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§3 .1.2 独立性检验(2) 教学设计
南京市金陵中学 王泽扬
2021 年 3 月 9 日
教学目标:
1.基于 2×2 列联表,通过对典型案例的探究,了解独立性检验的基本思想,掌握独立性检
验的基本步骤,会用独立性检验解决简单的实际问题,提升数据分析能力.
2.经历由实际问题建立数学模型的过程,体会其中的基本方法.
教学重点:临界值表的理解、独立性检验的简单应用.
教学难点:对独立性检验的理解、独立性检验的简单应用.
教学过程:
一、复习回顾
上一节课,我们研究了两个分类变量之间的关系,我们以生活中的一个案例:两个现象
患呼吸道疾病与吸烟之间是否有关进行了一些研究.让我们一起来回顾一下:同学们,我们
是怎么研究的?研究了什么呢?
【流程图 1:环节 1】首先,我们基于科学的手段合理的抽样、收集了有关数据,对数据
做了一个统计,并形成了一张 2×2 列联表.
【流程图 2:环节 2】根据这些数据,我们想知道:这两个现象患呼吸道疾病与吸烟之
间究竟有没有关系呢?我们是如何研究的呢?
我们拿它跟一个理想状态下的情形做一个对比.什么是理想状态呢?就是我们的假设 H
0
.
假设 H
0
:患呼吸道疾病与吸烟没有关系.
在假设两者无关的情况下,我们找到理想状态下的 2×2 列联表的,叫做估计值,我们
想知道观测值与估计值之间,到底差距大还是不大,我们找到了用于比较观测值与估计值之
间的一个“距离(distance)”,这个“距离”最后就是我们找到的最科学的、用于两个现象有没
有关系的统计量——χ
2
.
对于 2×2 列联表,χ
2
的计算公式是
χ
2
=
(a-
(a+b)(a+c)
n
)
2
(a+b)(a+c)
n
+
(b-
(a+b)(b+d)
n
)
2
(a+b)(b+d)
n
+
(c-
(c+d)(a+c)
n
)
2
(c+d)(a+c)
n
+
(d-
(c+d)(b+d)
n
)
2
(c+d)(b+d)
n
,
即
χ
2
=
n(ad-bc)
2
(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)
,其中 n=a+b+c+d.
上一节课我们已经知道,基于抽样的这组实际数据与理想数据之间的“距离”如果越大,
即 χ
2
越大,就说明两个现象有关的可能性越大;如果基于抽样的这组实际数据与基于假设
独立的这组理想数据,他们之间的“距离”χ
2
越小,那么说明两个现象没有关系,即独立的
可能性更大.
那么究竟有多大的把握说这两个现象有关呢?我们需要进行判断.
我们应该如何判断呢?
下面我们就一起来探讨一下如何做出判断.
设计意图 回顾上节课的内容.由于独立性检验的知识较难理解,所以希望学生回忆上节课
的引例,结合引例,用自己的语言谈一谈对独立性检验的前 3 个步骤的理解.接
下来的学生活动与数学建构,就围绕进行判断而展开.
二、数学建构
【流程图 3:环节 3】判断.
上节课,我们根据基于抽样的这组实际观测数据,利用 χ
2
的计算公式,得到
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χ
2
=
515×(37×274-183×21)
2
220×295×58×457
≈11.8634. (1)
下面我们要进行判断:这个值是大还是小呢?大家觉得是大还是小?
实际上,在统计学中,就在大约 100 多年前,数学家们已经经历了严密且科学的研究,
得到了明确的结论:
在假设 H
0
成立的条件下,随机事件“χ
2
≥6.635”发生的概率约为 0.01,即
P(χ
2
≥6.635)≈0.01. (2)
这句话是什么意思呢?
也就是说,在假设 H
0
成立的条件下,对统计量 χ
2
进行多次测量,基于抽样所得数据算
出的观测值超过 6.635 的频率约为 0.01.
现在的 χ
2
=11.8634,大于 6.635.
由(2)式可知,出现这样的观测值 χ
2
的概率至多为 0.01.
所以至多有 1%的把握认为假设 H
0
是成立的,
即至多有 1%的把握认为患呼吸道疾病与吸烟无关.
所以,至少有 99%的把握认为患呼吸道疾病与吸烟有关系.
