Как построить доверительный интервал в excel

Функция ДОВЕРИТ.СТЬЮДЕНТ

Excel для Microsoft 365 Excel для Microsoft 365 для Mac Excel для Интернета Excel 2021 Excel 2021 для Mac Excel 2019 Excel 2019 для Mac Excel 2016 Excel 2016 для Mac Excel 2013 Excel Web App Excel 2010 Excel для Mac 2011 Excel Starter 2010 Еще. Меньше

В этой статье описаны синтаксис формулы и использование функции ДОВЕРИТ.СТЬЮДЕНТ в Microsoft Excel.

Возвращает доверительный интервал для среднего генеральной совокупности, используя распределение Стьюдента.

Синтаксис

Аргументы функции ДОВЕРИТ.СТЬЮДЕНТ описаны ниже.

• Альфа — обязательный аргумент. Уровень значимости, используемый для вычисления доверительного уровня. Доверительный уровень равен 100*(1 — альфа) процентам или, иными словами, значение аргумента «альфа», равное 0,05, означает 95-процентный доверительный уровень.
• Стандартное_откл — обязательный аргумент. Стандартное отклонение генеральной совокупности для диапазона данных, предполагается известным.
• Размер — обязательный аргумент. Размер выборки.

Замечания

• Если какой-либо из аргументов не является числом, доверит. T возвращает #VALUE! значение ошибки #ЗНАЧ!.
• Если альфа ≤ 0 или альфа ≥ 1, доверит. T возвращает #NUM! значение ошибки #ЗНАЧ!.
• Если standard_dev ≤ 0, доверит. T возвращает #NUM! значение ошибки #ЗНАЧ!.
• Если значение аргумента «размер» не является целым числом, оно усекается.
• Если размер равен 1, доверит. T возвращает #DIV/0! значение ошибки #ЗНАЧ!.

Пример

Скопируйте образец данных из следующей таблицы и вставьте их в ячейку A1 нового листа Excel. Чтобы отобразить результаты формул, выделите их и нажмите клавишу F2, а затем — клавишу ВВОД. При необходимости измените ширину столбцов, чтобы видеть все данные.

Доверительный интервал для среднего значения по выборке размером 50 % с уровнем значимости 5 % и стандартным отклонением 1. Это основано на t-распределении учащихся.

Как построить доверительные интервалы в Excel (с примерами)

Доверительный интервал представляет собой диапазон значений, который может содержать некоторый параметр генеральной совокупности с определенным уровнем достоверности.

В этом руководстве объясняется, как отображать доверительные интервалы на линейчатых диаграммах в Excel.

Пример 1. Нанесение доверительных интервалов на гистограмму

Предположим, у нас есть следующие данные в Excel, которые показывают среднее значение четырех различных категорий вместе с соответствующей погрешностью для 95% доверительных интервалов:

Чтобы создать гистограмму для визуализации средних значений категорий, выделите ячейки в диапазоне A1:B5 , а затем щелкните вкладку « Вставка » на верхней ленте. Затем нажмите « Вставить столбец или гистограмму» в группе «Диаграммы».

Это создаст следующую гистограмму:

Чтобы добавить полосы доверительного интервала, нажмите знак «плюс» (+) в правом верхнем углу гистограммы, затем нажмите « Полосы ошибок » и « Дополнительные параметры »:

В появившемся справа окне нажмите кнопку « Пользовательский » внизу. В появившемся новом окне выберите =Sheet1!$C$2:$C$5 как для положительного, так и для отрицательного значения ошибки. Затем нажмите ОК .

Это создаст следующие полосы доверительного интервала на гистограмме:

Не стесняйтесь также менять цвет столбцов, чтобы полосы доверительного интервала было легче увидеть:

Верхняя часть столбца представляет среднее значение для каждой категории, а столбцы ошибок показывают диапазон доверительного интервала для каждого среднего значения.

• Среднее значение для категории А равно 12, а 95% доверительный интервал для этого среднего колеблется от 10 до 14.
• Среднее значение для категории B равно 15, а 95% доверительный интервал для этого среднего колеблется от 12 до 18.
• Среднее значение для категории C равно 18, а 95% доверительный интервал для этого среднего колеблется от 13 до 23.
• Среднее значение для категории D равно 13, а 95% доверительный интервал для этого среднего колеблется от 10 до 16.

