8.3.2 独立性检验

人教 A 版 · 本节 22 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 1 题 ↓

原书扫描页(人教 A 版原文)

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本节的知识树

1 概念 · 1 公式 · 最深 2 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。

考过本节的真题

共 1 道

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

上一小节用 2×22 \times 2 列联表整理成对分类变量的数据,靠”两个频率差得多不多”来推断两个变量有没有 关联。这个做法有一个说不清的地方:频率本身是随机的。抽 44 个人与抽 4 400 个人,两个频率的 差看着一样大,可信程度完全不同;样本一小,“看着差得多”很可能只是运气。

这一节要做的,就是把”差得多不多”换成一个可以定量、并且能把犯错概率控制住的判断—— χ2\chi^2 独立性检验。

这一份按”先立一个要被推翻的假设 → 造一个衡量偏离的统计量 → 定一条判断标准 → 照四步做题” 的顺序讲。要先说破的是:这一节的数学不难(一个公式、一张表),难的是那套推断的逻辑, 而高考恰恰考后者——“结论的实际含义是什么""犯错的概率是多少""为什么不能反过来说”。

一、零假设:先假定”没关联”

设 XX 和 YY 是取值于 {0,1}\{0, 1\} 的成对分类变量。要判断 {X=1}\{X = 1\} 与 {Y=1}\{Y = 1\} 之间有没有 关联,先立一个要被检验的假定:

H0: P(Y=1∣X=0)=P(Y=1∣X=1),H_0:\ P(Y = 1 \mid X = 0) = P(Y = 1 \mid X = 1),

称为零假设(原假设)。它说的是”XX 取 0 还是取 1,对 Y=1Y = 1 的可能性没有影响”。

课本随后把它化成了一个更好用的形式。由条件概率的定义,H0H_0 等价于

P(X=0, Y=1)P(X=0)=P(X=1, Y=1)P(X=1),\frac{P(X=0,\,Y=1)}{P(X=0)} = \frac{P(X=1,\,Y=1)}{P(X=1)},

去分母、再用 P(X=0)=1−P(X=1)P(X=0) = 1 - P(X=1) 与 P(X=0,Y=1)=P(Y=1)−P(X=1,Y=1)P(X=0,Y=1) = P(Y=1) - P(X=1,Y=1) 整理,得到

P(X=1)P(Y=1)=P(X=1, Y=1),P(X=1)P(Y=1) = P(X=1,\,Y=1),

也就是 {X=1}\{X=1\} 与 {Y=1}\{Y=1\} 独立。四条独立性({X=i}\{X=i\} 与 {Y=j}\{Y=j\},i,j=0,1i, j = 0, 1) 彼此等价,于是零假设可以一句话说完:

H0: 分类变量 X 和 Y 独立.H_0:\ \text{分类变量 } X \text{ 和 } Y \text{ 独立}.

为什么要从”没关联”这一边假设起? 因为”没关联”是一个具体到能算的假定(四个联合概率都 等于两个边缘概率之积),而”有关联”只说”不等”、不说差多少,算不出任何预期值。这与反证法的 起手式是同一个道理——从要否定的那一边下手(第五段还会回来说二者的区别)。

二、造统计量:观测值与期望值差多远

假定 H0H_0 成立。抽样得到的 2×22 \times 2 列联表里,四个格子的频数记作 a,b,c,da, b, c, d, 样本容量 n=a+b+c+dn = a+b+c+d(行、列的和分别是 a+ba+b、c+dc+d、a+ca+c、b+db+d)。

在 H0H_0 之下,P(X=0,Y=0)=P(X=0)P(Y=0)P(X=0, Y=0) = P(X=0)P(Y=0),用频率估计概率就是 a+bn⋅a+cn\frac{a+b}{n} \cdot \frac{a+c}{n},于是这一格频数的期望值(预期值)是

(a+b)(a+c)n.\frac{(a+b)(a+c)}{n}.

如果 H0H_0 真的成立,观测到的 aa 就该与它比较接近。四个格子各有这么一对”观测 vs 期望”, 四个差的绝对值都不该太大。

问题是四个数不好一起看。课本的做法是把它们合成一个数:每个差取平方、除以相应的期望值 (期望值大的格子,差本来就容易大,除一下才公平),再求和:

χ2=∑四格(观测值−期望值)2期望值.\chi^2 = \sum_{\text{四格}} \frac{(\text{观测值} - \text{期望值})^2}{\text{期望值}} .

代入化简,得到那个真正要用的式子:

 χ2=n(ad−bc)2(a+b)(c+d)(a+c)(b+d) \boxed{\ \chi^2 = \frac{n(ad-bc)^2}{(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)}\ }

这个式子值得读三遍:

  • 分子里的 ad−bcad - bc 就是”偏离独立”的量。 若 H0H_0 成立,四格频数会近似满足 ad=bcad = bc(交叉相乘相等,就是”比例相同”),此时 χ2=0\chi^2 = 0。∣ad−bc∣|ad-bc| 越大,偏离越远。
  • 分母是四个边缘和之积,它把行列的规模除掉,使 χ2\chi^2 不因为”某一行本来人就多”而虚高。
  • χ2\chi^2 与 nn 成正比(同一张表所有数据同乘 kk,ad−bcad-bc 变成 k2(ad−bc)k^2(ad-bc)、分子变 k5k^5 倍,分母变 k4k^4 倍,故 χ2\chi^2 变 kk 倍)。这一条正是本节习题第 9 题的全部内容, 也回答了开头那个问题:同样的比例差,样本越大,证据越强。
  • 对调行或对调列,χ2\chi^2 不变(ad−bcad-bc 至多变号,而它是平方;分母的四个因子只是换位置)。 所以列联表怎么摆都不影响结论——课本”观察”栏问的就是这件事。

三、判断标准:小概率值与临界值

χ2\chi^2 大到什么程度才算”大”?靠的是小概率事件在一次试验中不大可能发生这条原理。

在 H0H_0 成立的前提下,统计学家算出了 χ2\chi^2 的近似分布。于是对任何小概率值 α\alpha, 都能找到一个正实数 xαx_\alpha(叫做 α\alpha 的临界值)使

P(χ2⩾xα)=α.P(\chi^2 \geqslant x_\alpha) = \alpha .

α\alpha 越小,xαx_\alpha 越大。 课本表 8.3-4 给了 5 个常用的(见上方第 136 页扫描图):

α\alpha0.10.10.050.050.010.010.0050.0050.0010.001
xαx_\alpha2.7062.7063.8413.8416.6356.6357.8797.87910.82810.828

检验规则(基于小概率值 α\alpha):

  • 当 χ2⩾xα\chi^2 \geqslant x_\alpha 时,推断 H0H_0 不成立,即认为 XX 和 YY 不独立, 该推断犯错误的概率不超过 α\alpha;
  • 当 χ2<xα\chi^2 < x_\alpha 时,没有充分证据推断 H0H_0 不成立,可以认为 XX 和 YY 独立。

这套方法叫 χ2\chi^2 独立性检验(读作”卡方独立性检验”),简称独立性检验。

两句话的措辞,比公式更容易失分

  • 拒绝时要写”推断 H0H_0 不成立,即认为 XX 与 YY 有关联,此推断犯错误的概率不大于 α\alpha“。那句”犯错误的概率不大于 α\alpha“不是客套,它是这套方法唯一能提供的保证, 漏掉就等于把一个概率性结论说成了确定性结论。
  • 不拒绝时要写”没有充分证据推断 H0H_0 不成立,可以认为 XX 与 YY 独立”。 注意它不等于”证明了两者无关”——只是这次的数据不够。这时也可能犯错, 而且那种错误的概率我们并不知道;课本只说了一件事:α\alpha 越大,这类错误的概率越小。

这两句的不对称是有来历的:整套推断只对”拒绝”那一侧给了概率保证。

四、四步做题法

课本在例 4 后面总结的四个环节,就是答题模板:

第 1 步:写零假设,并翻译成这道题的话。

H0H_0:XX 与 YY 独立,即(吸烟与患肺癌之间无关联 / 两校学生的数学成绩优秀率无差异 / 疗法与疗效无关……)。

第 2 步:整理列联表,算 χ2\chi^2。 题目给了表就直接读,给的是文字就先列表。 代公式时把四个数按 abcd\begin{smallmatrix} a & b \\ c & d\end{smallmatrix} 的位置摆好, 分母四个因子分别是两个行和、两个列和。

第 3 步:与临界值比,得出推断。 写成一行不等式最清楚,例如课本例 4:

χ2≈56.632>10.828=x0.001,\chi^2 \approx 56.632 > 10.828 = x_{0.001},

故推断 H0H_0 不成立;而课本例 2 是另一侧:χ2≈0.837<2.706=x0.1\chi^2 \approx 0.837 < 2.706 = x_{0.1}, 故没有充分证据推断 H0H_0 不成立。

第 4 步(XX、YY 不独立时才做):比较相应的频率,说清”怎么影响”。 独立性检验只回答”有没有关联”,不回答”谁影响谁、影响多大”。例 4 里,不吸烟者患肺癌的频率是 427817≈0.0054\frac{42}{7817} \approx 0.0054,吸烟者是 492148≈0.0228\frac{49}{2148} \approx 0.0228, 后者是前者的 44 倍以上——这句才是”吸烟更容易引发肺癌”的依据,它来自频率比较, 不来自 χ2\chi^2。

五、与反证法的异同(课本”思考”栏,年年考)

相同:都从”要被否定的那个假设”出发。

不同:

反证法独立性检验
从 H0H_0 推出什么一个矛盾一个小概率事件发生了
结论的强度H0H_0 一定不成立推断 H0H_0 不成立,可能犯错
犯错的可能逻辑正确就不会错会犯随机性错误,概率不超过 α\alpha

