假设检验

考点定位

  • 大纲位置:数理统计 · 显著性检验的基本思想与基本步骤;假设检验的两类错误;单个及两个正态总体的均值和方差的假设检验(数一、数三公共考点;数二不考)
  • 常见题型:假设检验基本思想与两类错误的概念辨析(选择题);正态总体均值/方差的 u 检验、t 检验、χ2\chi^2 检验流程解答题;两类错误概率的计算;由拒绝域反推显著性水平或样本量
  • 考查频率:中。数一近年直接出大题的频率低于参数估计,但 1998、2005、2014(两类错误/流程类)等年份均有涉及;概念辨析选择题反复出现,属于"低频大题、稳定小题"的章节
  • 前置知识:数理统计的基本概念(χ2/t/F\chi^2/t/F 分布、分位点、正态总体四大抽样分布定理——检验统计量的全部来源);参数估计(区间估计与假设检验的对偶关系:同一个枢轴量,两种用法)
  • 定位:推断统计的第二支柱——参数估计回答"参数大概是多少",假设检验回答"这个参数假设该不该被数据推翻"。工程类比:假设检验就是"统计版的 A/B 测试"——原假设是'新旧版本无差异',小概率原理是'无差异前提下出现这么大观测差异几乎不可能,于是拒绝无差异'。它与置信区间共用同一套枢轴量,学完本章应把两章公式表对照着看一遍。

核心讲解

假设检验的基本思想

小概率原理(实际推断原理):概率很小的事件在一次试验中几乎不会发生。若在"原假设成立"的前提下,观测到一个小概率事件(即出现了一个在原假设下几乎不可能的样本结果),就有理由怀疑原假设不成立——拒绝它。

基本概念与流程术语:

  • 原假设(零假设)H0H_0:被检验的、默认成立的假设(通常是"无差异""符合标准");
  • 备择假设 H1H_1:与 H0H_0 对立的假设,H0H_0 被拒绝时接受的假设;
  • 检验统计量:由样本构造、在 H0H_0 成立时分布完全已知的统计量(来源即第 6 章四大抽样分布定理,把待检参数代入假设值);
  • 显著性水平 α\alpha:预先规定的小概率上限(常取 0.050.05、0.010.01),即"小概率"的量化阈值;
  • 拒绝域(否定域):检验统计量取值的集合 CC,当统计量落入 CC 时拒绝 H0H_0;拒绝域由 P{统计量∈C∣H0 成立}=αP\{\text{统计量} \in C \mid H_0 \text{ 成立}\} = \alpha 确定;
  • 接受域:拒绝域的补集,统计量落入其中时"不拒绝 H0H_0"。

标准检验流程(五步,解答题按此写满分):

  1. 提出假设:按题意写出 H0H_0 与 H1H_1(注意双侧/单侧由 H1H_1 决定);
  2. 选统计量:确定条件(σ\sigma 已知/未知等)后写出检验统计量及其在 H0H_0 成立时的分布;
  3. 定拒绝域:由 α\alpha 与分布写出拒绝域(双侧两侧各 α/2\alpha/2,单侧一侧 α\alpha);
  4. 算观测值:代入数据计算统计量的观测值;
  5. 下结论:落入拒绝域则拒绝 H0H_0(称"差异显著"),否则不拒绝 H0H_0。结论要用题目语言复述(如"认为包装机工作不正常")。

两类错误:由于样本的随机性,检验可能犯两类错误:

H0H_0 实际为真H0H_0 实际为假
拒绝 H0H_0第一类错误(弃真),概率 α\alpha决策正确,概率 1−β1 - \beta(功效)
不拒绝 H0H_0决策正确第二类错误(取伪),概率 β\beta

定义:

  • 第一类错误(弃真):H0H_0 为真却拒绝了它,P{拒绝H0∣H0真}=αP\{\text{拒绝} H_0 \mid H_0 \text{真}\} = \alpha(正是显著性水平);
  • 第二类错误(取伪):H0H_0 为假却没有拒绝它,P{不拒绝H0∣H0假}=βP\{\text{不拒绝} H_0 \mid H_0 \text{假}\} = \beta。

两类错误的关系(概念题高频):

