Вероятностно статистические методы исследования кратко. Вероятностно-статистические методы исследования и метод системного анализа. Общелогические методы научного исследования
Рассматриваемая группа методов является наиболее важной в социологических исследованиях, данные методы применяются практически в каждом социологическом исследовании, которое можно считать действительно научным. Они направлены в основном на выявление в эмпирической информации статистических закономерностей, т.е. закономерностей, выполняющихся "в среднем". Собственно, социология и занимается изучением "среднего человека". Кроме того, еще одна важная цель применения вероятностных и статистических методов в социологии – оценка надежности выборки. Насколько велика уверенность, что выборка дает более-менее точные результаты и какова погрешность статистических выводов?
Главный объект изучения при применении вероятностных и статистических методов – случайные величины . Принятие случайной величиной некоторого значения является случайным событием – событием, которое при осуществлении данных условий может как произойти, так и не произойти. Например, если социолог проводит опросы в сфере политических предпочтений на улице города, то событие "очередной респондент оказался сторонником партии власти" является случайным, если ничего в респонденте заранее не выдавало его политических предпочтений. Если же социолог опросил респондента у здания Областной Думы, то событие уже не случайное. Случайное событие характеризуется вероятностью его наступления. В отличие от классических задач на игральные кости и карточные комбинации, изучаемых в рамках курса теории вероятностей, в социологических исследованиях вычислить вероятность не так просто.
Важнейшей базой для эмпирической оценки вероятности является стремление частоты к вероятности , если под частотой понимать отношение, сколько раз произошло событие к тому, сколько раз оно теоретически могло бы произойти. Например, если среди 500 случайно отобранных на улицах города респондентов 220 оказались сторонниками партии власти, то частота появления таких респондентов составляет 0,44. В случае репрезентативной выборки достаточно большого размера мы получим примерную вероятность события или примерную долю людей, обладающих заданным признаком. В нашем примере при удачно подобранной выборке получим, что примерно 44% горожан – сторонники партии власти. Разумеется, поскольку опрошены не все горожане, а некоторые в процессе опроса могли солгать, то имеется некоторая погрешность.
Рассмотрим некоторые задачи, возникающие при статистическом анализе эмпирических данных.
Оценка распределения величины
Если некоторый признак можно выразить количественно (например, политическую активность гражданина как величину, показывающую, сколько раз за последние пять лет он участвовал в выборах различного уровня), то может быть поставлена задача оценить закон распределения этого признака как случайной величины. Другими словами, закон распределения показывает, какие значения величина принимает чаще, а какие реже, и насколько чаще/реже. Чаще всего как в технике и природе, так и в обществе встречается нормальный закон распределения . Его формула и свойства изложены в любом учебнике по статистике, а на рис. 10.1 приведен вид графика – это "колоколообразная" кривая, которая может быть более "вытянута" вверх или более "размазана" по оси значений случайной величины. Суть нормального закона в том, что чаще всего случайная величина принимает значения близ некоторого "центрального" значения, называемого математическим ожиданием , а чем дальше от него, тем реже туда "попадает" величина.
Примеров распределений, которые с небольшой погрешностью можно принять за нормальные, много. Еще в XIX в. бельгийский ученый А. Кетле и англичанин Ф. Гальтон доказали, что распределение частот встречаемости любого демографического или антропометрического показателя (продолжительности жизни, роста, возраста вступления в брак и т.д.) характеризуется "колоколообразным" распределением. Тот же Ф. Гальтон и его последователи доказали, что и психологические осооенности, например, способности, подчиняются нормальному закону .
Рис. 10.1.
Пример
Самый яркий пример нормального распределения в социологии касается социальной активности людей. Согласно закону нормального распределения получается, что социально-активных людей в обществе обычно около 5–7%. Все эти социально- активные люди ходят на митинги, конференции, семинары и т.д. Примерно такое же количество вообще отстраняются от участия в социальной жизни. Основная масса людей (80–90%) вроде бы равнодушна к политике и общественной жизни, однако отслеживает те процессы, которые ей интересны, хотя в целом относится к политике и обществу отстраненно, значительной активности не проявляет. Такие люди пропускают большинство политических событий, но время от времени смотрят новости по телевидению или в Интернете. Также они ходят голосовать на наиболее важные выборы, особенно если им "грозят кнутом" или "поощряют пряником". Члены этих 80–90% с общественно-политической точки зрения почти бесполезны поодиночке, но центрам социологических исследований эти люди вполне интересны, так как их очень много, и их предпочтения нельзя игнорировать. То же касается и околонаучных организаций, выполняющих исследования по заказам политических деятелей или торговых корпораций. И мнение "серой массы" по ключевым вопросам, связанным с прогнозированием поведения многих тысяч и миллионов людей на выборах, а также при острых политических событиях, при расколе обществе и конфликтах разных политических сил, этим центрам не безразлично.
Разумеется, нс все величины распределены по нормальному распределению. Кроме него, наиболее важными в математической статистике являются биномиальное и показательное распределения, распределения Фишера-Снедекора, "Хи-квадрат", Стьюдента .
Оценка связи признаков
Простейший случай – когда требуется просто установить наличие/отсутствие связи. Наиболее популярным в этом вопросе является метод "Хи-квадрат". Данный метод ориентирован на работу с категориальными данными. Например, такими явно выступают пол, семейное положение. Некоторые данные на первый взгляд кажутся числовыми, но могут "превратиться" в категориальные путем разбиения интервала значений на несколько малых интервалов. Например, стаж работы на заводе можно разбить на категории "менее одного года", "от одного до трех лет", "от трех до шести лет" и "более шести лет".
Пусть у параметра X имеется п возможных значений: {х1,..., х г1}, а у параметра Y– т возможных значений: (у1,..., у т}, q ij – наблюдаемая частота появления пары (x i, у j), т.е. количество обнаруженных появлений такой пары. Вычисляем теоретические частоты, т.е. сколько раз должна была появиться каждая пара значений для абсолютно нс связанных между собой величин:
На основе наблюдаемых и теоретических частот вычисляем значение
Также требуется вычислить количество степеней свободы по формуле
где m , n – количество сведенных в таблицу категорий. Кроме того, выбираем уровень значимости . Чем более высокую надежность мы хотим получить, тем ниже уровень значимости следует брать. Как правило, выбирается значение 0,05, которое означает, что мы можем доверять результатам с вероятностью 0,95. Далее в справочных таблицах находим по количеству степеней свободы и уровню значимости критическое значение . Если , то параметры X и Y считаются независимыми. Если , то параметры X и Y – зависимые. Если, то опасно делать вывод о зависимости либо независимости параметров. В последнем случае целесообразно провести дополнительные исследования.
Заметим также, что критерий "Хи-квадрат" с очень высокой уверенностью можно использовать, лишь когда все теоретические частоты не ниже заданного порога, которым обычно считается равным 5. Пусть v – минимальная теоретическая частота. При v > 5 можно уверенно использовать критерий "Хи-квадрат". При v < 5 использование критерия становится нежелательным. При v ≥ 5 вопрос остается открытым, требуется дополнительное исследование о применимости критерия "Хи-квадрат".
Приведем пример применения метода "Хи-квадрат". Пусть, например, в некотором городе проведен опрос среди молодых болельщиков местных футбольных команд и получены следующие результаты (табл. 10.1).
Выдвинем гипотезу о независимости футбольных предпочтений молодежи города N от пола респондента на стандартном уровне значимости 0,05. Вычисляем теоретические частоты (табл. 10.2).
Таблица 10.1
Результаты опроса болельщиков
Таблица 10.2
Теоретические частоты предпочтений
Например, теоретическая частота для юношей-болельщиков Звезды получена как
аналогично – другие теоретические частоты. Далее вычисляем значение "Хи-квадрат":
Определяем количество степеней свободы . Для и уровня значимости 0,05 ищем критическое значение:
Поскольку , причем превосходство существенное, практически наверняка можно говорить, что футбольные предпочтения юношей и девушек города N сильно различаются, за исключением случая нерепрезентативной выборки, например, если исследователь не стал получать выборку из разных районов города, ограничившись опросом респондентов в своем квартале.
Более сложная ситуация – когда нужно количественно оценить силу связи. В этом случае часто применяются методы корреляционного анализа. Данные методы обычно рассматриваются в углубленных курсах математической статистики.
Аппроксимация зависимостей по точечным данным
Пусть имеется набор точек – эмпирических данных (X i, Yi), i = 1, ..., п. Требуется аппроксимировать реальную зависимость параметра у от параметра х, а также выработать правило вычисления значения у, когда х находится между двумя "узлами" Хi.
Существуют два принципиально разных подхода к решению поставленной задачи. Первый заключается в том, что среди функций заданного семейства (например, полиномов) выбирается функция, график которой проходит через имеющиеся точки. Второй подход не "принуждает" график функции проходить через точки. Наиболее популярный в социологии и ряде других наук метод – метод наименьших квадратов – относится ко второй группе методов.
Суть метода наименьших квадратов состоит в следующем. Дано некоторое семейство функций у (х, а 1, ..., а т) с m неопределенными коэффициентами. Требуется подобрать неопределенные коэффициенты за счет решения оптимизационной задачи
Минимальное значение функции d может выступать в качестве меры точности приближения. Если данное значение слишком велико, следует выбрать иной класс функций у либо расширить используемый класс. Например, если класс "полиномы степени не выше 3" не дал приемлемой точности, берем класс "полиномы степени не выше 4" или даже "полиномы степени не выше 5".
