Перевірка правдивості статистичних гіпотез про рівність двох генеральних середніх

Нехай генеральні сукупності Х і У розподілені нормально, причому їх дисперсії відомі. З незалежних вибірок об’ємом nіm знайдемо середні вибіркові .

Потрібно по вибіркових середніх при заданому рівні значимості a перевірити нульову гіпотезу Н₀, яка полягає в тому, що генеральні середні (математичні сподівання) даних сукупностей рівні між собою, тобто Н₀: М[X] = М[Y].

Враховуючи, що вибіркові середні є незміщеними оцінками генеральних середніх, тобто , нульову гіпотезу можна записати так: Н₀: М[ ] = М[ ], тобто перевірити, що математичне сподівання вибіркових середніх рівні між собою. Якщо гіпотеза Н₀ правдива, то різниця між вибірковими середніми незначна.

В ролі критерію перевірки нульової гіпотези приймається випадкова величина

Критерій Z – нормована нормальна випадкова величина, бо є лінійна комбінація нормальних величин; Z – нормована, бо М (Z) = 0, s(Z) = 1 при справедливості гіпотези Н₀.

Критична область будується в залежності від вигляду конкуруючої гіпотези.

Перший випадок. Нульова гіпотеза Н₀: М[X] = М[Y], конкуруюча Н₁: М[X] ¹ М[Y]. В цьому випадку будують двосторонню критичну область, виходячи з вимоги, що ймовірність попадання критерію в цю область, в припущенні справедливості нульової гіпотези, була рівна прийнятому рівні значимості a.

Найбільша потужність критерію (ймовірність попадання критерію в критичну область при правдивості конкуруючої гіпотези) досягається тоді, коли “ліва” і “права” критичні точки вибрані так, що ймовірність попадання критерію в кожен із двох інтервалів критичної області рівний a/2:

Р(Z < k_{лів кр}) = a/2, Р(Z < k_{пр кр}) = a/2.

Оскільки, Z – нормована нормальна величина, а розподіл такої величини симетричний відносно нуля, то критичні точки симетричні відносно нуля, тобто досить знайти праву границю, щоб знайти саму двосторонню критичну область (нехай k_{пр кр} = k_кр, k_{лів кр} = - k_кр).

Покажемо, як знайти k_кр – праву межу двосторонньої критичної області, користуючись функцією Лапласа Ф(z). Відомо, що функція Лапласа визначає ймовірність попадання нормованої нормальної випадкової величини, наприклад, Z в інтервалі (0, z):

Р(0 < Z < z) = Ф(z). (1)

Так як розподіл Z симетричний відносно нуля, то Р(z Î [0, ¥)) = 0,5, то, якщо розбити цей інтервал k_кр на інтервалі [0, k_кр) È (k_кр, ¥), то по теоремі додавання

Р(0 < Z < k_кр) + Р ( k_кр < Z < ¥) = ½ (2)

Звідки Ф(k_кр) + a/2 = 1/2

Ф(k_кр) = (3)

Висновок І. Для того, щоб при заданому рівні значимості a перевірити нульову гіпотезу Н₀: М[X] = М[Y] двох нормальних генеральних сукупностей з відомими дисперсіями при конкуруючій гіпотезі Н₁: М[X] ¹ М[Y], потрібно обчислити

і по таблиці функції Лапласа знайти критичну точку рівності

Ф(k_кр) = .

Якщо ÷К_сп÷ < k_кр – нема підстави відхиляти нульову гіпотезу.

Якщо ÷К_сп÷ > k_кр – нульову гіпотезу відхиляють.

Другий випадок. Нульова гіпотеза Н₀: М[X] = М[Y], конкуруюча Н₁: М[X] > М[Y].

В цьому випадку будують правосторонню критичну область, виходячи з вимоги, щоб ймовірність попадання критерію в цю область в припущенні справедливості нульової гіпотези була рівна прийнятому рівню значимості a:

Р(K > k_кр) = a

Користуючись співвідношенням (2) Р(0 < Z < k_кр) + Р (Z > k_кр) = 1/2, маємо Ф(k_кр) + a = 1/2 або Ф(k_кр) = .

Висновок 2. Щоб при заданому рівні значимості a перевірити нульову гіпотезу Н₀: М[X] = М[Y] при конкуруючій гіпотезі Н₁: М[X] > М[Y], потрібно обчислити

і по таблиці функції Лапласа знайти критичну точку з рівності .

Якщо K_сп< k_кр – нема підстави відхиляти нульову гіпотезу. Якщо К_сп> k_кр – нульова гіпотеза відхиляється.

Третій випадок. Нульова гіпотеза H₀: М[X]=M[Y]. Конкуруюча H₁: M[X]<M[Y].

В цьому випадку будуть лівосторонню критичну область, виходячи з вимоги, що ймовірність попадання критерію в цю область, в припущенні справедливості нульової гіпотези, була рівна прийнятому рівню значимості:

Висновок 3. При конкуруючій гіпотезі M[X]<M[Y] треба обчислити K_сп і спочатку по таблиці функції Лапласа знайти “допоміжну точку” k_кр з рівності , а потім покласти . Якщо K_сп>-k_кр – немає підстави відхиляти нульову гіпотезу. Якщо K_сп<-k_кр – нульову гіпотезу відхиляють.

Приклад 1. По двох вибірках, об’ємами n=40, m=50, взятих з нормальних генеральних сукупностей, знайдено вибіркові середні . Відомі генеральні дисперсії: D[X]=80, D[Y]=90. Потрібно при рівні значимості 0,01 перевірити нульову гіпотезу H₀: M[X]=M[Y] при конкуруючій гіпотезі H₁: .

Рішення. Знайдемо спостережувальний критерій

По умові конкуруючої гіпотези H₁: критична область двостороння. Знайдемо праву критичну точку з рівності . По таблиці функції Лапласа (див.2, дод.1) знаходимо k_кр=2,58. Так як , то згідно правила 1 нульова гіпотеза відхиляється, тобто генеральні середні різняться істотно.