  1. 样本容量 nn 固定时,α\alpha 与 β\beta 此消彼长:缩小拒绝域使 α\alpha 减小,必然使 β\beta 增大,反之亦然——不能同时无限压低;
  2. 唯一的例外路径:增大样本量 nn 可以使 α,β\alpha, \beta 同时减小(见例 4 的数值演示);
  3. 显著性检验的哲学:控制第一类错误概率不超过 α\alpha,不保证 β\beta 小(因为 β\beta 依赖于 H1H_1 中的具体真值,通常未知);
  4. α+β≠1\alpha + \beta \ne 1:两者是不同前提下的条件概率(一个以"H0H_0 真"为条件、一个以"H0H_0 假"为条件),不是对立事件概率。

P 值(p-value):在 H0H_0 成立的前提下,观测到"当前检验统计量取值以及更极端(更不利于 H0H_0)取值"的概率。判定规则:p≤αp \le \alpha 时拒绝 H0H_0,p>αp > \alpha 时不拒绝。P 值越小,数据对 H0H_0 的"反驳证据"越强。它相当于"用数据算出来的显著性水平":pp 值就是能把 H0H_0 拒绝掉的最小 α\alpha。传统查表法用固定 α\alpha 比较分位点,现代统计软件直接报 P 值,两者判定一致。

与区间估计的对偶关系:参数 θ\theta 的置信度 1−α1-\alpha 双侧置信区间与显著性水平 α\alpha 的双侧检验互为对偶——置信区间不含假设值 θ0\theta_0 ⇔\Leftrightarrow 拒绝 H0:θ=θ0H_0: \theta = \theta_0。两章共用同一批枢轴量,公式可对照记忆。

正态总体参数的假设检验

以下设 X1,…,XnX_1, \dots, X_n 来自正态总体 N(μ,σ2)N(\mu, \sigma^2),Xˉ\bar X、S2S^2 为样本均值与方差;两总体时 XX 样本容量 n1n_1、YY 样本容量 n2n_2,两样本独立。

检验方法总表(核心,配合后面各段说明使用;μ0,σ02\mu_0, \sigma_0^2 为假设值):

检验对象条件原假设检验统计量(H0H_0 成立时的分布)H1H_1 与拒绝域(显著性水平 α\alpha)
单总体均值 μ\muσ2\sigma^2 已知μ=μ0\mu = \mu_0u=Xˉ−μ0σ/n∼N(0,1)u = \dfrac{\bar X - \mu_0}{\sigma / \sqrt n} \sim N(0,1)(u 检验)μ≠μ0\mu \ne \mu_0:∥u∥≥zα/2\|u\| \ge z_{\alpha/2};μ>μ0\mu > \mu_0:u≥zαu \ge z_\alpha;μ<μ0\mu < \mu_0:u≤−zαu \le -z_\alpha
单总体均值 μ\muσ2\sigma^2 未知μ=μ0\mu = \mu_0t=Xˉ−μ0S/n∼t(n−1)t = \dfrac{\bar X - \mu_0}{S / \sqrt n} \sim t(n-1)(t 检验)μ≠μ0\mu \ne \mu_0:∥t∥≥tα/2(n−1)\|t\| \ge t_{\alpha/2}(n-1);μ>μ0\mu > \mu_0:t≥tα(n−1)t \ge t_\alpha(n-1);μ<μ0\mu < \mu_0:t≤−tα(n−1)t \le -t_\alpha(n-1)
单总体方差 σ2\sigma^2μ\mu 未知σ2=σ02\sigma^2 = \sigma_0^2χ2=(n−1)S2σ02∼χ2(n−1)\chi^2 = \dfrac{(n-1)S^2}{\sigma_0^2} \sim \chi^2(n-1)(χ2\chi^2 检验)σ2≠σ02\sigma^2 \ne \sigma_0^2:χ2≥χα/22(n−1)\chi^2 \ge \chi^2_{\alpha/2}(n-1) 或 χ2≤χ1−α/22(n−1)\chi^2 \le \chi^2_{1-\alpha/2}(n-1);σ2>σ02\sigma^2 > \sigma_0^2:χ2≥χα2(n−1)\chi^2 \ge \chi^2_\alpha(n-1);σ2<σ02\sigma^2 < \sigma_0^2:χ2≤χ1−α2(n−1)\chi^2 \le \chi^2_{1-\alpha}(n-1)
两总体方差比μ1,μ2\mu_1, \mu_2 未知σ12=σ22\sigma_1^2 = \sigma_2^2F=S12S22∼F(n1−1,n2−1)F = \dfrac{S_1^2}{S_2^2} \sim F(n_1 - 1, n_2 - 1)(F 检验,H0H_0 下比值约去公共方差)σ12≠σ22\sigma_1^2 \ne \sigma_2^2:F≥Fα/2(n1−1,n2−1)F \ge F_{\alpha/2}(n_1-1, n_2-1) 或 F≤F1−α/2(n1−1,n2−1)F \le F_{1-\alpha/2}(n_1-1, n_2-1);单侧类推
两总体均值差σ12,σ22\sigma_1^2, \sigma_2^2 已知μ1=μ2\mu_1 = \mu_2u=Xˉ−Yˉσ12n1+σ22n2∼N(0,1)u = \dfrac{\bar X - \bar Y}{\sqrt{\dfrac{\sigma_1^2}{n_1} + \dfrac{\sigma_2^2}{n_2}}} \sim N(0,1)同 u 检验三形态
两总体均值差σ12=σ22=σ2\sigma_1^2 = \sigma_2^2 = \sigma^2 未知μ1=μ2\mu_1 = \mu_2t=Xˉ−YˉSw1n1+1n2∼t(n1+n2−2)t = \dfrac{\bar X - \bar Y}{S_w \sqrt{\dfrac{1}{n_1} + \dfrac{1}{n_2}}} \sim t(n_1 + n_2 - 2),Sw2=(n1−1)S12+(n2−1)S22n1+n2−2S_w^2 = \dfrac{(n_1-1)S_1^2 + (n_2-1)S_2^2}{n_1 + n_2 - 2}同 t 检验三形态,自由度 n1+n2−2n_1 + n_2 - 2

