Poglavlje 13
INTERVAL POVJERENJA ZA OČEKIVANJE

Definicija 13.1 (KVANTIL)

Neka je X slučajna varijabla s funkcijom distribucije F(x)i neka je zadan q (0,1). Broj zq zove se kvantil distribucije F ako vrijedi F(zq) = q.

Definicija 13.2 (INTERVAL POVJERENJA POUZDANOSTI γ)

Neka je (X1,X2,..Xn) slučajni uzorak slučajne varijable X koja ima poznatu distribuciju s nepoznatim parametrom t i neka je zadana pouzdanost γ (0,1).
Za procjenitelje G1 = h1(X1,X2,..Xn) i G2 = h2(X1,X2,..Xn) za parametar t kažemo da čine interval povjerenja (G1,G2) za parametar t s pouzdanošću γ ako vrijedi: P(G1 < t < G2) γ.
Parametar t poprimit će vrijednosti unutar intervala (g1,g2) s puzdanošću γ, gdje je g1 = h1(x1,x2,..xn), g2 = h2(x1,x2,..xn).

13.1 INTERVAL POVJERENJA ZA OČEKIVANJE
ako je veliki uzorak n →∞

MOTIV 13.1

Slučajni uzorak od 50 studenata za broj bodova (max 100 bodova) iz VIS-a od ukupno 200 studenata ove generacije pokazuje uzoraču aritmetičku sredinu 75 i korigiranu uzoračku standardnu devijaciju 10.
(a) Odredite interval povjerenja za očekivani broj bodova iz VIS-a za ovu genaraciju studenata s pouzdanošću 95%.
(b) Kolika je pouzdanost da će interval povjerenja za očekivani broj bodova biti [74,76]?
(c) Odredite interval povjerenja za očekivani broj bodova iz VIS-a s pouzdanošću 95% ako je ovo bio uzorak iz podataka za sve generacije studenata koje je nastavnik vodio.

TEOREM 13.1 Neka je (X1,X2,..Xn) slučajni uzorak slučajne varijable X koja ima poznatu distribuciju s nepoznatim parametrom očekivanje μ i poznatom varijancom σ2 (ili poznatom korigiranom uzoračkom varijancom s^ 2).
Ako je veliki uzorak (n → ∞) onda inerval povjerenja (G1,G2) za parametar očekivanje μ s pouzdanošću γ čine procjenitelji

      --     σ          --     σ
G1  = X - λ √-- i  G2 = X + λ √--,
             n                  n

ili

      --    -^s-         --    -^s-
G1  = X - λ √n- i  G2 = X + λ √n-,

gdje je X uzoračka aritmetička sredina, a λ = z1+2γ kvantil standardne normalne distribucije F*(z1+γ-
 2) = 1+γ2.

Dokaz: tko želi znati više

Prema Centralnom graničnom teormu za aritmetčku sredinu

--
X----μ
  √σ-  ~ N (0,1),    n → ∞.
   n

Primijenimo CGT na simetrični interval (-λ,λ) :
P(-λ < --
X-σμ-
√n- < λ) F*(λ) - F*(-λ) = 2F*(λ) - 1
tj.
P(X - λσ√n- < μ < X + λ√σn-) 2F*(λ) - 1.
Ako je zadana pozdanost γ, P(G1 < μ < G2) = γ, onda možemo odrediti λ tako da vrijedi F*(λ) = 1+γ
-2- tj. λ = z1+γ2- kvantil standardne normalne distribucije F*(z1+2γ) = 1+-γ
 2.
Zaključujemmo da je za velike n P(X - λ√σn- < μ < X + λ√σn-) = γ.
Procjenitelji G1 = X - λ√σ-
  n, G2 = X + λ√σ-
 n čine interval povjerenja

(X-- λ √σ-, X-+ λ √σ-)
         n         n

za parametar očekivanja μ slučajne varijable X s puzdanošću γ ako je poznata varijanca σ2.
Parametar očekivanja μ s pozdanošću γ poprimit će vrijednosti u u intervalu (x - λ√σ-
  n,x + λ√σ-
 n), gdje je λ = z1+γ
-2- kvantil standardne normalne distribucije F*(z1+γ
 2) = 1+2γ.

NAPOMENA 13.1 Ova procjena parametra očekivanja slučajne varijable može se koristi u zadacima za odredivanje
(a) δ = 2λ√σn- širine inervala
(b) n = 4λ2σ2
δ2 minimalne veličine uzorka
uz zadanu pozdanost γ za interval povjerenja (X-λσ√n-,X+λ√σn-), gdje je λ = z1+γ-
 2 kvantil standardne normalne distribucije F*(z1+γ
-2-) = 1+γ
 2.

