6._两个正态总体方差的假设检验_F检验法

在实际应用当中,我们还常常会遇到两个正态总体的参数比较问题,例如,比较两个品牌的同排量汽车的平均耗油量的优劣;又如,比较两台仪器测量精度的高低,等等.这些问题都可以在单个正态总体参数检验的基础上加以推广。

两个都是正态分布,通常有3种检验类型

(1)σ12,σ22\sigma_1^2, \sigma_2^2 已知,关于均值差 μ1μ2\mu_1-\mu_2 的检验 (2)σ12,σ22\sigma_1^2, \sigma_2^2 末知,但 σ12=σ22\sigma_1^2=\sigma_2^2 ,关于均值差 μ1μ2\mu_1-\mu_2 的检验 (3) μ1,μ2\mu_1, \mu_2 未知,关于方差比 σ12σ22\frac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} 的检验

上一节介绍了(1)(2)检验法,本节介绍(3) 检验法

两个正态总体方差的假设检验

XN(μ1,σ12),YN(μ2,σ22),X1,X2,,Xn1X \sim N\left(\mu_1, \sigma_1^2\right), Y \sim N\left(\mu_2, \sigma_2^2\right), X_1, X_2, \cdots, X_{n_1} 为取自总体 XX 的一个样本,Y1,Y2,,Yn2Y_1, Y_2, \cdots, Y_{n_2} 为取自总体 YY 的一个样本,记 Xˉ\bar{X}Yˉ\bar{Y} 分别为样本 X1,X2,,Xn1X_1, X_2, \cdots, X_{n_1}Y1,Y2,,Yn2Y_1, Y_2, \cdots, Y_{n_2} 的均值,S12S_1^2S22S_2^2 分别为相应的样本方差,并且两个样本相互独立.

关于正态方差 σ1\sigma_1σ2\sigma_2 的比较,有如下三类检验问题: (1)H0:σ12=σ22,H1:σ12σ22H_0: \sigma_1^2=\sigma_2^2, H_1: \sigma_1^2 \neq \sigma_2^2 (2)H0:σ12σ22,H1:σ12>σ22H_0: \sigma_1^2 \leqslant \sigma_2^2, H_1: \sigma_1^2>\sigma_2^2 (3)H0:σ12σ22,H1:σ12<σ22H_0: \sigma_1^2 \geqslant \sigma_2^2, H_1: \sigma_1^2<\sigma_2^2 等价形式分别为 (1)H0:σ12σ22=1,H1:σ12σ221H_0: \frac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2}=1, H_1: \frac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} \neq 1 (2)H0:σ12σ221,H1:σ12σ22>1H_0: \frac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} \leqslant 1, H_1: \frac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2}>1 (3)H0:σ12σ221,H1:σ12σ22<1H_0: \frac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} \geqslant 1, H_1: \frac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2}<1 首先考虑双边假设检验。 (I)检验假设

H0:σ12=σ22;H1:σ12σ22H_0: \sigma_1^2=\sigma_2^2 ; \quad H_1: \sigma_1^2 \neq \sigma_2^2

S12S_1^2S22S_2^2σ12\sigma_1^2σ22\sigma_2^2 的无偏估计及第 6 章知,当 H0H_0 为真时

F=S12/S22F(n11,n21)F=S_1^2 / S_2^2 \sim F\left(n_1-1, n_2-1\right)

故选取 FF 作为检验统计量.相应的检验法称为 FF 检验法( FF-test)。 当 H0H_0 成立时,FF 的取值应集中在 1 的附近,H1H_1 成立时,FF 的取值有偏小或偏大的趋势,故拒绝域形式为

Fk1 或 Fk2(k1,k2 待定) F \leqslant k_1 \text { 或 } F \geqslant k_2 \quad\left(k_1, k_2\right. \text { 待定) }

对于给定的显著性水平 α\alpha ,有

P{FF1α/2(n11,n21) 或 FFα/2(n11,n21)}=αP\left\{F \leqslant F_{1-\alpha / 2}\left(n_1-1, n_2-1\right) \text { 或 } F \geqslant F_{\alpha / 2}\left(n_1-1, n_2-1\right)\right\}=\alpha \text {, }