Чаще всего метод используют для семейства "полиномы степени не выше N":
Например, при N = 1 это семейство линейных функций, при N = 2 – семейство линейных и квадратичных функций, при N = 3 – семейство линейных, квадратичных и кубических функций. Пусть
Тогда коэффициенты линейной функции (N = 1) ищутся как решение системы линейных уравнений
Коэффициенты функции вида а 0 + а 1х + а 2х 2 (N = 2) ищутся как решение системы
Желающие применить этот метод для произвольного значения N могут сделать это, увидев закономерность, по которой составлены приведенные системы уравнений.
Приведем пример применения метода наименьших квадратов. Пусть численность некоторой политической партии менялась следующим образом:
Можно заметить, что изменения численности партии за разные годы не сильно отличаются, что позволяет нам аппроксимировать зависимость линейной функцией. Чтобы было проще вычислять, вместо переменной х – года – введем переменную t = х – 2010, т.е. первый год учета численности возьмем как "нулевой". Вычисляем М 1; М 2:
Теперь вычисляем М", М*:
Коэффициенты a 0, a 1 функции у = a 0t + а 1 вычисляются как решение системы уравнений
Решая данную систему, например, по правилу Крамера или методом подстановки, получаем: а 0 = 11,12; а 1 = 3,03. Таким образом, получаем приближение
которое позволяет не только оперировать одной функцией вместо набора эмпирических точек, но и вычислять значения функции, выходящие за границы исходных данных, – "предсказывать будущее".
Также заметим, что метод наименьших квадратов можно использовать не только для полиномов, но и для других семейств функций, например, для логарифмов и экспонент:
Степень достоверности модели, построенной на основе метода наименьших квадратов, может быть определена на основе меры "R-квадрат", или коэффициента детерминации. Он вычисляется как
Здесь 
. Чем ближе R
2 к 1, тем адекватнее модель.
Выявление выбросов
Выбросом ряда данных называется аномальное значение, резко выделяющееся в общей выборке или общем ряде. Например, пусть процент граждан страны, положительно относящихся к некоторому политику, составлял в 2008–2013 гг. соответственно 15, 16, 12, 30, 14 и 12%. Легко заметить, что одно из значений резко отличается от всех остальных. В 2011 г. рейтинг политика почему-то резко превысил обычные значения, державшиеся в пределах 12–16%. Наличие выбросов может быть обусловлено разными причинами:
- 1) ошибки измерения;
- 2) необычная природа входных данных (например, когда анализируется средний процент голосов, полученных политиком; это значение на избирательном участке в военной части может существенно отличаться от среднего значения по городу);
- 3) следствие закона (резко отличающиеся от остальных величины могут быть обусловлены математическим законом – например, в случае нормального распределения в выборку может попасть объект со значением, резко отличным от среднего);
- 4) катаклизмы (например, в период короткого, но острого политического противостояния уровень политической активности населения может резко измениться, как это произошло в ходе "цветных революций" 2000– 2005 гг. и "арабской весны" 2011 г.);
- 5) управляющие воздействия (например, если в год накануне исследования политик принял очень популярное решение, то в этот год его рейтинг может оказаться значительно выше, чем в другие годы).
Многие методы анализа данных неустойчивы к выбросам, поэтому для их эффективного применения нужно очистить данные от выбросов. Яркий пример неустойчивого метода – упомянутый выше метод наименьших квадратов. Простейший метод поиска выбросов основан на так называемом межквартильном расстоянии. Определяем диапазон
где Q m – значение т- го квартиля. Если некоторый член ряда не попадает в диапазон, то он расценивается как выброс.
Поясним на примере. Смысл квартилей состоит в том, что они делят ряд на четыре равные или примерно равные группы: первый квартиль "отделяет" левую четверть ряда, отсортированного по возрастанию, третий квартиль – правую четверть ряда, второй квартиль проходит посередине. Поясним, как искать Q 1, и Q 3. Пусть в отсортированном по возрастанию числовом ряду п значений. Если п + 1 делится на 4 без остатка, то Q k суть k (п + 1)/4-й член ряда. Например, дан ряд: 1, 2, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 13, 15, 20, здесь количество членов п = 11. Тогда (п + 1)/4 = 3, т.е. первый квартиль Q 1 = 5 – третий член ряда; 3(п + 1)/4 = 9, т.е. третий квартиль Q:i= 13 – девятый член ряда.
Немного сложнее случай, когда п + 1 не кратно 4. Например, дан ряд 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 30, 32, 100, где число членов п = 10. Тогда (п + 1)/4 = 2,75 -
позиция между вторым членом ряда (v2 = 3) и третьим членом ряда (v3= 5). Тогда берем величину 0,75v2 + 0,25v3 = 0,75 3 + 0,25 5 = 3,5 – это и будет Q 1. 3(п + 1)/4 = 8,25 – позиция между восьмым членом ряда (v8= 30) и девятым членом ряда (v9=32). Берем величину 0,25v8 + 0,75v9 = 0,25 30 + + 0,75 32 = 31,5 – это и будет Q 3. Существуют и другие варианты вычисления Q 1 и Q 3, но рекомендуется использовать изложенный здесь вариант.
- Строго говоря, на практике обычно встречается "приближенно" нормальный закон – поскольку нормальный закон определяется для непрерывной величины на всей действительной оси, многие реальные величины не могут строго удовлетворять свойствам нормально распределенных величин.
- Наследов А. Д. Математические методы психологического исследования. Анализ и интерпретация данных: учеб, пособие. СПб.: Речь, 2004. С. 49–51.
- О важнейших распределениях случайных величин см., например: Орлов А. И. Математика случая: вероятность и статистика – основные факты: учеб. пособие. М.: МЗ-Пресс, 2004.
При проведении психолого-педагогических исследований важная роль отводится математическим методам моделирования процессов и обработки экспериментальных данных. К таким методам следует отнести, прежде всего, так называемые, вероятностно-статистические методы исследования. Это связано с тем, что на поведение как отдельного человека в процессе его деятельности, так и человека в коллективе существенное влияние оказывает множество случайных факторов. Случайность не позволяет описывать явления в рамках детерминированных моделей, т. к. проявляется, как недостаточная регулярность в массовых явлениях и, следовательно, не дает возможность с достоверностью предсказывать наступление определенных событий. Однако при изучении таких явлений обнаруживаются определенные закономерности. Нерегулярность, свойственная случайным событиям, при большом количестве испытаний, как правило, компенсируется появлением статистической закономерности, стабилизацией частот наступлений случайных событий. Следовательно, данные случайные события имеют определенную вероятность. Существуют два принципиально различающихся вероятностно-статистических метода психолого-педагогических исследований: классический и неклассический. Проведем сравнительный анализ этих методов.
Классический вероятностно-статистический метод. В основе классического вероятностно-статистического метода исследования лежат теория вероятностей и математическая статистика. Данный метод применяется при изучении массовых явлений случайного характера, он включает несколько этапов, основные из которых следующие.
1. Построение вероятностной модели реальности, исходя из анализа статистических данных (определение закона распределения случайной величины). Естественно, что закономерности массовых случайных явлений выражаются тем более отчетливо, чем больше объем статистического материала. Выборочные данные, полученные при проведении эксперимента, всегда ограничены и носят, строго говоря, случайный характер. В связи с этим важная роль отводится обобщению закономерностей, полученных на выборке, и распространению их на всю генеральную совокупность объектов. С целью решения этой задачи принимается определенная гипотеза о характере статистической закономерности, которая проявляется в исследуемом явлении, например, гипотеза о том, что исследуемое явление подчиняется закону нормального распределения. Такая гипотеза носит название нулевой гипотезы, которая может оказаться ошибочной, поэтому наряду с нулевой гипотезой еще выдвигается и альтернативная или конкурирующая гипотеза. Проверка того насколько полученные экспериментальные данные соответствуют той или иной статистической гипотезе осуществляется с помощью так называемых непараметрических статистических критериев или критериев согласия. В настоящее время широко используются критерии согласия Колмогорова, Смирнова, омега-квадрат и др. . Основная идея этих критериев состоит в измерении расстояния между функцией эмпирического распределения и функцией полностью известного теоретического распределения. Методология проверки статистической гипотезы строго разработана и изложена в большом количестве работ по математической статистике.
2. Проведение необходимых расчетов математическими средствами в рамках вероятностной модели. В соответствии с установленной вероятностной моделью явления проводятся вычисления характеристических параметров, например, таких как математическое ожидание или среднее значение, дисперсия, стандартное отклонение, мода, медиана, показатель асимметрии и др.
3. Интерпретация вероятностно-статистических выводов применительно к реальной ситуации.
В настоящее время классический вероятностно-статистический метод хорошо разработан и широко используется при проведении исследований в различных областях естественных, технических и общественных наук. Подробное описание сути данного метода и его применения к решению конкретных задач можно найти в большом количестве литературных источников, например в .
Неклассический вероятностно-статистический метод. Неклассический вероятно-статистический метод исследований отличается от классического тем, что он применяется не только к массовым, но и к отдельным событиям, имеющим принципиально случайный характер. Данный метод может быть эффективно использован при анализе поведения индивида в процессе выполнения той или иной деятельности, например, в процессе усвоения знаний учащимся . Особенности неклассического вероятностно-статистического метода психолого-педагогических исследований рассмотрим на примере поведения учащихся в процессе усвоения знаний.