NAPOMENA 13.2 (uzorak bez vračanja u konačnoj populaciji)

Neka je (X1,X2,..Xn) slučajni uzorak slučajne varijable X koja ima poznatu distribuciju s nepoznatim parametrom očekivanje μ i poznatom varijancom σ2 (ili poznatom korigiranom uzoračkom varijancom ^s 2).
Neka je uzet uzorak bez vraćanja iz konačne populacije veličine N. Ako je veliki uzorak (n → ∞), ( n 30) onda interval povjerenja (G1,G2) za parametar očekivanja μ s puzdanošću γ čine procjenitelji

     --     σ   ∘ N---n--
G1 = X - λ √---⋅  ------,
             n    N - 1

     --         ∘ -------
G2 = X + λ √σ--⋅  N---n-,
             n    N - 1

ili

                ∘ -------
G  = X-- λ √^s--⋅  N---n-,
 1           n    N - 1

     --     ^s   ∘ N---n--
G2 = X + λ √---⋅  ------,
             n    N - 1

gdje je X uzoračka aritmetička sredina, a λ = z1+2γ kvantil standardne normalne distribucije F*(z1+γ
-2-) = 1+γ
  2.

PRIMJER 13.1 motiv

Slučajni uzorak od 50 studenata za broj bodova (max 100 bodova) iz VIS-a od ukupno 200 studenata ove generacije pokazuje uzoraču aritmetičku sredinu 75 i korigiranu uzoračku standardnu devijaciju 10.
(a) Odredite interval povjerenja za očekivani broj bodova iz VIS-a za ovu genaraciju studenata s pouzdanošću 95%.
(b) Kolika je pouzdanost da će interval povjerenja za očekivani broj bodova biti [74,76]?
(c) Odredite interval povjerenja za očekivani broj bodova iz VIS-a s pouzdanošću 95% ako je ovo bio uzorak iz podataka za sve generacije studenata koje je nastavnik vodio.

Rješenje: Pretpostavljamo da je X slučajna varijabla (statističko obilježe) broj bodova na ispitu iz VIS-a.
Prema prethodnoj napomeni odredit ćemo interval povjerenja za očekivanje ako je veličina uzorka velika n > 30 za konačnu populaciju N = 200 pri uzorku bez vraćanja.

Iz zadatka išćitavamo podatke: ^s = 10, N = 200, n = 50, x = 75.

(a) Za pouzdanost γ = 0.95 koeficijent λ = 1.96.

               ∘ -------
g1 = x-- λ√^s--⋅  N----n = 75- 2.4,
            n    N  - 1
          ^s   ∘ N----n-
g2 = x-+ λ√--⋅  ------ = 75 + 2.4
           n     N - 1

Uz pouzdanost 95% broj bodova za kolegij VIS za studente ove generacije je unutar intervala [75 - 2.4,75 + 2.4].

(b) Ako je širina intervala δ = 2 onda je

            ∘ -------
δ = 2 λ⋅√^s-⋅   N---n-= 2
         n     N - 1
pa je 2λ 1.23 = 2 Dobili smo vrijednost λ = 0.81.
Veza λ i γ dana izrazom λ = z1+2γ. Kako je kvantil z1+2γ = 0.81 iz tablice za normalnu razdiobu očitamo da je F(0.81) = 0.791.
Pouzdanost γ odredujemo iz izraza 1+γ
 2 = 0.791
Tražena puzdanost je γ = 0.582.

Uz pouzdanost 58.2% broj bodova za kolegij VIS u populaciji ove generacije je unutar intervala [75 - 1,75 + 1].

(c) U ovom slučaju imamo veliku populaciju pa je interval povjerenja (G1,G2) za parametar očekivanja μ s puzdanošću γ

     --               --
G1 = X  - λ√^s--, G2 = X  + λ√σ-,
             n                n

gdje je X uzoračka aritmetička sredina, a λ = z1+γ
 2 kvantil standardne normalne distribucije F*(z1+2γ) = 1+-γ
  2.

Za pouzdanost γ = 0.95 koeficijent λ = 1.96.

     --    ^s
g1 = x- λ √-- = 75- 2.77
           n
    --
g2 = X + λ√^s--= 75 + 2.77
            n

Uz pouzdanost 95% broj bodova za kolegij VIS u cjelokupnoj populaciji je unutar intervala [75 - 2.77,75 + 2.77].

