели вариации .
Размах вариации - разность между максимальным и минимальным значениями признака первичного ряда.
R = X max - X min
R = 60 - 43 = 17
Среднее линейное отклонение - вычисляют для того, чтобы учесть различия всех единиц исследуемой совокупности.
Каждое значение ряда отличается от другого не более, чем на 2.3
Дисперсия - характеризует меру разброса около ее среднего значения (мера рассеивания, т.е. отклонения от среднего).
Несмещенная оценка дисперсии - состоятельная оценка дисперсии.
Среднее квадратическое отклонение .
Каждое значение ряда отличается от среднего значения 53.3 не более, чем на 3.21
Оценка среднеквадратического отклонения .
Относительные показатели вариации .
К относительным показателям вариации относят: коэффициент осцилляции, линейный коэффициент вариации, относительное линейное отклонение.
Коэффициент вариации - мера относительного разброса значений совокупности: показывает, какую долю среднего значения этой величины составляет ее средний разброс.
Поскольку v ≤ 30%, то совокупность однородна, а вариация слабая. Полученным результатам можно доверять.
Линейный коэффициент вариации или Относительное линейное отклонение - характеризует долю усредненного значения признака абсолютных отклонений от средней величины.
Проверка гипотез о виде распределения .
1. Проверим гипотезу о том, что Х распределено по нормальному закону с помощью критерия согласия Пирсона.
где p i - вероятность попадания в i-й интервал случайной величины, распределенной по гипотетическому закону
Для вычисления вероятностей p i применим формулу и таблицу функции Лапласа
где
s = 3.21, x ср = 53.3
Теоретическая (ожидаемая) частота равна n i = np i , где n = 36
Интервалы группировки | Наблюдаемая частота n i | x 1 = (x i - x ср)/s | x 2 = (x i+1 - x ср)/s | Ф(x 1) | Ф(x 2) | Вероятность попадания в i-й интервал, p i = Ф(x 2) - Ф(x 1) | Ожидаемая частота, 36p i | Слагаемые статистики Пирсона, K i |
43 - 45.83 | 1 | -3.16 | -2.29 | -0.5 | -0.49 | 0.01 | 0.36 | 1.14 |
45.83 - 48.66 | 1 | -2.29 | -1.42 | -0.49 | -0.42 | 0.0657 | 2.37 | 0.79 |
48.66 - 51.49 | 6 | -1.42 | -0.56 | -0.42 | -0.21 | 0.21 | 7.61 | 0.34 |
51.49 - 54.32 | 18 | -0.56 | 0.31 | -0.21 | 0.13 | 0.34 | 12.16 | 2.8 |
54.32 - 57.15 | 4 | 0.31 | 1.18 | 0.13 | 0.38 | 0.26 | 9.27 | 3 |
57.15 - 59.98 | 6 | 1.18 | 2.06 | 0.38 | 0.48 | 0.0973 | 3.5 | 1.78 |
36 | 9.84 |
Определим границу критической области. Так как статистика Пирсона измеряет разницу между эмпирическим и теоретическим распределениями, то чем больше ее наблюдаемое значение K набл, тем сильнее довод против основной гипотезы.
Поэтому критическая область для этой статистики всегда правосторонняя: }