概率统计Python计算:标准正态分布分位点计算
标准正态分布对给定显著水平的分位点。设XXX~{}N(0,1)N(0,1)N(0,1),显著水平为α\alphaα。为计算右侧分位点zαz_{\alpha}zα(见下图),使得P(X≤zα)≥1−αP(X\leq z_\alpha)\geq1-\alphaP(X≤zα)≥1−α由标准正态分布密度函数φ(x)=12πe−x22\varphi(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{
标准正态分布对给定显著水平的分位点。设
X
X
X~
N
(
0
,
1
)
N(0,1)
N(0,1),显著水平为
α
\alpha
α。为计算右侧分位点
z
α
z_{\alpha}
zα(见下图),使得
P
(
X
≤
z
α
)
=
1
−
α
P(X\leq z_\alpha)=1-\alpha
P(X≤zα)=1−α
由标准正态分布密度函数
φ
(
x
)
=
1
2
π
e
−
x
2
2
\varphi(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-\frac{x^2}{2}}
φ(x)=2π1e−2x2关于纵轴的对称性,对给定的显著水平
α
\alpha
α,左侧分位点为右分位点关于原点的对称点
−
z
α
-z_\alpha
−zα(见下图)。
对显著水平
α
\alpha
α,为计算标准正态分布的双侧分位点(关于原点对称,如下图所示)
−
z
α
/
2
-z_{\alpha/2}
−zα/2和
z
α
/
2
z_{\alpha/2}
zα/2,使得
P
(
−
z
α
/
2
≤
X
≤
z
α
/
2
)
=
1
−
α
P(-z_{\alpha/2}\leq X\leq z_{\alpha/2})=1-\alpha
P(−zα/2≤X≤zα/2)=1−α
我们知道scipy.stats包中连续型分布类 rv_continuous的norm对象,当参数loc和scale取默认值0和1时,即表示标准正态分布。下列表格列出了标准正态分布的用于计算分位点的函数的参数意义。
函数名 | 参数 | 意义 |
---|---|---|
ppf | q:表示显著水平 α \alpha α | 左分位点 − z α -z_{\alpha} −zα |
isf | q:与上同 | 右分位点 z α z_{\alpha} zα |
interval | alpha:表示置信水平 1 − α 1-\alpha 1−α | 分位点 − z α / 2 -z_{\alpha/2} −zα/2和 z α / 2 z_{\alpha/2} zα/2 |
对指定的实数
0
<
α
<
1
0<\alpha<1
0<α<1,尽管根据上述讨论知,左、右分位点可分别调用ppf(分布函数的反函数)及isf(残存函数的反函数)算得,但由于标准正态分布的密度函数
φ
(
x
)
=
1
2
π
e
−
x
2
2
\varphi(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-\frac{x^2}{2}}
φ(x)=2π1e−2x2是关于纵轴对称的,所以对同一个
α
\alpha
α,左、右分位点是关于原点对称的(由以上各图可见)。因此,我们可仅调用isf计算右分位点
z
α
z_{\alpha}
zα,其相反数
−
z
α
-z_{\alpha}
−zα即为左分位点。由于表示标准正态分布的参数loc和scale取默认值,所以计算分位点时,所调用的isf函数只需传递一个表示
α
\alpha
α的参数q。norm对象的interval函数的参数alpha表示随机变量落在左右分位点界定的区间内的概率值,也就是上述正文中表示的
1
−
α
1-\alpha
1−α。
例1 设显著水平
α
=
0.05
\alpha=0.05
α=0.05,计算标准正态分布的单侧左、右分位点
−
z
0.05
-z_{0.05}
−z0.05,
z
0.05
z_{0.05}
z0.05和双侧左、右分位点
−
z
0.025
-z_{0.025}
−z0.025,
z
0.025
z_{0.025}
z0.025。
解:下列代码完成本例的计算。
from scipy.stats import norm #导入norm
alpha=0.05 #设置alpha
b=norm.isf(q=alpha) #计算单侧右分位点
a=-b #单侧左分位点
print('单侧左、右分位点:a=%.4f,b=%.4f'%(a, b)) #输出精确到万分位
a, b=norm.interval(1-alpha) #计算双侧分位点
print('双侧左、右分位点:a=%.4f,b=%.4f'%(a, b)) #输出精确到万分位
运行程序,输出
单侧左、右分位点:a=-1.6449, b=1.6449
双侧左、右分位点:a=-1.9600, b=1.9600
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