数一考试主体是单总体的三种检验(u、t、χ2\chi^2),两总体检验(F 检验、合并 t 检验)认识结论、能按表执行即可。

单侧检验的构造原则:拒绝域的方向跟着 H1H_1 走——H1:μ>μ0H_1: \mu > \mu_0(右侧检验)时拒绝域在右侧 u≥zαu \ge z_\alpha;H1:μ<μ0H_1: \mu < \mu_0(左侧检验)时在左侧 u≤−zαu \le -z_\alpha;只有 H1:μ≠μ0H_1: \mu \ne \mu_0 才双侧各 α/2\alpha/2。对称分布(N(0,1)N(0,1)、tt)双侧拒绝域关于原点对称;χ2\chi^2、FF 取值非负,双侧拒绝域是左右两段不对称区间。

原假设与备择假设的安置原则:题目问"是否大于/超过/劣于标准"时,通常把"等于(或不劣于)标准"设为 H0H_0、把"要证明的结论"设为 H1H_1——显著性检验只对第一类错误把关,故"想证实的结论"放在 H1H_1,拒绝 H0H_0 时才敢宣称它。

例题

例 1(u 检验完整流程,模拟题):某自动包装机包装奶粉,额定标准每袋 500 g500\ \text{g}。已知袋重 X∼N(μ,152)X \sim N(\mu, 15^2)。某日抽检 n=25n = 25 袋,测得平均袋重 xˉ=494 g\bar x = 494\ \text{g}。取 α=0.05\alpha = 0.05,检验包装机工作是否正常(z0.025=1.96z_{0.025} = 1.96,Φ(2)=0.9772\Phi(2) = 0.9772)。

解析:按五步流程书写:

  1. H0:μ=500H_0: \mu = 500,H1:μ≠500H_1: \mu \ne 500("是否正常"含偏多偏少两种可能,双侧);
  2. σ=15\sigma = 15 已知,用 u 检验:u=Xˉ−50015/25∼N(0,1)u = \dfrac{\bar X - 500}{15/\sqrt{25}} \sim N(0,1)(H0H_0 成立时);
  3. 双侧拒绝域:∣u∣≥z0.025=1.96|u| \ge z_{0.025} = 1.96;
  4. 观测值:u=494−5003=−2u = \dfrac{494 - 500}{3} = -2;
  5. ∣u∣=2>1.96|u| = 2 > 1.96,落入拒绝域,拒绝 H0H_0。结论:在显著性水平 0.050.05 下认为包装机工作不正常(平均袋重与标准有显著差异)。

