t 检验

1、 t 检验的思路:

啤酒,主要原料是大麦,啤酒厂肯定是希望尽力提高亩产。比如,健力士公司有下面两块麦田:

左边的麦田采用传统A工艺进行种植,平均每株大麦可以结100粒穗子。而右边的麦田采用改进过的B工艺种植,健力士公司想知道“B工艺是否提高了产量”。为了节约成本、减小损耗,抠门的健力士公司从B工艺的麦田中采样了5株大麦,样本均值为120粒穗子。然后把难题抛给了戈斯特。似乎直观看来产量提高了,毕竟均值增加了20%,可是戈斯特想得更多一些。

2、戈斯特的分析:

戈斯特提出一个假设检验:

  • 假设:B工艺没有提高产量,即AB下的麦穗都是同一个分布

  • 检验:看看在此假设下,\bar { x }=120 发生的概率高不高

已知的数据是,A工艺下的单株麦穗的个数服从\mu=100,标准差\sigma未知的正态分布:X \sim N\left(\mu, \sigma^{2}\right)

而B工艺下的麦田的样本均值\bar{x }=120 ,样本数为5株,早在学习概率论知识时我们就知道,不同的标准差对应的正态分布的图像是不同的:

标准差越大,说明数据越分散,那么曲线的跨度就越大,曲线显得更加‘矮胖’;反之标准差越小,说明数据越集中,跨度越小,曲线显得更加‘高瘦’。

X如果服从正态分布X \sim N\left(\mu, 2\right),这里\sigma^{2}=2,跨度不大,采样5个点使其\bar{x }=120,图像如下:

由此可见,\bar{x }=120的概率非常低,即AB下的麦穗是同一个分布的可能性不大,我们有很大把握可以认为B工艺真正提高了产量。

而如果X服从的是跨度更大的正态分布,采样五个点使其\bar{x }=120的图像如下(为了演示,正态分布的参数选的不是很严谨):

这样的正态分布下,\bar{x }=120的概率并不低,即AB下的麦穗还是可能为同一个分布的,我们没十足的把握认为B工艺提高了产量。因此,看起来不能单纯依靠\bar{x }-\mu_{0},或许除以样本标准差 s可以消除跨度的影响:\frac{\bar{x}-\mu_{0}}{s}

因为A工艺的\sigma 我们不清楚,但是我们假设AB同分布,所以直接使用了样本标准差 s。当然,样本数 n 也会影响结果。比如说,在 n =1000 下,得到\bar{x }=120 ,那么根据大数定理,我们不用算了,基本上可以认为“B工艺提高了产量”。

所以,戈斯特认为应该综合考虑样本均值\bar{ x}、样本方差 s 和样本数 n ,给出了一个统计量t值:

t= \frac{ \bar {x} - \mu_{0}}{s / \sqrt{n}}

该统计量越大说明AB工艺导致的差别越大,越有可能说明“B工艺提高了产量”。


3、t分布

对于t值:t= \frac{ \bar {x} - \mu_{0}}{s / \sqrt{n}},对应的概率密度函数,也就是t分布为:

f(t)=\frac{\Gamma((\nu+1) / 2)}{\sqrt{\nu \pi} \Gamma(\nu / 2)}\left(1+t^{2} / \nu\right)^{-(\nu+1) / 2}

其中\nu=n-1,也叫做自由度。而\Gamma 为伽马函数。

f(t)接近于正态分布 N(0,1)(灰色曲线表示正态分布N(0,1),下面是\nu=2的t分布

而t值,实际上对应的就是横坐标的值,比如说t值等于4:

t=4之后的曲线下面积其实就是P值:

所以,我们知道t值之后,就可以根据\nu=n-1 以及要求的P值,查出当前的t值是否会拒绝我们的假设。

举个例子,比如本文中的AB工艺下的数据为:

\begin{array}{llll}\mu=100 & n=5 & \bar{ x } =120 & S=5 \sqrt{5}\end{array}

计算出来:t=\frac{ \bar{ x }-\mu_{0}}{s / \sqrt{n}}=\frac{120-100}{5 \sqrt{5} / \sqrt{5}}=4

服从\nu=n-1=4的t分布:

如果我们要求 5% 的显著水平的话(下两篇讲解P值和置信区间),那么就可以拒绝“B工艺没有提高产量”这个假设了,也就是说,B工艺使得产量提高了。


转载:https://blog.csdn.net/Tonywu2018/article/details/83897806

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