问题 2 在上述判断过程中,判断的依据是什么?
随机事件“χ
2
≥某临界值 x
0
”发生的概率,与对应的临界值 x
0
.
问题 3 一般地,要想至少有 99%的把握认为两个现象 I 和 II 有关系,判断的依据是什么?
这个把握的依据,就是
P(χ
2
≥6.635)≈0.01,
P(χ
2
≥x
0
)
0.010
x
0
6.635
只要观测值 χ
2
>6.635,我们就有 1%的把握认为患呼吸道疾病与吸烟无关,
从而有 99%的把握认为患病与吸烟有关.
设计意图 从特殊到一般,再从一般回到特殊,使学生理解判断的依据是什么.这里要将假
设 H
0
成立,转化为统计量 χ
2
的值,而判断的依据,在于明确把握度是多少,从
而找到对应的临界值,将基于这组数据所得的 χ
2
的值与临界值 x
0
进行比较.学
生不易理解的难点.
问题 4 能否至少有 99.9%的把握认为患病与吸烟有关?判断的依据是什么?怎样做出判断?
需要找到一个新的临界值 x
0
,使得 P(χ
2
≥x
0
)≈0.1%,让 χ
2
与这个 x
0
比较.
数学家们又进行了科学的研究,得出:
若随机事件“χ
2
≥x
0
”发生的概率为 0.1%,则临界值 x
0
约为 10.828.
P(χ
2
≥x
0
)
0.010
0.001
x
0
6.635
10.828
这样,我们只要将观测值 χ
2
与 10.828 比较,就可以像前面那样,作出判断了.
继续完成 问题 4 能否有 99.9%的把握认为患病与吸烟有关系?你的理由是什么?
生 ∴χ
2
=11.863 4>10.828.
因为当 H
0
成立时,P(χ
2
≥10.828)≈0.001,
所以至多有 0.1%的把握认为假设是成立的,
即至多有 0.1%的把握认为患病与吸烟无关,
所以,至少有 99.9%的把握认为“患病与吸烟有关系”.
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在许多社会学或科学问题中,有的时候把握可能不需要那么大,可能有时 99.5%,97.5%,
95%,甚至 90%就够了.
那么我们又该将观测值 χ
2
与哪些临界值 x
0
进行比较呢?
P(χ
2
≥x
0
)
0.10
0.05
0.025
0.010
0.005
0.001
x
0
6.635
10.828
数学家们将常用的把握的情形所对应的随机事件“χ
2
≥x
0
”发生的临界值 x
0
,列成了一张
表,称为临界值表.
表 临界值表
P(χ
2
≥x
0
)
0.50
0.40
0.25
0.15
0.10
0.05
0.025
0.010
0.005
0.001
x
0
0.455
0.708
1.323
2.072
2.706
3.841
5.024
6.635
7.879
10.828
查对临界值表,我们就能作出相应的判断:到底有多大的把握认为两个现象之间有关系.
设计意图 理解临界值表的含义,了解临界值表的意义与必要性,知道这是我们进行独立性
检验的依据与参照.临界值表的得出是无法通过目前现有知识让学生知悉缘由的,
需要今后在大学中学习、研究.
问题 5 小结:推断两个分类变量“Ⅰ和Ⅱ有关系”的一般步骤是什么?
第一步 基于科学的手段,合理地抽样、收集数据;
数学地整理数据——得到 2×2 列联表;
Ⅱ
类 1
类 2
合计
Ⅰ
类 A
a
b
a+b
类 B
c
d
c+d
a+c
b+d
a+b+c+d
第二步 提出假设 H
0
:两个分类变量Ⅰ和Ⅱ没有关系;
第三步 根据 2×2 列联表和公式计算 χ
2
统计量:
χ
2
=
n(ad-bc)
2
(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)
,其中 n=a+b+c+d;
第四步,查对临界值表,作出判断:
P(χ
2
≥x
0
)
0.50
0.40
0.25
0.15
0.10
0.05
0.025
0.010
0.005
0.001
x
0
0.455
0.708
1.323
2.072
2.706
3.841
5.024
6.635
7.879
10.828
例如:
(1)若 χ
2
>10.828,则有 99.9%的把握认为“Ⅰ和Ⅱ有关系”;
(2)若 χ
2
>6.635,则有 99%的把握认为“Ⅰ和Ⅱ有关系”;
(3)若 χ
2
>2.706,则有 90%的把握认为“Ⅰ和Ⅱ有关系”;
(4)若 χ
2
≤2.706,则认为没有充分的证据显示“Ⅰ和Ⅱ有关系”,但也不能作出结论“H
0
成立”,即Ⅰ和Ⅱ没有关系.