P 值核算:p=2[1−Φ(2)]=2×0.0228=0.0456≤0.05p = 2[1 - \Phi(2)] = 2 \times 0.0228 = 0.0456 \le 0.05,与拒绝结论一致。

例 2(t 检验,σ\sigma 未知,模拟题):某厂电子元件寿命 X∼N(μ,σ2)X \sim N(\mu, \sigma^2),σ\sigma 未知。现测 n=16n = 16 件,xˉ=241.5\bar x = 241.5(小时),s=24s = 24。在 α=0.05\alpha = 0.05 下检验 H0:μ=225H_0: \mu = 225 对 H1:μ≠225H_1: \mu \ne 225(已知 t0.025(15)=2.1315t_{0.025}(15) = 2.1315)。

解析:

  1. H0:μ=225H_0: \mu = 225,H1:μ≠225H_1: \mu \ne 225;
  2. σ\sigma 未知,用 t 检验:t=Xˉ−225S/16∼t(15)t = \dfrac{\bar X - 225}{S/\sqrt{16}} \sim t(15);
  3. 拒绝域 ∣t∣≥2.1315|t| \ge 2.1315;
  4. 观测值 t=241.5−22524/4=16.56=2.75t = \dfrac{241.5 - 225}{24/4} = \dfrac{16.5}{6} = 2.75;
  5. 2.75>2.13152.75 > 2.1315,拒绝 H0H_0:认为元件平均寿命与 225225 小时有显著差异(显著高于 225225,由 t>0t > 0 的方向可补充判断)。

要点:σ\sigma 未知时误用 zα/2=1.96<2.1315z_{\alpha/2} = 1.96 < 2.1315 仍会拒绝,本题侥幸不错;但若统计量观测值落在 1.96∼2.13151.96 \sim 2.1315 之间,两种选择结论相反——所以"已知 σ\sigma 用 u、未知用 t"必须成为条件反射。

例 3(χ2\chi^2 单侧检验方差,模拟题):电池寿命 X∼N(μ,σ2)X \sim N(\mu, \sigma^2)。按标准方差不应超过 100100(小时2^2)。抽测 n=25n = 25 只,得 s2=160s^2 = 160。取 α=0.05\alpha = 0.05 检验该批电池方差是否超标(已知 χ0.052(24)=36.415\chi^2_{0.05}(24) = 36.415)。

解析:

  1. 把"要证实的超标"放在 H1H_1:H0:σ2≤100H_0: \sigma^2 \le 100,H1:σ2>100H_1: \sigma^2 > 100(右侧检验;实务上取边界 σ2=100\sigma^2 = 100 计算统计量分布);
  2. μ\mu 未知,用 χ2\chi^2 检验:χ2=(n−1)S2100∼χ2(24)\chi^2 = \dfrac{(n-1)S^2}{100} \sim \chi^2(24)(σ2=100\sigma^2 = 100 时);
  3. 右侧拒绝域:χ2≥χ0.052(24)=36.415\chi^2 \ge \chi^2_{0.05}(24) = 36.415;
  4. 观测值:χ2=24×160100=38.4\chi^2 = \dfrac{24 \times 160}{100} = 38.4;
  5. 38.4>36.41538.4 > 36.415,拒绝 H0H_0:认为该批电池寿命方差显著超过 100100,不符合标准。

要点:单侧检验拒绝域只有一个方向;"方差不超过"是 H0H_0,"超标"是 H1H_1——把要证明的命题放 H1H_1。

例 4(两类错误计算与样本量效应,模拟题):总体 X∼N(μ,1)X \sim N(\mu, 1),样本容量 n=1n = 1,检验 H0:μ=0H_0: \mu = 0 对 H1:μ=1H_1: \mu = 1,取拒绝域 C={X>1.645}C = \{X > 1.645\}(即 α=0.05\alpha = 0.05 的右侧 u 检验拒绝域)。求两类错误概率 α,β\alpha, \beta;再取 n=4n = 4(拒绝域改为 Xˉ>0.8225\bar X > 0.8225),重算并比较(Φ(0.645)≈0.740\Phi(0.645) \approx 0.740,Φ(−0.355)≈0.361\Phi(-0.355) \approx 0.361)。

解析:

第一类错误(H0H_0 真即 μ=0\mu = 0 时却拒绝):

α=P{X>1.645∣μ=0}=1−Φ(1.645)=0.05.\alpha = P\{X > 1.645 \mid \mu = 0\} = 1 - \Phi(1.645) = 0.05.