13.2 INTERVAL POVJERENJA ZA OČEKIVANJE NORMALNE distribucije
ako je varijanca poznata

MOTIV 13.2

Neka slučajna varijabla ima normalnu distribuciju
X ~ N(μ,σ2) nepoznatog očekivanja i poznate varijance σ2 = 0.64. Koliki minimalni uzorak treba uzeti da bi greška procjene očekivanja μ bila najviše jednaka 0.5, uz pouzdanost γ = 0.95?

TEOREM 13.2 Neka je (X1,X2,..Xn) slučajni uzorak slučajne varijable
X ~ N(μ,σ2) s nepoznatim parametrom očekivanje μ i poznatom varijancom σ2.
Interval povjerenja (G1,G2) za parametar očekivanja μ s puzdanošću γ čine procjenitelji

     --               --
G1 = X  - λ√σ--, G2 = X  + λ√σ-,
             n                n

gdje je X uzoračka aritmetička sredina, a λ = z1+-γ
 2 kvantil standardne normalne distribucije F*(z1+γ2-) = 1+γ
  2.

Dokaz: tko želi znati više

Neka je X ~ N(μ,σ2), onda je X ~ N(μ,1
nσ2), a --
X-σμ-
√n ~ N(0,1).
Na simetričnom intervalu (-λ,λ) :
P(-λ < --
X√-σμ-
  n < λ) = F*(λ) - F*(-λ) = 2F*(λ) - 1
tj.
P(X - λσ√n- < μ < X + λ√σn-) = 2F*(λ) - 1.
Ako je zadana pozdanost γ, P(G1 < μ < G2) = γ, onda možemo odrediti λ tako da vrijedi F*(λ) = 1+γ
 2 tj. λ = z1+2γ je kvantil standardne normalne distribucije F*(z1+γ
 2) = 1+2γ.
Procjenitelji G1 = X - λ√σ-
  n, G2 = X + λ√σ-
 n čine interval povjerenja

 --     σ   --     σ
(X - λ √n-, X + λ √n-)

za parametar očekivanja μ slučajne varijable X ~ N(μ,σ2) s pouzdanošću γ ako je poznata varijanca σ2.
Parametar očekivanja μ s pozdanošću γ poprimit će vrijednosti u u intervalu (x - λ-σ-
√n-,x + λ-σ-
√n), gdje je λ = z1+2γ kvantil standardne normalne distribucije F*(z1+γ
 2) = 1+-γ
 2.

NAPOMENA 13.3 Ova procjena parametra očekivanja slučajne varijable X ~ N(μ,σ2) poznate varijance, može se koristi u zadacima za odredivanje
(a) δ = 2λ√σ-
 n širine inervala
(b) n = 4λ2 2
σδ2 minimalne veličine uzorka
uz zadanu pozdanost γ za interval povjerenja (X-λσ√--
 n,X+λ√σ-
  n), gdje je λ = z1+γ-
 2 kvantil standardne normalne distribucije F*(z1+2γ) = 1+γ
-2-.

NAPOMENA 13.4 Kvantili za standardnu normalnu distribuciju
F*(z1+2γ) = 1+-γ
 2 :

|-----|-----|------|------|
--γ----0.90---0.95----0.99--
| 1+-γ |0.95 |0.975 |0.995 |
|--2--|-----|------|------|
-z1+2γ--1.65---1.96----2.58--

PRIMJER 13.2 Neka slučajna varijabla ima normalnu distribuciju
X ~ N(μ,σ2 = 0.64). Uzet je uzorak veličine n = 5 i dobivena je vrijednost uzoračke aritmetičke sredine x = 10.2. Odredite interval povjerenja za  očekivanje slučajne varijable s pouzdanošću γ = 0.95.

Rješenje: P(X - λ√σn- < μ < X + λ√σn-) = γ.
Za očekivanje μ interval povjerenja pouzdanosti γ je (X-λ√σ-
  n, X + λσ√--
 n), gdje je λ = z1+2γ- kvantil standardne normalne distribucije.
Iz tablice očitavamo za γ = 0.95, λ = z1+γ
 2 = 1.96.
Koristeći date vrijednosti iz uzorka n = 5, x = 10.2 dobivamo interval povjerenja za μ :

 --   √σ----    σ√--                0√.8-            √0.8-
(x - λ  n,x + λ  n ) = (10.2- 1.96 * 5,10.2+  1.96 *  5) = (9.49,10.90).

