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樣本方差的分母為什麼要減1

生活 更新时间:2025-01-04 10:11:33

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為什麼樣本方差(sample variance)的分母是 n-1?

上面有答案解釋得很明确,即樣本方差計算公式裡分母為的目的是為了讓方差的估計是無偏的。無偏的估計(unbiased estimator)比有偏估計(biased estimator)更好是符合直覺的,盡管有的統計學家認為讓mean square error即MSE最小才更有意義,這個問題我們不在這裡探讨;不符合直覺的是,為什麼分母必須得是而不是才能使得該估計無偏。我相信這是題主真正困惑的地方

要回答這個問題,偷懶的辦法是讓困惑的題主去看下面這個等式的數學證明:

樣本方差的分母為什麼要減1(為什麼樣本方差的分母是)1

但是這個答案顯然不夠直觀(教材裡面統計學家像變魔法似的不知怎麼就得到了上面這個等式)。

下面我将提供一個略微更友善一點的解釋。

==================================================================

===================== 答案的分割線 ===================================

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首先,我們假定随機變量

樣本方差的分母為什麼要減1(為什麼樣本方差的分母是)2

的數學期望是已知的,然而方差

樣本方差的分母為什麼要減1(為什麼樣本方差的分母是)3

未知。在這個條件下,根據方差的定義我們有

樣本方差的分母為什麼要減1(為什麼樣本方差的分母是)4

由此可得

樣本方差的分母為什麼要減1(為什麼樣本方差的分母是)5

因此

樣本方差的分母為什麼要減1(為什麼樣本方差的分母是)6

是方差的一個無偏估計,注意式中的分母不偏不倚正好是!

這個結果符合直覺,并且在數學上也是顯而易見的。

現在,我們考慮随機變量的數學期望是未知的情形。這時,我們會傾向于無腦直接用樣本均值

樣本方差的分母為什麼要減1(為什麼樣本方差的分母是)7

替換掉上面式子中的。這樣做有什麼後果呢?後果就是,

如果直接使用

樣本方差的分母為什麼要減1(為什麼樣本方差的分母是)8

作為估計,那麼你會傾向于低估方差!

這是因為:

樣本方差的分母為什麼要減1(為什麼樣本方差的分母是)9

換言之,除非正好

樣本方差的分母為什麼要減1(為什麼樣本方差的分母是)10

,否則我們一定有

樣本方差的分母為什麼要減1(為什麼樣本方差的分母是)11

而不等式右邊的那位才是的對方差的“正确”估計!

這個不等式說明了,為什麼直接使用會導緻對方差的低估。

那麼,在不知道随機變量真實數學期望的前提下,如何“正确”的估計方差呢?答案是把上式中的分母換成,通過這種方法把原來的偏小的估計“放大”一點點,我們就能獲得對方差的正确估計了:

樣本方差的分母為什麼要減1(為什麼樣本方差的分母是)12

至于為什麼分母是 而不是

樣本方差的分母為什麼要減1(為什麼樣本方差的分母是)13

或者别的什麼數,最好還是去看真正的數學證明,因為數學證明的根本目的就是告訴人們“為什麼”;暫時我沒有辦法給出更“初等”的解釋了。

via:魏天聞(知乎)

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