機率紙

機率紙

一類依特定的機率分布而製作的坐標紙。對於每個連續的分布函式,都可以設計一種坐標紙,使該分布函式在其上的圖形呈一條直線。因此,機率紙常依機率分布來命名,例如正態機率紙、對數正態機率紙,威布爾機率紙和伽瑪機率紙等。利用機率紙,可根據樣本對總體分布的類型進行檢驗,對分布參數進行估計,以及進行其他簡便快速的統計推斷。

正文

機率紙的原理和方法,可以用圖1的正態機率紙為例來說明。正態機率紙的橫軸(常表為x 軸)採用一般的等距刻度;而在縱軸等距刻度u=(x-μ)/σ處標以數值

機率紙,

式中σ(>0)與μ是選定的常數;Ф是標準常態分配函式。在這張坐標紙上,一個均值為μ,標準差為σ的常態分配的圖像,是一條通過點(μ,0.5)而斜率為1/σ的直線。若有了樣本x1,x2,…,xn,則對每個i,首先用樣本對分布函式在xi點的值F(xi)作一估計(xi)然後把點(xi,弲(xi)標在正態機率紙上。若這些點很靠近一直線, 則說明總體分布很接近常態分配。在n很大時,可以用經驗分布函式(見樣本)估計F(xi)。若n較小,則先將樣本觀測值按從小到大的次序排列為 機率紙。然後用i/(n+1)估計F(x(i)),也可使用機率紙或中位秩數值表。
例如,從某種規格的一批電阻中,隨機抽取n=15隻,實際測量的電阻值按從小到大的次序排列的數值 x(i)及相應的弲(x(i)值由公式機率紙計算,見表機率紙
將上述15對數據(x(i)),弲(x(i))(i=1,2,…,15)標在正態機率紙上,它們基本上成直線排列(圖1機率紙)。這說明這批電阻的電阻值大體上遵從常態分配。用目測的方法配置一條儘可能靠近所有這些點的直線,則在直線上相應於 F(x)=50%點的橫坐標值2.05(歐姆)可以作為均值μ的估計;相應於F(x)=15.9%(常態分配下小於μ-σ的機率)的點的橫坐標值1.74(歐姆)可以作為μ-σ的估計。得到σ的估計值機率紙=2.05-1.74=0.31(歐姆)。
其他連續分布的機率紙的構造與使用方法,與正態機率紙相同。不同的地方只在於坐標軸上的刻度。例如,對數正態機率紙的橫軸採用對數刻度,縱軸刻度與正態機率紙相同。威布爾機率紙(見圖2機率紙)的橫軸(常表為t軸)用對數刻度,縱軸則是按lnln(1-F(t))-1刻度,其中F(t)是位置參數為0的威布爾分布函式。在圖上根據觀測值配置直線後,如需估計分布參數等數字特徵,還需用到印在機率紙上方和右上方的附加尺。以上兩種機率紙在壽命數據統計分析中套用相當廣泛。
利用機率紙作圖,對定時或定數截尾的不完全數據也適用,因為此時對一部分t值,F(t)仍可估計。近年來,有一種稱為累積危險率紙的坐標紙,可以處理各種類型的不完全數據。它的構造也隨分布而異,但用累積危險率Λ(t)代替F(t),除了估計Λ(t)的方法不同外,其他使用方法與一般機率紙基本相同。
統計分析紙,也即二項機率紙(圖3機率紙),它是另一種常用的機率紙,它的形式和構造與連續分布的機率紙不同,它是由在坐標軸都為平方根刻度的坐標紙上,加上一個四分之一圓及若干附加尺而構成的。它的基本原理是R.A.費希爾提出的反正弦變換,若k遵從二項分布B(n,p),費希爾在1922年證明了當n→∞時,機率紙 的漸近分布是常態分配,而且漸近方差1/4n與總體參數無關。
據此,他首先指出平方根紙可以用作統計推斷。後來經過若干改進和補充,逐漸成為目前使用的形式。統計分析紙可用於對百分率的檢驗,泊松分布均值的檢驗,符號檢驗以及制定抽樣檢驗方案和控制圖等。
利用機率紙作統計推斷具有直觀、簡單、使用方便等優點,故雖然精度差些,仍受到套用工作者的重視。
參考書目
 劉璋溫、戴樹森、方開泰編:《機率紙淺說》,科學出版社,北京,1980。
 J. R. King,Probability charts for Decision Making,Industrial Press,New York,1971.

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