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基础公式
希腊字母表
| 音标 | 希腊字母大写 | 希腊字母小写 | LaTeX 大写 | LaTeX 小写 |
|---|---|---|---|---|
| /ˈælfə/ | \(\Alpha\) | \(\alpha\) | \Alpha |
\alpha |
| /ˈbeɪtə/ | \(\Beta\) | \(\beta\) | \Beta |
\beta |
| /ˈɡæmə/ | \(\Gamma\) | \(\gamma\) | \Gamma |
\gamma |
| /ˈdeltə/ | \(\Delta\) | \(\delta\) | \Delta |
\delta |
| /ˈepsɪlɒn/ | \(\Epsilon\) | \(\epsilon\) | \Epsilon |
\epsilon |
| /ˈepsɪlɒn/ | \(\Epsilon\) | \(\varepsilon\) | \Epsilon |
\varepsilon |
| /ˈzeɪtə/ | \(\Zeta\) | \(\zeta\) | \Zeta |
\zeta |
| /ˈiːtə/ | \(\Eta\) | \(\eta\) | \Eta |
\eta |
| /ˈθiːtə/ | \(\Theta\) | \(\theta\) | \Theta |
\theta |
| /ˈθiːtə/ | \(\Theta\) | \(\vartheta\) | \Theta |
\vartheta |
| /aɪˈəʊtə/ | \(\Iota\) | \(\iota\) | \Iota |
\iota |
| /ˈkæpə/ | \(\Kappa\) | \(\kappa\) | \Kappa |
\kappa |
| /ˈkæpə/ | \(\Kappa\) | \(\varkappa\) | \Kappa |
\varkappa |
| /ˈlæmdə/ | \(\Lambda\) | \(\lambda\) | \Lambda |
\lambda |
| /mjuː/ | \(\Mu\) | \(\mu\) | \Mu |
\mu |
| /njuː/ | \(\Nu\) | \(\nu\) | \Nu |
\nu |
| /zaɪ/ | \(\Xi\) | \(\xi\) | \Xi |
\xi |
| /əʊˈmaɪkrɒn/ | \(\Omicron\) | \(\omicron\) | \Omicron |
\omicron |
| /paɪ/ | \(\Pi\) | \(\pi\) | \Pi |
\pi |
| /paɪ/ | \(\Pi\) | \(\varpi\) | \Pi |
\varpi |
| /rəʊ/ | \(\Rho\) | \(\rho\) | \Rho |
\rho |
| /rəʊ/ | \(\Rho\) | \(\varrho\) | \Rho |
\varrho |
| /ˈsɪɡmə/ | \(\Sigma\) | \(\sigma\) | \Sigma |
\sigma |
| /ˈsɪɡmə/ | \(\Sigma\) | \(\varsigma\) | \Sigma |
\varsigma |
| /tɔː/ | \(\Tau\) | \(\tau\) | \Tau |
\tau |
| /ˈjuːpsɪlɒn/ | \(\Upsilon\) | \(\upsilon\) | \Upsilon |
\upsilon |
| /faɪ/ | \(\Phi\) | \(\phi\) | \Phi |
\phi |
| /faɪ/ | \(\Phi\) | \(\varphi\) | \Phi |
\varphi |
| /kaɪ/ | \(\Chi\) | \(\chi\) | \Chi |
\chi |
| /psaɪ/ | \(\Psi\) | \(\psi\) | \Psi |
\psi |
| /ˈəʊmɪɡə/ | \(\Omega\) | \(\omega\) | \Omega |
\omega |
扩展欧几里得算法
| \(q\) | \(a\) | \(b\) | \(s_0\) | \(s_1\) | \(t_0\) | \(t_1\) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| \(-\) | \(25\) | \(21\) | \(1\) | \(0\) | \(0\) | \(1\) |
| \(1\) | \(21\) | \(4\) | \(0\) | \(1\) | \(1\) | \(-1\) |
| \(5\) | \(4\) | \(1\) | \(1\) | \(-5\) | \(-1\) | \(6\) |
| \(4\) | \(1\) | \(0\) | \(-5\) | \(21\) | \(6\) | \(-25\) |
和差化积与积化和差
微积分
积分
常微分方程
- \(\dfrac{dy}{dx}=f(x)g(y)\)
- \(\dfrac{dy}{dx}=f(x,y)\)
- \(y'+p(x)y=q(x)\)
- \(y'+p(x)y=q(x)y^n\)
多元函数微积分
- 方向导数
对于多元函数 \(f(x_1, x_2, \cdots, x_n)\),在点 \(\mathbf{x}_0=(x_{01}, x_{02}, \cdots, x_{0n})\) 处,沿单位向量 \(\mathbf{v} = (v_1, v_2, \cdots, v_n)\) 的方向导数记为
如果函数在 \(\mathbf{x}_0\) 处可微,则
概率论与数理统计
基本概念
常用统计量
-
样本均值 \(\overline{X} = \dfrac{1}{n}\displaystyle\sum^{n}_{i=1}\),观测值 \(\overline{x} = \dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i=1}^{n}x_i\).