第二类错误(H1H_1 真即 μ=1\mu = 1 时却不拒绝):

β=P{X≤1.645∣μ=1}=Φ(1.645−1)=Φ(0.645)≈0.740.\beta = P\{X \le 1.645 \mid \mu = 1\} = \Phi(1.645 - 1) = \Phi(0.645) \approx 0.740.

注意 α+β=0.79≠1\alpha + \beta = 0.79 \ne 1——两类错误不是对立事件。

取 n=4n = 4:Xˉ∣μ=0∼N(0,14)\bar X \mid \mu=0 \sim N(0, \tfrac14),拒绝域由 α=0.05\alpha = 0.05 定为 Xˉ>1.645×12=0.8225\bar X > 1.645 \times \tfrac12 = 0.8225;此时

β=P{Xˉ≤0.8225∣μ=1}=Φ(0.8225−11/2)=Φ(−0.355)≈0.361.\beta = P\{\bar X \le 0.8225 \mid \mu = 1\} = \Phi\left( \frac{0.8225 - 1}{1/2} \right) = \Phi(-0.355) \approx 0.361.

结论:α\alpha 保持 0.050.05 不变,β\beta 从 0.7400.740 降到 0.3610.361——样本量增大可以在不牺牲 α\alpha 的前提下压低 β\beta,验证了"固定 nn 时 α,β\alpha, \beta 此消彼长、增大 nn 才能双赢"。

要点:算 β\beta 时分布要换成"H1H_1 为真"的那个分布,再算"统计量落入接受域"的概率——换分布是此类题唯一的新动作。

例 5(F 检验,两方差比较,模拟题):甲、乙两台机床加工同一种轴,轴径分别服从 N(μ1,σ12)N(\mu_1, \sigma_1^2)、N(μ2,σ22)N(\mu_2, \sigma_2^2)。从两台机床各取 n1=n2=10n_1 = n_2 = 10 件,测得 s12=0.06s_1^2 = 0.06,s22=0.025s_2^2 = 0.025。在 α=0.05\alpha = 0.05 下检验两机床加工精度(方差)是否有显著差异(已知 F0.025(9,9)=4.03F_{0.025}(9, 9) = 4.03)。

解析:

  1. H0:σ12=σ22H_0: \sigma_1^2 = \sigma_2^2,H1:σ12≠σ22H_1: \sigma_1^2 \ne \sigma_2^2;
  2. F 检验:H0H_0 成立时 F=S12S22∼F(9,9)F = \dfrac{S_1^2}{S_2^2} \sim F(9, 9);
  3. 双侧拒绝域:F≥4.03F \ge 4.03 或 F≤1F0.025(9,9)=14.03≈0.248F \le \dfrac{1}{F_{0.025}(9,9)} = \dfrac{1}{4.03} \approx 0.248;
  4. 观测值 F=0.060.025=2.4F = \dfrac{0.06}{0.025} = 2.4;
  5. 0.248<2.4<4.030.248 < 2.4 < 4.03,不拒绝 H0H_0:认为两机床加工精度无显著差异。

要点:F 检验习惯把较大样本方差放分子,这样观测值 F>1F > 1,只需与上侧分位点 Fα/2F_{\alpha/2} 比较(下侧用倒数公式换算),避免查小分位点。