Впервые вероятностно-статистическая модель поведения учащихся в процессе усвоения знаний была предложена в работе . Дальнейшее развитие этой модели было сделано в работе . Учение как вид деятельности, цель которого приобретение человеком знаний, умений и навыков, зависит от уровня развития сознания учащегося. В структуру сознания входят такие познавательные процессы, как ощущение, восприятие, память, мышление, воображение. Анализ этих процессов показывает, что им присущи элементы случайности, обусловленные случайным характером психического и соматического состояний индивида, а также физиологическим, психологическим и информационным шумами при работе головного мозга. Последнее привело при описании процессов мышления к отказу от использования модели детерминистской динамической системы в пользу модели случайной динамической системы . Это означает, что детерминизм сознания реализуется через случайность. Отсюда можно заключить, что знания человека, являющиеся фактически продуктом сознания, также имеют случайный характер, и, следовательно, для описания поведения каждого отдельного учащегося в процессе усвоения знаний может быть использован вероятностно-статистический метод.
В соответствии с этим методом учащийся идентифицируется функцией распределения (плотностью вероятности), определяющей вероятность нахождения его в единичной области информационного пространства. В процессе обучения функция распределения, с которой идентифицируется учащийся, эволюционируя, движется в информационном пространстве. Каждый учащийся обладает индивидуальными свойствами и допускается независимая локализация (пространственная и кинематическая) индивидов друг относительно друга.
На основе закона сохранения вероятности записывается система дифференциальных уравнений, представляющих собой уравнения непрерывности, которые связывают изменение плотности вероятности за единицу времени в фазовом пространстве (пространстве координат, скоростей и ускорений различных порядков) с дивергенцией потока плотности вероятности в рассматриваемом фазовом пространстве. В проведен анализ аналитических решений ряда уравнений непрерывности (функций распределения), характеризующих поведение отдельных учащихся в процессе обучения.
При проведении экспериментальных исследований поведения учащихся в процессе усвоения знаний используется вероятностно-статистическое шкалирование , в соответствии с которым шкала измерений представляет собой упорядоченную систему
1. Нахождение экспериментальных функций распределения по результатам контрольного мероприятия, например, экзамена. Типичный вид индивидуальных функций распределения, найденных при использовании двадцатибалльной шкалы, представлен на рис. 1. Методика нахождения таких функций описана в .
2. Отображение функций распределения на числовое пространство. С этой целью проводится расчет моментов индивидуальных функций распределения. На практике, как правило, достаточно ограничиться определением моментов первого порядка (математического ожидания), второго порядка (дисперсии) и третьего порядка, характеризующего асимметрию функции распределения.
3. Ранжирование учащихся по уровню знаний на основе сравнения моментов различных порядков их индивидуальных функций распределения.
Рис. 1. Типичный вид индивидуальных функций распределения студентов, получивших на экзамене по общей физике различные оценки : 1 - традиционная оценка «2»; 2 - традиционная оценка «3»; 3 - традиционная оценка «4»; 4 - традиционная оценка «5»
На основе аддитивности индивидуальных функций распределения в найдены экспериментальные функции распределения для потока студентов (рис. 2).
Рис. 2. Эволюция полной функции распределения потока студентов, аппроксимированной гладкими линиями : 1 - после первого курса; 2 - после второго курса; 3 - после третьего курса; 4 - после четвертого курса; 5 - после пятого курса
Анализ данных, представленных на рис. 2, показывает, что по мере продвижения в информационном пространстве функции распределения расплываются. Это происходит вследствие того, что математические ожидания функций распределения индивидов движутся с разными скоростями, а сами функции расплываются из-за дисперсии. Дальнейший анализ данных функций распределения может быть проведен в рамках классического вероятностно-статистического метода.
Обсуждение результатов. Анализ классического и неклассического вероятностно-статистических методов психолого-педагогических исследований показал, что между ними имеется существенное отличие. Оно, как это можно понять из сказанного выше, заключается в том, что классический метод применим лишь к анализу массовых событий, а неклассический метод применим как к анализу массовых, так и одиночных событий. В связи с этим классический метод может быть условно назван массовым вероятностно-статистическим методом (МВСМ), а неклассический метод - индивидуальным вероятностно-статистическим методом (ИВСМ). В 4] показано, что ни один из классических методов оценки знаний учащихся в рамках вероятностно-статистической модели индивида не может быть применен для этих целей.
Отличительные особенности методов МВСМ и ИВСМ рассмотрим на примере измерения полноты знаний учащихся. С этой целью проведем мысленный эксперимент. Предположим, что имеется большое количество абсолютно одинаковых по психическим и физическим характеристикам учащихся, имеющих одинаковую предысторию, и пусть они, не взаимодействуя друг с другом, одновременно участвуют в одном и том же познавательном процессе, испытывая абсолютно одинаковое строго детерминированное воздействие. Тогда в соответствии с классическими представлениями об объектах измерения все учащиеся должны были бы получить одинаковые оценки полноты знаний с любой заданной точностью измерений. Однако в реальности при достаточно большой точности измерений оценки полноты знаний учащихся будут различаться . Объяснить такой результат измерений в рамках МВСМ не представляется возможным, т. к. исходно предполагается, что воздействие на абсолютно одинаковых невзаимодействующих между собой учащихся имеет строго детерминированный характер. Классический вероятностно-статистический метод не учитывает того, что детерминизм процесса познания реализуется через случайность, внутренне присущую каждому познающему окружающий мир индивиду.
Случайный характер поведения учащегося в процессе усвоения знаний учитывает ИВСМ. Применение индивидуального вероятностно-статистического метода для анализа поведения рассматриваемого идеализированного коллектива учащихся показало бы, что указать точно положение каждого учащегося в информационном пространстве нельзя, можно лишь говорить вероятности нахождения его в той или иной области информационного пространства. Фактически каждый учащийся идентифицируется индивидуальной функцией распределения, причем ее параметры, такие как математическое ожидание, дисперсия и др., индивидуальны для каждого учащегося. Это означает, что индивидуальные функции распределения будут находиться в разных областях информационного пространства. Причина такого поведения учащихся заключается в случайном характере процесса познания.
Однако в ряде случаев результаты исследований, добытые в рамках МВСМ, могут быть интерпретированы и в рамках ИВСМ. Предположим, что преподаватель при оценке знаний учащегося использует пятибалльную шкалу измерений. В этом случае погрешность в оценке знаний составляет ±0,5 балла. Следовательно, когда учащемуся выставляется оценка, например, 4 балла, это означает, что его знания находятся в промежутке от 3,5 баллов до 4,5 баллов. Фактически положение индивида в информационном пространстве в данном случае определяется прямоугольной функцией распределения, ширина которой равна погрешности измерения ±0,5 балла, а оценка является математическим ожиданием. Эта погрешность настолько большая, что не позволяет наблюдать истинный вид функции распределения. Однако, несмотря на столь грубую аппроксимацию функции распределения, изучение ее эволюции позволяет получить важную информацию, как о поведении отдельного индивида, так и коллектива учащихся в целом .
На результат измерения полноты знаний учащегося непосредственно или опосредовано влияет сознание преподавателя (измерителя), которому также свойственна случайность. В процессе педагогических измерений фактически имеет место взаимодействие двух случайных динамических систем, идентифицирующих поведение учащегося и преподавателя в данном процессе. В рассмотрено взаимодействие студенческой подсистемы с профессорско-преподавательской подсистемой и показано, что скорость движения математического ожидания индивидуальных функций распределения студентов в информационном пространстве пропорциональна функции воздействия профессорско-преподавательского коллектива и обратно пропорциональна функции инертности, характеризующей неподатливость изменению положения математического ожидания в пространстве (аналог закона Аристотеля в механике).
В настоящее время, несмотря на значительные достижения в разработке теоретических и практических основ измерений при проведении психолого-педагогических исследований, проблема измерений в целом еще далека от решения. Это связано, прежде всего, с тем, что до сих пор не имеется достаточной информации о влиянии сознания на процесс измерения. Аналогичная ситуация сложилась и при решении проблемы измерений в квантовой механике. Так, в работе при рассмотрении концептуальных проблем квантовой теории измерений говорится о том, что разрешить некоторые парадоксы измерений в квантовой механике «… вряд ли возможно без непосредственного включения сознания наблюдателя в теоретическое описание квантового измерения». Далее говорится, что «… непротиворечивым является предположение о том, что сознание может сделать вероятным некоторое событие, даже если по законам физики (квантовой механики) вероятность этого события мала. Сделаем важное уточнение формулировки: сознание данного наблюдателя может сделать вероятным, что он увидит это событие».
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
1. Распределение "хи-квадрат"
Заключение
Приложение
Введение
Как подходы, идеи и результаты теории вероятностей используются в нашей жизни? математический квадрат теория
Базой является вероятностная модель реального явления или процесса, т.е. математическая модель, в которой объективные соотношения выражены в терминах теории вероятностей. Вероятности используются, прежде всего, для описания неопределенностей, которые необходимо учитывать при принятии решений. Имеются в виду, как нежелательные возможности (риски), так и привлекательные ("счастливый случай"). Иногда случайность вносится в ситуацию сознательно, например, при жеребьевке, случайном отборе единиц для контроля, проведении лотерей или опросов потребителей.
Теория вероятностей позволяет по одним вероятностям рассчитать другие, интересующие исследователя.