-
样本方差 \(S^2 = \dfrac{1}{n-1}\displaystyle\sum_{i=1}^{n}(X_i - \overline{X})^2 = \dfrac{1}{n-1}(\displaystyle\sum_{i=1}^nX_i^2 - n \overline{X}^2)\)
-
样本标准差 \(S = \sqrt{S^2}\)
-
样本 \(k\) 阶原点矩 \(A_k = \dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i=1}^nX_i^k\)
-
样本 \(k\) 阶中心距 \(B_k = \dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i=1}^n(X_i - \overline{X})^k\)
定理:对总体 \(X\) 有 \(E(X) = \mu, D(X) = \sigma^2\);从总体中取出样本,\(E(\overline{X}) = \mu, D(\overline{X}) = \dfrac{\sigma^2}{n},E(S^2) = \sigma^2\)
三种分布
\(\chi^2\) 分布
若 \(X_1,X_2\cdots X_n\) 独立同分布,且满足 \(X\sim N(0,1)\),则随机变量 \(X^2\) 满足 \(X\sim \chi^2(n)\),其中 \(n\) 为自由度。
-
若 \(X\sim N(\mu, \sigma)\),则 \(\dfrac{1}{\sigma^2}\displaystyle\sum_{i=1}^n(X_i-\mu)\sim \chi^2(n)\)
-
\(E(x) = n, D(X) = 2n\)
-
若 \(X\sim \chi^2(m),Y\sim \chi^x(n)\),则 \(X+Y\sim \chi^2(m+n)\)
-
对于 \(0 < \alpha < 1\),当 \(P(X^2 \geq \chi^2_{\alpha}(n)) = \alpha\) 称为 \(\chi_{\alpha}^2(n)\) 的 \(\alpha\) 的上侧分位数
\(t\) 分布
若 \(X,Y\) 独立分布,\(X\sim N(0,1), Y\sim \chi^(n)\),则 \(T = \dfrac{X}{\sqrt{Y/n}}\) 称为 \(t(n)\) 分布(密度函数关于 \(y\) 轴对称)
- 对于 \(0 < \alpha < 1\),当 \(P(t \geq t_{\alpha}(n)) = \alpha\) 称为 \(t_{\alpha}(n)\) 的 \(\alpha\) 的上侧分位数
\(F\) 分布
若 \(X\sim \chi^2(m), Y\sim \chi^2(n)\) 相互独立,则 \(F = \dfrac{X/m}{Y/n}\) 称为 \(F(m,n)\) 分布
-
设 \(X\sim F(m,n)\),则 \(\dfrac{1}{X}\sim F(n,m)\)
-
对于 \(0< \alpha < 1\),当 \(P(F \geq F_{\alpha}(m,n)) = \alpha\) 称为 \(F_{\alpha}(m,n)\) 的上侧分位数
正态总体统计量的分布
单变量
若 \(X\sim N(\mu, \sigma^2)\),有
- \(\overline{X} \sim N(\mu, \dfrac{\sigma^2}{n})\),\(\dfrac{\overline{X} - \mu}{\sigma / \sqrt{n}}\sim N(0,1)\)
- \(\dfrac{1}{\sigma^2}\displaystyle\sum_{i=1}^n(X_i - \mu)^2\sim \chi^2(n)\)
- \(\overline{X}\) 与 \(S^2\) 相互独立,且 \(\dfrac{(n-1)S^2}{\sigma^2}\sim \chi^2(n-1)\)
\(X^2 = \displaystyle\sum_{i=1}^n (\dfrac{X_i-\overline{X}}{\sigma})^2\),但是 \(\displaystyle\sum _{i=1}^n(\dfrac{X_i-\overline{X}}{\sigma}) = 0\) 是一个约束,故自由度从 \(n\) 减为 \(n-1\).