PRIMJER 13.3 motiv

Neka slučajna varijabla ima normalnu distribuciju
X ~ N(μ,σ2) nepoznatog očekivanja i poznate varijance σ2 = 0.64. Koliki minimalni uzorak treba uzeti da bi greška procjene očekivanja μ bila najviše jednaka 0.5, uz pouzdanost γ = 0.95?

Rješenje: n = 4λ2σ2
δ2 = λ2--σ2--
greska2, gdje je λ = z1+γ2- kvantil standardne normalne, F*(z1+γ
 2) = 1+-γ
 2.
Iz tablice očitavamo za γ = 0.95, λ = z1+2γ = 1.96.

n = 1.962 *-1--* 0.64 = 9.8345.
           0.52

13.3 INTERVAL POVJERENJA ZA OČEKIVANJE NORMALNE distribucije
ako je varijanca nepoznata

MOTIV 13.3 U četiri mjerenja Rockwellove tvrdoće jedne ploče radnici du dobili sljedeće vrijednosti:
64.9,64.1,63.8,64.0.
Odredite interval povjerenja za očekivanu vrijednost tvrdoće s pouzdanošću 99%.

TEOREM 13.3 Neka je (X1,X2,..Xn) slučajni uzorak slučajne varijable
X ~ N(μ,σ2) s nepoznatim parametrom očekivanje μ i nepoznatom varijancom σ2.
(i) Interval povjerenja (G1,G2) za parametar očekivanja μ s pouzdanošću γ

čine procjenitelji :

      --    S^          --     ^S
G1  = X - λ √-- i  G2 = X + λ √--,
             n                  n

gdje je X uzoračka aritmetička sredina, S^ 2 korigirana uzoračka varijanca,

a λ = z1+γ-
 2 kvantil sudentove distribucije t(n - 1), F(z1+γ
 2) = 1+2γ.
(ii) Interval povjerenja (G1,G2) za parametar očekivanja μ s pouzdanošću γ

čine procjenitelji:

     --      ^Σ           --       ^Σ
G1 = X - λ √------, G2 = X  + λ√------,
            n - 1                n - 1

gdje je X uzoračka aritmetička sredina, Σ^2 uzoračka varijanca, a λ = z1+2γ

kvantil studentove distribucije t(n - 1).

Dokaz: tko želi znati više

(i) Neka je X ~ N(μ,σ2), onda je Y = √n---
X--μ
 ^S ~ t(n - 1).
Na simetričnom intervalu (-λ,λ) :
P(-λ √ --
  n--
X-^μ-
 S λ) = F(λ) - F(-λ) = 2F(λ) - 1
tj.
P(X - λ^
S√n- < μ < X + λ ^
S√n-) = 2F(λ) - 1.
Ako je zadana pozdanost γ, P(G1 < μ < G2) = γ, onda možemo odrediti λ tako da vrijedi F(λ) = 1+γ
 2 tj. λ = z1+γ2- kvantil studentove distribucije t(n - 1), F(z1+γ
 2) = 1+2γ.
Procjenitelji

     --     ^S        --    S^
G1 = X  - λ√n--,G2  = X + λ √n-
čine interval povjerenja
 --    -^S-  --    S^-
(X - λ √n-, X + λ √n-)

za parametar očekivanja μ slučajne varijable X ~ N(μ,σ2) s puzdanošću γ ako je nepoznata varijanca σ2.
Parametar očekivanja μ s pozdanošću γ poprimit će vrijednosti u intervalu

       ^s        ^s
(x-  λ√--,x-+ λ√---),
        n        n
gdje je λ = z1+γ
 2 kvantil studentove distribucije
F(z1+2γ) = 1+γ
 2.
Ako je tablica studentove distribucije Y ~ t(n - 1,) dana u obliku
P(|Y | > ε) = p, onda λ tražimo tako da je P(|√n----
X--μ
 S^| < λ) = 1-γ
 2.
(ii) Koristimo vezu S^ 2 = nn-1-^Σ2.

NAPOMENA 13.5 Širina intervala povjerenja za očekivanje slučajne varijable X ~ N(μ,σ2) nepoznate varijance je

δ = 2λ √^s-
        n

uz zadanu pozdanost γ, gdje je λ = z1+-γ
 2 kvantil studentove distribucije t(n - 1), F(z1+2γ) = 1+γ
 2.

