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统计学入门合集(基于Python)4——置信区间(Confidence Interval)

  • 2026-09-02 19:45:52
统计学入门合集(基于Python)4——置信区间(Confidence Interval)

在上一节中,我们得到了一个重要结论:

参数估计量在大样本下服从近似正态分布

即:


1问题提出

我们已经可以计算点估计,但一个更关键的问题是:

这个估计有多可靠?误差范围是多少?


👉 这就引出了:

区间估计(Interval Estimation)


2核心思想

我们从一个概率陈述出发:


关键变换(推导核心)

对不等式变形:


👉 得到置信区间:


3直觉解释

很多人误解置信区间:

❌ 错误理解:

参数有 95% 概率在区间内


✅ 正确理解:

区间是随机的,参数是固定的


👉 更准确说法:

如果重复采样 100 次
构造 100 个区间

👉 约有 95 个区间包含真实参数


4Python验证(覆盖率)

# file: ci_coverage.py

import numpy as np

defmain():
    np.random.seed(0)

    true_mu = 10
    sigma = 2
    n = 30

    count = 0
    N_sim = 5000

for _ in range(N_sim):
        data = np.random.normal(true_mu, sigma, n)
        x_bar = np.mean(data)

        lower = x_bar - 1.96 * sigma / np.sqrt(n)
        upper = x_bar + 1.96 * sigma / np.sqrt(n)

if lower <= true_mu <= upper:
            count += 1

    print("覆盖率:", count / N_sim)

if __name__ == "__main__":
    main()

结果解释

执行结果如下:
  • 输出 ≈ 0.95
  • 验证置信区间的频率解释

5σ未知:t分布

现实中:

σ 通常未知


此时使用:


👉 置信区间:


6Python验证(t区间)

# file: ci_t_distribution.py

import numpy as np
from scipy import stats

defmain():
    np.random.seed(0)

    true_mu = 10
    n = 20
    N_sim = 5000

    count = 0

for _ in range(N_sim):
        data = np.random.normal(true_mu, 2, n)

        x_bar = np.mean(data)
        s = np.std(data, ddof=1)

        t_val = stats.t.ppf(0.975, df=n-1)

        lower = x_bar - t_val * s / np.sqrt(n)
        upper = x_bar + t_val * s / np.sqrt(n)

if lower <= true_mu <= upper:
            count += 1

    print("覆盖率:", count / N_sim)

if __name__ == "__main__":
    main()

执行结果如下:

7区间宽度分析(工程重点)

区间长度:


# file: ci_width.py

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

defmain():
    np.random.seed(0)

    sizes = [10, 20, 50, 100, 200]
    widths = []

for n in sizes:
        width = 2 * 1.96 * 2 / np.sqrt(n)
        widths.append(width)

    plt.plot(sizes, widths, marker='o')
    plt.title("CI Width vs n")
    plt.show()

if __name__ == "__main__":
    main()

结果解释

执行结果如下:
  • 样本越多 → 区间越窄
  • 不确定性下降

8工程意义

置信区间用于:

  • 参数不确定性评估
  • 实验结果可信度
  • 工程安全裕度
  • A/B测试决策

9本节总结

内容
结论
本质
概率区间
核心
CLT
σ未知
t分布
工程意义
不确定性量化

10下期预告

下一讲进入统计决策核心:

  • 假设检验
  • p-value
  • Neyman–Pearson框架

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