- \(\dfrac{\overline{X} - \mu}{S/\sqrt{n}} \sim t(n-1)\)
\(z = \dfrac{\overline{X} - \mu}{\sigma / \sqrt{n}}\sim N(0,1)\),\(\chi^2 = \dfrac{(n-1)S^2}{\sigma^2}\sim \chi^2(n-1)\) 满足相互独立,则 \(t = \dfrac{z}{\sqrt{\frac{\chi^2}{n-1}}}\) 是自由度为 \(n-1\) 的 \(t\) 分布
双变量
若 \(X\sim N(\mu, \sigma^2),Y\sim N(0,1)\),有
-
\(\dfrac{\overline{X} - \overline{Y} - (\mu_1 - \mu_2)}{\sqrt{\frac{\sigma_1^2}{m}+\frac{\sigma_2^2}{n}}}\sim N(0,1)\)
-
\(\dfrac{\overline{X} - \overline{Y} - (\mu_1 - \mu_2)}{S_w\sqrt{\frac{1}{m} + \frac{1}{n}}}\sim t(m+n-2),其中S_w^2 = \sqrt{\dfrac{(m-1)S_1^2+(n-1)S_2^2}{m+n-2}}\)
- \(\dfrac{S_1^2/S^2_2}{\sigma_1^2/\sigma_2^2}\sim F(m-1,n-1)\)
\(\dfrac{(n-1)S_1^2}{\sigma_1^2}\sim \chi^2(m-1)\), \(\dfrac{(n-1)S_2^2}{\sigma_2^2}\sim \chi^2(n-1)\) 两者相互独立
参数估计
点估计
矩估计
用样本均值 \(\overline{X}\) 代替总体均值 \(\mu\),用 样本的二阶中心距 代替总体方差 \(\sigma^2\).
极大似然估计
选择能够使概率取到极值的参数
衡量点估计的标准
- 无偏性:\(E(\hat{\theta}) = \theta\)
- 有效性:若 \(D(\hat{\theta_1}) < D(\hat{\theta_2})\),则 \(\theta_1\) 比 \(\theta_2\) 更有效
- 一致性:\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}P(\lvert \hat{\theta_n} - \theta\rvert < \varepsilon) = 1\)
样本均值是总体均值的无偏且一致的估计量;
样本方差是总体方差的无偏且一致估计量
区间估计
单正态总体下的参数区间估计
用枢轴量法求参数参数 \(\mu\) 的置信水平为 \(1-\alpha\) 的置信区间
- \(\sigma\) 已知
构造 \(\overline{X}\) 和 \(\mu\) 的函数
- \(\sigma\) 未知
用样本标准差代替总体标准差,构造 \(\overline{X}\) 和 \(\mu\) 的函数
用枢轴量法求参数参数 \(\sigma^2\) 的置信水平为 \(1-\alpha\) 的置信区间
- \(\mu\) 已知
参数 \(\sigma^2\) 的无偏估计为 \(\hat{\sigma^2} = \dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i = 1}^n(X_i - \mu)^2\) 构造 \(\dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i=1}^n(X_i - \mu)^2\) 和参数 \(\sigma^2\) 的函数
- \(\mu\) 未知
由于 \(\mu\) 未知,参数 \(\sigma^2\) 的无偏估计为 \(S^2 = \dfrac{1}{n-1}\displaystyle\sum_{i = 1}^n(X_i - \overline{X})^2\),构造 \(S^2\) 和 \(\sigma^2\) 的函数
| 待估参数 | 待估参数 | \(G(\hat{\theta}, \theta)\) | 双侧置信区间 |
|---|---|---|---|
| 均值 \(\mu\) | \(\sigma\) 已知 | \(G = \dfrac{(\overline{X}-\mu)}{\sigma/\sqrt{n}}\sim N(0,1)\) | \([\overline{X}-\dfrac{\sigma}{\sqrt{n}}z_{\frac{\alpha}{2}},\overline{X}+\dfrac{\sigma}{\sqrt{n}}z_{\frac{\alpha}{2}}]\) |
| 均值 \(\mu\) | \(\sigma\) 未知 | \(G = \dfrac{(\overline{X}-\mu)}{S/\sqrt{n}}\sim t(n-1)\) | \([\overline{X} - \dfrac{S}{\sqrt{n}}t_{\frac{\alpha}{2}}(n-1),\overline{X} + \dfrac{S}{\sqrt{n}}t_{\frac{\alpha}{2}}(n-1)]\) |
| 方差 \(\sigma\) | \(\mu\) 已知 | \(G = \dfrac{1}{\sigma^2}\displaystyle\sum_{i=1}^n(X_i-\mu)^2\sim \chi^2(n)\) | \(\bigg[\dfrac{\displaystyle\sum_{i=1}^n (X_i-\mu)^2}{\chi_{\alpha / 2}^2(n)}, \dfrac{\displaystyle\sum_{i=1}^n (X_i-\mu)^2}{\chi^2_{1-\alpha/ 2}(n)}\bigg]\) |
| 方差 \(\sigma\) | \(\mu\) 未知 | \(G = \dfrac{(n-1)S^2}{\sigma^2}\sim \chi^2(n-1)\) | \(\bigg[\dfrac{\displaystyle\sum_{i=1}^n (X_i-\mu)^2}{\chi_{\alpha / 2}^2(n-1)}, \dfrac{\displaystyle\sum_{i=1}^n (X_i-\mu)^2}{\chi^2_{1-\alpha/ 2}(n-1)}\bigg]\) |