NAPOMENA 13.6 Kvantili za studentovu distribuciju za n = 5,t(4),
F(z1+γ
 2) = 1+2γ :

|-----|------|------|
| γ   | 0.95  | 0.99 |
|1+-γ-|------|------|
|--2--|0.975-|0.995-|
|z1+γ | 2.78  | 4.60 |
---2-----------------

PRIMJER 13.4 Neka slučajna varijabla ima normalnu distribuciju
X ~ N(μ,σ2) nepoznate varijance σ2. Uzet je utorak veličine n = 5 i dobivena je vrijednost uzoračke aritmetičke sredine x = 10.2, i vrijednost korigirane uzoračke varijance ^s 2 = 0.64. Odredite interval povjerenja za  očekivanje slučajne varijable s pouzdanošću γ = 0.95.

Rješenje: P(X - λ ^
√Sn- < μ < X + λ ^
√Sn-) = γ.
Za očekivanje μ interval povjerenja pouzdanosti γ je (X-λ√^S-
  n,X + λ^S√--
 n), gdje je λ = z1+2γ- kvantil studentove distribucije t(n - 1).
Za n=5, λ = z1+-γ
 2 je kvantil studentove distribucije t(4).
Iz tablice očitavamo za γ = 0.95, λ = z1+2γ = 2.78.
Koristeći date vrijednosti iz uzorka x = 10.2, i ^s 2 = 0.64 dobivamo interval povjerenja za μ :

(x- λ √^s-,x-+ λ√^s-) = (10.2 - 2.78⋅ 0√.8,10.2+ 2.78 ⋅ 0√.8) = (9.20,11.19).
       n         n                  5               5

PRIMJER 13.5 motiv

U četiri mjerenja Rockwellove tvrdoće jedne ploče radnici du dobili sljedeće vrijednosti:
64.9,64.1,63.8,64.0.
Odredite interval povjerenja za očekivanu vrijednost tvrdoće s pouzdanošću 99%.

Rješenje: Za zadanu pouzdanost γ = 0.99 interval povjerenja za očekivanje odrdujemo iz
P(X - λ^S√n- μ X + λS√^n-) = γ.
Za očekivanje μ interval povjerenja pouzdanosti γ je (X-λ ^S
√n-,X + λ^S
√n-), gdje je λ = z1+γ-
2 kvantil studentove distribucije t(n - 1).
Za n = 4, λ = z1+γ
-2- je kvantil studentove distribucije t(3).
Iz tablice očitavamo za γ = 0.99, vrijednost λ = z1+2γ = 5.84.
Koristeći date vrijednosti iz uzorka x = 64.2, i ^s 2 = 0.233 dobivamo interval povjerenja za μ :

 --  -^s- --  -^s-               0.482-           0.482-
(x- λ √n-,x+ λ√n-) = (64.2- 5.84⋅ √4 ,64.2+5.84 ⋅ √4 ) = (64.2- 1.4,64.2+1.4 ).
S pouzdanošću 99% očekivana vrijednost tvrdoće po Rockwellu će se biti u intervalu [62.8,65.6].

13.4 INTERVAL POVJERENJA ZA VJEROJATNOST BINOMNE DISTRIBUCIJE
n (n →∞)

MOTIV 13.4

U anketi za izbore dobiveni su podatci za kandidata A:
u uzorku od n=2500 glasača kandidat je dobio 1000 glasova.
Odredite interval povjerenja za postotak glasova koji će dobiti kandidat A na izborima s pouzdanošću 0.95.
(Pretpostavimo da je izbor binomna distribucija)

U Bernoullijevoj shemi s Xi ~ B(1,p),i = 1,...,n slučajna varijabla
X = i=1nX i broj uspjeha u Bernoullijevoj shemi ima binomnu distribuciju X ~ B(n,p).
Relativna frekvencija uspjeha u Bernoullijevoj shemi je slučajna varijabla X
n- koja odgovara X = 1-
n i=1nX i uzoračkoj aritmetičkoj sredini slučajnog uzorka (X1,X2,..Xn).
Prisjetimo se da je X = Xn- je procjenitelj za vjerojatnost p u Binomnoj distibuciji.

TEOREM 13.4 Ako je broj ponavljanja u Bernoullijevoj shemi velik
(n →∞), onda interval povjerenja (G1,G2) za parametar p, vjerojatnost dogadaja A u slučajnom pokusu s pouzdanošću γ čine procjenitelji

      --     1 ∘ ---------         --     1 ∘ ---------
G1  = X - λ √--  X (1- X ) i  G2 = X + λ √--- X (1- X ),
             n                             n

gdje je X uzoračka aritmetička sredina (X = X
n- relativna frekvencija uspjeha u Bernoullijevoj shemi), a
(a) λ = z1+2γ kvantil standardne normalne distribucije F*(z1+2γ) = 1+γ
 2,
(b) λ = √11-γ-.

