نظرية كوكران
في علم الإحصاء ، تُعد نظرية كوكران ، التي وضعها ويليام جي. كوكران ، [ 1 ] نظرية تُستخدم لتبرير النتائج المتعلقة بتوزيعات الاحتمالات للإحصاءات المستخدمة في تحليل التباين . [ 2 ]
إفادة
يتركأن تكون متغيرات عشوائية مستقلة ومتطابقة التوزيع ذات توزيع طبيعي معياري ، و. يتركلتكن مصفوفات متناظرة . عرّف rᵢ على أنه رتبة rᵢ .. يُعرِّفوبالتالي فإن Q i هي أشكال تربيعية . افترض كذلك.
تنص نظرية كوكران على أن ما يلي متكافئ:
غالباً ما يُذكر ذلك على النحو التالي، أينهو دالة متماثلة، ويتم استبدالها بـلكن بعد التحويل المتعامد،وبالتالي نختزل إلى النظرية المذكورة أعلاه. هنا،يشير إلى التحويل القطري.
تركيبة بديلة
يُلاحظ هذا الشكل غالبًا عند دراسة الانحدار الخطي. [ 4 ] لنفترض أنهو متجه عشوائي طبيعي متعدد المتغيرات قياسي (هنا)تشير إلى مصفوفة الوحدة من الرتبة n × n ، وإذاجميعها مصفوفات متناظرة من الرتبة n × n معثم، عند تعريفأي من الشروط التالية يستلزم الشرطين الآخرين:
- (وبالتالي(موجبة شبه محددة )
- مستقل عنل
أمثلة
متوسط العينة وتباين العينة
إذا كانت X1 ، ...، Xn متغيرات عشوائية مستقلة موزعة توزيعًا طبيعيًا بمتوسط μ وانحراف معياري σ ، فإن
هو توزيع طبيعي معياري لكل i . لاحظ أن Q الكلي يساوي مجموع مربعات U كما هو موضح هنا:
والذي ينبع من الافتراض الأصلي بأنلذا سنقوم بحساب هذه الكمية ثم نفصلها لاحقًا إلى Q <sub>i </sub>. من الممكن كتابة
(هنا(وهو متوسط العينة ). ولإثبات هذه المتطابقة، اضرب في جميع المعادلة.ولاحظ أن
والتوسع لإعطاء
الحد الثالث يساوي صفرًا لأنه يساوي ثابتًا مضروبًا في
والحد الثاني يتكون من n حدًا متطابقًا مضافًا معًا.
وبالتالي
الآنمعمصفوفة الواحدات التي رتبتها 1. بدورها بشرطويمكن الحصول على هذا التعبير أيضًا عن طريق توسيعفي تدوين المصفوفات. يمكن إثبات أن رتبةيكونبما أن مجموع جميع صفوفها يساوي صفرًا، فإن شروط نظرية كوكران متحققة.
تنص نظرية كوكران على أن Q1 و Q2 مستقلتان، وتخضعان لتوزيع كاي تربيع بدرجتي حرية n − 1 و1 على التوالي. وهذا يدل على أن متوسط العينة وتباينها مستقلان. ويمكن إثبات ذلك أيضًا بنظرية باسو ، وفي الواقع، تُعد هذه الخاصية سمة مميزة للتوزيع الطبيعي - إذ لا يوجد توزيع آخر يكون فيه متوسط العينة وتباينها مستقلين. [ 5 ]
التوزيعات
تُكتب نتيجة التوزيعات رمزياً على النحو التالي:
يتناسب كلا المتغيرين العشوائيين مع التباين الحقيقي غير المعروف σ² . وبالتالي، فإن نسبتهما لا تعتمد على σ² ، ولأنهما مستقلان إحصائيًا، فإن توزيع نسبتهما يُعطى بالصيغة التالية :
حيث F 1, n − 1 هو توزيع F بدرجات حرية 1 و n − 1 (انظر أيضًا توزيع t للطالب ). وتتمثل الخطوة الأخيرة هنا في تعريف متغير عشوائي يتبع توزيع F.
تقدير التباين
لتقدير التباين σ² ، أحد المقدرات التي تُستخدم أحيانًا هو مقدر الاحتمال الأقصى لتباين التوزيع الطبيعي
تُظهر نظرية كوكران أن
وتُظهر خصائص توزيع كاي تربيع أن
دليل
الادعاء : دعأن تكون دالة غاوسية قياسية فيثم بالنسبة لأي مصفوفات متناظرة، لووإذا كان لهما نفس التوزيع،لها نفس القيم الذاتية (حتى التعددية).
لنفترض أن القيم الذاتية لـيكونثم احسب الدالة المميزة لـاتضح أنه
(لحسابها، قم أولاً بتحويلها إلى مصفوفة قطرية)، ثم انتقل إلى ذلك الإطار، ثم استخدم حقيقة أن الدالة المميزة لمجموع المتغيرات المستقلة هي حاصل ضرب دوالها المميزة.
لولكي تكون متساوية، يجب أن تكون وظائفها المميزة متساوية، لذلكلها نفس القيم الذاتية (حتى التعددية).
مطالبة :.
. منذمتناظر، وبناءً على الادعاء السابق،له نفس القيم الذاتية للصفر.
اللمة : إذا، الجميعإذا كانت متناظرة، ولها قيم ذاتية 0 و1، فإنها قابلة للتقطير في آن واحد.