两个正态总体下的参数区间估计
| 待估参数 | 待估参数 | \(G(\hat{\theta}, \theta)\) | 双侧置信区间 |
|---|---|---|---|
| 均值差 \(\mu_1-\mu_2\) | \(\sigma_1,\sigma_2\) 已知 | \(G = \dfrac{\overline{X} - \overline{Y}-(\mu_1 - \mu_2)}{\sqrt{\frac{\sigma_1^2}{m} + \frac{\sigma_2^2}{n}}}\sim N(0,1)\) | 不背, 现推:sleepy: |
| 均值差 \(\mu_1 - \mu_2\) | \(\sigma_1=\sigma_2=\sigma^2\),但 \(\sigma^2\) 未知 | \(G = \dfrac{\overline{X} - \overline{Y}-(\mu_1 - \mu_2)}{S_w\sqrt{\frac{1}{m} + \frac{1}{n}}}\sim t(m+n-2)\) | \(\cdots\) |
| 方差比 \(\dfrac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2}\) | \(\mu_1, \mu_2\) 已知 | \(\dfrac{\hat{\sigma^2_1}/\hat{\sigma_2^2}}{\sigma_1^2/\sigma_2^2}\sim F(m.n)\) | \(\cdots\) |
| 方差比 \(\dfrac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2}\) | \(\mu_1, \mu_2\) 未知 | \(G = \dfrac{S_1^2/S_2^2}{\sigma_1^2/\sigma_2^2}\sim F(m-1,n-1)\) | \(\cdots\) |
假设检验
- 根据问题提出原假设 \(H_0\) 和备择假设 \(H_1\);
- 选择统计量,在原假设成立的条件下确定统计量的分布;
- 根据 \(\alpha\) 确定统计量对应的临界值;
- 根据样本观测值计算统计量的观测值与临界值比较,选择接受或拒绝原假设 \(H_0\);
两类错误
- 弃真:当且仅当小概率事件 \(A\) 发生时才拒绝 \(H_0\),\(P(A|H_0)\leq \alpha\)
- 取伪:当 \(\alpha\) 确定后,可以通过增加样本容量来减小取伪概率
显著性检验 只对第一类错误的概率加以控制,而不考虑犯第二类错误的概率,称犯第一类错误的概率 \(\alpha\) 为 显著性水平
后果严重的作为原假设
正态总体的假设检验
单边检验:拒绝域与备择假设的不等号方向一致
渐进无偏估计
贝塞尔校正
设 \(X_1, X_2, \cdots, X_n\) 是来自总体 \(X\) 的样本,且 \(E(X) = \mu\) 已知,\(D(X)=\sigma^2\) 未知,则 \(\dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i=1}^n(X_i-\mu)^2\) 是 \(\sigma^2\) 的无偏估计。
\(\forall i=1,2,,\cdots,n\),有 \(E[(X_i-\mu)^2]=\sigma^2\),则
\[ E\left(\dfrac{1}{n}\sum_{i = 1}^n(X_i-\mu)^2\right) = \dfrac{1}{n}E\left(\sum_{i = 1}^n(X_i-\mu)^2\right)=\dfrac{1}{n}n\sigma^2 \]
设 \(X_1, X_2, \cdots, X_n\) 是来自总体 \(X\) 的样本,\(E(X) = \mu\) 未知,\(D(X)=\sigma^2\) 未知,则 \(\dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i=1}^n(X_i-\overline{X})^2\) 不是 \(\sigma^2\) 的无偏估计。
\[ \begin{aligned} \dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i = 1}^n(X_i-\overline{X})^2 &= \dfrac{1}{n}\sum_{i = 1}^n\left((X_i-\mu) + (\mu - \overline{X})\right)^2\\ &= \dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i = 1}^n(X_i-\mu)^2 + 2(\overline{X}-\mu)(\mu-\overline{X}) + (\mu-\overline{X})^2\\ &= \dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i = 1}^n(X_i-\mu)^2 -(\mu-\overline{X})^2\\ &\leq \sigma^2 \end{aligned} \]当 \(\overline{X}\not=\mu\) 时,\(\dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i=1}^n(X_i-\overline{X})^2\) 会造成对方差的低估,因此需要缩小分母。
已知
于是有
最终得到 \(\dfrac{1}{n-1}\displaystyle\sum_{i=1}^n(X_i-\overline{X})^2\) 是 \(\sigma^2\) 的无偏估计。
由于 \(\dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i=1}^n(X_i-\overline{X})^2=\dfrac{n}{n-1}\sigma^2\),且 \(\displaystyle\lim_{n\to\infty}\dfrac{n-1}{n}\sigma^2=\sigma^2\),则称 \(\dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i=1}^n(X_i-\overline{X})^2\) 为 \(\sigma^2\) 的渐进无偏估计。