Dokaz: tko želi znati više

Neka je (X1,X2,..Xn) slučajni uzorak iz Bernoullijeve sheme, Xi ~ B(1,p).
Prisjetimo se da vrijedi E(Xi) = p, V ar(Xi) = p(1 - p) i za uzoračku aritmetičku sredinu X = -1
n i=1nX i vrijedi E(X) = p, V ar(X) = 1
np(1 - p).
(a) Prema CGT za (n →∞)  za uzoračku aritmetičku sredinu
X = 1-
n i=1nX i vrijedi X ~ N(p,-1
np(1 - p)).
Za simetrični interval (-λ,λ) možemo približno odrediti
P(-λ  --
∘Xp-(1-pp)-
 --n-- λ) 2F*(λ) - 1.
Nejednakost -λ   --
∘-X-p--
  p(1-np) λ ekvivalentna je nejednakosti: ( --
∘X--p--
 p(1-np))2 λ2, odnosno
(n + λ2)p2 - (2Xn + λ2)p + nX2 0
Trebamo riješiti nejednakost po p.
Približna rješenja p1,p2 kvadratne jednadžbe (veliko n) su :

                ---------                  ---------
    --    -1-∘  --    --        --   -1- ∘ --    --
p1 ≈ X - λ√n--  X(1 - X ), p2 ≈ X + λ√n--  X (1 - X ).

Kako je (n + λ2) > 0, p (p1,p2).
Zaključujemo da je

            ∘ ---------                ∘ ---------
   --   -1-   --    --       --    -1-   --    --       *
P (X - λ√n--  X (1- X ) ≤ p ≤ X + λ√n--  X(1 - X )) ≈ 2F (λ)- 1.

Ako je zadana pouzdanost γ tako da je P(G1 < p < G2) = γ onda možemo odrediti λ tako da vrijedi F*(λ) = 1+-γ
 2, tj. λ = z1+γ
 2 kvantil standardne normalne distibucije F*(z1+2γ) = 1+-γ
 2.
Procjenitelji G1 = X - λ√1-
  n∘ ---------
  --    --
  X (1- X ),  G2 = X + λ√1-
 n∘  ---------
   --    --
   X(1 - X ) čine interval povjerenja (G1,G2) za paranetar vjerojatnost p uspjeha u Bernoullijevoj shemi.
(b) Prema Čebiševljevoj nejednakosti za slučajnu varijablu X koja ima
E(X) = p, V ar(X) = 1np(1 - p) u obliku
P(p - λ  ------
∘ p(1-p)
    n X p + λ  ------
∘  p(1-p)
     n) 1 --1
λ2.
Nejednakost p-λ∘ ------
  p(1--p)
    n X p + λ∘ ------
   p(1-p)
     n ekvivalentna je nejednakosti (vidi pod (a)): X - λ√1-
 n∘  ---------
   X(1 - X ) p X + λ√1-
 n∘ ---------
  X (1 - X ).

Zaključujemo da je

            ∘ ---------               ∘  ---------
P (X-- λ√1-- X--(1 - X-) ≤ p ≤ X + λ√1--X -(1 - X-)) ≥ 1 - 1-.
          n                          n                   λ2

Ako je zadana pouzdanost γ tako da je P(G1 < p < G2) = γ onda možemo odrediti λ tako da vrijedi 1 -λ12 = γ tj. λ = √11-γ-.
Procjenitelji G1 = X - λ1√n-∘ ---------
  X (1- X ), G2 = X + λ√1n-∘ ---------
  X (1 - X ) čine interval povjerenja (G1,G2) za paranetar vjrojatnosti p uspjeha u Bernoullijevoj shemi.