一句话:反证法靠”不可能”,独立性检验靠”不大可能”。差的就是那个”大”字, 而它换来的是能处理随机数据。

六、易错清单

按失分频率排:

  1. 不写零假设。 第 1 步是采分点,且不写就没法解释”犯错误的概率不超过 α\alpha“指的是什么。
  2. 临界值取错方向。 α\alpha 越小,临界值 xαx_\alpha 越大、拒绝越难、结论越可靠。 把 α=0.001\alpha = 0.001 配成 2.7062.706 是这一节最常见的低级错。
  3. 不拒绝时说成”两者无关已被证明”。 正确措辞是”没有充分证据推断 H0H_0 不成立”。
  4. 把 χ2\chi^2 的大小当成”关联的强弱”。 χ2\chi^2 同时受关联强度与样本容量影响 (见第二段第三条),样本一大它就跟着大。关联有多强要看频率之比,不看 χ2\chi^2。
  5. 对普查数据做检验。 普查得到的是总体,各比例就是真实概率,直接比较即可, 不存在”抽样随机性”需要控制——检验的前提是随机样本(这正是习题 8.3 第 2 题)。
  6. 代公式时把行和列和错位。 分母是 (a+b)(c+d)(a+c)(b+d)(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)——两个行和乘两个列和, 四个因子的乘积。算完可以粗核一下:分母应当接近 n2n^2 量级的四分之一到二分之一之间的 两两之积,明显不对就是摆错了位置。
  7. 中途取近似。 χ2\chi^2 的分子里有平方,早取近似会放大误差;先把 ad−bcad - bc 精确算出来 再平方。

七、这一节考过的真题(怎么用它)

页面下方”考过本节的真题”那一段是构建期派生出来的完整清单。这里说其中一道。

2025 年新课标Ⅰ卷第 15 题:为研究某疾病与超声波检查结果的关系,随机调查了 1000 人, 得到一张 2×22 \times 2 列联表。(1) 记超声波检查结果不正常者患该疾病的概率为 PP,求 PP 的估计值; (2) 根据小概率值 α=0.001\alpha = 0.001 的独立性检验,分析超声波检查结果是否与患该疾病有关。 题面还附了公式 χ2=n(ad−bc)2(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)\chi^2 = \frac{n(ad-bc)^2}{(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)}。

它与本节的对应几乎是逐条的:

  • 第 (1) 问是古典概型 + 条件概率:在”检查结果不正常”这一行里数出患病的比例, 用频率估计概率,答 910\frac{9}{10}。它对应第四段的第 4 步——比较频率、说清影响规律;
  • 第 (2) 问就是第四段的第 1—3 步:写零假设、代公式算 χ2\chi^2、与 x0.001=10.828x_{0.001} = 10.828 比较,结论是”有关”。

值得注意的是题面把公式附上了——这说明考的不是背公式,是那套推断逻辑与措辞。 所以复习这一节时,与其反复代公式,不如把第三段那两句结论措辞、第五段那张对照表写熟。

读的顺序:课本例 2(不拒绝的情形)→ 例 4(拒绝的情形,且带第 4 步)→ 本节练习第 1 题 (同一组数据换一个 α\alpha,看结论怎么翻转)→ 习题 8.3 第 9 题(数据同时扩大 10 倍) → 这道真题。练习第 1 题与习题第 9 题合起来,正好把"α\alpha"与"nn"这两个旋钮各拧了一次。

习题详解(本站解答,无官方答案可核)

人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。

本节课本习题共 10 道:第 139 页「练习」的第 1、2 题,第 140—141 页「习题 8.3」的第 1、2、3、4、 6、9 题,以及第 144 页「复习参考题 8」里属于本节主题的第 3、4 题。

不收的三批,逐条说明:

  • 题面所依赖的列联表在本节的规范化转写里缺失的:「练习」第 3、4 题,「习题 8.3」第 5、7、8 题, 「复习参考题 8」第 8 题。这几道都是”得到如下列联表:……依据 α\alpha 的独立性检验……”的形状, 而那几张表只留下了引出它的一句话(连”单位:人""单位:只”都在,表格本身没有)。 本站的题面引文必须是本节转写的逐字子串,引不出完整题面,独立复核也就无从核起。 读者可对着上方相应页的扫描图自行读表,再照第 1 题的做法算。
  • 归本章别的节的:「复习参考题 8」第 1、2、5、6、7、9 题考的是散点图、样本相关系数与一元 线性回归(§8.1 / §8.2),按”跨节的归它自己那一节”不在这一份里。
  • 归上一小节的:第 133 页页首那几道(第 2、3、4 题)是 §8.3.1「列联表与独立性检验」的练习, 只是随印刷页排进了本节的目录。

每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

练习(第 139 页)第 1 题

  1. 对于例3中的抽样数据,采用小概率值 α=0.05\alpha = 0.05 的独立性检验,分析乙种疗法的效果是否比甲种疗法好.

本题要用例 3 的数据,故把例 3 的题干一并引在这里(第 137 页):

例3 某儿童医院用甲、乙两种疗法治疗小儿消化不良。采用有放回简单随机抽样的方法对治疗情况进行检查,得到了如下数据:抽到接受甲种疗法的患儿67名,其中未治愈15名,治愈52名;抽到接受乙种疗法的患儿69名,其中未治愈6名,治愈63名。试根据小概率值 α=0.005\alpha = 0.005 的独立性检验,分析乙种疗法的效果是否比甲种疗法好。

第 1 步:零假设。 H0H_0:疗法与疗效独立,即两种疗法的效果没有差异。

第 2 步:列表并算 χ2\chi^2。 把数据整理成 2×22 \times 2 列联表(单位:名):

未治愈治愈合计
甲种疗法a=15a = 15b=52b = 526767
乙种疗法c=6c = 6d=63d = 636969
合计2121115115n=136n = 136

(核一遍:15+52=6715 + 52 = 67,6+63=696 + 63 = 69,15+6=2115 + 6 = 21,52+63=11552 + 63 = 115, 67+69=21+115=13667 + 69 = 21 + 115 = 136,四个边缘和都对得上。)

代入公式,先把 ad−bcad - bc 精确算出来再平方:

ad−bc=15×63−52×6=945−312=633,ad - bc = 15 \times 63 - 52 \times 6 = 945 - 312 = 633,

χ2=n(ad−bc)2(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)=136×633267×69×21×115=136×400 68911 164 545=54 493 70411 164 545≈4.881.\chi^2 = \frac{n(ad-bc)^2}{(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)} = \frac{136 \times 633^2}{67 \times 69 \times 21 \times 115} = \frac{136 \times 400\,689}{11\,164\,545} = \frac{54\,493\,704}{11\,164\,545} \approx 4.881 .

(分母:67×69=4 62367 \times 69 = 4\,623,21×115=2 41521 \times 115 = 2\,415, 4 623×2 415=11 164 5454\,623 \times 2\,415 = 11\,164\,545。这与课本例 3 算出的 4.8814.881 一致。)

第 3 步:与临界值比。 α=0.05\alpha = 0.05 对应的临界值是 x0.05=3.841x_{0.05} = 3.841,

χ2≈4.881>3.841=x0.05,\chi^2 \approx 4.881 > 3.841 = x_{0.05},

所以推断 H0H_0 不成立,即认为疗法与疗效不独立、两种疗法的效果有差异, 此推断犯错误的概率不大于 0.050.05。

第 4 步:比较频率,说清谁更好。 检验只说”有差异”,“乙比甲好”要靠频率:

甲种疗法的治愈频率=5267≈0.7761,乙种疗法的治愈频率=6369≈0.9130.\text{甲种疗法的治愈频率} = \frac{52}{67} \approx 0.7761, \qquad \text{乙种疗法的治愈频率} = \frac{63}{69} \approx 0.9130 .

乙种疗法的治愈频率明显高于甲种,所以可以认为乙种疗法的效果比甲种疗法好。

把这道题与例 3 摆在一起看,这才是它被出出来的理由:同一组数据、同一个 χ2≈4.881\chi^2 \approx 4.881,

  • 例 3 取 α=0.005\alpha = 0.005,临界值 7.8797.879,4.881<7.8794.881 < 7.879 → 没有充分证据推断 H0H_0 不成立;
  • 本题取 α=0.05\alpha = 0.05,临界值 3.8413.841,4.881>3.8414.881 > 3.841 → 推断 H0H_0 不成立。

两个结论并不矛盾:它们回答的是两个严格程度不同的问题。α\alpha 就是我们愿意承担的”把没差异 判成有差异”的风险上限,把它压到 0.0050.005,就要求证据强得多。这一点在下一题里说透。

练习(第 139 页)第 2 题

  1. 根据同一抽查数据推断两个分类变量之间是否有关联,应用不同的小概率值,是否会得出不同的结论?为什么?