常见坑

  1. α+β=1\alpha + \beta = 1 是经典错误:两者条件不同(H0H_0 真 / H0H_0 假),绝非对立事件;固定 nn 时它们此消彼长,但和不是 1。
  2. 拒绝域方向配错 H1H_1:双侧 H1:≠H_1: \ne 配 ∣u∣≥zα/2|u| \ge z_{\alpha/2};单侧 H1:>H_1: > 配 u≥zαu \ge z_\alpha(不是 zα/2z_{\alpha/2})。把单侧检验写成双侧、或单侧误用 α/2\alpha/2 分位点,是流程题最常见扣分点。
  3. "不拒绝 H0H_0" ≠ "接受/证明 H0H_0":只能说"现有证据不足以推翻 H0H_0";显著性检验控制的是弃真概率,对取伪不做承诺。
  4. u 与 t 的条件:σ\sigma 已知才能用 u;σ\sigma 未知一律 t(自由度 n−1n-1)。两总体合并 t 检验的自由度是 n1+n2−2n_1 + n_2 - 2,不是 n1−1n_1 - 1。
  5. χ2\chi^2 检验双侧拒绝域写单侧:H1:σ2≠σ02H_1: \sigma^2 \ne \sigma_0^2 时拒绝域是两段:χ2≥χα/22\chi^2 \ge \chi^2_{\alpha/2} 或 χ2≤χ1−α/22\chi^2 \le \chi^2_{1-\alpha/2},漏左尾是最常见错误(且左尾分位点记号是 1−α/21 - \alpha/2 下标,别写成 α/2\alpha/2)。
  6. 统计量代入的是假设值 μ0,σ02\mu_0, \sigma_0^2:检验统计量在 H0H_0 成立时分布已知,因此分子分母都用假设值,而不是用估计值——这与区间估计枢轴量(含真参数 μ\mu)长得像但意义不同。
  7. 两类错误计算忘了换分布:算 β\beta 必须在 H1H_1 为真的分布下计算"落入接受域"的概率,仍用 H0H_0 的分布必错。

自测

  1. 概念判断:(a)显著性水平 α\alpha 是"H0H_0 为真时被拒绝的概率"还是"H0H_0 为假时被接受的概率"?(b)固定样本量下,把 α\alpha 从 0.050.05 降到 0.010.01,β\beta 如何变化?
  2. 总体 X∼N(μ,σ2)X \sim N(\mu, \sigma^2),σ\sigma 未知,n=20n = 20,检验 H0:μ=μ0H_0: \mu = \mu_0 对 H1:μ≠μ0H_1: \mu \ne \mu_0,写出检验统计量、分布与拒绝域形状。
  3. 某糖厂自动机灌装,X∼N(μ,0.152)X \sim N(\mu, 0.15^2)?(单位 kg)…设 σ2\sigma^2 已知、n=9n = 9、xˉ=0.511\bar x = 0.511,标准每袋 0.50.5 kg,α=0.05\alpha = 0.05(z0.05=1.645z_{0.05} = 1.645)。按"检验灌装量是否偏多"写出 H0,H1H_0, H_1 并判断。
  4. 单侧 χ2\chi^2:H0:σ2=σ02H_0: \sigma^2 = \sigma_0^2 对 H1:σ2<σ02H_1: \sigma^2 < \sigma_0^2,拒绝域朝哪边?用哪个分位点?

自测答案

  1. (a)α\alpha 是"H0H_0 为真却被拒绝"(弃真)的概率,即第一类错误概率;(b)β\beta 增大(固定 nn 时两类错误此消彼长)。
  2. t=Xˉ−μ0S/20∼t(19)t = \dfrac{\bar X - \mu_0}{S/\sqrt{20}} \sim t(19)(H0H_0 成立时);拒绝域 ∣t∣≥tα/2(19)|t| \ge t_{\alpha/2}(19),双侧对称。
  3. H0:μ=0.5H_0: \mu = 0.5(或 μ≤0.5\mu \le 0.5),H1:μ>0.5H_1: \mu > 0.5(要证实的"偏多"放 H1H_1,右侧检验)。u=0.511−0.50.15/3=0.0110.05=0.22<1.645u = \dfrac{0.511 - 0.5}{0.15/3} = \dfrac{0.011}{0.05} = 0.22 < 1.645,不拒绝 H0H_0:无显著证据表明灌装量偏多。
  4. 左侧拒绝域:χ2=(n−1)S2σ02≤χ1−α2(n−1)\chi^2 = \dfrac{(n-1)S^2}{\sigma_0^2} \le \chi^2_{1-\alpha}(n-1)(注意下标是 1−α1 - \alpha,不是 α\alpha)。