Вероятностная модель явления или процесса является фундаментом математической статистики. Используются два параллельных ряда понятий - относящиеся к теории (вероятностной модели) и относящиеся к практике (выборке результатов наблюдений). Например, теоретической вероятности соответствует частота, найденная по выборке. Математическому ожиданию (теоретический ряд) соответствует выборочное среднее арифметическое (практический ряд). Как правило, выборочные характеристики являются оценками теоретических. При этом величины, относящиеся к теоретическому ряду, "находятся в головах исследователей", относятся к миру идей (по древнегреческому философу Платону), недоступны для непосредственного измерения. Исследователи располагают лишь выборочными данными, с помощью которых они стараются установить интересующие их свойства теоретической вероятностной модели.
Зачем же нужна вероятностная модель? Дело в том, что только с ее помощью можно перенести свойства, установленные по результатам анализа конкретной выборки, на другие выборки, а также на всю так называемую генеральную совокупность. Термин "генеральная совокупность" используется, когда речь идет о большой, но конечной совокупности изучаемых единиц. Например, о совокупности всех жителей России или совокупности всех потребителей растворимого кофе в Москве. Цель маркетинговых или социологических опросов состоит в том, чтобы утверждения, полученные по выборке из сотен или тысяч человек, перенести на генеральные совокупности в несколько миллионов человек. При контроле качества в роли генеральной совокупности выступает партия продукции.
Чтобы перенести выводы с выборки на более обширную совокупность, необходимы те или иные предположения о связи выборочных характеристик с характеристиками этой более обширной совокупности. Эти предположения основаны на соответствующей вероятностной модели.
Конечно, можно обрабатывать выборочные данные, не используя ту или иную вероятностную модель. Например, можно рассчитывать выборочное среднее арифметическое, подсчитывать частоту выполнения тех или иных условий и т.п. Однако результаты расчетов будут относиться только к конкретной выборке, перенос полученных с их помощью выводов на какую-либо иную совокупность некорректен. Иногда подобную деятельность называют "анализ данных". По сравнению с вероятностно-статистическими методами анализ данных имеет ограниченную познавательную ценность.
Итак, использование вероятностных моделей на основе оценивания и проверки гипотез с помощью выборочных характеристик - вот суть вероятностно-статистических методов принятия решений.
1. Распределение "хи-квадрат"
С помощью нормального распределения определяются три распределения, которые в настоящее время часто используются при статистической обработке данных. Это распределения Пирсона ("хи - квадрат"), Стьюдента и Фишера.
Мы остановимся на распределении ("хи - квадрат"). Впервые это распределение было исследовано астрономом Ф.Хельмертом в 1876 году. В связи с гауссовской теорией ошибок он исследовал суммы квадратов n независимых стандартно нормально распределенных случайных величин. Позднее Карл Пирсон (Karl Pearson) дал имя данной функции распределения "хи - квадрат". И сейчас распределение носит его имя.
Благодаря тесной связи с нормальным распределением, ч2-распределение играет важную роль в теории вероятностей и математической статистике. ч2-распределение, и многие другие распределения, которые определяются посредством ч2-распределения (например - распределение Стьюдента), описывают выборочные распределения различных функций от нормально распределенных результатов наблюдений и используются для построения доверительных интервалов и статистических критериев.
Распределение Пирсона (хи - квадрат) - распределение случайной величиныгде X1, X2,…, Xn - нормальные независимые случайные величины, причем математическое ожидание каждой из них равно нулю, а среднее квадратическое отклонение - единице.
Сумма квадратов
распределена по закону ("хи - квадрат").
При этом число слагаемых, т.е. n, называется "числом степеней свободы" распределения хи - квадрат. C увеличением числа степеней свободы распределение медленно приближается к нормальному.
Плотность этого распределения
Итак, распределение ч2 зависит от одного параметра n - числа степеней свободы.
Функция распределения ч2 имеет вид:
если ч2?0. (2.7.)
На Рисунке 1 изображен график плотности вероятности и функции ч2 - распределения для разных степеней свободы.
Рисунок 1 Зависимость плотности вероятности ц (x) в распределении ч2 (хи - квадрат) при разном числе степеней свободы
Моменты распределения "хи-квадрат":
Распределение "хи-квадрат" используют при оценивании дисперсии (с помощью доверительного интервала), при проверке гипотез согласия, однородности, независимости, прежде всего для качественных (категоризованных) переменных, принимающих конечное число значений, и во многих других задачах статистического анализа данных.
2. "Хи-квадрат" в задачах статистического анализа данных
Статистические методы анализа данных применяются практически во всех областях деятельности человека. Их используют всегда, когда необходимо получить и обосновать какие-либо суждения о группе (объектов или субъектов) с некоторой внутренней неоднородностью.
Современный этап развития статистических методов можно отсчитывать с 1900 г., когда англичанин К. Пирсон основал журнал "Biometrika". Первая треть ХХ в. прошла под знаком параметрической статистики. Изучались методы, основанные на анализе данных из параметрических семейств распределений, описываемых кривыми семейства Пирсона. Наиболее популярным было нормальное распределение. Для проверки гипотез использовались критерии Пирсона, Стьюдента, Фишера. Были предложены метод максимального правдоподобия, дисперсионный анализ, сформулированы основные идеи планирования эксперимента.
Распределение "хи-квадрат" является одним из наиболее широко используемых в статистике для проверки статистических гипотез. На основе распределения "хи-квадрат" построен один из наиболее мощных критериев согласия - критерий "хи-квадрата" Пирсона.
Критерием согласия называют критерий проверки гипотезы о предполагаемом законе неизвестного распределения.
Критерий ч2 ("хи-квадрат") используется для проверки гипотезы различных распределений. В этом заключается его достоинство.
Расчетная формула критерия равна
где m и m" - соответственно эмпирические и теоретические частоты
рассматриваемого распределения;
n - число степеней свободы.
Для проверки нам необходимо сравнивать эмпирические (наблюдаемые) и теоретические (вычисленные в предположении нормального распределения) частоты.
При полном совпадении эмпирических частот с частотами, вычисленными или ожидаемыми S (Э - Т) = 0 и критерий ч2 тоже будет равен нулю. Если же S (Э - Т) не равно нулю это укажет на несоответствие вычисленных частот эмпирическим частотам ряда. В таких случаях необходимо оценить значимость критерия ч2, который теоретически может изменяться от нуля до бесконечности. Это производится путем сравнения фактически полученной величины ч2ф с его критическим значением (ч2st).Нулевая гипотеза, т. е. предположение, что расхождение между эмпирическими и теоретическими или ожидаемыми частотами носит случайный характер, опровергается, если ч2ф больше или равно ч2st для принятого уровня значимости (a) и числа степеней свободы (n).
Распределение вероятных значений случайной величины ч2 непрерывно и ассиметрично. Оно зависит от числа степеней свободы (n) и приближается к нормальному распределению по мере увеличения числа наблюдений. Поэтому применение критерия ч2 к оценке дискретных распределений сопряжено с некоторыми погрешностями, которые сказываются на его величине, особенно на малочисленных выборках. Для получения более точных оценок выборка, распределяемая в вариационный ряд, должна иметь не менее 50 вариантов. Правильное применение критерия ч2 требует также, чтобы частоты вариантов в крайних классах не были бы меньше 5; если их меньше 5, то они объединяются с частотами соседних классов, чтобы в сумме составляли величину большую или равную 5. Соответственно объединению частот уменьшается и число классов (N). Число степеней свободы устанавливается по вторичному числу классов с учетом числа ограничений свободы вариации.
Так как точность определения критерия ч2 в значительной степени зависит от точности расчета теоретических частот (Т), для получения разности между эмпирическими и вычисленными частотами следует использовать неокругленные теоретические частоты.
В качестве примера возьмем исследование, опубликованное на сайте, который посвящен применению статистических методов в гуманитарных науках.
Критерий "Хи-квадрат" позволяет сравнивать распределения частот вне зависимости от того, распределены они нормально или нет.
Под частотой понимается количество появлений какого-либо события. Обычно, с частотой появления события имеют дело, когда переменные измерены в шкале наименований и другой их характеристики, кроме частоты подобрать невозможно или проблематично. Другими словами, когда переменная имеет качественные характеристики. Так же многие исследователи склонны переводить баллы теста в уровни (высокий, средний, низкий) и строить таблицы распределений баллов, чтобы узнать количество человек по этим уровням. Чтобы доказать, что в одном из уровней (в одной из категорий) количество человек действительно больше (меньше) так же используется коэффициент Хи-квадрат.
Разберем самый простой пример.
Среди младших подростков был проведён тест для выявления самооценки. Баллы теста были переведены в три уровня: высокий, средний, низкий. Частоты распределились следующим образом:
Высокий (В) 27 чел.
Средний (С) 12 чел.
Низкий (Н) 11 чел.
Очевидно, что детей с высокой самооценкой большинство, однако это нужно доказать статистически. Для этого используем критерий Хи-квадрат.
Наша задача проверить, отличаются ли полученные эмпирические данные от теоретически равновероятных. Для этого необходимо найти теоретические частоты. В нашем случае, теоретические частоты - это равновероятные частоты, которые находятся путём сложения всех частот и деления на количество категорий.