NAPOMENA 13.7 Možemo izvesti interval povjerenja i koristeći teorem Moivre-Laplacea (CGT) za relativnu frekvenciju u Bernullijevoj shemi
P(|Xn - p| < ε) F*(ε∘ ------
  p(np-1)) - 1, n →∞,
tj.
P(X
n- - ε < p < X
n- + ε) F*(ε∘ --n---
  p(p-1)) - 1.
Ako je zadana pozdanost γ, P(G1 < p < G2) = γ, onda možemo odrediti ε tako da vrijedi F*(ε∘ --n---
  p(p-1)) = 1+γ
-2-, tj. ε = z1+2γ∘ p(1--p)-
  --n--, odnosno ε = z1+γ2- 1
2√n-, uz p(1 - p) 1
4.
Procjenitelji G1 = X-
n - ε, G2 = X-
n - ε čine interval povjerenja (G1,G2) za paranetar vjerojatnosti p uspjeha u Bernoullijevoj shemi. varijable
X ~ B(n,p) s pouzdanošću γ ako je poznat parametar n broj ponavljanja pokusa.
Parametar vjerojatnost p s pozdanošću γ poprimit će vrijednosti u u intervalu

 x         1  x         1
(--- z1+γ-√--,--+ z 1+γ--√--),
 n     2 2  n n      2 2  n

gdje je z1+2γ kvantil standardne normalne distribucije F*(z1+2γ) = 1+γ
-2-.

PRIMJER 13.6 Odredite interval povjerenja za vjerojatnost p u Bernoullijevoj shemi s pouzdanošću γ = 0.95 ako se pokus ponovi n=100, a broj uspjeha je 32.

Rješenje: Za slučajnu varijablu X ~ B(n,p) vrijedi

  --     1 ∘ ---------       --     1 ∘ ---------
P(X  - λ√--- X (1 - X ) ≤ p ≤ X + λ√--- X (1 - X)) = γ
          n                          n

gdje je λ = z1+2γ kvantil standardne normalne distibucije F*(z1+2γ) = 1+γ
 2, X = X-
n relativna frekvencija uspjeha.
Procjenitelji G1 = X - λ√1-
  n∘ ---------
  --    --
  X (1- X ), G2 = X + λ√1-
  n∘ ---------
  --    --
  X (1- X ) čine interval povjerenja (G1,G2) za paranetar vjerojatnosti p.
Parametar vjerojatnost p s pouzdanošću γ poprimit će vrijednosti u intervalu (x-λ√1-
 n∘ --------
  x(1- x ),x + λ√1-
  n∘ --------
  x(1 - x)) gdje je λ = z1+2γ kvantil standardne normalne distibucije.
Iz uzorka je uzeta relativna fekvencija x = x
n = 32-
100, za pouzdanost γ = 0.95 iz tablice očitamo λ = z1+γ2- = 1.96 i odredimo interval

 --   -1-∘ -------- --   -1-∘ --------
(x-  λ√n-- x(1 - x),x+  λ√n-- x(1 - x))
                  1   ∘ -------------            1  ∘  -------------
  =  (0.32- 1.96√-----  0.32(1 - 0.32),0.32+ 1.96√-----  0.32(1 - 0.32))
                  100                            100
  =  (0.23,0.41 ).
Parametar vjerojatnosti p s pouzdanošću γ = 0.95 poprimit će vrijednosti u intervalu (0.23,0.41).

PRIMJER 13.7 Pravljena je anketa o dolasku na predavanja VIS. Na uzorku 163 studenta njih 62 je odgovorilo da je dolazilo na predavanja. Odredite interval povjerenja za vjerojatnost dolaska studenata prve godine na predavanja VIS s pouzdanošću 0.95.
(Pretpostavimo da je izbor binomna distribucija)

Rješenje: Parametar vjerojatnosti p s pozdanošću γ poprimit će vrijednosti u u intervalu (x-λ-1-
√n∘ --------
  x (1 - x),x + λ-1-
√n∘ --------
  x(1- x)) gdje je λ = z1+2γ kvantil standardne normalne distibucije.
Iz uzorka je uzeta relativna fekvencija x = x
n = 62-
163 = 0.38, za pouzdanost
γ = 0.95 iz tablice očitamo λ = z1+2γ = 1.96 i odredimo interval

       1 ∘ --------       1 ∘ --------
(x-  λ√---x-(1 - x),x+  λ√---x-(1 - x))
        n                  n
  =  (0.38- 1.96√-1---∘0.38(1---0.38),0.38+ 1.96√-1--∘0.38-(1---0.38))
                  163                            163
  =  (0.30,0.45 ).
Parametar vjerojatnosti p s pouzdanošću γ = 0.95 poprimit će vrijednosti u intervalu (0.30,0.45).
Vjerojatnost dolaska na predavanja VIS s pouzdanošću 0.95 je izmedu 0.30 i 0.45.