Доверительный интервал для оценки среднего (дисперсия известна) в EXCEL

В статье Статистики, выборочное распределение и точечные оценки в MS EXCEL дано определение точечной оценки параметра распределения (point estimator). Однако, в силу случайности выборки, точечная оценка не совпадает с оцениваемым параметром и более разумно было бы указывать интервал, в котором может находиться неизвестный параметр при наблюденной выборке х ₁ , x ₂ , . х _n . Поэтому цель использования доверительных интервалов состоит в том, чтобы по возможности избавиться от неопределенности и сделать как можно более полезный статистический вывод .

Примечание : Процесс обобщения данных выборки , который приводит к вероятностным утверждениям обо всей генеральной совокупности , называют статистическим выводом (statistical inference).

СОВЕТ : Для построения Доверительного интервала нам потребуется знание следующих понятий:

• дисперсия и стандартное отклонение ,
• выборочное распределение статистики ,
• уровень доверия/ уровень значимости ,
• стандартное нормальное распределение и его квантили .

К сожалению, интервал, в котором может находиться неизвестный параметр, совпадает со всей возможной областью изменения этого параметра, поскольку соответствующую выборку , а значит и оценку параметра , можно получить с ненулевой вероятностью. Поэтому приходится ограничиваться нахождением границ изменения неизвестного параметра с некоторой заданной наперед вероятностью.

Определение : Доверительным интервалом называют такой интервал изменения случайной величины , которыйс заданной вероятностью , накроет истинное значение оцениваемого параметра распределения.

Эту заданную вероятность называют уровнем доверия (или доверительной вероятностью ).

Обычно используют значения уровня доверия 90%; 95%; 99%, реже 99,9% и т.д. Например, уровень доверия 95% означает, что дополнительное событие, вероятность которого 1-0,95=5%, исследователь считает маловероятным или невозможным.

Примечание : Вероятность этого дополнительного события называется уровень значимости или ошибка первого рода . Подробнее см. статью Уровень значимости и уровень надежности в MS EXCEL .

Разумеется, выбор уровня доверия полностью зависит от решаемой задачи. Так, степень доверия авиапассажира к надежности самолета, несомненно, должна быть выше степени доверия покупателя к надежности электрической лампочки.

Примечание : Построение доверительного интервала в случае, когда стандартное отклонение неизвестно, приведено в статье Доверительный интервал для оценки среднего (дисперсия неизвестна) в MS EXCEL . О построении других доверительных интервалов см. статью Доверительные интервалы в MS EXCEL .

Формулировка задачи

Предположим, что из генеральной совокупности имеющей нормальное распределение взята выборка размера n. Предполагается, что стандартное отклонение этого распределения известно. Необходимо на основании этой выборки оценить неизвестное среднее значение распределения (μ, математическое ожидание ) и построить соответствующий двухсторонний доверительный интервал .

Точечная оценка

Как известно из Центральной предельной теоремы , статистика (обозначим ее Х _ср ) является несмещенной оценкой среднего этой генеральной совокупности и имеет распределение N(μ;σ 2 /n).

Примечание : Что делать, если требуется построить доверительный интервал в случае распределения, которое не является нормальным? В этом случае на помощь приходит Центральная предельная теорема , которая гласит, что при достаточно большом размере выборки n из распределения не являющемся нормальным , выборочное распределение статистики Х _ср будет приблизительно соответствовать нормальному распределению с параметрами N(μ;σ 2 /n).

Итак, точечная оценка среднего значения распределения у нас есть – это среднее значение выборки , т.е. Х _ср . Теперь займемся доверительным интервалом.

Построение доверительного интервала

Обычно, зная распределение и его параметры, мы можем вычислить вероятность того, что случайная величина примет значение из заданного нами интервала. Сейчас поступим наоборот: найдем интервал, в который случайная величина попадет с заданной вероятностью. Например, из свойств нормального распределения известно, что с вероятностью 95%, случайная величина, распределенная по нормальному закону , попадет в интервал примерно +/- 2 стандартных отклонения от среднего значения (см. статью про нормальное распределение ). Этот интервал, послужит нам прототипом для доверительного интервала .

Теперь разберемся,знаем ли мы распределение , чтобы вычислить этот интервал? Для ответа на вопрос мы должны указать форму распределения и его параметры.

Форму распределения мы знаем – это нормальное распределение (напомним, что речь идет о выборочном распределении статистики Х _ср ).

Параметр μ нам неизвестен (его как раз нужно оценить с помощью доверительного интервала ), но у нас есть его оценка Х _ср , вычисленная на основе выборки, которую можно использовать.