В нашем случае:
(В + С + Н)/3 = (27+12+11)/3 = 16,6
Формула для расчета критерия хи-квадрат:
ч2 = ?(Э - Т)І / Т
Строим таблицу:
|
Эмпирич. (Э) |
Теоретич. (Т) |
(Э - Т)І / Т |
||
Находим сумму последнего столбца:
Теперь нужно найти критическое значение критерия по таблице критических значений (Таблица 1 в приложении). Для этого нам понадобится число степеней свободы (n).
n = (R - 1) * (C - 1)
где R - количество строк в таблице, C - количество столбцов.
В нашем случае только один столбец (имеются в виду исходные эмпирические частоты) и три строки (категории), поэтому формула изменяется - исключаем столбцы.
n = (R - 1) = 3-1 = 2
Для вероятности ошибки p?0,05 и n = 2 критическое значение ч2 = 5,99.
Полученное эмпирическое значение больше критического - различия частот достоверны (ч2= 9,64; p?0,05).
Как видим, расчет критерия очень прост и не занимает много времени. Практическая ценность критерия хи-квадрат огромна. Этот метод оказывается наиболее ценным при анализе ответов на вопросы анкет.
Разберем более сложный пример.
К примеру, психолог хочет узнать, действительно ли то, что учителя более предвзято относятся к мальчикам, чем к девочкам. Т.е. более склонны хвалить девочек. Для этого психологом были проанализированы характеристики учеников, написанные учителями, на предмет частоты встречаемости трех слов: "активный", "старательный", "дисциплинированный", синонимы слов так же подсчитывались.
Данные о частоте встречаемости слов были занесены в таблицу:
Для обработки полученных данных используем критерий хи-квадрат.
Для этого построим таблицу распределения эмпирических частот, т.е. тех частот, которые мы наблюдаем:
Теоретически, мы ожидаем, что частоты распределятся равновероятно, т.е. частота распределится пропорционально между мальчиками и девочками. Построим таблицу теоретических частот. Для этого умножим сумму по строке на сумму по столбцу и разделим получившееся число на общую сумму (s).
Итоговая таблица для вычислений будет выглядеть так:
|
Эмпирич. (Э) |
Теоретич. (Т) |
(Э - Т)І / Т |
|||
|
Мальчики |
"Активный" |
||||
|
"Старательный" |
|||||
|
"Дисциплинированный" |
|||||
|
"Активный" |
|||||
|
"Старательный" |
|||||
|
"Дисциплинированный" |
|||||
|
Сумма: 4,21 |
ч2 = ?(Э - Т)І / Т
где R - количество строк в таблице.
В нашем случае хи-квадрат = 4,21; n = 2.
По таблице критических значений критерия находим: при n = 2 и уровне ошибки 0,05 критическое значение ч2 = 5,99.
Полученное значение меньше критического, а значит принимается нулевая гипотеза.
Вывод: учителя не придают значение полу ребенка при написании ему характеристики.
Заключение
Студенты почти всех специальностей изучают в конце курса высшей математики раздел "теория вероятностей и математическая статистика", реально они знакомятся лишь с некоторыми основными понятиями и результатами, которых явно не достаточно для практической работы. С некоторыми математическими методами исследования студенты встречаются в специальных курсах (например, таких, как "Прогнозирование и технико-экономическое планирование", "Технико-экономический анализ", "Контроль качества продукции", "Маркетинг", "Контроллинг", "Математические методы прогнозирования", "Статистика" и др. - в случае студентов экономических специальностей), однако изложение в большинстве случаев носит весьма сокращенный и рецептурный характер. В результате знаний у специалистов по прикладной статистике недостаточно.
Поэтому большое значение имеет курс "Прикладная статистика" в технических вузах, а в экономических вузах - курса "Эконометрика", поскольку эконометрика - это, как известно, статистический анализ конкретных экономических данных.
Теория вероятности и математическая статистика дают фундаментальные знания для прикладной статистики и эконометрики.
Они необходимы специалистам для практической работы.
Я рассмотрела непрерывную вероятностную модель и постаралась на примерах показать ее используемость.
И в конце своей работы я пришла к выводу, что грамотная реализация основных процедур математико-статического анализа данных, статическая проверка гипотез невозможна без знания модели "хи-квадрат", а также умения пользоваться ее таблицей.
Список используемой литературы
1. Орлов А.И. Прикладная статистика. М.: Издательство "Экзамен", 2004.
2. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1999. - 479с.
3. Айвозян С.А. Теория вероятностей и прикладная статистика, т.1. М.: Юнити, 2001. - 656с.
4. Хамитов Г.П., Ведерникова Т.И. Вероятности и статистика. Иркутск: БГУЭП, 2006 - 272с.
5. Ежова Л.Н. Эконометрика. Иркутск: БГУЭП, 2002. - 314с.
6. Мостеллер Ф. Пятьдесят занимательных вероятностных задач с решениями. М.: Наука, 1975. - 111с.
7. Мостеллер Ф. Вероятность. М.: Мир, 1969. - 428с.
8. Яглом А.М. Вероятность и информация. М.: Наука, 1973. - 511с.
9. Чистяков В.П. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1982. - 256с.
10. Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: ЮНИТИ, 2000. - 543с.
11. Математическая энциклопедия, т.1. М.: Советская энциклопедия, 1976. - 655с.
12. http://psystat.at.ua/ - Статистика в психологии и педагогике. Статья Критерий Хи-квадрат.
Приложение
Критические точки распределения ч2
Таблица 1
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Вероятностная модель и аксиоматика А.Н. Колмогорова. Случайные величины и векторы, классическая предельная проблема теории вероятностей. Первичная обработка статистических данных. Точечные оценки числовых характеристик. Статистическая проверка гипотез.
методичка , добавлен 02.03.2010
Правила выполнения и оформления контрольных работ для заочного отделения. Задания и примеры решения задач по математической статистике и теории вероятности. Таблицы справочных данных распределений, плотность стандартного нормального распределения.
методичка , добавлен 29.11.2009
Основные методы формализованного описания и анализа случайных явлений, обработки и анализа результатов физических и численных экспериментов теории вероятности. Основные понятия и аксиомы теории вероятности. Базовые понятия математической статистики.
курс лекций , добавлен 08.04.2011
Определение закона распределения вероятностей результатов измерения в математической статистике. Проверка соответствия эмпирического распределения теоретическому. Определение доверительного интервала, в котором лежит значение измеряемой величины.
курсовая работа , добавлен 11.02.2012
Сходимость последовательностей случайных величин и вероятностных распределений. Метод характеристических функций. Проверка статистических гипотез и выполнение центральной предельной теоремы для заданных последовательностей независимых случайных величин.
курсовая работа , добавлен 13.11.2012
Основные этапы обработки данных натуральных наблюдений методом математической статистики. Оценка полученных результатов, их использование при принятии управленческих решений в области охраны природы и природопользования. Проверка статистических гипотез.
практическая работа , добавлен 24.05.2013
Сущность закона распределения и его практическое применение для решения статистических задач. Определение дисперсии случайной величины, математического ожидания и среднеквадратического отклонения. Особенности однофакторного дисперсионного анализа.
контрольная работа , добавлен 07.12.2013
Вероятность и ее общее определение. Теоремы сложения и умножения вероятностей. Дискретные случайные величины и их числовые характеристики. Закон больших чисел. Статистическое распределение выборки. Элементы корреляционного и регрессионного анализа.
курс лекций , добавлен 13.06.2015
Программа курса, основные понятия и формулы теории вероятностей, их обоснование и значение. Место и роль математической статистики в дисциплине. Примеры и разъяснения по решению самых распространенных задач по различным темам данных учебных дисциплин.
методичка , добавлен 15.01.2010
Теория вероятностей и математическая статистика являются науками о методах количественного анализа массовых случайных явлений. Множество значений случайной величины называется выборкой, а элементы множества – выборочными значениями случайной величины.
Особенный интерес представляет количественная оценка предпринимательского риска при помощи методов математической статистики. Основными инструментами этого метода оценки являются:
§ вероятность появления случайной величины ,
§ математическое ожидание или среднее значение исследуемой случайной величины,
§ дисперсия ,
§ стандартное (среднеквадратическое) отклонение ,
§ коэффициент вариации ,
§ распределение вероятностей исследуемой случайной величины.
Для принятия решения нужно знать величину (степень) риска, которая измеряется двумя критериями:
1) среднее ожидаемое значение (математическое ожидание),
2) колебания (изменчивость) возможного результата.
Среднее ожидаемое значение 
это средневзвешенное значение случайной величины, которое связано с неопределенностью ситуации:
,
где значение случайной величины.
Среднее ожидаемое значение измеряет результат, который мы ожидаем в среднем.
Среднее значение является обобщенной качественной характеристикой и не позволяет принятия решения в пользу какого-нибудь отдельного значения случайной величины.
Для принятия решения необходимо измерить колебания показателей, то есть определить меру изменчивости возможного результата.
Колебание возможного результата представляет собой степень отклонения ожидаемого значения от средней величины.
Для этого на практике обычно используют два тесно связанных критерия: «дисперсия» и «среднеквадратическое отклонение».
Дисперсия – средневзвешенное из квадратов действительных результатов от среднего ожидаемого:
Среднеквадратическое отклонение – это квадратный кореньиз дисперсии. Оно является размерной величиной и измеряется в тех же единицах, в которых измеряется исследуемая случайная величина:
.
Дисперсия и среднеквадратическое отклонение служат мерой абсолютного колебания. Для анализа обычно используется коэффициент вариации.
Коэффициент вариации представляет собой отношение среднеквадратического отклонения к среднему ожидаемому значению , умноженное на 100%
или 
.