ثبّت قيمة i، وانظر إلى المتجهات الذاتية v لـبحيثثم لدينانلاحظ أنتكون المصفوفات شبه موجبة، لأن متجهاتها الذاتية جميعها غير سالبة؛ لذلك، لكلكما يجب أن يكون لديناوهكذا نحصل على انقسام لـداخلبحيث يكون الفضاء الذاتي ذو البعد 1ليتم احتواؤها في الفضاءات الذاتية الصفرية لـلوالآن، ابدأ بالانتقال إلى. لوللجميعs، ثم أساس يقوم بقطرية كل في آن واحديُعطى بواسطة، أينهي أساس الفضاء الذاتي 1 لـ.
والآن نثبت النظرية الأصلية. نثبت أن الحالات الثلاث متكافئة من خلال إثبات أن كل حالة تستلزم الحالة التالية في دورة ().
الحالة : الكلمستقلون
أصلح بعض الأشياء، يُعرِّف، وقطريًابواسطة تحويل متعامدثم فكروهي مائلة أيضًا.
يتركإذن، فهو أيضاً توزيع غاوسي معياري. عندها يكون لدينا
افحص مداخلها القطرية، للتأكد من ذلك.وهذا يعني أن عناصر القطر غير الصفرية منفصلة.
وبالتالي فإن جميع القيم الذاتية لـقيمها 0 و 1، لذاهوموزع معدرجات الحرية.
الحالة : كلهوتوزيع.
أصلح أيقم بتحويلها قطريًا باستخدام التحويل المتعامدوإعادة فهرسة البيانات، بحيث. ثمبالنسبة للبعض، دوران كروي.
منذ، نحصل على كلإذن كل شيءولها قيم ذاتية.
لذا قم بتقسيمها قطريًا في آن واحد، واجمعها، لإيجاد.
قضية :.
نُبين أولاً أن المصفوفات B ( i ) يُمكن تحويلها قطريًا في آنٍ واحد بواسطة مصفوفة متعامدة، وأن قيمها الذاتية غير الصفرية جميعها تساوي +1. بعد إثبات ذلك، نأخذ هذا التحويل المتعامد إلى هذا الأساس الذاتي المتزامن ، حيث يكون المتجه العشوائييصبحلكن الجميعلا تزال مستقلة وتتبع التوزيع الطبيعي القياسي. ومن ثمّ تتحقق النتيجة.
لكل مصفوفة من المصفوفات B ( i ) رتبة rᵢ ، وبالتالي rᵢ قيمة ذاتية غير صفرية . لكل i ، يكون المجموعلديه رتبة قصوى. منذوبالتالي فإن C ( i ) لها رتبة N − r i بالضبط .
لذلك، يمكن تحويل المصفوفة B ( i ) والمصفوفة C ( i ) إلى مصفوفة قطرية في آنٍ واحد . ويمكن إثبات ذلك بتحويل المصفوفة B ( i ) إلى مصفوفة قطرية أولًا ، باستخدام نظرية الطيف . وفي هذا الأساس، تكون المصفوفة على الشكل التالي:
وبالتالي فإن الأدنىالصفوف تساوي صفرًا.وبالتالي، فإن هذه الصفوف في C ( i ) في هذا الأساس تحتوي على كتلة يمنى وهيمصفوفة الوحدة، مع أصفار في بقية هذه الصفوف. ولكن بما أن رتبة C ( i ) هي N − r i ، فلا بد أن تكون صفرًا في أي مكان آخر. وبالتالي فهي قطرية في هذا الأساس أيضًا. ويترتب على ذلك أن جميع القيم الذاتية غير الصفرية لكل من B ( i ) و C ( i ) هي +1. تنطبق هذه الحجة على جميع قيم i ، وبالتالي فإن جميع قيم B ( i ) موجبة شبه محددة.
علاوة على ذلك، يمكن تكرار التحليل المذكور أعلاه في الأساس القطري لـعلى هذا الأساسهويةفضاء متجهي، وبالتالي فإن كلاً من B (2) ويمكن تحويل جميع عناصر B إلى عناصر قطرية في هذا الفضاء المتجهي (وبالتالي يمكن تحويلها أيضًا إلى عناصر قطرية مع B (1) ). وبالتكرار، يتبين أن جميع عناصر B قابلة للتحويل إلى عناصر قطرية في آن واحد.
وبالتالي توجد مصفوفة متعامدةبحيث يكون ذلك لجميع،يكون قطريًا، حيث يكون أي مدخلمع المؤشرات،، يساوي 1، بينما أي إدخال بمؤشرات أخرى يساوي 0.
انظر أيضاً
- نظرية كرامر حول التوزيع الطبيعي المتحلل
- قابلية القسمة اللانهائية (الاحتمالية)
مراجع
- 1 2 كوكران، دبليو جي (أبريل 1934). "توزيع الأشكال التربيعية في نظام طبيعي، مع تطبيقات على تحليل التغاير". وقائع الجمعية الفلسفية في كامبريدج . 30 (2): 178-191 . Bibcode : 1934PCPS...30..178C . doi : 10.1017/S0305004100016595 .
- ↑ بات، آر بي (2000). الجبر الخطي والنماذج الخطية ( الطبعة الثانية). سبرينغر. رقم ISBN 978-0-387-98871-9.
- ↑ أبتون، غراهام؛ كوك، إيان (2008-01-01)، "نظرية كوكران" ، قاموس الإحصاء ، مطبعة جامعة أكسفورد، doi : 10.1093/acref/9780199541454.001.0001 ، ISBN 978-0-19-954145-4تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 مايو 2022
- ↑ "نظرية كوكران (شرح سريع)" (ملف PDF) .
- ↑ جيري، آر سي (1936). "توزيع نسبة "الطالب" للعينات غير الطبيعية". ملحق لمجلة الجمعية الإحصائية الملكية . 3 (2): 178-184 . doi : 10.2307/2983669 . JFM 63.1090.03 . JSTOR 2983669 .
- نظريات في الإحصاء
- توصيف التوزيعات الاحتمالية