Второй параметр – стандартное отклонение выборочного среднего будем считать известным , он равен σ/√n.

Т.к. мы не знаем μ, то будем строить интервал +/- 2 стандартных отклонения не от среднего значения , а от известной его оценки Х _ср . Т.е. при расчете доверительного интервала мы НЕ будем считать, что Х _ср попадет в интервал +/- 2 стандартных отклонения от μ с вероятностью 95%, а будем считать, что интервал +/- 2 стандартных отклонения от Х _ср с вероятностью 95% накроет μ – среднее генеральной совокупности, из которого взята выборка . Эти два утверждения эквивалентны, но второе утверждение нам позволяет построить доверительный интервал .

Кроме того, уточним интервал: случайная величина, распределенная по нормальному закону , с вероятностью 95% попадает в интервал +/- 1,960 стандартных отклонений, а не+/- 2 стандартных отклонения . Это можно рассчитать с помощью формулы =НОРМ.СТ.ОБР((1+0,95)/2) , см. файл примера Лист Интервал .

Теперь мы можем сформулировать вероятностное утверждение, которое послужит нам для формирования доверительного интервала : «Вероятность того, что среднее генеральной совокупности находится от среднего выборки в пределах 1,960 « стандартных отклонений выборочного среднего» , равна 95%».

Значение вероятности, упомянутое в утверждении, имеет специальное название уровень доверия , который связан с уровнем значимости α (альфа) простым выражением уровень доверия = 1 -α . В нашем случае уровень значимости α =1-0,95=0,05 .

Теперь на основе этого вероятностного утверждения запишем выражение для вычисления доверительного интервала :

Примечание : Верхний α/2-квантиль определяет ширину доверительного интервала в стандартных отклонениях выборочного среднего. Верхний α/2-квантиль стандартного нормального распределения всегда больше 0, что очень удобно.

В нашем случае при α=0,05, верхний α/2-квантиль равен 1,960. Для других уровней значимости α (10%; 1%) верхний α/2-квантиль Z _α/2 можно вычислить с помощью формулы =НОРМ.СТ.ОБР(1-α/2) или, если известен уровень доверия , =НОРМ.СТ.ОБР((1+ур.доверия)/2) .

Обычно при построении доверительных интервалов для оценки среднего используют только верхний α /2- квантиль и не используют нижний α /2- квантиль . Это возможно потому, что стандартное нормальное распределение симметрично относительно оси х ( плотность его распределения симметрична относительно среднего, т.е. 0 ) . Поэтому, нет нужды вычислять нижний α/2-квантиль (его называют просто α /2-квантиль ), т.к. он равен верхнему α /2- квантилю со знаком минус.

Напомним, что, не смотря на форму распределения величины х, соответствующая случайная величина Х _ср распределена приблизительно нормально N(μ;σ 2 /n) (см. статью про ЦПТ ). Следовательно, в общем случае, вышеуказанное выражение для доверительного интервала является лишь приближенным. Если величина х распределена по нормальному закону N(μ;σ 2 /n), то выражение для доверительного интервала является точным.

Расчет доверительного интервала в MS EXCEL

Решим задачу. Время отклика электронного компонента на входной сигнал является важной характеристикой устройства. Инженер хочет построить доверительный интервал для среднего времени отклика при уровне доверия 95%. Из предыдущего опыта инженер знает, что стандартное отклонение время отклика составляет 8 мсек. Известно, что для оценки времени отклика инженер сделал 25 измерений, среднее значение составило 78 мсек.

Решение : Инженер хочет знать время отклика электронного устройства, но он понимает, что время отклика является не фиксированной, а случайной величиной, которая имеет свое распределение. Так что, лучшее, на что он может рассчитывать, это определить параметры и форму этого распределения.

К сожалению, из условия задачи форма распределения времени отклика нам не известна (оно не обязательно должно быть нормальным ). Среднее, т.е. математическое ожидание , этого распределения также неизвестно. Известно только его стандартное отклонение σ=8. Поэтому, пока мы не можем посчитать вероятности и построить доверительный интервал .

Однако, не смотря на то, что мы не знаем распределение времени отдельного отклика , мы знаем, что согласно ЦПТ , выборочное распределение среднего времени отклика является приблизительно нормальным (будем считать, что условия ЦПТ выполняются, т.к. размер выборки достаточно велик (n=25)) .