На коэффициент вариации не влияют абсолютные значения исследуемого показателя.
С помощью коэффициента вариации можно сравнивать даже колебания признаков, выраженных в разных единицах измерения. Коэффициент вариации может изменяться от 0 до 100%. Чем больше коэффициент, тем больше колебания.
В экономической статистике установлена такая оценка разных значений коэффициента вариации:
до 10% - слабое колебание, 10 – 25% - умеренное, свыше 25% - высокое.
Соответственно, чем выше колебания, тем больше риск.
Пример. Владелец небольшого магазина вначале каждого дня закупает для реализации некоторый скоропортящийся продукт. Единица этого продукта стоит 200 грн. Цена реализации – 300 грн. за единицу. Из наблюдений известно, что спрос на этот продукт на протяжении дня может быть 4, 5, 6 или 7 единиц с соответствующими вероятностями 0,1; 0,3; 0,5; 0,1. Если продукт на протяжении дня не будет реализован, то в конце дня его всегда купят по цене 150 грн. за единицу. Сколько единиц этого продукта должен закупить владелец магазина вначале дня?
Решение. Построим матрицу прибыли владельца магазина. Вычислим прибыль, которую получит владелец, если, например, он закупит 7 единиц продукта, а реализует на протяжении дня 6 и в конце дня одну единицу. Каждая единица продукта, реализованная на протяжении дня, дает прибыль в 100 грн., а в конце дня – потери 200 – 150 = 50 грн. Таким образом, прибыль в этом случае будет составлять:
Аналогично проводятся расчеты при других сочетаниях предложения и спроса.
Ожидаемая прибыль вычисляется как математическое ожидание возможных значений прибыли каждой строки построенной матрицы с учетом соответствующих вероятностей. Как видим, среди ожидаемых прибылей наибольшая равна 525 грн. Она соответствует закупке рассматриваемого продукта в количестве 6 единиц.
Для обоснования окончательной рекомендации о закупке необходимого количества единиц продукта вычислим дисперсию, среднеквадратическое отклонение и коэффициент вариации для каждого возможного сочетания предложения и спроса продукта (каждой строки матрицы прибыли):
| 400 | 0,1 | 40 | 16000 |
| 400 | 0,3 | 120 | 48000 |
| 400 | 0,5 | 200 | 80000 |
| 400 | 0,1 | 40 | 16000 |
| 1,0 | 400 | 160000 |
| 350 | 0,1 | 35 | 12250 |
| 500 | 0,3 | 150 | 75000 |
| 500 | 0,5 | 250 | 125000 |
| 500 | 0,1 | 50 | 25000 |
| 1,0 | 485 | 2372500 |
| 300 | 0,1 | 30 | 9000 |
| 450 | 0,3 | 135 | 60750 |
| 600 | 0,5 | 300 | 180000 |
| 600 | 0,1 | 60 | 36000 |
| 1,0 | 525 | 285750 |
Что касается закупки владельцем магазина 6 единиц продукта в сравнении с 5 и 4 единицами, то это неочевидно, поскольку риск при закупке 6 единиц продукта (19,2%) больше, чем при закупке 5 единиц (9,3%) и тем более, чем при закупке 4 единиц (0%).
Таким образом, имеем всю информацию об ожидаемых прибылях и рисках. И решать, сколько единиц продукта нужно закупить каждое утро владельцу магазина с учетом своего опыта, склонности к риску.
На наш взгляд, владельцу магазина следует рекомендовать каждое утро закупать 5 единиц продукта и его средняя ожидаемая прибыль будет равна 485 грн. и если сравнить это с закупкой 6 единиц продукта, при которой средняя ожидаемая прибыль составляет 525 грн., что на 40 грн. больше, но риск в этом случае будет большим в 2,06 раза.
Вероятностно-статистические методы моделирования экономических систем
Введение
Под задачей идентификации закона распределения наблюдаемой случайной величины (структурно-параметрической идентификации), как правило, понимают задачу выбора такой параметрической модели закона распределения вероятностей, которая наилучшим образом соответствует результатам экспериментальных наблюдений. Случайные ошибки средств измерений не так уж часто подчиняются нормальному закону, точнее, не так часто хорошо описываются моделью нормального закона. В основе измерительных приборов и систем лежат различные физические принципы, различные методы измерений и различные преобразования измерительных сигналов. Погрешности измерений как величины являются следствием влияния множества факторов, случайного и неслучайного характера, действующих постоянно или эпизодически. Поэтому понятно, что только при выполнении определенных предпосылок (теоретических и технических) погрешности измерений достаточно хорошо описываются моделью нормального закона.
Вообще говоря, следует понимать, что истинный закон распределения (если он, конечно, существует), описывающий погрешности конкретной измерительной системы, остается (останется) неизвестным, не смотря на все наши попытки его идентифицировать. На основании данных измерений и теоретических соображений мы можем только подобрать вероятностную модель, которая в некотором смысле наилучшим образом приближает этот истинный закон. Если построенная модель адекватна, то есть применяемые критерии не дают оснований для ее отклонения, то на основе данной модели можно вычислить все интересующие нас вероятностные характеристики случайной составляющей погрешности измерительного средства, которые будут отличаться от истинных значений только за счет не исключенной систематической (ненаблюдаемой или нерегистрируемой) составляющей погрешности измерений. Ее малость и характеризует правильность измерений. Множество возможных законов распределения вероятностей, которые можно использовать для описания наблюдаемых случайных величин, не ограничено. Бессмысленно ставить целью задачи идентификации нахождение истинного закона распределения наблюдаемой величины. Мы можем лишь решать задачу выбора наилучшей модели из некоторого множества. Например, из того множества параметрических законов и семейств распределений, которые используются в приложениях, и упоминание о которых можно найти в литературных источниках.
Классический подход к структурно-параметрической идентификации закона распределения. Под классическим подходом будем понимать алгоритм выбора закона распределения, целиком базирующийся на аппарате математической статистики.
1. Элементарные понятия о случайных событиях, величинах и функциях
Мы уже видели, что для многих экспериментов нет никаких различий в подсчёте вероятностей событий, тогда как элементарные исходы в этих экспериментах очень различаются. Но нас и должны интересовать именно вероятности событий, а не структура пространства элементарных исходов. Поэтому пора во всех таких «похожих» экспериментах вместо самых разных элементарных исходов использовать, например, числа. Иначе говоря, каждому элементарному исходу поставить в соответствие некоторое вещественное число, и работать только с числами.
Пусть задано вероятностное пространство .
Определение 26. Функция называется случайной величиной , если для любого борелевского множества множество является событием, т.е. принадлежит - алгебре .
Множество , состоящее из тех элементарных исходов , для которых принадлежит , называется полным прообразом множества .
Замечание 9. Вообще, пусть функция действует из множества в множество , и заданы -алгебры и подмножеств и соответственно. Функция называется измеримой , если для любого множества его полный прообраз принадлежит .
Замечание 10.Читатель, не желающий забивать себе голову абстракциями, связанными с -алгебрами событий и с измеримостью, может смело считать, что любое множество элементарных исходов есть событие, и, следовательно, случайная величина есть произвольная функция из в . Неприятностей на практике это не влечёт, так что всё дальнейшее в этом параграфе можно пропустить.
Теперь, избавившись от нелюбопытных читателей, попробуем понять, зачем случайной величине нужна измеримость.
Если задана случайная величина , нам может потребоваться вычислить вероятности вида , , , (и вообще самые разные вероятности попадания в борелевские множества на прямой). Это возможно лишь если множества, стоящие под знаком вероятности, являются событиями - ведь вероятность есть функция, определённая только на -алгебре событий. Требование измеримости равносильно тому, что для любого борелевского множества определена вероятность .
Можно потребовать в определении 26 чего-нибудь другого. Например, чтобы событием было попадание в любой интервал: , или в любой полуинтервал: .
Убедимся, например, что эквивалентны определения 26 и 27:
Определение 27.Функция называется случайной величиной, если для любых вещественных множество принадлежит -алгебре .
Доказательствоэквивалентности определений 26, 27.
Если - случайная величина в смысле определения 26, то она будет случайной величиной и в смысле определения 27, поскольку любой интервал является борелевским множеством.
Докажем, что верно и обратное. Пусть для любого интервала выполнено . Мы должны доказать, что то же самое верно и для любых борелевских множеств.
Соберём в множестве все подмножества вещественной прямой, прообразы которых являются событиями. Множество уже содержит все интервалы . Покажем теперь, что множество является -алгеброй. По определению, тогда и только тогда, когда множество принадлежит .
1. Убедимся, что . Но и, следовательно, .
2. Убедимся, что для любого . Пусть . Тогда , так как - -алгебра.
3. Убедимся, что для любых . Пусть для всех . Но - -алгебра, поэтому
Мы доказали, что - -алгебра и содержит все интервалы на прямой. Но - наименьшая из -алгебр, содержащих все интервалы на прямой. Следовательно, содержит : .
Приведём примеры измеримых и неизмеримых функций.
Пример 25.Подбрасываем кубик. Пусть , и две функции из в заданы так: , . Пока не задана -алгебра , нельзя говорить об измеримости. Функция, измеримая относительно какой-то -алгебры , может не быть таковой для другой .
Если есть множество всех подмножеств , то и являются случайными величинами, поскольку любое множество элементарных исходов принадлежит , в том числе и или . Можно записать соответствие между значениями случайных величин и и вероятностями принимать эти значения в виде «таблицы распределения вероятностей» или, коротко, «таблицы распределения»:
Здесь .
