第一章 基本概念
1.总体:
研究对象的全体。通常指研究对象的某项数量指标。组成总体的元素称为个体。 从本质上讲,总体就是所研究的随机变量或随机变量的分布。
2.样本:
来自总体的部分个体 如果满足: (1)同分布性: ,i=1,…,n$\text{与总体同分布}\mathbf{X}_1, \dots, \mathbf{X}_n$ ;则称为容量为n 的简单随机样本,简称样本。而称 的一次实现为样本观察值,记为 来自 总体X 的 随机样本 可记为
显然,样本联合分布函数或密度函数为
或
3.统计量
称样本 的函数 是总体 的一个 , 如果 。
几个常用的统计量:
- 样本均值 (Sample Mean)
- 样本方差 (Sample Variance)
(注意:这里的系数是 而不是 ,这是为了保证它是无偏估计量)
样本均方差(标准差) (Sample Standard Deviation)
3. 样本k阶矩
- 样本原点矩 (Sample Moment about Origin)
(注:当 $k=1$ 时,这就是样本均值)
- 样本中心矩 (Sample Central Moment)
(注:当 $k=2$ 时,这对应于样本方差的某种形式,但通常样本方差分母为 $n-1$)
4. 经验分布函数 (Empirical Distribution Function)
用 表示样本 中不大于 的随机变量个数。定义经验分布函数 为:
4.常用统计量的分布(抽样分布):
**一、 分布 **
1. 构造
设 独立同分布于标准正态分布,即 。
则定义统计量:
称为自由度为 的 分布。
笔记要点: 分布本质上就是 个独立的标准正态随机变量的平方和。
2. 分布的概率密度函数
概率密度函数 公式为:
其中 是伽马函数。

- 特点:分布是非对称的(右偏),取值恒为正。随着自由度 的增大,曲线峰值向右移动,且图形逐渐趋向于对称(正态分布)。
3. 分布的分位点
设 ,若对于 ,存在 满足:
则称 为 分布的 上 分位点 (Upper quantile)。 
图示说明:
- 图中阴影部分的面积为 (右尾概率)。
- 是横轴上的临界值。
举例 :
- (表示自由度为10时,大于18.307的概率是0.05)
- (表示自由度为10时,大于3.940的概率是0.95)
4. 分布的性质
a. 分布可加性 (Additivity)
若 , ,且 相互独立,
则它们的和服从自由度相加的 分布:
b. 期望与方差 (Expectation and Variance)
若 ,则:
- 期望:
- 方差: (记忆技巧:期望等于自由度,方差等于两倍自由度)
二、 分布
1. 构造 (Construction)
这是 分布最经典的定义方式,一定要背下来:
设 ( 是标准正态分布)
设 ( 是自由度为 的卡方分布)
且 与 相互独立
则构造出的统计量 为:
称 为 自由度为 的 分布。 注:t分布的直观理解:
分子是一个标准正态变量。
分母是一个调整后的卡方变量的平方根(起到了“归一化”或“缩放”的作用)。
当样本量 时, 分布会收敛于标准正态分布 。但在小样本下, 分布的尾部比正态分布更“厚”(更平坦),这使得它在小样本估计中更为保守和准确。
2.** 的概率密度
公式组成:
:这是 **数学分析#伽马函数 (Gamma Function, 欧拉第二积分),它是阶乘在实数域上的推广。
:这是函数的主体部分,是一个幂函数形式,它决定了 分布呈钟形曲线,且比正态分布下降得更慢(即“厚尾”)。
3.基本性质
1. **对称性**: $f(t)$ 关于 $t=0$(纵轴)对称。 - 极限性质: 当自由度 时, 的极限是标准正态分布 的密度函数,即:
3. 分位点
设 ,若对于 ,存在 ,满足:
则称 为 的上侧 分位点。
重点性质:分位点的对称性
由于 分布关于 对称,因此:
示例:
三、分布
1.构造
定义: F分布是通过两个独立的卡方()随机变量的比值构造而成的。
构造公式: 设 和 是两个独立的卡方随机变量,其自由度分别为 和 :
则随机变量 的构造如下:
- 自由度: 称为第一自由度(分子自由度), 称为第二自由度(分母自由度)。
2. 概率密度函数
对于 分布,其概率密度函数 如下(其中 是伽马函数):
3. F分布的分位点
- 上侧 分位点定义: 对于一个概率 (),如果存在一个正数 ,使得随机变量 大于或等于该值的概率恰好是 ,则称 为 分布的上侧 分位点。
4. 分位点的性质
提供了一个关于F分布分位点的重要性质和证明:
- 性质: 下侧分位点与上侧分位点之间的关系。
5.正态总体下的三大抽样定理
定理一:标准化样本均值的分布( 统计量)
结论:当总体方差 已知时,标准化后的样本均值服从标准正态分布 。
用途:用于总体均值 的大样本检验,或 已知时的单样本检验。
定理二:样本方差的分布( 统计量)
结论:将样本方差 乘以适当的系数后,服从自由度为 的 分布(卡方分布)。
用途:用于总体方差 的估计和检验。
定理三: 统计量的分布(小样本下的均值检验)
结论:当总体方差 未知时,使用样本标准差 替代 对 进行标准化,得到的统计量服从自由度为 的 分布。
用途:用于总体均值 的小样本检验,或 未知时的单样本检验。
附加重要结论
独立性结论
在正态总体下,样本均值 与样本方差 相互独立。
(这是构建 统计量的关键,因为 统计量的构造要求分子 () 和分母的平方根 () 相互独立)。
延伸:两个正态总体的方差比( 统计量)
分布是这三大定理的自然延伸,它用于比较两个独立正态总体的方差。
设有两个独立样本,来自 和 :
用途:用于检验两个总体的方差是否相等(即检验 )。