Более того, среднее этого распределения равно среднему значению распределения единичного отклика, т.е. μ. А стандартное отклонение этого распределения (σ/√n) можно вычислить по формуле =8/КОРЕНЬ(25) .

Также известно, что инженером была получена точечная оценка параметра μ равная 78 мсек (Х _ср ). Поэтому, теперь мы можем вычислять вероятности, т.к. нам известна форма распределения ( нормальное ) и его параметры (Х _ср и σ/√n).

Инженер хочет знать математическое ожидание μ распределения времени отклика. Как было сказано выше, это μ равно математическому ожиданию выборочного распределения среднего времени отклика . Если мы воспользуемся нормальным распределением N(Х _ср ; σ/√n), то искомое μ будет находиться в интервале +/-2*σ/√n с вероятностью примерно 95%.

Уровень значимости равен 1-0,95=0,05.

Наконец, найдем левую и правую границу доверительного интервала . Левая граница: =78-НОРМ.СТ.ОБР(1-0,05/2)*8/КОРЕНЬ(25) = 74,864 Правая граница: =78+НОРМ.СТ.ОБР(1-0,05/2)*8/КОРЕНЬ(25)=81,136

Левая граница: =НОРМ.ОБР(0,05/2; 78; 8/КОРЕНЬ(25)) Правая граница: =НОРМ.ОБР(1-0,05/2; 78; 8/КОРЕНЬ(25))

Ответ : доверительный интервал при уровне доверия 95% и σ =8 мсек равен 78+/-3,136 мсек.

В файле примера на листе Сигма известна создана форма для расчета и построения двухстороннего доверительного интервала для произвольных выборок с заданным σ и уровнем значимости .

Функция ДОВЕРИТ.НОРМ()

Если значения выборки находятся в диапазоне B20:B79 , а уровень значимости равен 0,05; то формула MS EXCEL: =СРЗНАЧ(B20:B79)-ДОВЕРИТ.НОРМ(0,05;σ; СЧЁТ(B20:B79)) вернет левую границу доверительного интервала .

Эту же границу можно вычислить с помощью формулы: =СРЗНАЧ(B20:B79)-НОРМ.СТ.ОБР(1-0,05/2)*σ/КОРЕНЬ(СЧЁТ(B20:B79))

Примечание : Функция ДОВЕРИТ.НОРМ() появилась в MS EXCEL 2010. В более ранних версиях MS EXCEL использовалась функция ДОВЕРИТ() .

Доверительный интервал в Excel. 2 способа расчета доверительного интервала в Эксель

Доверительный интервал рассчитывают для решения статистических вопросов. Узнать это число без помощи компьютера достаточно сложно, поэтому стоит воспользоваться инструментами Excel при необходимости узнать допустимый диапазон отклонения от среднего значения выборки.

Вычисление доверительного интервала с оператором ДОВЕРИТ.НОРМ

Оператор относится к категории «Статистические». В ранних версиях он называется «ДОВЕРИТ», его функция состояла из тех же аргументов.

Полная функция выглядит так: =ДОВЕРИТ.НОРМ(Альфа;Станд_откл;Размер).

Рассмотрим формулу оператора по аргументам (каждый из них обязательно должен появиться в расчете):

1. «Альфа» – указывает на уровень значимости, на котором основывается вычисление.

Посчитать дополнительный уровень можно двумя способами:

• 1-(Альфа) – подойдет в случае, если аргумент является коэффициентом. Пример: 1-0,4=0,6 (0,4=40%/100%);
• (100-(Альфа))/100 – формулу используют при подсчете интервала в процентах. Пример: (100-40)/100=0,6.

1. Стандартное отклонение – допустимое отклонение в конкретной выборке.
2. Размер – количество анализируемой информации

Обратите внимание! Оператор ДОВЕРИТ все еще можно встретить в Excel. Если необходимо воспользоваться именно им, ищите его в разделе «Совместимость».

Проверим формулу в действии. Необходимо создать таблицу с несколькими значениями статистических расчетов. Представим, что стандартное отклонение равняется 7. Цель – определить интервал с уровнем доверия 80%.

Выносить отклонение и уровень доверия на лист не обязательно, эти данные можно будет вписать вручную. Вычисление проходит в несколько шагов:

1. Выбираем пустую ячейку и открываем «Менеджер функций». Он появится на экране после клика по значку «F(x)» возле строки формул. Попасть в меню функций также можно через вкладку «Формулы» на панели инструментов, в ее левой части находится кнопка «Вставить функцию» с таким же знаком.