注 利用 χ
2
进行独立性检验,可以对推断的正确性的概率作出估计,观测数据 a,b,c,d
取值越大,效果越好.在实际应用中,通常要求 a,b,c,d 均不小于 5,这样近似的效果才
可接受.
设计意图 回顾上节课的内容.由于独立性检验的知识较难理解,所以希望学生回忆上节课
的引例,结合引例,用自己的语言谈一谈对独立性检验的三个步骤的理解.接下
来的数学应用和学生活动,就围绕检验学生是否理解而展开.
三、数学应用
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例 1 在 500 人身上试验某种血清预防感冒的作用,把他们一年中的感冒记录与另外 500 名
未用血清的人的感冒记录作比较,结果如表所示.问:能否有 99%的把握认为该种血清能否
起到预防感冒的作用?
未感冒
感冒
合计
使用血清
258
242
500
未使用血清
216
284
500
合计
474
526
1000
参考公式:独立性检验统计量 χ
2
=
n(ad-bc)
2
(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)
,其中 n=a+b+c+d.
下面的临界值表供参考:
P(χ
2
≥x
0
)
0.15
0.10
0.05
0.025
0.010
0.005
0.001
x
0
2.072
2.706
3.841
5.024
6.635
7.879
10.828
分析 在使用该种血清的人中,有
242
500
=48.4%的人患过感冒;在没有使用该种血清的人中,
有
284
500
=56.8%的人患过感冒,使用过血清的人与没有使用过血清的人的患病率相差较大.从
直观上来看,使用过血清的人与没有使用过血清的人的患感冒的可能性存在差异.
解 提出假设
H
0
:感冒与是否使用该种血清没有关系.
由列联表中的数据,求得
χ
2
=
1000×(258×284-242×216)
2
474×526×242×500×500
≈7.075>6.635.
因为当 H
0
成立时,“χ
2
≥6.635”的概率约为 0.01,
所以至少有 99%的把握认为:该种血清能起到预防感冒的作用.
设计意图 作为范例,使学生熟悉独立性检验的步骤,学会根据观测值 χ
2
的值大于临界值
x
0
,得出结论:有多大的把握认为Ⅰ与Ⅱ有关.
四、学生活动
数学建模与探究 现场调查:在高二 12 班中的你,________________________吗?
合计
男生
女生
合计
根据表中数据,能否作出高二 12 班的同学___________________与性别有关的结论?
设计意图 设计开放性的数学探究,如果课上时间允许,那么请同学们展开探究与讨论;如
果时间不允许,那么留作课后探究任务.
五、回顾反思
本节课我们学习了:
1.独立性检验的思想方法及与反证法的关系、独立性检验的一般步骤.
第一步,提出假设 H
0
:两个分类变量Ⅰ和Ⅱ没有关系;
第二步,写出 2×2 列联表:
Ⅱ
类 1
类 2
合计
Ⅰ
类 A
a
b
a+b
类 B
c
d
c+d
5 / 5
合计
a+c
b+d
a+b+c+d
计算
χ
2
=
n(ad-bc)
2
(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)
(其中 n=a+b+c+d);
第三步,查对临界值表,作出判断.
2.经独立性检验,两个事件有关,并不一定说:一个事件发生,另一个事件也发生.
六、回顾与小结 通过本节课的学习,你有哪些收获?
我们知道:统计基本的思想是用样本估计总体.常见的有两种推断方法.
第一种是统计估计的推断方法:根据收集到的样本数据,我们可以用样本数据的均值和
方差,分别估计总体的均值与方差;利用最小二乘法的思想,估计一元线性回归模型中的参
数,求出线性回归方程,等等.
第二种基本而重要的推断方法,就是假设检验.独立性检验是其中一种常用的方法.要
想更进一步地了解这种方法的奥秘,数学将会在大学与你相遇.
七、课外作业:
P
93
:习题 3.1——1,2.
八、板书设计