如图 8.3.1 所示,拒绝域为 图片

W={FF1α/2(n11,n21) 或 FFα/2(n11,n21)}....(8.3.1)W=\left\{F \leqslant F_{1-\alpha / 2}\left(n_1-1, n_2-1\right) \text { 或 } F \geqslant F_{\alpha / 2}\left(n_1-1, n_2-1\right)\right\} . ...(8.3.1)

根据一次抽样后得到的样本观察值 x1,x2,,xn1x_1, x_2, \cdots, x_{n_1}y1,y2,,yn2y_1, y_2, \cdots, y_{n_2} 计算出 FF 的观察值,若式(8.3.1)成立,则拒绝原假设 H0H_0 ,否则接受 原假设 H0H_0 . 类似地推导,对单侧检验有: (2)检验假设

H0:σ12σ22,H1:σ12>σ22H_0: \sigma_1^2 \leqslant \sigma_2^2, \quad H_1: \sigma_1^2>\sigma_2^2

对应的拒绝域为

W={FFα(n11,n21)}.W=\left\{F \geqslant F_\alpha\left(n_1-1, n_2-1\right)\right\} .

(3)检验假设

H0:σ12σ22,H1:σ12<σ22H_0: \sigma_1^2 \geqslant \sigma_2^2, \quad H_1: \sigma_1^2<\sigma_2^2

对应的拒绝域为

W={FF1α(n11,n21)}.W=\left\{F \leqslant F_{1-\alpha}\left(n_1-1, n_2-1\right)\right\} .

两台机床加工同种零件,分别从两台车床加工的零件中抽取 6 个和 9 个测量其直径,并计算得 s12=0.345,s22=0.375s_1^2=0.345, s_2^2=0.375 .假定零件直径服从正态分布,试比较两台车床加工精度有无显著差异( α=0.10\alpha=0.10 )。

解 设两总体 XXYY 分别服从正态分布 N(μ1,σ12)N\left(\mu_1, \sigma_1^2\right)N(μ2,σ22),μ1, μ2, σ12, σ22N\left(\mu_2, \sigma_2^2\right), \mu_1, ~ \mu_2, ~ \sigma_1^2, ~ \sigma_2^2 未知. (1)建立假设 H0:σ12=σ22, H1:σ12σ22H_0: \sigma_1^2=\sigma_2^2, ~ H_1: \sigma_1^2 \neq \sigma_2^2 。 (2)选统计量 F=S11/S22F(n11,n21)F=S_1^1 / S_2^2 \sim F\left(n_1-1, n_2-1\right) . (3)对于给定的显著性水平 α\alpha ,确定 k1, k2k_1, ~ k_2 ,使 P{F<k1P\left\{F<k_1\right.F>k2}=α\left.F>k_2\right\}=\alpha ,查附录 E 得

k1=F1α/2(n11,n21)=F0.95(5,8)=1F0.05(8,5)=0.208,k2=Fα/2(n11,n21)=F0.05(5,8)=3.69,\begin{gathered} k_1=F_{1-\alpha / 2}\left(n_1-1, n_2-1\right)=F_{0.95}(5,8)=\frac{1}{F_{0.05}(8,5)}=0.208, \\ k_2=F_{\alpha / 2}\left(n_1-1, n_2-1\right)=F_{0.05}(5,8)=3.69, \end{gathered}

从而拒绝域为 F<0.208F<0.208F>3.69F>3.69 . (4)由于 s12=0.345,s22=0.375s_1^2=0.345, s_2^2=0.375 ,所以 F=s12/s22=0.92F=s_1^2 / s_2^2=0.92 . 而 0.208<0.92<3.690.208<0.92<3.69 ,故应接受 H0H_0 ,即认为两车床加工精度无差异.

新,旧两个水稻品种进行对比试验,旧品种其分成 25 个小区,样本均值为 xˉ1=36.65kg\bar{x}_1=36.65 kg ,样本标准差为 s1=2.32kgs_1=2.32 kg ;新品种其分成 20 个小区,样本均值为 xˉ2=37.65kg\bar{x}_2=37.65 kg ,样本标准差为 s2=1.89kgs_2=1.89 kg 。新品种与旧品种的总体方差是否有显著性差异(显著性水平 α=0.05\alpha=0.05 )?