2. Пусть -алгебра событий состоит из четырёх множеств:
т.е. событием является, кроме достоверного и невозможного событий, выпадение чётного или нечётного числа очков. Убедимся, что при такой сравнительно бедной -алгебре ни , ни не являются случайными величинами, поскольку они неизмеримы. Возьмём, скажем, . Видим, что и
2. Числовые характеристики случайных величин
Математическое ожидание. Математическим ожиданием дискретной случайной величины Х, принимающей конечное число значений хi с вероятностями рi, называется сумма:
(6а)
Математическим ожиданием непрерывной случайной величины Х называется интеграл от произведения ее значений х на плотность распределения вероятностей f(x):
(6б)
Несобственный интеграл (6б) предполагается абсолютно сходящимся (в противном случае говорят, что математическое ожидание М (Х) не существует). Математическое ожидание характеризует среднее значение случайной величины Х. Его размерность совпадает с размерностью случайной величины. Свойства математического ожидания:
Дисперсия. Дисперсией случайной величины Х называется число:
Дисперсия является характеристикой рассеяния значений случайной величины Х относительно ее среднего значения М (Х). Размерность дисперсии равна размерности случайной величины в квадрате. Исходя из определений дисперсии (8) и математического ожидания (5) для дискретной случайной величины и (6) для непрерывной случайной величины получим аналогичные выражения для дисперсии:
Здесь m = М (Х).
Свойства дисперсии:
(10)
Среднее квадратичное отклонение:
(11)
Так как размерность среднего квадратичного отклонения та же, что и у случайной величины, оно чаще, чем дисперсия, используется как мера рассеяния.
Моменты распределения. Понятия математического ожидания и дисперсии являются частными случаями более общего понятия для числовых характеристик случайных величин - моментов распределения. Моменты распределения случайной величины вводятся как математические ожидания некоторых простейших функций от случайной величины. Так, моментом порядка k относительно точки х0называется математическое ожидание М (Х - х0) k. Моменты относительно начала координат х = 0 называются начальными моментами и обозначаются:
(12)
Начальный момент первого порядка есть центр распределения рассматриваемой случайной величины:
(13)
Моменты относительно центра распределения х = m называются центральными моментами и обозначаются:
(14)
Из (7) следует, что центральный момент первого порядка всегда равен нулю:
(15)
Центральные моменты не зависят от начала отсчета значений случайной величины, так как при сдвиге на постоянное значение С ее центр распределения сдвигается на то же значение С, а отклонение от центра не меняется:
Х - m = (Х - С) - (m - С).
Теперь очевидно, что дисперсия - это центральный момент второго порядка:
(16)
Асимметрия. Центральный момент третьего порядка:
(17)
служит для оценки асимметрии распределения. Если распределение симметрично относительно точки х = m, то центральный момент третьего порядка будет равен нулю (как и все центральные моменты нечетных порядков). Поэтому, если центральный момент третьего порядка отличен от нуля, то распределение не может быть симметричным. Величину асимметрии оценивают с помощью безразмерного коэффициента асимметрии:
(18)
Знак коэффициента асимметрии (18) указывает на правостороннюю или левостороннюю асимметрию (рис. 2).
Рис. 1. Виды асимметрии распределений
Эксцесс. Центральный момент четвертого порядка:
(19)
служит для оценки так называемого эксцесса, определяющего степень крутости (островершинности) кривой распределения вблизи центра распределения по отношению к кривой нормального распределения. Так как для нормального распределения, то в качестве эксцесса принимается величина:
(20)
На рис. 3 приведены примеры кривых распределения с различными значениями эксцесса. Для нормального распределения Е = 0. Кривые, более островершинные, чем нормальная, имеют положительный эксцесс, более плосковершинные - отрицательный.
Рис. 2. Кривые распределения с различной степенью крутости (эксцессом)
Моменты более высоких порядков в инженерных приложениях математической статистики обычно не применяются.
Мода дискретной случайной величины - это ее наиболее вероятное значение. Модой непрерывной случайной величины называется ее значение, при котором плотность вероятности максимальна (рис. 2). Если кривая распределения имеет один максимум, то распределение называется унимодальным. Если кривая распределения имеет более одного максимума, то распределение называется полимодальным. Иногда встречаются распределения, кривые которых имеют не максимум, а минимум. Такие распределения называются антимодальными. В общем случае мода и математическое ожидание случайной величины не совпадают. В частном случае, для модального, т.е. имеющего моду, симметричного распределения и при условии, что существует математическое ожидание, последнее совпадает с модой и центром симметрии распределения.
Медиана случайной величины Х - это ее значение Ме, для которого имеет место равенство: т.е. равновероятно, что случайная величина Х окажется меньше или больше Ме. Геометрически медиана - это абсцисса точки, в которой площадь под кривой распределения делится пополам. В случае симметричного модального распределения медиана, мода и математическое ожидание совпадают.
. Статистическая оценка законов распределения случайных величин
Генеральной совокупностью - называется совокупность всех подлежащих изучению объектов или возможных результатов всех наблюдений, производимых в одинаковых условиях над одним объектом.
Выборочной совокупностью или выборкой называется совокупность объектов или результатов наблюдения над объектом, отобранных случайным образом из генеральной совокупности.
Объемом выборки называется число объектов или наблюдений в выборке.
Конкретные значения выборки называются наблюдаемыми значениями случайной величины Х. Наблюдаемые значения заносятся в протокол. Протокол представляет собой таблицу. Составленный протокол является первичной формой записи обработки полученного материала. Для получения достоверных, надежных выводов выборка должна быть достаточно представительной по объему. Большая выборка - это неупорядоченное множество чисел. Для исследования выборку приводят к наглядному упорядоченному виду. Для этого в протоколе находят наибольшее и наименьшее значения случайной величины. Выборка, отсортированная по возрастанию, приведена в таблице 1.
Таблица 1. Протокол
8,66-5,49-4,11-3,48-2,9-2,32-1,82-1,09-0,440,64-8,31-4,71-3,92-3,41-2,85-2,31-1,82-1,01-0,430,71-8,23-4,68-3,85-3,33-2,83-2,29-1,8-0,99-0,430,73-7,67-4,6-3,85-3,25-2,77-2,27-1,77-0,95-0,310,99-6,64-4,43-3,81-3,08-2,72-2,25-1,73-0,89-0,31,03-6,6-4,38-3,8-3,07-2,67-2,19-1,38-0,70,041,05-6,22-4,38-3,77-3,01-2,6-2,15-1,32-0,560,081,13-5,87-4,25-3,73-3,01-2,49-2,09-1,3-0,510,151,76-5,74-4,18-3,59-2,99-2,37-2,01-1,28-0,490,262,95-5,68-4,14-3,49-2,98-2,33-1,91-1,24-0,480,534,42
Размахом выборки называется разность между наибольшим и наименьшим значением случайной величины Х:
Размах выборки разбивают на k интервалов - разрядов. Число разрядов устанавливают в зависимости от величины размаха выборки от 8 до 25, в этой курсовой работе примем k = 10.
Тогда длина интервала будет равна:
В протоколе подсчитаем число наблюдаемых значений, попавших в каждый интервал, обозначим их m1, m2,…, m10. .
Назовем mi частотой попадания случайной величины в i интервал. Если какое-либо наблюдаемое значение случайной величины совпадает с концом интервала, то это значение случайной величины по договоренности относят в один из интервалов.
После того как определили частоты mi, определим частости случайной величины, т.е. найдем отношение частот mi к общему числу наблюдаемых значений n.
Частость, условие полноты -
Найдем середину каждого интервала: .
Составим таблицу 2
Таблица значений границ интервалов и соответствующих частостей , где i = 1, 2, 3, …, k, называется статистическим рядом. Графическим изображением статистического ряда называется гистограмма. Она строится следующим образом: по оси абсцисс откладывают интервалы и на каждом таком интервале, как на основании, строится прямоугольник, площадь которого равна соответствующей частости.
, - высота прямоугольника, .
Таблица 2
Номер интервалаЛевая граница интервалаПравая граница интервалаИнтервалСередина интервалаЧастота интервалаЧастость интервалаВысота прямо-угольника1-8,66-7,352(-8,66; -7,352)-8,00640,040,03062-7,352-6,044(-7,352; -6,044)-6,69830,030,02293-6,044-4,736(-6,044; -4,736)-5,3940,040,03064-4,736-3,428(-4,736; -3,428)-4,082200,20,15295-3,428-2,12(-3,428; -2,12)-2,774260,260,19886-2,12-0,812(-2,12; -0,812)-1,466180,180,13767-0,8120,496(-0,812; 0,496)-0,158140,140,107080,4961,804(0,496; 1,804)1,1590,090,068891,8043,112(1,804; 3,112)2,45810,010,0076103,1124,42(3,112; 4,42)3,76610,010,0076Сумма1001
Рисунок 3
Статистической функцией распределения называется частость случайной величины, не превосходящая заданного значения Х:
Для дискретной случайной величины Х статистическая функция распределения находится по формуле:
Запишем статистическую функцию распределения в развернутом виде:
где - это середина интервала i, а - это соответствующие частости, где i=1, 2,…, k.
График статистической функции распределения есть ступенчатая линия, точками разрыва которой являются середины интервалов, а конечные скачки равны соответствующим частотам.
