自由度(統計學的自由度)

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在統計學中,自由度(degree of freedom, df)指的是計算某一統計量時,取值不受限制的變數個數。通常df=n-k。其中n為樣本數量,k為被限制的條件數或變數個數,或計算某一統計量時用到其它獨立統計量的個數。自由度通常用於抽樣分布中。

基本介紹

  • 中文名:自由度
  • 外文名:degrees  of freedom
  • 意義:計算獨立數據的
  • 領域:統計學
  • 套用:抽樣分布
  • 公式:df=n-k
定義,套用,範例,例1,例2,

定義

統計學上,自由度是指當以樣本的統計量來估計總體的參數時,樣本中獨立或能自由變化的數據的個數,稱為該統計量的自由度。一般來說,自由度等於獨立變數減掉其衍生量數。舉例來說,變異數的定義是樣本減平均值(一個由樣本決定的衍生量),因此對N個隨機樣本而言,其自由度為N-1。
數學上,自由度是一個隨機向量的維度數,也就是一個向量能被完整描述所需的最少單位向量數。舉例來說,從電腦螢幕到廚房的位移能夠用三維向量
來描述,因此這個位移向量的自由度是3。自由度也通常與這些向量的座標平方和,以及卡方分布中的參數有所關聯。

套用

1.若存在兩個變數
、
,而
那么他的自由度為1。因為其實只有
才能真正的自由變化,
會被
選值的不同所限制。
2.估計總體的平均數(
)時,由於樣本中的
個數都是相互獨立的,任一個尚未抽出的數都不受已抽出任何數值的影響,所以自由度為
。
3.估計總體的方差(
)時所使用的統計量是樣本的方差
,而
必須用到樣本平均數
來計算。在抽樣完成後已確定,所以大小為
的樣本中只要
個數確定了,第
個數就只有一個能使樣本符合
的數值。也就是說,樣本中只有
個數可以自由變化,只要確定了這
個數,方差也就確定了。這裡,平均數
就相當於一個限制條件,由於加了這個限制條件,樣本方差
的自由度為
。
4.統計模型的自由度等於可自由取值的自變數的個數。如在回歸方程中,如果共有
個參數需要估計,則其中包括了
個自變數(與截距對應的自變數是常量)。因此該回歸方程的自由度為
。
5.在一個包含
個個體的總體中,平均數為
。知道了
個個體時,剩下的一個個體不可以隨意變化。為什麼總體方差計算,是除以
而不是
呢?方差是實際值與期望值之差平方的期望值,所以已知道總體均值或其他統計參數時方差應除以
,除以
時是方差的一個無偏估計。

範例

例1

有一個有4個數據(
)的樣本,其平均值
等於5,即受到
的條件限制,在自由確定4、2、5三個數據後, 第四個數據只能是9,否則
。因而這裡的自由度
。推而廣之,任何統計量的自由度
(k為限制條件的個數)。

例2

如果用刀剖柚子,在北極點沿經線方向割3刀,得6個角。這6個角可視為3對。6個角的平均角度一定是60度。其中半邊3個角中,只會有2個可以自由選擇,一旦2個數值確定第3個角也會唯一地確定。在總和已知的情況下,切分角的個數比能夠自由切分的個數大1。

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