解 待检假设为

H0:σ12=σ22;H1:σ12σ22H_0: \sigma_1^2=\sigma_2^2 ; H_1: \sigma_1^2 \neq \sigma_2^2

这里 n1=25,n2=20,s1=2.32,s2=1.89n_1=25, n_2=20, s_1=2.32, s_2=1.89 . 选取统计量 F=S12S22F=\frac{S_1^2}{S_2^2} ,其观察值为 f0=2.3221.8921.507f_0=\frac{2.32^2}{1.89^2} \approx 1.507 。 对于 α=0.05\alpha=0.05 ,查 Fˉ\bar{F} 分布表,得

Fα2(n11,n21)=F0.025(24,19)=2.45F1α2(n11,n21)=F0.975(24,19)=0.41\begin{aligned} & F_{\frac{\alpha}{2}}\left(n_1-1, n_2-1\right)=F_{0.025}(24,19)=2.45 \\ & F_{1-\frac{\alpha}{2}}\left(n_1-1, n_2-1\right)=F_{0.975}(24,19)=0.41 \end{aligned}

由于 f01.507(0.41,2.45)f_0 \approx 1.507 \in(0.41,2.45) ,因此,接受 H0H_0 ,即认为 σ12=σ22\sigma_1^2=\sigma_2^2 ,亦即两个品种的总体方差无显著性差异。

在某种制造过程中需要比较两种钢板的强度:一种是冷轧钢板;另一种是双面镀锌钢板.现从冷轧钢板中抽取 20 个样品,测得强度的均值为 xˉ=20.5(GPa)\bar{x}=20.5(\mathrm{GPa}) ;从双面镀锌钢板中抽取 25 个样品,测得强度的均值为 yˉ=23.9(GPa)\bar{y}=23.9(\mathrm{GPa}) .设两种钢板的强度都服从正态分布,其方差分别为 σ12=2.82,σ22=3.52\sigma_1{ }^2=2.8^2, \sigma_2{ }^2=3.5^2 。问:两种钢板的平均强度是否有显著差异?(α=0.01)(\alpha=0.01)

解 由题意知,要检验的假设为 H0:μ1=μ2,H1:μ1μ2H_0: \mu_1=\mu_2, H_1: \mu_1 \neq \mu_2 . 因为 σ12,σ22\sigma_1^2, \sigma_2^2 已知,当 H0H_0 为真时,检验统计量为

U=XˉYˉσ12n1+σ22n2N(0,1).U=\frac{\bar{X}-\bar{Y}}{\sqrt{\frac{\sigma_1^2}{n_1}+\frac{\sigma_2^2}{n_2}}} \sim N(0,1) .

因为 α=0.01,uα2=u0.005=2.58\alpha=0.01, u_{\frac{\alpha}{2}}=u_{0.005}=2.58 ,故拒绝域 U>uα2|U|>u_{\frac{\alpha}{2}}U>2.58|U|>2.58 。而

u=20.523.92.8220+3.5225=3.62u=\frac{20.5-23.9}{\sqrt{\frac{2.8^2}{20}+\frac{3.5^2}{25}}}=-3.62

由于 u>2.58|u|>2.58 ,故拒绝 H0H_0 ,即认为两种钢板的平均强度有显著差异.

有两种灯泡,一种用 A 型灯丝,另一种用 B 型灯丝。随机抽取两种灯泡各 10 个做试验,测得它们的寿命(单位:hh )如下.

A 型: 1293,1380,1614,1497,1340,1643,1466,1677,1387,17111293,1380,1614,1497,1340,1643,1466,1677,1387,1711. B 型: 1061,1065,1092,1017,1021,1138,1143,1094,1028,11191061,1065,1092,1017,1021,1138,1143,1094,1028,1119. 设两种灯泡的寿命均服从正态分布且方差相等,问:两种灯泡的平均寿命之间是否存在显著差异?(α=0.05)\quad(\alpha=0.05)

解 由题意知,要检验的假设为 H0:μ1=μ2,H1:μ1μ2H_0: \mu_1=\mu_2, H_1: \mu_1 \neq \mu_2 .因为 σ12,σ22\sigma_1^2, \sigma_2^2 末知,但 σ12=σ22\sigma_1^2=\sigma_2^2 ,在 H0H_0 为真时,检验统计量为

T=XˉYˉSw1n1+1n2t(n1+n22)T=\frac{\bar{X}-\bar{Y}}{S_w \sqrt{\frac{1}{n_1}+\frac{1}{n_2}}} \sim t\left(n_1+n_2-2\right)