结论:不一定——得看 χ2\chi^2 落在哪里。

一次检验里有两个量:

  • χ2\chi^2 由数据唯一确定,与选哪个 α\alpha 无关;
  • 判断标准 xαx_\alpha 由 α\alpha 确定,且 α\alpha 越小、xαx_\alpha 越大 (x0.1=2.706<x0.05=3.841<x0.01=6.635<x0.005=7.879<x0.001=10.828x_{0.1} = 2.706 < x_{0.05} = 3.841 < x_{0.01} = 6.635 < x_{0.005} = 7.879 < x_{0.001} = 10.828)。

判断规则是拿这两个量比大小,于是分三种情形:

  • χ2\chi^2 落在两个不同的临界值之间:结论必然不同——在较大的 α\alpha 下推断不独立, 在较小的 α\alpha 下没有充分证据推断不独立;
  • χ2⩾x0.001=10.828\chi^2 \geqslant x_{0.001} = 10.828:五个 α\alpha 下全都拒绝 H0H_0,结论相同;
  • χ2<x0.1=2.706\chi^2 < x_{0.1} = 2.706:五个 α\alpha 下全都拿不出充分证据,结论也相同。

所以准确的说法是:可能不同——而且当且仅当 χ2\chi^2 介于两个不同临界值之间时,必然不同。 单凭”同一抽查数据、不同 α\alpha“这两个条件,还不足以断言结论一定会变。

上一题就是”介于两个临界值之间”的现成例子:χ2≈4.881\chi^2 \approx 4.881 落在 x0.05=3.841x_{0.05} = 3.841 与 x0.005=7.879x_{0.005} = 7.879 之间,于是 α=0.05\alpha = 0.05 时拒绝 H0H_0、 α=0.005\alpha = 0.005 时不拒绝——同一个数据,两个结论。

这不是方法的缺陷,恰恰是它的设计。 α\alpha 的含义是 推断 H0H_0 不成立时允许犯错的概率上限。把 α\alpha 取小,就是要求”宁可漏判、不可错判”, 于是需要更强的证据才肯下结论; 把 α\alpha 取大,就是放宽了要求。所以两个结论说的其实是两句不同的话:

  • α=0.05\alpha = 0.05 下的结论:在”允许 5%5\% 错判风险”这个标准下,证据够了;
  • α=0.005\alpha = 0.005 下的结论:在”只允许 0.5%0.5\% 错判风险”这个标准下,证据还不够。

正因为如此,报告结论时必须把 α\alpha 一起写出来——脱离 α\alpha 的”有关联 / 无关联” 是一句没有意义的话。

习题 8.3 第 1 题

  1. 为什么必须基于成对样本数据推断两个分类变量之间是否有关联?

“关联”这个词说的是:在同一个个体身上,XX 的取值与 YY 的取值怎样搭配。要回答它, 就必须知道每一个个体的 (X,Y)(X, Y) 两个值是如何配对的——这正是”成对样本数据”的含义。

说得再具体些:不成对就填不出列联表的内部四格。 若 XX 的数据来自一批人、YY 的数据来自 另一批人,我们只能得到两组各自的计数,也就是列联表的边缘和 a+ba+b、c+dc+d、a+ca+c、b+db+d, 而 a,b,c,da, b, c, d 这四个格子里的数无法确定。

而 χ2\chi^2 恰恰只由内部四格里的 ad−bcad - bc 决定。举一个极端的对照:设 n=100n = 100, 两个行和都是 5050、两个列和也都是 5050,

  • 若 (a,b,c,d)=(25,25,25,25)(a, b, c, d) = (25, 25, 25, 25),则 ad−bc=0ad - bc = 0,χ2=0\chi^2 = 0;

  • 若 (a,b,c,d)=(50,0,0,50)(a, b, c, d) = (50, 0, 0, 50),则 ad−bc=2 500ad - bc = 2\,500,

    χ2=100×2 500250×50×50×50=625 000 0006 250 000=100.\chi^2 = \frac{100 \times 2\,500^2}{50 \times 50 \times 50 \times 50} = \frac{625\,000\,000}{6\,250\,000} = 100 .

边缘和一模一样,一个是”完全独立”、一个是”完全关联”。 这说明边缘和里根本不含关联的信息, 关联的信息全在”谁和谁配在一起”这件事里,而它只有成对数据才记录得下来。

习题 8.3 第 2 题

  1. 为什么 χ2\chi^2 独立性检验方法不适用于普查数据?

三条理由,一条比一条硬:

其一,普查没有要控制的随机性。 独立性检验存在的全部理由,是 样本的频率与总体的概率之间因抽样随机性而有误差——两个频率差一点,可能只是抽样运气。 普查覆盖了全体,得到的频率就是总体中的真实比例,不是估计值。此时”两个变量是否独立” 可以直接判定:看四个联合比例是不是等于相应的两个边缘比例之积,等就独立、不等就不独立, 不需要也不该再套一层概率推断。

其二,检验的前提在普查下不成立。 课本导出 χ2\chi^2 的近似分布时,明确假定了 “有放回简单随机抽样、样本容量 nn 充分大”。普查不是抽样,χ2\chi^2 的那个近似分布、以及 "P(χ2⩾xα)=αP(\chi^2 \geqslant x_\alpha) = \alpha"这条关系,都失去了依据;临界值表也就无从解释。

其三,硬套的话结论会失去意义。 χ2\chi^2 与 nn 成正比(同一比例结构下数据放大 kk 倍, χ2\chi^2 变成 kk 倍,见第 9 题)。普查的 nn 通常极大,于是 任何一点微小的、在实际中毫无意义的比例偏差,都会把 χ2\chi^2 推过临界值, 检验结论几乎恒为”有关联”——一个永远给同一个答案的判据,等于没有判据。

一句话:检验是用来对付”样本 → 总体”这一跳的不确定性的;普查没有这一跳。

习题 8.3 第 3 题

  1. 等高堆积条形图在两个分类变量之间关联性的研究中能够起到什么作用?

等高堆积条形图把 X=0X = 0 与 X=1X = 1 两类各画成一样高的一条,条内再按 Y=0Y = 0 与 Y=1Y = 1 的占比分段着色。它的作用有三条:

其一,把要比较的那两个条件频率直接画在一起。 独立性说到底就是 P(Y=1∣X=0)=P(Y=1∣X=1)P(Y=1 \mid X=0) = P(Y=1 \mid X=1),而这两个条件频率正是两条里各自那一段的长度比例。 两条的分界线齐平 → 两个条件频率接近 → 提示两个变量可能独立;错开得越远 → 提示关联越强。

其二,“等高”消掉了样本量的干扰。 若按实际人数画(不等高),人多的那一类整条都长, 读者会把”人多”误读成”比例高”。拉成等高之后,比较的是比例而不是绝对人数, 这正是关联性关心的东西。

其三,它是列联表的可视化,便于快速筛查。 拿到一张 2×22 \times 2 列联表,先画这张图, 一眼看出值不值得往下做检验。

它的局限也要说清楚:这张图只给直观提示,不给任何量化的把握——它说不出”这么大的差异 由随机性造成的可能性有多小”,也给不出犯错概率的上界。要得到有保证的推断,仍须做 χ2\chi^2 独立性检验。这正是 §8.3.1(看图看频率)与 §8.3.2(做检验)的分工。

习题 8.3 第 4 题

  1. 对于已经获取的成对样本数据,检验结论“两个变量之间有关联”的实际含义是什么?检验结论“两个变量之间没有关联”的实际含义又是什么?

两个结论的实际含义并不对称,这是本题的全部要点。

结论一:“两个变量之间有关联”。 它的完整意思是:由这组数据算得 χ2⩾xα\chi^2 \geqslant x_\alpha, 即在”两个变量独立”这个零假设之下,出现了一个概率不超过 α\alpha 的小概率事件。 按”小概率事件在一次试验中不大可能发生”这条原理,我们推断零假设不成立。

要点有三:

  1. 这是一个推断,不是证明;它可能出错,但犯错误的概率不超过 α\alpha。 报告结论时这句话必须带上。
  2. 它不说明关联有多强。χ2\chi^2 同时受关联强度与样本容量影响,χ2\chi^2 大不等于关联强。 要说”影响多大”,得另外比较相应的频率(如例 4 里,不吸烟者患肺癌的频率是 427817≈0.0054\frac{42}{7817} \approx 0.0054,吸烟者是 492148≈0.0228\frac{49}{2148} \approx 0.0228, 后者是前者的 44 倍以上)。
  3. 它不说明因果。“有关联”只是说两个变量的取值搭配不独立,谁导致谁、还是共同受第三个因素 影响,检验一概不回答。

结论二:“两个变量之间没有关联”。 它的完整意思是:χ2<xα\chi^2 < x_\alpha, 在零假设之下并没有出现小概率事件,所以没有充分证据推断零假设不成立, 于是可以认为两个变量独立。

要点也有三:

  1. 措辞的重点在”没有充分证据”。它不等于”已经证明两者无关”——完全可能只是样本太小、 证据不足(同一批比例结构,样本扩大 10 倍就可能翻转,见第 9 题)。
  2. 这个结论同样可能出错(真有关联却没检出)。
  3. 而这一类错误的概率我们并不知道。课本只给了一句定性的话:α\alpha 越大,这类错误的概率 越小。所以不能在这一侧写”这个结论犯错误的概率不超过 α\alpha“——那个保证只对拒绝那一侧 成立(复习参考题 8 第 3 题考的正是这一点)。

习题 8.3 第 6 题

  1. 为了研究高三年级学生的性别和身高是否大于 170 cm170 \mathrm{~cm} 的关联性,调查了某中学所有高三年级的学生,整理得到如下列联表:
  1. 第5题中的身高变量是数值型变量还是分类变量?为什么?