Рисунок 3
Вычисление числовых характеристик статистического ряда
Статистическое математическое ожидание,
Статистическая дисперсия,
Статистическое среднеквадратическое отклонение.
Статистическим математическим ожиданием или статистическим средним называется среднеарифметическое наблюдаемых значений случайной величины Х.
Статистической дисперсией называется среднеарифметическое значение величиныили
При большом объеме выборки вычисления по формулам и приводят к громоздким выкладкам. Для упрощения расчетов используют статистический ряд с границами и частостями , где i = 1, 2, 3, …, k, находят середины интервалов , а затем все элементы выборки, которые попали в интервал, заменяют единственным значением, тогда таких значений будетв каждом интервале .
где - среднее значение соответствующего интервала; - частость интервала
Таблица 4. Числовые характеристики
Частость PiXiPi(Xi-m)^2(Xi-m)^2*Pi1-8,0060,04-0,320231,486911,25952-6,6980,03-0,200918,518560,55563-5,390,04-0,21568,971940,35894-4,0820,20-0,81642,847050,56945-2,7740,26-0,72120,143880,03746-1,4660,18-0,26390,862450,15527-0,1580,14-0,02215,002740,700481,150,090,103512,564761,130892,4580,010,024623,548500,2355103,7660,010,037737,953980,3795Статистическое математическое ожидание-2,3947Статистическая дисперсия5,3822Статистическое среднее квадратическое отклонение2,3200
Определяет положение центра группировки наблюдаемых значений случайной величины.
, характеризуют рассеяние наблюдаемых значений случайной величины вокруг
Во всяком статистическом распределении неизбежно присутствуют элементы случайности. Однако при очень большом числе наблюдений эти случайности сглаживаются, и случайные явления обнаруживают присущую ему закономерность.
При обработке статистического материала приходится решать вопрос о том, как подобрать для данного статистического ряда теоретическую кривую. Эта теоретическая кривая распределения должна выражать существенные черты статистического распределения - эта задача называется задачей сглаживания или выравнивания статистического ряда.
Иногда общий вид распределения случайной величины Х вытекает из самой природы этой случайной величины.
Пусть случайная величина Х - это результат измерения некоторой физической величины прибора.
Х = точное значение физической величины + ошибка прибора.
Случайная ошибка прибора при измерении имеет суммарную природу и распределена по нормальному закону. Следовательно такое же распределение имеет случайная величина Х, т.е. нормальное распределение с плотностью вероятности:
Где , , .
Параметры и определяются так, чтобы числовые характеристики теоретического распределения были равны соответствующим числовым характеристикам статистического распределения. При нормальном распределении полагают, что ,,, тогда функция нормального распределения примет вид:
Таблица 5. Выравнивающая кривая
Номер интервалаСередина интервала XiТабулированная функцияНормальная кривая 1-8,0060-2,41870,02140,00922-6,6980-1,85490,07140,03083-5,3900-1,29110,17340,07474-4,0820-0,72730,30620,13205-2,7740-0,16350,39360,1697M-2,394700,39890,17206-1,46600,40030,36820,15877-0,15800,96410,25070,108081,15001,52790,12420,053592,45802,09170,04480,0193103,76602,65550,01170,0051
Теоретическую нормальную кривую строим по точкам на одном графике с гистограммой статистического ряда (Ошибка! Источник ссылки не найден).
Рисунок 6
Выравнивание статистической функции распределения
Статистическую функцию распределения выравниваем функцией распределения нормального закона:
где,, - функция Лапласа.
Таблица 7. Функция распределения
Номер интервалаСередина интервала XiФункция Лапласа Функция распределения1-8,0060-2,4187-0,49220,00782-6,6980-1,8549-0,46820,03183-5,3900-1,2911-0,40170,09834-4,0820-0,7273-0,26650,23355-2,7740-0,1635-0,06490,4351m-2,3947000,50006-1,46600,40030,15550,65557-0,15800,96410,33250,832581,15001,52790,43670,936792,45802,09170,48180,9818103,76602,65550,49600,9960
Строим график теоретической функции распределения по точкам / вместе с графиком статистической функции распределения.
Рисунок 6
Пусть изучается случайная величина Х с математическим ожиданием и дисперсией, оба параметра неизвестны.
Пусть х1, х2, х3, …, хn - выборка, полученная в результате проведения n независимых наблюдений случайной величины Х. Чтобы подчеркнуть случайный характер величин х1, х2, х3, …, хn перепишем их в виде:
Х1, Х2, Х3, …, Хn, где Хi - значение случайной величины Х в i-ом опыте.
Требуется на основании этих опытных данных оценить математическое ожидание и дисперсию случайной величины. Такие оценки называются точечными, в качестве оценки m и D можно принять статистическое математическое ожидание и статистическую дисперсию , где
До проведения опыта выборка Х1, Х2, Х3, …, Хn есть совокупность независимых случайных величин, которые имеют математическое ожидание и дисперсию, а значит распределение вероятности такие же как и сама случайная величина Х. Таким образом:
Где i = 1, 2, 3, …, n.
Исходя из этого, найдем математическое ожидание и дисперсию случайной величины (пользуясь свойствами математического ожидания).
Таким образом математическое ожидание статистического среднего равно точному значению математического ожидания m измеряемой величины, а дисперсия статистического среднего в n раз меньше дисперсии отдельных результатов измерений.
при
Это значит, что при большом объеме выборки N статистическое средние является величиной почти неслучайной, оно лишь незначительно отклоняется от точного значения случайной величины m. Этот закон называется законом больших чисел Чебышева.
Точечные оценки неизвестных значений математического ожидания и дисперсии имеют большое значение на первоначальном этапе обработки статических данных. Их недостаток в том, что неизвестно с кокой точностью они дают оцениваемый параметр.
Пусть по данной выборке Х1, Х2, Х3, …, Хn получены точные статистические оценки и, тогда числовые характеристики случайной величины Х будут приближенно равны . Для выборки небольшого объема вопрос поточности оценки существенен, т.к. между m и, D и будут недостаточно большие отклонения. Кроме того при решении практических задач требуется не только найти приближенные значения m и D, но и оценить их точность и надежность. Пусть , т.е. является точечной оценкой для m. Очевидно, чтотем точнее определяет m, чем меньше модуль разности . Пусть , где ?>0, тогда, чем меньше ?, тем точнее оценка m. Таким образом, ?>0 характеризует точность оценки параметра. Однако статистические методы не позволяют категорически утверждать, что оценка истинного значения m удовлетворяет, можно лишь говорить о вероятности ?, с которой это неравенство выполняется:
Таким образом, ? - это доверительная вероятность или надежность оценки , значение ? выбираются заранее в зависимости от решаемой задачи. Надежность ? принято выбирать 0.9; 0.95; 0.99; 0.999. События с такой вероятностью являются практически достоверными. По заданной доверительной вероятности можно найти число ?>0 из .
Тогда получим интервал, который накрывает с вероятностью ? истинное значение математического ожидания m, длина этого интервала равна 2?. Этот интервал называется доверительным интервалом . А такой способ оценки неизвестного параметра m - интервальным .
Пусть дана выборка Х1, Х2, Х3, …, Хn, и пусть по этой выборке найдено ,,.
Требуется найти доверительный интервал для математического ожидания m с доверительной вероятностью ?. Величина есть величина случайная с математическим ожиданием,.
Случайная величина имеет суммарную природу, при большом объеме выборки она распределена по закону близкому к нормальному. Тогда вероятность попадания случайной величины в интервал будет равна:
Где
Где - функция Лапласа.
Из формулы (3) и таблиц функции Лапласа находим число ?>0 и записываем доверительный интервал для точного значения случайной величины Х с надежностью ?.
В этой курсовой работе значение ? заменим, и тогда формула (3) примет вид:
Найдем доверительный интервал , в котором находится математическое ожидание. При ? = 0.99, n = 100, ,.
по таблицам Лапласа находим:
Отсюда ? = 0,5986.
Доверительный интервал, в котором с вероятностью 99% находится точное значение математического ожидания.
Заключение
случайный величина распределение экономический
Решение задач структурно-параметрической идентификации при ограниченных объемах выборок, которыми, как правило, обладают метрологи, обостряет проблему. В этом случае еще более важными оказываются корректность применения статистических методов анализа, использование оценок, обладающих наилучшими статистическими свойствами, и критериев, обладающих наибольшей мощностью.
При решении задач идентификации предпочтительнее опираться на классический подход. При идентификации рекомендуется рассматривать более широкое множество законов распределения, в том числе модели в виде смесей законов. В этом случае для любого эмпирического распределения мы всегда сможем построить адекватную, статистически существенно более обоснованную математическую модель.
Следует ориентироваться на использование и разработку программных систем, обеспечивающих решение задач структурно-параметрической идентификации законов распределений при любой форме регистрируемых наблюдений (измерений), включающих современные методы статистического анализа, ориентироваться на широкое, но корректное использование в исследованиях методов компьютерного моделирования. Мы уже видели, что для многих экспериментов нет никаких различий в подсчёте вероятностей событий, тогда как элементарные исходы в этих экспериментах очень различаются. Но нас и должны интересовать именно вероятности событий, а не структура пространства элементарных исходов. Поэтому пора во всех таких «похожих» экспериментах вместо самых разных элементарных исходов использовать, например, числа. Иначе говоря, каждому элементарному исходу поставить в соответствие некоторое вещественное число, и работать только с числами.