Sw2=(n11)S12+(n21)S22n1+n22S_w^2=\frac{\left(n_1-1\right) S_1^2+\left(n_2-1\right) S_2^2}{n_1+n_2-2}

拒绝域为

T>tα2(n1+n22)|T|>t_{\frac{\alpha}{2}}\left(n_1+n_2-2\right)

这里 n1=n2=10,α=0.05,tα2(n1+n22)=t0.025(18)=2.101n_1=n_2=10, \alpha=0.05, t_{\frac{\alpha}{2}}\left(n_1+n_2-2\right)=t_{0.025}(18)=2.101 。由样本值算得 xˉ=1500.8,yˉ=1077.8\bar{x}=1500.8, \bar{y}=1077.8s12=151.32,s22=47.02s_1^2=151.3^2, s_2^2=47.0^2 ,于是

t=1500.81077.8151.32×9+47.02×918110+1108.45>2.101=t0.025(18)|t|=\frac{1500.8-1077.8}{\sqrt{\frac{151.3^2 \times 9+47.0^2 \times 9}{18}} \sqrt{\frac{1}{10}+\frac{1}{10}}} \approx 8.45>2.101=t_{0.025}(18)

故拒绝 H0H_0 ,即认为两种灯泡的平均寿命之间存在显著差异.

某一橡胶制品配方中,原配方用氧化锌 5 g ,现配方减为 1 g .现分别对两种配方做一批试验,分别测得橡胶制品的伸长率如下。

现配方: 565,577,580,575,556,542,560,532,470,461565,577,580,575,556,542,560,532,470,461. 原配方: 540,533,525,520,545,531,541,529,534540,533,525,520,545,531,541,529,534 . 设橡胶制品的伸长率服从正态分布,问:两种配方的橡胶制品的伸长率的方差有无显著差异?(α=0.1)\quad(\alpha=0.1) 解 根据题意知,需检验的假设为 H0:σ12=σ22,H1:σ12σ22H_0: \sigma_1^2=\sigma_2^2, H_1: \sigma_1^2 \neq \sigma_2^2 . 由于 μ1,μ2\mu_1, \mu_2 未知,在 H0H_0 为真时,检验统计量为

F=S12S22F(n11,n21)F=\frac{S_1^2}{S_2^2} \sim F\left(n_1-1, n_2-1\right)

拒绝域为

F<F1α2(n11,n21) 或 F>Fα2(n11,n21)F<F_{1-\frac{\alpha}{2}}\left(n_1-1, n_2-1\right) \text { 或 } F>F_{\frac{\alpha}{2}}\left(n_1-1, n_2-1\right) \text {. }

这里 n1=10,n2=9,α=0.1n_1=10, n_2=9, \alpha=0.1 ,从而

Fα2(n11,n21)=F0.05(9,8)=3.39,F1α2(n11,n21)=F0.95(9,8)=1F0.05(8,9)=13.23.F_{\frac{\alpha}{2}}\left(n_1-1, n_2-1\right)=F_{0.05}(9,8)=3.39, \quad F_{1-\frac{\alpha}{2}}\left(n_1-1, n_2-1\right)=F_{0.95}(9,8)=\frac{1}{F_{0.05}(8,9)}=\frac{1}{3.23} .

由样本值可算得 s12=236.8,s22=63.86s_1^2=236.8, s_2^2=63.86 ,于是

f=s12s22=236.863.863.7>3.39f=\frac{s_1^2}{s_2^2}=\frac{236.8}{63.86} \approx 3.7>3.39

故拒绝 H0H_0 ,即认为两种配方的橡胶制品的伸长率的方差有显著差异.

注意:当 μ1\mu_1μ2\mu_2 已知时,要检验假设 H0:σ12=σ22H_0: \sigma_1^2=\sigma_2^2 ,其检验方法类同均值未知的情况,此时所采用的检验统计量是:

F=1n1i=1n1(Xiμ1)21n2i=1n2(Yiμ2)2F(n1,n2),F=\frac{\frac{1}{n_1} \sum_{i=1}^{n_1}\left(X_i-\mu_1\right)^2}{\frac{1}{n_2} \sum_{i=1}^{n_2}\left(Y_i-\mu_2\right)^2} \sim F\left(n_1, n_2\right),

其拒绝域如表 8.3.1 所示. 图片