(第一段引文是第 5 题的题干——本题问的正是它里面那个变量;第二段才是本题。)

回答:在第 5 题里,进入研究的那个”身高变量”是分类变量。

要把两件事分开说:

  • 身高这个量本身是数值型变量。 它以 cm\mathrm{cm} 计量,取值是实数,可以比大小、可以求平均数 与方差、两个身高相减有意义(“高 3 cm”)。
  • 但第 5 题拿进列联表的并不是身高本身,而是”身高是否大于 170 cm170\ \mathrm{cm}“这个判断。 它只有”是""否”两个取值,是两个类别:一个学生要么落进”大于 170 cm”这一类, 要么落进”不大于 170 cm”这一类。类别之间只能计数、不能比大小,也不能相加求平均—— 这正是分类变量的特征。

为什么非得这么做:2×22 \times 2 列联表的四个格子装的是频数,χ2\chi^2 也只对频数有定义。 要用列联表与独立性检验研究关联,两个变量都必须是分类变量。所以研究”性别与身高的关联”时, 就先给身高定一个阈值(这里是 170 cm170\ \mathrm{cm}),把一个数值型变量分段成分类变量。

代价也要知道:分段会丢信息(171 cm171\ \mathrm{cm} 与 195 cm195\ \mathrm{cm} 被归为同一类), 而且阈值选在哪里会影响结论——这是用列联表换来”能做检验”所付的价钱。

习题 8.3 第 9 题

  1. 对例 1 列联表 8.3-2 中的数据,依据 α=0.1\alpha=0.1 的独立性检验,我们已经知道独立性检验的结论是学校和成绩无关。如果表 8.3-2 中所有数据都扩大为原来的 10 倍,在相同的检验标准下,再用独立性检验推断学校和数学成绩之间的关联性,结论还一样吗?请你试着解释其中的原因。

本题要用表 8.3-2 的数据,它出现在本节例 2 的算式里(第 136 页),一并引在这里:

χ2=88×(33×7−10×38)243×45×71×17≈0.837<2.706=x0.1.\chi^ {2} = \frac {8 8 \times (3 3 \times 7 - 1 0 \times 3 8) ^ {2}}{4 3 \times 4 5 \times 7 1 \times 1 7} \approx 0. 8 3 7 < 2. 7 0 6 = x _ {0. 1}.

结论:不一样。 扩大 10 倍之后,结论从”学校和成绩无关”变成”学校和成绩有关联”。

先证一条一般结论:把列联表所有数据同时扩大为原来的 kk 倍(k>0k > 0),χ2\chi^2 也扩大为原来的kk 倍。

设原表四格为 a,b,c,da, b, c, d,n=a+b+c+dn = a+b+c+d。扩大后四格为 ka,kb,kc,kdka, kb, kc, kd,样本容量为 knkn, 四个边缘和分别变成 k(a+b)k(a+b)、k(c+d)k(c+d)、k(a+c)k(a+c)、k(b+d)k(b+d)。代入公式:

χ新2=kn ((ka)(kd)−(kb)(kc))2k(a+b)⋅k(c+d)⋅k(a+c)⋅k(b+d)=kn⋅k4(ad−bc)2k4(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)=k⋅χ原2.\chi^2_{\text{新}} = \frac{kn\,\bigl((ka)(kd) - (kb)(kc)\bigr)^2} {k(a+b)\cdot k(c+d)\cdot k(a+c)\cdot k(b+d)} = \frac{kn \cdot k^4 (ad-bc)^2}{k^4 (a+b)(c+d)(a+c)(b+d)} = k \cdot \chi^2_{\text{原}} .

(分子里 (k2(ad−bc))2=k4(ad−bc)2(k^2(ad-bc))^2 = k^4(ad-bc)^2,再乘上 knkn,共 k5k^5;分母四个因子各出一个 kk, 共 k4k^4;相约剩 kk。)

代进本题。 由上面引的例 2 算式,原表的 χ2≈0.837\chi^2 \approx 0.837。取 k=10k = 10:

χ新2≈10×0.837=8.37.\chi^2_{\text{新}} \approx 10 \times 0.837 = 8.37 .

检验标准不变,仍是 α=0.1\alpha = 0.1、x0.1=2.706x_{0.1} = 2.706。这时

χ新2≈8.37>2.706=x0.1,\chi^2_{\text{新}} \approx 8.37 > 2.706 = x_{0.1},

于是推断 H0H_0 不成立,即认为学校与数学成绩有关联,此推断犯错误的概率不大于 0.10.1—— 与原来的结论相反。

原因(这才是题目要的)。 数据同比例放大,每一个频率都没有变:两校的优秀率之差、 四个格子的占比,与原来一模一样。变的只有样本容量。

而检验判断的从来不是”比例差得大不大”,而是 这么大的比例差由抽样随机性偶然造成的可能性有多小。同样大小的比例差, 出现在 88 人的样本里可能只是运气,出现在 880 人的样本里就很难用运气解释了——样本越大,频率越贴近概率,偶然偏差越小。所以证据强度随样本容量上升, χ2∝n\chi^2 \propto n 正是这句话的数学表达。

这也回过头解释了 §8.3.1 那个遗留问题:单看两个频率之差不足以下结论,必须把样本容量一并计入, 而 χ2\chi^2 就是那个把”比例差”与”样本量”合起来算的量。

复习参考题 8 第 3 题

  1. 根据分类变量 xx 与 yy 的成对样本数据,计算得到 χ2=2.974\chi^2 = 2.974。依据 α=0.05\alpha = 0.05 的独立性检验,结论为( ).

(A) 变量 x 与 y 不独立

(B) 变量 xx 与 yy 不独立,这个结论犯错误的概率不超过0.05

(C) 变量 xx 与 yy 独立

(D) 变量 xx 与 yy 独立,这个结论犯错误的概率不超过0.05

α=0.05\alpha = 0.05 对应的临界值是 x0.05=3.841x_{0.05} = 3.841。题给

χ2=2.974<3.841=x0.05,\chi^2 = 2.974 < 3.841 = x_{0.05},

按检验规则,这一侧的结论是:没有充分证据推断 H0H_0 不成立,可以认为 xx 与 yy 独立。

逐个选项判:

  • (A) 错、(B) 错:两者都说”不独立”,而 χ2\chi^2 没有达到临界值,不能推断 H0H_0 不成立。
  • (D) 错:结论”独立”这一半对了,但后半句错。“犯错误的概率不超过 α\alpha“这条保证 只对拒绝零假设那一侧成立;接受 H0H_0 时也可能犯错,而那一类错误的概率是未知的 (课本只说 α\alpha 越大它越小)。把 α\alpha 安到这一侧,是把一个没有的保证说成有。
  • (C) 对:它正是检验规则在 χ2<xα\chi^2 < x_\alpha 时给出的那句话,且没有多加任何保证。

答案:C。

这道题考的不是计算,是第 4 题里那个不对称——拒绝时有概率保证,不拒绝时没有。 (D) 就是照着 (B) 的句式硬造出来的诱饵。

复习参考题 8 第 4 题

4.8.3节例4中推断吸烟与患肺癌是有关联的,能用一元线性回归模型建立它们之间的关系吗?为什么?

回答:不能。

理由一:变量类型不对。 一元线性回归模型

{Y=bx+a+e,E(e)=0,D(e)=σ2\begin{cases} Y = bx + a + e, \\ E(e) = 0,\quad D(e) = \sigma^2 \end{cases}

要求自变量 xx 与因变量 YY 都是数值型变量——xx 要能取一串实数值,YY 要能求均值、 YY 与 bx+abx + a 的差(残差)要有意义。而例 4 里的两个变量是”是否吸烟”与”是否患肺癌”, 取值是类别,不是数量。

理由二:给类别编号是任意的,回归结果不唯一。 有人会说”把吸烟记 1、不吸烟记 0 不就成数了”。 问题在于这个编号没有度量意义:改记成 11 与 22、或 −1-1 与 11,同一批数据算出来的 b^\hat{b}、a^\hat{a} 就全变了,而现实并没有变。数值型变量的取值本身携带大小与间距的信息 (身高 171171 比 170170 高 1 cm1\ \mathrm{cm}),分类变量的编号不携带——所以”xx 每增加 1 个单位, YY 平均增加 b^\hat{b}“这句回归模型的核心解释,在这里根本说不通。

理由三:两种方法回答的本来就不是同一个问题。 回归分析回答的是”一个数值变量随另一个数值变量 怎样变化”(并可据此预测);独立性检验回答的是”两个分类变量的取值搭配是否独立”。 例 4 问的是后者。

那么分类变量之间的关联该怎么刻画? 就用本节这一套:2×22 \times 2 列联表 + χ2\chi^2 独立性检验判断”有没有关联”;需要说明”影响有多大”时,比较相应的频率——例 4 里吸烟者患肺癌的 频率 492148≈0.0228\frac{49}{2148} \approx 0.0228 是不吸烟者 427817≈0.0054\frac{42}{7817} \approx 0.0054 的 4 倍以上, 这句话才是”吸烟更容易引发肺癌”的量化依据。

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  1. 例1中的随机抽样数据是否足够确定与 XX 和 YY 有关的所有概率和条件概率?为什么?

  2. 根据有关规定,香烟盒上必须印上“吸烟有害健康”的警示语。那么

(1) 吸烟是否对每位烟民一定会引发健康问题?

(2) 有人说吸烟不一定引起健康问题, 因此可以吸烟. 这种说法对吗?

  1. 假设在本小节“问题”中,只是随机抽取了44名学生,按照性别和体育锻炼情况整理为如下的列联表:

单位:人

(2) 说明你的推断结论是否可能犯错,并解释原因.

