用某种仪器间接测量温度,重复测量7次,分别为112.0,113.4,111.2,114.5,112.0,112.9,113.6(℃),设温度X~N(μ,σ2),在置信度为95%的条件下,试求温度的真值所在的范围.
用某种仪器间接测量温度,重复测量7次,分别为112.0,113.4,111.2,114.5,112.0,112.9,113.6(℃),设温度X~N(μ,σ2),在置信度为95%的条件下,试求温度的真值所在的范围.
题目解答
答案
设μ为温度的真值,X为测量值,在仪器没有系统偏差的情况下,即E(X)=μ时,重复测量7次,得到7个样本值.问题就是在未知方差(即仪器的精度)的情况下,找出μ的置信区间.已知n=7,α=0.05,由样本值算得
μ= (112+113.4+111.2+114.5+112+112.9+113.6)/7=112.8
S2=1.29,查表得到临界值t0.025(6)=2.467
μ在置信度为95%下的置信区间: μ+(-1,1)*t*sd/sqrt(n),
112.8+2.467*sqrt(1.29)/sqrt(7)=113.85
112.8-2.467*sqrt(1.29)/sqrt(7)=111.75
即(111.75,113.85).
解析
考查要点:本题主要考查小样本情况下总体均值的置信区间估计,涉及t分布的应用。
解题核心思路:
- 判断使用t分布:由于总体方差未知且样本量较小(n=7),需用样本方差估计总体方差,此时应采用t分布构造置信区间。
- 计算样本均值与样本方差:通过数据计算样本均值$\bar{X}$和样本方差$s^2$。
- 确定临界值:根据置信度95%和自由度$n-1=6$,查t分布表得到临界值$t_{\alpha/2}(n-1)$。
- 代入置信区间公式:利用公式$\bar{X} \pm t_{\alpha/2} \cdot \frac{s}{\sqrt{n}}$计算区间范围。
破题关键点:
- 正确选择分布类型(t分布而非z分布)。
- 准确计算样本方差(注意分母为$n-1$)。
- 正确查取t分布临界值。
步骤1:计算样本均值$\bar{X}$
样本数据为:112.0,113.4,111.2,114.5,112.0,112.9,113.6。
$\bar{X} = \frac{112.0 + 113.4 + 111.2 + 114.5 + 112.0 + 112.9 + 113.6}{7} = \frac{789.6}{7} = 112.8$
步骤2:计算样本方差$s^2$
计算每个数据与均值的差的平方和:
$\begin{align*}(112.0-112.8)^2 &= 0.64, \\(113.4-112.8)^2 &= 0.36, \\(111.2-112.8)^2 &= 2.56, \\(114.5-112.8)^2 &= 2.89, \\(112.0-112.8)^2 &= 0.64, \\(112.9-112.8)^2 &= 0.01, \\(113.6-112.8)^2 &= 0.64.\end{align*}$
平方和为$0.64 + 0.36 + 2.56 + 2.89 + 0.64 + 0.01 + 0.64 = 7.74$,因此:
$s^2 = \frac{7.74}{7-1} = \frac{7.74}{6} = 1.29$
步骤3:确定t分布临界值
置信度为95%,对应$\alpha = 0.05$,自由度$n-1 = 6$,查t分布表得:
$t_{0.025}(6) = 2.467$
步骤4:计算置信区间
置信区间公式为:
$\bar{X} \pm t_{\alpha/2} \cdot \frac{s}{\sqrt{n}}$
代入数据:
$\begin{align*}\text{下限} &= 112.8 - 2.467 \cdot \frac{\sqrt{1.29}}{\sqrt{7}} \approx 112.8 - 1.059 = 111.741, \\\text{上限} &= 112.8 + 2.467 \cdot \frac{\sqrt{1.29}}{\sqrt{7}} \approx 112.8 + 1.059 = 113.859.\end{align*}$
保留两位小数,得置信区间为$(111.75, 113.85)$。