1. Выбираем раздел «Статистические» и находим среди пунктов списка оператор ДОВЕРИТ.НОРМ. Требуется кликнуть по нему и нажать «ОК».

1. Откроется окно заполнения аргументов. В первой строке должна оказаться формула расчета аргумента «Альфа». Согласно условию, уровень доверия выражается в процентах, поэтому используем вторую формулу: (100-(Альфа))/100.
2. Стандартное отклонение уже известно, впишем его в строку или выберем ячейку с вынесенными на страницу данными. В третью строку попадает количество записей в таблице – здесь их 10. После заполнения всех полей нажимаем «Enter» или «ОК».

Функцию можно автоматизировать, чтобы изменение информации не привело к сбою вычисления. Выясним, как сделать это пошагово.

1. Когда поле «Размер» еще не заполнено, кликаем по нему, делая его активным. Потом открываем меню функций – оно находится в левой части экрана на одной линии со строкой формул. Чтобы открыть его, нажмем на стрелку. Нужно выбрать раздел «Другие функции», это последняя запись в списке.

1. Вновь появится «Менеджер функций». Среди статистических операторов необходимо найти функцию «Счет» и выбрать ее.

Важно! Аргументами функции СЧЕТ могут быть числа, ячейки или группы ячеек. В рассматриваемом случае подойдет последнее. Всего в формуле может быть не более 255-и аргументов.

1. В верхнем поле должны оказаться сгруппированные в диапазон ячейки значения. Кликнем по первому аргументу, выделим столбец без учета шапки и нажмем кнопку «ОК».

Значение интервала появится в ячейке. Такое число получилось с использованием данных примера: 2,83683532.

Определение доверительного интервала через ДОВЕРИТ.СТЬЮДЕНТ

Этот оператор тоже предназначен для вычисления диапазона отклонения. В расчетах применяют другую стратегию – в ней используется распределение Стьюдента при условии, что разброс величины неизвестен.

Формула отличается о предыдущей только оператором. Это выглядит так: =ДОВЕРИТ.СТЬЮДЕНТ(Альфа;Cтанд_откл;Размер).

Используем сохранившуюся таблицу для новых расчетов. Стандартное отклонение в новой задаче становится неизвестным аргументом.

1. Откроем «Менеджер функций» одним из описанных выше способов. Нужно найти в разделе «Статистические» функцию ДОВЕРИТ.СТЬЮДЕНТ, выбрать его и нажать «ОК».

1. Заполним аргументы функции. В первой строке остается та же формула: (100-(Альфа))/100.
2. Отклонение неизвестно, согласно условию задачи. Чтобы вычислить его, используем дополнительную формулу. Нужно кликнуть по второму полю в окне аргументов, открыть меню функций и выбрать пункт «Другие функции».

1. Необходим оператор СТАНДАРТОТКЛОН.В (по выборке) в разделе «Статистические». Выбираем его и нажимаем «ОК».

1. Заполняем первый аргумент открывшегося окна диапазоном ячеек со значениями без учета шапки. Не нужно нажимать после этого кнопку «ОК».

1. Вновь перейдем к аргументам ДОВЕРИТ.СТЬЮДЕНТ, дважды кликнув по этой надписи в строке формул. В поле «Размер» устанавливаем оператор СЧЕТ, как в прошлый раз.

После нажатия «Enter» или «ОК» в ячейке появится новое значение доверительного интервала. По Стьюденту оно получилось меньше – 0,540168684.

Определение границ интервала с двух сторон

Для расчета границ интервала необходимо узнать, каково среднее значение по нему, с помощью функции СРЗНАЧ.

1. Откроем «Менеджер функций» и выберем нужный оператор в разделе «Статистические».

1. Добавляем группу ячеек, содержащих значения, в поле первого аргумента и жмем кнопку «ОК».

1. Теперь можно определить правую и левую границу. Понадобятся простые математические действия. Расчет правой границы: выбираем пустую ячейку, проводим в ней сложение ячеек с доверительным интервалом и средним значением.

1. Для определения левой границы из среднего значения нужно вычесть доверительный интервал.

1. Такие же операции проделываем с доверительным интервалом по Стьюденту. В результате получаем границы интервала в двух вариантах.

Заключение

Благодаря «Менеджеру функций» Excel не составит труда найти доверительный интервал. Определить его можно двумя способами, в которых используются разные методы вычисления.