8.3.2 独立性检验

前面我们通过 2×22 \times 2 列联表整理成对分类变量的样本观测数据,并根据随机事件频率的稳定性推断两个分类变量之间是否有关联。对于随机样本而言,因为频率具有随机性,频率与概率之间存在误差,所以我们的推断可能犯错误,而且在样本容量较小时,犯错误的可能性会较大。因此,需要找到一种更为合理的推断方法,同时也希望能对出现错误推断的概率有一定的控制或估算。

考虑以 Ω\Omega 为样本空间的古典概型. 设 XX 和 YY 为定义在 Ω\Omega 上,取值于 {0,1}\{0, 1\} 的成对分类变量. 我们希望判断事件 {X=1}\{X = 1\} 和 {Y=1}\{Y = 1\} 之间是否有关联. 注意到 {X=0}\{X = 0\} 和 {X=1}\{X = 1\}, {Y=0}\{Y = 0\} 和 {Y=1}\{Y = 1\} 都是互为对立事件,与前面的讨论类似,我们需要判断下面的假定关系

H0:P(Y=1∣X=0)=P(Y=1∣X=1)H _ {0}: P (Y = 1 \mid X = 0) = P (Y = 1 \mid X = 1)

是否成立,通常称 H0H_0 为零假设或原假设(null hypothesis)。这里,P(Y=1∣X=0)P(Y = 1 \mid X = 0) 表示从 {X=0}\{X = 0\} 中随机选取一个样本点,该样本点属于 {X=0,Y=1}\{X = 0, Y = 1\} 的概率;而 P(Y=1∣X=1)P(Y = 1 \mid X = 1) 表示从 {X=1}\{X = 1\} 中随机选取一个样本点,该样本点属于 {X=1,Y=1}\{X = 1, Y = 1\} 的概率。

由条件概率的定义可知,零假设 H0H_{0} 等价于

P(X=0,Y=1)P(X=0)=P(X=1,Y=1)P(X=1),\frac {P (X = 0 , Y = 1)}{P (X = 0)} = \frac {P (X = 1 , Y = 1)}{P (X = 1)},

或

P(X=0,Y=1)P(X=1)=P(X=1,Y=1)P(X=0).(1◯)P (X = 0, Y = 1) P (X = 1) = P (X = 1, Y = 1) P (X = 0).\tag{\text{\textcircled{1}}}

注意到 {X=0}\{X=0\} 和 {X=1}\{X=1\} 为对立事件,于是 P(X=0)=1−P(X=1)P(X=0)=1-P(X=1) 。再由概率的性质,我们有

P(X=0,Y=1)=P(Y=1)−P(X=1,Y=1).P (X = 0, Y = 1) = P (Y = 1) - P (X = 1, Y = 1).

由此推得①式等价于

P(X=1)P(Y=1)=P(X=1,Y=1).P (X = 1) P (Y = 1) = P (X = 1, Y = 1).

因此,零假设 H0H_{0} 等价于 {X=1}\{X=1\} 与 {Y=1}\{Y=1\} 独立.

根据已经学过的概率知识,下面的四条性质彼此等价:

{X=0}与{Y=0}独立;{X=0}与{Y=1}独立;\{X = 0 \} \text {与} \{Y = 0 \} \text {独立}; \{X = 0 \} \text {与} \{Y = 1 \} \text {独立};

{X=1}与{Y=0}独立;{X=1}与{Y=1}独立.\{X = 1 \} \text {与} \{Y = 0 \} \text {独立}; \{X = 1 \} \text {与} \{Y = 1 \} \text {独立}.

如果这些性质成立,我们就称分类变量 XX 和 YY 独立.这相当于下面四个等式成立:

P(X=0,Y=0)=P(X=0)P(Y=0);P(X=0,Y=1)=P(X=0)P(Y=1);P(X=1,Y=0)=P(X=1)P(Y=0);P(X=1,Y=1)=P(X=1)P(Y=1).(2◯)\begin{array}{l} P (X = 0, Y = 0) = P (X = 0) P (Y = 0); \\ P (X = 0, Y = 1) = P (X = 0) P (Y = 1); \\ P (X = 1, Y = 0) = P (X = 1) P (Y = 0); \\ P (X = 1, Y = 1) = P (X = 1) P (Y = 1). \end{array}\tag{\text{\textcircled{2}}}

因此,我们可以用概率语言,将零假设改述为

H0H_{0} :分类变量 X 和 Y 独立.

假定我们通过简单随机抽样得到了 X 和 Y 的抽样数据列联表,如表 8.3-3 所示.

表 8.3-3 是关于分类变量 X 和 Y 的抽样数据的 2×22 \times 2 列联表:最后一行的前两个数分别是事件 {Y=0}\{Y=0\} 和 {Y=1}\{Y=1\} 的频数;最后一列的前两个数分别是事件 {X=0}\{X=0\} 和 {X=1}\{X=1\} 的频数;中间的四个数 a, b, c, d 是事件 {X=x,Y=y}\{X=x, Y=y\} (x, y=0, 1) 的频数;右下角格中的数 n 是样本容量.

对于随机样本,表8.3-3中的频数 a,b,c,da, b, c, d 都是随机变量,而表8.3-2中的相应数据是这些随机变量的一次观测结果.

思考

如何基于②中的四个等式及列联表8.3-3中的数据,构造适当的统计量,对成对分类变量 XX 和 YY 是否相互独立作出推断?

在零假设 H0H_0 成立的条件下,根据频率稳定于概率的原理,由②中的第一个等式,我们可以用概率 P(X=0)P(X = 0) 和 P(Y=0)P(Y = 0) 对应的频率的乘积

(a+b)(a+c)n2\frac {(a + b) (a + c)}{n ^ {2}}

估计概率 P(X=0,Y=0)P(X=0, Y=0) ,而把

(a+b)(a+c)n\frac {(a + b) (a + c)}{n}

视为事件 {X=0,Y=0}\{X=0, Y=0\} 发生的频数的期望值(或预期值)。这样,该频数的观测值 a 和期望值 (a+b)(a+c)n\frac{(a+b)(a+c)}{n} 应该比较接近。

综合②中的四个式子,如果零假设 H0H_0 成立,下面四个量的取值都不应该太大:

∣a−(a+b)(a+c)n∣,∣b−(a+b)(b+d)n∣,∣c−(c+d)(a+c)n∣,∣d−(c+d)(b+d)n∣.(3◯)\begin{array}{l} \left| a - \frac {(a + b) (a + c)}{n} \right|, \left| b - \frac {(a + b) (b + d)}{n} \right|, \\ \left| c - \frac {(c + d) (a + c)}{n} \right|, \left| d - \frac {(c + d) (b + d)}{n} \right|. \end{array}\tag{\text{\textcircled{3}}}

反之,当这些量的取值较大时,就可以推断 H0H_0 不成立.

显然,分别考虑③中的四个差的绝对值很困难。我们需要找到一个既合理又能够计算分布的统计量,来推断 H0H_0 是否成立。一般来说,若频数的期望值较大,则③中相应的差的绝对值也会较大;而若频数的期望值较小,则③中相应的差的绝对值也会较小。为了合理地平衡这种影响,我们将四个差的绝对值取平方后分别除以相应的期望值再求和,得到如下的统计量:

χ2=(a−(a+b)(a+c)n)2(a+b)(a+c)n+(b−(a+b)(b+d)n)2(a+b)(b+d)n+(c−(c+d)(a+c)n)2(c+d)(a+c)n+(d−(c+d)(b+d)n)2(c+d)(b+d)n.\begin{array}{l} \chi^ {2} = \frac {\left(a - \frac {(a + b) (a + c)}{n}\right) ^ {2}}{\frac {(a + b) (a + c)}{n}} + \frac {\left(b - \frac {(a + b) (b + d)}{n}\right) ^ {2}}{\frac {(a + b) (b + d)}{n}} + \\ \frac {\left(c - \frac {(c + d) (a + c)}{n}\right) ^ {2}}{\frac {(c + d) (a + c)}{n}} + \frac {\left(d - \frac {(c + d) (b + d)}{n}\right) ^ {2}}{\frac {(c + d) (b + d)}{n}}. \end{array}

该表达式可化简为

χ2=n(ad−bc)2(a+b)(c+d)(a+c)(b+d).(1)\chi^ {2} = \frac {n (a d - b c) ^ {2}}{(a + b) (c + d) (a + c) (b + d)}.\tag{1}

统计学家建议,用随机变量 χ2\chi^2 取值的大小作为判断零假设 H0H_0 是否成立的依据,当它比较大时推断 H0H_0 不成立,否则认为 H0H_0 成立。那么,究竟 χ2\chi^2 大到什么程度,可以推断 H0H_0 不成立呢?或者说,怎样确定判断 χ2\chi^2 大小的标准呢?

根据小概率事件在一次试验中不大可能发生的规律,上面的想法可以通过确定一个与 H0H_0 相矛盾的小概率事件来实现。在假定 H0H_0 的条件下,对于有放回简单随机抽样,当样本容量 nn 充分大时,统计学家得到了 χ2\chi^2 的近似分布。忽略 χ2\chi^2 的实际分布与该近似分布的误差后,对于任何小概率值 α\alpha ,可以找到相应的正实数 xαx_{\alpha} ,使得下面关系成立:

P(χ2⩾xα)=α.(4◯)P (\chi^ {2} \geqslant x _ {\alpha}) = \alpha .\tag{\text{\textcircled{4}}}

我们称 xαx_{\alpha} 为 α\alpha 的临界值,这个临界值就可作为判断 χ2\chi^2 大小的标准。概率值 α\alpha 越小,临界值 xαx_{\alpha} 越大。当总体很大时,抽样有、无放回对 χ2\chi^2 的分布影响较小。因此,在应用中往往不严格要求抽样必须是有放回的。

由④式可知,只要把概率值 α\alpha 取得充分小,在假设 H0H_0 成立的情况下,事件 {χ2⩾xα}\{\chi^2 \geqslant x_\alpha\} 是不大可能发生的。根据这个规律,如果该事件发生,我们就可以推断 H0H_0 不成立。不过这个推断有可能犯错误,但犯错误的概率不会超过 α\alpha。

基于小概率值 α\alpha 的检验规则是:

当 χ2⩾xα\chi^{2}\geqslant x_{\alpha} 时,我们就推断 H0H_{0} 不成立,即认为X和Y不独立,该推断犯错误的概率不超过 α\alpha ;

当 χ2<xα\chi^{2}<x_{\alpha} 时,我们没有充分证据推断 H0H_{0} 不成立,可以认为X和Y独立.

这种利用 χ2\chi^{2} 的取值推断分类变量 X 和 Y 是否独立的方法称为 χ2\chi^{2} 独立性检验,读作“卡方独立性检验”,简称独立性检验(test of independence).

