11.设x_(1),x_(2),...,x_(n)是从某总体随机抽取的样本,overline(x)为其样本均值,证明:对任意实数c,有sum_(i=1)^n(x_(i)-c)^2geqsum_(i=1)^n(x_(i)-overline(x))^2并指出其中等式成立的条件。
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查平方和的最小值性质,即在统计学中,样本均值使平方偏差和达到最小。关键在于理解如何通过代数变形比较不同常数$c$对应的平方和大小。
解题核心思路:通过展开平方项并整理表达式,将问题转化为比较两个平方和的差值。利用样本均值的性质($\sum x_i = n\overline{x}$),将差值化简为完全平方形式,从而直接判断非负性。
破题关键点:
- 展开平方项,分别写出左边和右边的表达式。
- 相减并化简,利用代数技巧将差值表示为$n(c - \overline{x})^2$。
- 分析非负性,得出等号成立的条件。
步骤1:展开左边平方和
左边表达式为:
$\sum_{i=1}^{n}(x_i - c)^2 = \sum_{i=1}^{n} \left( x_i^2 - 2c x_i + c^2 \right) = \sum_{i=1}^{n}x_i^2 - 2c \sum_{i=1}^{n}x_i + n c^2$
由于$\sum_{i=1}^{n}x_i = n\overline{x}$,代入得:
$\sum_{i=1}^{n}(x_i - c)^2 = \sum_{i=1}^{n}x_i^2 - 2c n\overline{x} + n c^2$
步骤2:展开右边平方和
右边表达式为:
$\sum_{i=1}^{n}(x_i - \overline{x})^2 = \sum_{i=1}^{n} \left( x_i^2 - 2\overline{x}x_i + \overline{x}^2 \right) = \sum_{i=1}^{n}x_i^2 - 2\overline{x}\sum_{i=1}^{n}x_i + n\overline{x}^2$
同样利用$\sum_{i=1}^{n}x_i = n\overline{x}$,化简得:
$\sum_{i=1}^{n}(x_i - \overline{x})^2 = \sum_{i=1}^{n}x_i^2 - n\overline{x}^2$
步骤3:计算左右两边的差值
将左边减去右边:
$\begin{aligned}\sum_{i=1}^{n}(x_i - c)^2 - \sum_{i=1}^{n}(x_i - \overline{x})^2 &= \left( \sum_{i=1}^{n}x_i^2 - 2c n\overline{x} + n c^2 \right) - \left( \sum_{i=1}^{n}x_i^2 - n\overline{x}^2 \right) \\&= -2c n\overline{x} + n c^2 + n\overline{x}^2 \\&= n(c^2 - 2c\overline{x} + \overline{x}^2) \\&= n(c - \overline{x})^2\end{aligned}$
步骤4:分析差值的非负性
由于$n(c - \overline{x})^2 \geq 0$对任意实数$c$成立,因此:
$\sum_{i=1}^{n}(x_i - c)^2 \geq \sum_{i=1}^{n}(x_i - \overline{x})^2$
等号成立当且仅当 $c = \overline{x}$。