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13.3 抽样方法
教学重点
通过实例, 了解简单随机抽样的含义及过程, 掌握两种简单随机抽样的方法: 抽签法和随机数法. 通过实例, 了解分层随机抽样的特点和适用范围, 掌握各层样本量比例分配的方法. 能根据实际问题的特点, 设计恰当的抽样方法解决问题.
简单随机抽样是最基本的抽样方法, 在分层抽样中, 在每一层抽取样本时, 也要使用简单随机抽样的思想.
内容分析
在上一节, 学生了解到可以通过抽样调查来获取样本. 本节开头以河中取水的例子来形象地说明, 要使样本能够反映总体的分布特征, 必须使抽取的样本具有代表性. 但是抽样前我们并不知道总体的分布情况, 因此要用随机抽样来克服抽样者由主观性产生的偏差. 然后引入本节将要介绍的两种常用的随机抽样方法.
简单随机抽样是一种简单且基本的抽样方法, 是很多抽样方法的基础. 本节首先介绍了简单随机抽样的概念, 然后通过从牛奶箱中抽查牛奶为例来介绍利用抽签法抽取样本的过程, 从制作号签和抽签的过程可以知道抽签法仅适用于容量不大的情形. 接着引入适用于总体容量较大时的随机数法. 随机数法克服了制作号签和搅拌号签的成本, 也避免了号签搅拌不均匀的情况.
抽签法和随机数法本质上都是产生随机数, 它们都是通过对个体进行编号, 然后用随机产生的号码 (随机数) 代表要抽取的个体的编号. 抽签法简单易行, 日常生活中比较常见. 随机数法则适用于总体容量较大的情形, 随机数不仅可以通过试验生成, 也可以利用计算器、软件等生成, 方便快捷. 教材以举例的形式简述了抽签法的步骤, 在教学时也可以将抽样过程细化为如下三步:
第一步: 将总体的所有 个个体从 1 到 (或者从 0 到 )进行编号;
第二步:准备 个号签分别标上这些编号,并将其放在容器中搅拌均匀,每次抽取一个号签,不放回地连续取 次;
第三步: 取出的 个号签上的号码所对应的 个个体即为所抽取的样本.
简单随机抽样使得总体中的每一个个体被抽中的机会均等, 从而避免了人为造成的抽样偏差, 但是并不意味着抽取的样本一定具有代表性. 由于抽样的随机性, 抽取的样本有可能出现偏离总体的情形. 教材以“了解高一年级新生的身高情况”为例, 当总体中个体之间差异比较大时, 由于样本抽取具有随机性, 因而简单随机抽样可能导致出现“坏”样本,如可能出现大部分都是高个子或者矮个子的样本,用这样的样本来估计总体就会出现偏差. 因而当总体中个体差异比较大时, 我们可以借助已知的辅助信息“男生的身高和女生的身高具有比较大的差异” 将总体分组(层),分成“男生组”和 “女生组”, 使得在同一组的个体具有相同的特征, 组内差异较小. 此时, 再对各组进行简单随机抽样, 抽取的样本分布在各组中, 从而不会出现某一组的代表被选取得太多或太少,因而可以减少“坏”样本出现的可能性,使得样本具有更好的代表性.
利用计算机或计算器产生的随机数, 是按照一定的算法模拟产生的, 所以说是一种伪随机数, 不过它们在统计性质上与真正的随机数几乎没有差别, 因此被广泛应用.
注意事项
要理解抽样方法, 首先需要理解为什么要抽样. 从本质上看, 统计研究的目标是分析总体的参数, 进而确定总体的分布. 虽然总体参数在理论上是确定的, 但实际上却很难或者不可能获取. 例如, 2020 年全国人均消费一定是个确定的数值, 因为人数是确定的, 每个人一年内的消费也是确定的, 但显然不可能算出这个数值. 这就需要通过样本来估计. 样本一旦确定, 就可以算出统计量; 而当样本变化时, 统计量也会发生变化. 因此, 我们需要考虑如何抽样才能使得样本的统计量最有可能表示总体的参数, 或者说减少样本统计量与总体参数的偏差. 研究表明, 采用简单随机抽样, 可以得到总体参数的无偏估计.
一般来说, 大样本统计量的变异要小于小样本, 这样用大样本统计量就越有可能准确估计总体参数. 但在实际抽样时, 样本容量的大小应当根据取样的成本以及实际问题所允许的误差范围 (通常用置信区间表示) 确定, 并不一定是样本的容量越大越好.
在介绍利用随机数表法产生随机数时, 关于如何确定随机数表号与初始点, 其实现的方法有很多种. 例 1 所提到的 “在随机数表中从任意一个随机数开始”, 此外可以参考《中华人民共和国国家标准》“随机数的产生及其在产品质量抽样检验中的应用程序"(GB/T10111-2008).
在分层随机抽样计算各层应该抽取的个体数目 时,学生遇到的题目中一般 都为整数,但在实际应用中经常会遇到 不是整数的情况,此时可以先取 的整数部分进行样本量的分配,对于剩余的样本量,再按各层 小数部分的大小从大到小进行分配,使得各层所抽取的个体之和为 即可. 事实上,分层随机抽样适用于总体较大的情况,此时,样本量也较大,一层多抽取一个或少抽取一个对估计的准确性影响很小.
与“二期课改”教材相比,本教材对系统抽样不作要求.
教学建议
在教学中, 应引导学生体会随机抽样的必要性和重要性. 要使得样本能够反映总体的分布特征, 必须使抽取的样本具有代表性, 但由于总体的分布情况未知, 因此要用随机抽样来克服抽样者由主观性产生的偏差. 在引导学生感受随机抽样所得到的样本具有随机性时,可以联系第 12 章概率初步,从 个相同的小球中任意抽取 个, 其样本空间有多少个元素, 也即是有多少个样本, 以及抽到相同样本的概率有多低.
在教学过程中, 可以利用例题、课堂练习题等, 组织学生用抽签法、随机数表法, 或统计软件生成的随机数来选取样本, 使学生在课堂上体会随机抽样的过程, 获得随机抽样的活动经验.
本节有两个操作活动, 一个是制作随机数表, 一个是抽样调查本校学生的运动时间. 制作随机数表的活动可以在课堂上让学生分组进行, 使学生感受随机数的 “随机性”. 抽样调查本校学生的运动时间是本章的第一个统计实践活动, 操作提示引导学生根据性别和年级进行分层, 不仅可以帮助学生学习如何进行分层随机抽样, 而且使学生参与到统计活动的真实情境中, 同时也为后面的操作活动做好准备. 这个活动需要教师提供每个年级的学生名单等相关信息. 获取样本数据后, 还可以让学生计算各自所抽取的样本的平均数, 从而得出结论: 虽然样本容量相同, 但是由于各个样本是不同的, 其平均数等往往是不同的. 让学生切身感受到样本的随机性及样本统计量的变异性.