表 8.3-4 给出了 χ2\chi^{2} 独立性检验中 5 个常用的小概率值和相应的临界值.

例如,对于小概率值 α=0.05\alpha = 0.05 ,我们有如下的具体检验规则:

(1)当 χ2⩾x0.05=3.841\chi^2 \geqslant x_{0.05} = 3.841 时,我们推断 H0H_0 不成立,即认为 XX 和 YY 不独立,该推断犯错误的概率不超过0.05;

(2) 当 χ2<x0.05=3.841\chi^{2}<x_{0.05}=3.841 时,我们没有充分证据推断 H0H_{0} 不成立,可以认为 X 和 Y 独立.

例2 依据小概率值 α=0.1\alpha = 0.1 的 χ2\chi^2 独立性检验,分析例1中的抽样数据,能否据此推断两校学生的数学成绩优秀率有差异?

解:零假设为

H0H_{0} :分类变量 X 与 Y 相互独立,即两校学生的数学成绩优秀率无差异.

根据表 8.3-2 中的数据,计算得到

χ2=88×(33×7−10×38)243×45×71×17≈0.837<2.706=x0.1.\chi^ {2} = \frac {8 8 \times (3 3 \times 7 - 1 0 \times 3 8) ^ {2}}{4 3 \times 4 5 \times 7 1 \times 1 7} \approx 0. 8 3 7 < 2. 7 0 6 = x _ {0. 1}.

根据小概率值 α=0.1\alpha=0.1 的 χ2\chi^{2} 独立性检验,没有充分证据推断 H0H_{0} 不成立,因此可以认为 H0H_{0} 成立,即认为两校的数学成绩优秀率没有差异.

思考

例 1 和例 2 都是基于同一组数据的分析,但却得出了不同的结论,你能说明其中的原因吗?

事实上,如前所述,例1只是根据一个样本的两个频率间存在差异得出两校学生数学成绩优秀率有差异的结论,并没有考虑由样本随机性可能导致的错误,所以那里的推断依据不太充分。在例2中,我们用 χ2\chi^2 独立性检验对零假设 H0H_0 进行了检验。通过计算,发现 χ2≈0.837\chi^2 \approx 0.837 小于 α=0.1\alpha = 0.1 所对应的临界值2.706,因此认为没有充分证据推断 H0H_0 不成立,

所以接受 H0H_0 ,推断出两校学生的数学成绩优秀率没有显著差异的结论.这个检验结果意味着,抽样数据中两个频率的差异很有可能是由样本随机性导致的.因此,只根据频率的差异得出两校学生的数学成绩优秀率有差异的结论是不可靠的.

由此可见,相对于简单比较两个频率的推断,用 χ2\chi^{2} 独立性检验得到的结果更理性、更全面,理论依据也更充分.

当我们接受零假设 H0H_0 时,也可能犯错误. 我们不知道犯这类错误的概率 pp 的大小,但是知道,若 α\alpha 越大,则 pp 越小.

例3 某儿童医院用甲、乙两种疗法治疗小儿消化不良。采用有放回简单随机抽样的方法对治疗情况进行检查,得到了如下数据:抽到接受甲种疗法的患儿67名,其中未治愈15名,治愈52名;抽到接受乙种疗法的患儿69名,其中未治愈6名,治愈63名。试根据小概率值 α=0.005\alpha = 0.005 的独立性检验,分析乙种疗法的效果是否比甲种疗法好。

解:零假设为

H0H_{0} :疗法与疗效独立,即两种疗法效果没有差异.

将所给数据进行整理,得到两种疗法治疗数据的列联表,如表 8.3-5 所示.

根据列联表中的数据,经计算得到

χ2=136×(15×63−52×6)267×69×21×115≈4.881<7.879=x0.005.\chi^ {2} = \frac {1 3 6 \times (1 5 \times 6 3 - 5 2 \times 6) ^ {2}}{6 7 \times 6 9 \times 2 1 \times 1 1 5} \approx 4. 8 8 1 < 7. 8 7 9 = x _ {0. 0 0 5}.

根据小概率值 α=0.005\alpha = 0.005 的独立性检验,没有充分证据推断 H0H_0 不成立,因此可以认为 H0H_0 成立,即认为两种疗法效果没有差异.

观察

在表8.3-5中,若对调两种疗法的位置或对调两种疗效的位置,则表达式(1)中 a,b,c,da, b, c, d 的赋值都会相应地改变。这样做会影响 χ2\chi^2 取值的计算结果吗?

例 4 为研究吸烟是否与肺癌有关,某肿瘤研究所采取有放回简单随机抽样的方法,调查了 9 965 人,得到成对样本观测数据的分类统计结果,如表 8.3-6 所示。依据小概率值 α=0.001\alpha=0.001 的独立性检验,分析吸烟是否会增加患肺癌的风险。

解:零假设为

H0H_{0} :吸烟与患肺癌之间无关联.

根据列联表中的数据,经计算得到

χ2=9965×(7775×49−42×2099)27817×2148×9874×91≈56.632>10.828=x0.001.\chi^ {2} = \frac {9 9 6 5 \times (7 7 7 5 \times 4 9 - 4 2 \times 2 0 9 9) ^ {2}}{7 8 1 7 \times 2 1 4 8 \times 9 8 7 4 \times 9 1} \approx 5 6. 6 3 2 > 1 0. 8 2 8 = x _ {0. 0 0 1}.

根据小概率值 α=0.001\alpha=0.001 的独立性检验,我们推断 H0H_{0} 不成立,即认为吸烟与患肺癌有关联,此推断犯错误的概率不大于 0.001.

根据表 8.3-6 中的数据计算,不吸烟者中不患肺癌和患肺癌的频率分别为

77757817≈0.9946和427817≈0.0054;\frac {7 7 7 5}{7 8 1 7} \approx 0. 9 9 4 6 \text {和} \frac {4 2}{7 8 1 7} \approx 0. 0 0 5 4;

吸烟者中不患肺癌和患肺癌的频率分别为

20992148≈0.9772和492148≈0.0228.\frac {2 0 9 9}{2 1 4 8} \approx 0. 9 7 7 2 \text {和} \frac {4 9}{2 1 4 8} \approx 0. 0 2 2 8.

由

0.02280.0054≈4.2\frac {0 . 0 2 2 8}{0 . 0 0 5 4} \approx 4. 2

可见,在被调查者中,吸烟者患肺癌的频率是不吸烟者患肺癌的频率的4倍以上。于是,根据频率稳定于概率的原理,我们可以认为吸烟者患肺癌的概率明显大于不吸烟者患肺癌的概率,即吸烟更容易引发肺癌。

总结上面的例子,应用独立性检验解决实际问题大致应包括以下几个主要环节:

(1)提出零假设 H0H_{0} :X 和 Y 相互独立,并给出在问题中的解释.

(2) 根据抽样数据整理出 2×22 \times 2 列联表,计算 χ2\chi^{2} 的值,并与临界值 xαx_{\alpha} 比较.

(3) 根据检验规则得出推断结论.

(4)在 XX 和 YY 不独立的情况下,根据需要,通过比较相应的频率,分析 XX 和 YY 间的影响规律.

注意,上述几个环节的内容可以根据不同情况进行调整。例如,在有些时候,分类变量的抽样数据列联表是问题中给定的。

思考

独立性检验的思想类似于我们常用的反证法,你能指出二者之间的相同和不同之处吗?

简单地说,反证法是在某种假设 H0H_0 之下,推出一个矛盾结论,从而证明 H0H_0 不成立;而独立性检验是在零假设 H0H_0 之下,如果出现一个与 H0H_0 相矛盾的小概率事件,就推断 H0H_0 不成立,且该推断犯错误的概率不大于这个小概率。另外,在全部逻辑推理正确的情况下,反证法不会犯错误,但独立性检验会犯随机性错误。

独立性检验的本质是比较观测值与期望值之间的差异,由 χ2\chi^{2} 所代表的这种差异的大小是通过确定适当的小概率值进行判断的。这是一种非常重要的推断方法,不仅有相当广泛的应用,也开启了人类认识世界的一种新的思维方式。

练习

  1. 对于例3中的抽样数据,采用小概率值 α=0.05\alpha = 0.05 的独立性检验,分析乙种疗法的效果是否比甲种疗法好.

  2. 根据同一抽查数据推断两个分类变量之间是否有关联,应用不同的小概率值,是否会得出不同的结论?为什么?

  3. 为考察某种药物 A 对预防疾病 B 的效果,进行了动物试验,根据 105 个有放回简单随机样本的数据,得到如下列联表:

单位:只

依据 α=0.05\alpha=0.05 的独立性检验,分析药物 A 对预防疾病 B 的有效性.

  1. 从某学校获取了容量为 400 的有放回简单随机样本,将所得数学和语文期末考试成绩的样本观测数据整理如下:

单位:人

依据 α=0.05\alpha = 0.05 的独立性检验,能否认为数学成绩与语文成绩有关联?

习题8.3

复习巩固

  1. 为什么必须基于成对样本数据推断两个分类变量之间是否有关联?

  2. 为什么 χ2\chi^2 独立性检验方法不适用于普查数据?

  3. 等高堆积条形图在两个分类变量之间关联性的研究中能够起到什么作用?

  4. 对于已经获取的成对样本数据,检验结论“两个变量之间有关联”的实际含义是什么?检验结论“两个变量之间没有关联”的实际含义又是什么?

综合运用

  1. 为了研究高三年级学生的性别和身高是否大于 170 cm170 \mathrm{~cm} 的关联性,调查了某中学所有高三年级的学生,整理得到如下列联表:

单位:人

请画出列联表的等高堆积条形图,判断该中学高三年级学生的性别和身高是否有关联。如果结论是性别与身高有关联,请解释它们之间如何相互影响。

  1. 第5题中的身高变量是数值型变量还是分类变量?为什么?