PRIMJER 13.8 motiv

U anketi za izbore dobiveni su podatci za kandidata A:
u uzorku od n=2500 glasača kandidat je dobio 1000 glasova.
Odredite interval povjerenja za postotak glasova koji će dobiti kandidat A na izborima s pouzdanošću 0.95.
(Pretpostavimo da je izbor binomna distribucija)

Rjšenje: Parametar vjerojatnost p s pozdanošću γ poprimit će vrijednosti u u intervalu (x-λ√1-
 n∘ --------
  x (1 - x),x + λ√1-
 n∘ --------
  x(1- x)) gdje je λ = z1+2γ kvantil standardne normalne distibucije.
Iz uzorka imamo relativnu fekvenciju x = x
n = 1000
2500 = 0.4, za pouzdanost γ = 0.95 iz tablice očitamo λ = z1+2γ = 1.96 i odredimo interval

(x-- λ√1-∘x--(1---x),x-+ λ√1-∘x--(1---x))
        n                  n
                  1   ∘ -----------            1  ∘  -----------
  =  (0.4-  1.96√------  0.4(1 - 0.4),0.4+ 1.96√------  0.4(1 - 0.4))
                 2500                         2500
  =  (0.38,0.42).
Parametar vjerojatnosti p s pozdanošću γ = 0.95 poprimit će vrijednosti u intervalu (0.38,0.42).
Postotak glasova koje će na izborima dobiti kandidat A s pouzdanošću 0.95 je izmedu 38% i 42%.

PRIMJER 13.9 Ako želimo odrediti postotak p% glasova koje će dobiti kandidat A na izborima pravimo anketu. Koliki uzorak treba uzeti da bi se za p odredio interval pouzdanosti 0.95 širine 0.04?

Rješenje: Parametar vjerojatnost p s pozdanošću γ poprimit će vrijednosti u u intervalu (x-λ√1-
 n∘x--(1---x),x + λ√1-
 n∘x-(1--x)-) gdje je λ = z1+ γ
-2- kvantil standardne normalne distibucije.
Širina intervala δ = 2λ√1-
 n∘ --------
 x-(1- x-).
Kako je x(1 -x) 1
4 možemo ocijeniti veličinu uzorka n: n (z1+γ)2
--22--
  δ.
Za zadane δ = 0.04, γ = 0.95, dobivamo λ = z1+2γ = 1.96 i

    (z1+2γ)2   1.962
n ≤ --δ2---=  0.042-= 2401.

Uzorak mora imati bar 2401 glasača da bi s pouzdanošću 0.95 interval povjerenja za postotak bodova na izborima za kandidata A bio širok 0.04. (greška unutar 4%).

13.5 Ponovimo

INTERVAL POVJERENJA ZA parametar t



slučajni uzorak (X1,X2,...,Xn)


parametar t


pouzdanost γ


interval povjerenja za tP(G1 t G2) γ


INTERVAL POVJERENJA ZA OČEKIVANJE kad je n →∞



slučajni uzorak (X1,X2,...,Xn), n 30


parametar μ


pouzdanost γ


interval povjerenja za tP(G1 μ G2) γ


G1 = X - λ√σ-
  n


G2 = X + λ√σ-
  n


λ z1+2γ, kvantil N(0,1)


INTERVAL POVJERENJA ZA OČEKIVANJE NORMALNE distribucije
(varijanca poznata)



slučajni uzorak (X1,X2,...,Xn), iz N(μ,σ2)


parametar μ


pouzdanost γ


interval povjerenja za μP(G1 μ G2) γ


G1 = X - λσ√n-


G2 = X + λσ√--
 n


λ z1+γ
-2-, kvantil N(0,1)


INTERVAL POVJERENJA ZA OČEKIVANJE NORMALNE distribucije
(varijanca nepoznata)



slučajni uzorak (X1,X2,...,Xn), iz N(μ,σ2)


parametar μ


pouzdanost γ


interval povjerenja za μP(G1 μ G2) γ


G1 = X - λ√^sn-


G2 = X + λ√^s-
 n


λ z1+2γ, kvantil t(n - 1)


INTERVAL POVJERENJA ZA VJEROJATNOST BINOMNE distribucije
(veliki n)



slučajni uzorak (X1,X2,...,Xn), iz B(n,p)


parametar p


pouzdanost γ


interval povjerenja za μP(G1 p G2) γ


G1 = Xn- - λ√1n-∘ ----------
   Xn(1 - Xn-)


G2 = X
n- + λ 1
√n-∘ -X-----X--
   n(1 - n-)


λ z1+γ
 2, kvantil N(0,1)