  2. 从第 5 题的高三学生中获取容量为 40 的有放回简单随机样本,由样本数据整理得到如下列联表:

单位:人

(1)依据 α=0.05\alpha=0.05 的独立性检验,能否认为该中学高三年级学生的性别与身高有关联?解释所得结论的实际含义.

(2) 得到的结论与第 5 题的一致吗?如果不一致,你认为原因是什么.

  1. 调查某医院一段时间内婴儿出生的时间和性别的关联性,得到如下的列联表:

单位:人

拓广探索

  1. 对例 1 列联表 8.3-2 中的数据,依据 α=0.1\alpha=0.1 的独立性检验,我们已经知道独立性检验的结论是学校和成绩无关。如果表 8.3-2 中所有数据都扩大为原来的 10 倍,在相同的检验标准下,再用独立性检验推断学校和数学成绩之间的关联性,结论还一样吗?请你试着解释其中的原因。

小结

一、本章知识结构

二、回顾与思考

在必修课程中学习过用样本观测数据推断变量的统计特征的方法,本章我们学习用成对样本观测数据推断两个变量之间关系的方法。贯穿本章的主要思想依然是通过样本估计总体的思想。

对两个数值型变量,通过样本散点图可以直观描述它们之间的相关关系,通过样本相关系数可以定量地度量它们之间线性相关的程度,进而推断两个变量之间的相关关系。对两个相关的变量,我们常常用回归模型刻画一个变量对另一个变量的影响,不同的相关关系用不同的回归模型。一元线性回归模型主要用于刻画线性相关的两个变量之间的关系,通常根据样本数据,用最小二乘法估计出模型的参数,得到经验回归模型。通过分析残差可以对模型进行评价和改进,使模型不断完善。如果模型比较好地刻画了两个变量的关系,我们就可以根据自变量的取值去预测因变量的取值,进而帮助我们决策。

对于两个分类变量,可以通过 2×22 \times 2 列联表反映两个变量之间的有关统计信息,据此我们可以从直观上推断两个变量是否有关联。独立性检验是对变量之间的关联性进行统计推断,这种推断基于小概率原理,这与基于逻辑矛盾的反证法有所不同。为了使拒绝零假设犯错误的概率更小,就要取更小的概率值 α\alpha。

回归分析和独立性检验都是基于成对样本观测数据进行估计或推断,采用了归纳推理的方法,所以得出的结论都可能犯错误,这是用样本估计总体所得出的统计结论的一个特点,体现了统计学的特性。事实上,统计学面向随机现象,探究或然性下的规律性,即使是同样的数据,也允许人们根据自己对数据背景的理解,采用不同的推断方法进行分析,得出不同的推断结论,其判断结论的准则是“好”与“坏”。当然,所采用的方法越好,所得结论犯错误的概率越小。所以,面对具体问题,我们要尽量选择合适的、好的统计方法。

请你带着下面的问题,复习一下全章的内容吧!

  1. 举例说明成对数据是如何形成的.

  2. 举例说明什么叫相关关系,它与函数关系有什么区别?

  3. 借助样本相关系数和回归模型,可以刻画两个变量的非线性相关程度的高低吗?

  4. 一元线性回归模型中,模型参数 aa 和 bb 的统计意义是什么?

  5. 最小二乘原理是什么?你能说一说它的基本思想吗?

  6. 举例说明用条件概率的语言刻画两个分类变量关联性的关键点是什么?

  7. 分类变量和数值变量有何本质不同?

  8. 独立性检验的基本思想是什么?它和反证法有何异同?

  9. 若依据 α=0.05\alpha = 0.05 的独立性检验,结论是两个变量之间有关联,如何解释这个结论?如果是两个变量之间没有关联,又该如何解释这个结论?

  10. 通过本章的学习,你对统计方法和确定性方法的差异性有哪些新的认识?

复习参考题8

复习巩固

  1. 变量 xx 与 yy 的成对样本数据的散点图如下图所示,据此可以推断变量 xx 与 yy 之间( ).

(A) 很可能存在负相关

(B) 一定存在正相关

(C) 很可能存在正相关

(D) 一定不存在负相关

  1. 根据变量 Y 和 x 的成对样本数据,由一元线性回归模型 {Y=bx+a+e,E(e)=0,D(e)=σ2\left\{\begin{aligned} Y &= bx + a + e, \\ E(e) &= 0, D(e) &= \sigma^{2} \end{aligned}\right. 得到经验回归模型 y^=b^x+a^\hat{y} = \hat{b}x + \hat{a} ,对应的残差如图所示。模型误差().

(A) 满足一元线性回归模型的所有假设

(B) 不满足一元线性回归模型的 E(e)=0E(e) = 0 的假设

(C) 不满足一元线性回归模型的 D(e)=σ2D(e) = \sigma^2 的假设

(D) 不满足一元线性回归模型的 E(e)=0E(e) = 0 和 D(e)=σ2D(e) = \sigma^2 的假设

  1. 根据分类变量 xx 与 yy 的成对样本数据,计算得到 χ2=2.974\chi^2 = 2.974。依据 α=0.05\alpha = 0.05 的独立性检验,结论为( ).

(A) 变量 x 与 y 不独立

(B) 变量 xx 与 yy 不独立,这个结论犯错误的概率不超过0.05

(C) 变量 xx 与 yy 独立

(D) 变量 xx 与 yy 独立,这个结论犯错误的概率不超过0.05

4.8.3节例4中推断吸烟与患肺癌是有关联的,能用一元线性回归模型建立它们之间的关系吗?为什么?

综合运用

  1. 根据8.1.2节例3中的数据,建立臂展关于身高的经验回归模型,画出残差图,描述残差图的特点.

  2. 下表是 1896—2016 年男子三级跳远奥运会冠军的成绩,请分析这组数据,能用一元线性回归模型刻画这组数据吗?

  3. 汽车轮胎凹槽深度是影响汽车刹车的因素,汽车行驶会导致轮胎胎面磨损。某实验室通过试验测得行驶里程与某品牌轮胎凹槽深度的数据,请根据数据建立轮胎凹槽深度和汽车行驶里程的关系,并解释模型的含义。

  1. 为考察某种药物预防疾病的效果,进行动物试验,得到如下列联表:

单位:只

拓广探索

  1. 气象部门由每天的最高气温的数据,得到每月最高气温的平均数,简称平均高温。下表是2017年31个城市1月和7月的平均高温数据。

(1) 画出并观察各城市 1 月与 7 月的平均高温的散点图,你认为 1 月与 7 月的平均高温有线性趋势吗?描述散点图的特点.

(2) 结合地理知识并用统计方法分析表中的数据,解释这两个月平均高温的关系.

建立统计模型进行预测

在现实世界中有许多随机现象需要研究。已有的学习告诉我们,研究随机现象,就是要在明确研究对象和问题的基础上,通过收集数据、整理数据、提取信息、构建数学模型,再利用模型进行推断,得出结论。通过这样的研究所得出的结论,可以为我们作出决策提供有力的依据。

下面我们看一个通过建立统计模型进行随机现象的分析和决策的实际事例.

背景 大气污染物 PM2.5PM_{2.5} (大气中直径小于或等于 2.5μm2.5 \mu m 的颗粒物)的浓度超过一定的限度会影响人的身体健康。为了研究 PM2.5PM_{2.5} 的浓度是否受到汽车流量、气候状况等因素的影响,研究人员选择了 24 个社会经济发展水平相近的城市,在每个城市选择一个交通点建立监测点,统计每个监测点 24 h 内过往的汽车流量(单位:千辆),同时在低空相同的高度测定每个监测点该时间段的平均气温(单位:℃)、风速(单位:m/s)、空气湿度(绝对湿度,单位: g/m3g/m^{3} )以及空气中 PM2.5PM_{2.5} 的平均浓度(单位: μg/m3\mu g/m^{3} ),得到的数据如表 1 所示。

我们希望通过这些数据,定量探究与 PM2.5PM_{2.5} 浓度相关的影响因素,为作出控制空气污染的决策提供依据.

建立统计模型进行预测的一般流程如图 1 所示. 我们按照这个流程,对上述问题进行研究.

图1

一、问题背景分析

影响 PM2.5PM_{2.5} 浓度的因素很多,原因也比较复杂,我们甚至不能确切地了解 PM2.5PM_{2.5} 产生的原因,但我们可以先从简单的问题入手开展研究.

例如,如果只考虑 PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度与汽车流量的关系,我们可以以汽车流量为自变量,PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度为因变量,采用回归分析的方法进行研究.

这时,我们需要考虑以下三个方面的问题:

  1. 统计描述,即直观描述成对样本数据的统计相关性。例如,PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度是否随汽车流量的增加而增加?PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度与汽车流量的关系是线性关系还是非线性关系?如果汽车流量每增加100辆,PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度平均增加多少?等等。

  2. 统计建模与推断,即建立回归模型,检验并估计模型参数。例如,PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度是否随汽车流量的变化而变化?汽车流量对 PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度的影响有多大?汽车流量对 PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度的影响是否具有统计学意义?等等。

  3. 统计应用,即利用模型进行统计预测或控制。例如,如何由汽车流量预测大气中 PM2.5PM_{2.5} 的浓度?如何通过控制汽车流量达到控制空气中 PM2.5PM_{2.5} 浓度的目的?等等。

二、建立统计模型

1. 绘制散点图

绘制散点图是进行回归分析的第一步,可以直观地考察两个变量之间的关系,为我们分析两个变量之间的关系类型提供帮助.

以汽车流量为横轴、PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度为纵轴绘制散点图。为了研究方便,我们使用R软件。首先将表1中的数据建立一个“csv”文件,例如建立“pm25.csv”文件(图2)。然后在工作区域中输入 “w=read.csv(“pm25.csv”)”,读入数据。再用 “plot(PM2.5浓度~汽车流量,w)” 函数,画出散点图(图3)。

图 2

由图 3 可以发现, PM2.5PM_{2.5} 浓度随着汽车流量的增加呈线性增长趋势,但在汽车流量相近时, PM2.5PM_{2.5} 的浓度有时相差很大,说明 PM2.5PM_{2.5} 浓度除了受汽车流量的影响外,可能还受到其他一些已知或未知的因素(如风速、空气温度、空气湿度等)影响。因此 PM2.5PM_{2.5} 浓度与汽车流量之间是一种相关关系。

2. 建立线性回归方程

一元线性回归模型为 {Y=bx+a+e,E(e)=0,D(e)=σ2,\left\{\begin{aligned}Y&=bx+a+e,\\ E(e)&=0,\quad D(e)=\sigma^{2},\end{aligned}\right. 根据样本数据,利用最小二乘法对模型参数a,b进行估计,得到经验回归模型 y^=b^x+a^\hat{y}=\hat{b}x+\hat{a} .

在 R 软件的工作区域输入 “a=lm(PM2.5 浓度~汽车流量,w)”,建立 PM2.5PM_{2.5} 浓度与汽车流量之间的回归方程并进行相关的分析。我们可以用 “abline(a)” 画出回归直线(图 4),用 “summary(a)” 输出回归结果(图 5)。这样,我们得到了 PM2.5PM_{2.5} 浓度关于汽车流量的回归方程

y^=138.60x−99.69.(1◯)\hat {y} = 1 3 8. 6 0 x - 9 9. 6 9.\tag{\text{\textcircled{1}}}

图 5

3. 回归结果分析

(1) 回归系数估计的输出结果如下:

在输出结果中,估计量(Estimate)对应的列是回归系数 aa 和 bb 的估计值,即 a^=−99.69\hat{a} = -99.69 ,b^=138.60\hat{b} = 138.60 。由 b^=138.60\hat{b} = 138.60 ,说明 PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度随着汽车流量的增加而增加,汽车流量每增加100辆(0.1千辆),空气中的 PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度平均可能增加 13.86μg/m313.86\mu \mathrm{g} / \mathrm{m}^3 。

汽车流量对应的 tt 值(tt value)是检验回归系数 bb 是否为0的指标。结果显示:tt 统计量的值为6.721,自由度 n−2=22n - 2 = 22。给定显著性水平 α=0.05\alpha = 0.05,临界值 t0.025(22)=2.074t_{0.025}(22) = 2.074。由于 t=6.721>t0.025(22)t = 6.721 > t_{0.025}(22),表明 bb 显著地不为0,说明汽车流量是影响 PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度的一个显著性因素。或者根据 pp 值 (Pr(>∣t∣))9.37×10−7<0.05(Pr(>|t|))9.37 \times 10^{-7} < 0.05,也说明汽车流量是影响 PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度的一个显著性因素。

(2) 线性关系显著性检验的输出结果如下:

在输出结果中,F 统计量(F-statistics)是检验两变量线性关系显著性的指标。结果显示:F 统计量的值为 45.17,分子自由度 df=1,分母自由度 df=n-2=22。给定显著性水平 α=0.05\alpha=0.05 ,临界值 F0.05(1,22)=4.301F_{0.05}(1,22)=4.301 ,由于 F=45.17>F0.05(1,22)F=45.17>F_{0.05}(1,22) ,或 p 值 (p-value)9.366×10−7<0.05(p\text{-value})9.366\times10^{-7}<0.05 ,表明 PM2.5PM_{2.5} 浓度与汽车流量的线性关系是显著的。可以认为 PM2.5PM_{2.5} 浓度与汽车流量之间的回归方程①具有统计学意义。

(3) 决定系数和调整的决定系数的输出结果如下:

决定系数 R2R^2 是回归分析中重要的统计量,R2R^2 数值的大小反映了自变量对回归的贡献,也就是在因变量的总变异中回归关系所能解释的百分比。决定系数也反映了回归模型的拟合效果。当自变量与因变量均为随机变量时,决定系数等于样本相关系数 rr 的平方。其中调整的决定系数 R′=0.6576=65.76%R' = 0.6576 = 65.76\%,说明 PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度总变异的 65.76%65.76\% 与汽车流量有关。

三、模型的应用

回归模型的重要应用之一是预测,在给定 xx 值时,根据回归方程,计算 YY 的预测值 y^\hat{y}. 我国规定空气中 PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度的安全标准为年平均浓度 35μg/m335\mu \mathrm{g} / \mathrm{m}^3 , 24h24\mathrm{h} 平均浓度 75μg/m375\mu \mathrm{g} / \mathrm{m}^3 . 当汽车流量为1300辆,即 x=1.3x = 1.3 时, y^=80.49\hat{y} = 80.49 ,说明 PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度在安全标准附近;当汽车流量为 2 300 辆,即 x=2.3 时, y^=219.09\hat{y}=219.09 ,说明 PM2.5PM_{2.5} 浓度严重超标,需要预警和采取措施进行干预.

某城市为使 PM2.5PM_{2.5} 浓度的平均值在 60~120,拟对汽车流量作适当控制,可以利用回归方程得到汽车流量。当 y^1=60\hat{y}_{1}=60 时, x1=1.152x_{1}=1.152 ;当 y^2=120\hat{y}_{2}=120 时, x2=1.585x_{2}=1.585 。因此要使该城市的 PM2.5PM_{2.5} 浓度的平均值控制在 60~120,24 h 的汽车流量就要控制在 1152~1585 辆。

四、数学建模活动的选题

请同学们仿照上述过程,开展建立统计模型进行预测的活动。可以从下列选题中选择一个,继续研究 PM2.5PM_{2.5} 浓度与各相关因素的关系(可借助信息技术工具如 R 软件,Excel,图形计算器等):

  1. 依照上面的研究方法与过程,研究影响 PM2.5PM_{2.5} 浓度的其他因素(如气温、空气湿度、风速等)与 PM2.5PM_{2.5} 浓度的回归模型;

  2. 影响 PM2.5PM_{2.5} 浓度的各因素之间是否独立,这些因素的选择是否合理;

  3. PM2.5\mathrm{PM}_{2.5} 浓度实际上是受到多个因素的影响,你可以在上述研究的基础上,利用信息技术工具,采用多元线性回归模型进行预测或控制,使分析更加客观和精确.

也可以根据自己的兴趣,与老师协商后确定一个课题进行研究.

五、数学建模活动的要求

1. 组建合作团队

数学建模实践活动需要团队协作。首先在班级中组成 3∼53\sim 5 人的研究小组,每位同学参加其中一个小组。在小组内,要确定一个课题负责人,使每位成员都有明确的分工。拟定研究课题、确定研究方案、规划研究步骤、编制研究手册。然后在班里进行一次开题报告。

2. 开展研究活动

根据开题报告所规划的研究流程,通过背景分析、数据收集、数据分析、数学建模、获得结论等过程,完成课题研究。在研究过程中,可以借助信息技术解决问题。

3. 撰写研究报告

以小组为单位,撰写一份研究报告.

4. 交流展示

(1)对同一个课题,先由3~4个小组进行小组交流,每个小组都展示自己的研究成果,相互借鉴、取长补短。在小组报告的基础上形成大组的研究报告。选定代表,制作向全班汇报的演示文稿。

(2)与老师一起进行全班研究成果展示与交流,在各大组代表作研究报告的基础上,通过质疑、辩论、评价,总结成果,分享体会,分析不足。开展自我评价、同学间相互评价和老师评价,完成本次数学建模活动。

说明:数学建模可能需要用到一些数学软件工具,还有可能涉及一些课外的知识,同学们可以通过阅读一些课外的学习材料获得相关的知识。

六、数学建模活动研究报告的参考形式

____年级____班

完成时间:____

  1. 课题名称

  2. 课题组成员及分工

  3. 选题的意义

  4. 研究计划(包括对选题的分析、解决问题的思路等)

  5. 研究过程(包括收集数据、分析数据、建立模型、求解模型的过程,以及过程中出现的难点、解决方案等)

  6. 研究结果

  7. 收获与体会

  8. 对此研究的评价(由评价小组或老师填写)

后记

本册教科书是人民教育出版社课程教材研究所中学数学课程教材研究开发中心依据教育部《普通高中数学课程标准(2017年版)》编写的,经国家教材委员会2019年审查通过。

本册教科书的编写,集中反映了我国十余年来普通高中课程改革的成果,吸取了2004年版《普通高中课程标准实验教科书·数学(A版)》的编写经验,凝聚了参与课改实验的教育专家、学科专家、教材编写专家、教研人员和一线教师,以及教材设计装帧专家的集体智慧。本册教科书的编写者还有李增沪、张伟等;本书插图绘制为王俊宏。

我们感谢2004年版《普通高中课程标准实验教科书·数学(A版)》的主编刘绍学,副主编钱珮玲、章建跃,以及所有编写人员。我们感谢所有对教科书的编写、出版、试教等提供过帮助与支持的同仁和社会各界朋友。

本册教科书出版之前,我们通过多种渠道与教科书选用作品(包括照片、画作)的作者进行了联系,得到了他们的大力支持。对此,我们表示衷心的感谢!恳请未联系到的作者与我们联系,以便及时支付稿酬。

我们真诚地希望广大教师、学生及家长在使用本册教科书的过程中提出宝贵意见。我们将集思广益,不断修订,使教科书趋于完善。

联系方式

电话:010-58758866

电子邮箱:[email protected]

人民教育出版社 课程教材研究所

中学数学课程教材研究开发中心

2019年4月

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