Прост случајан узорак је најједноставнији план узорка и одговара појму случајног узорка у статистици.
Прост случајан узорак може бити:
Прост случајан узорак без понављања SRSWOR (simple random sample without replacement) је план у коме се \(n\) различитих јединица узорка бира на случајан начин тако да свака могућа комбинација од \(n\) јединица има исту вероватноћу да буде изабрана из популације. Јединице се могу бирати једна по једна, при чему се изабрана јединица не враћа у популацију и у сваком кораку свака јединица популације која још није изабрана има исту вероватноћу да буде изабрана. И код неких других планова свака јединица може имати исту вероватноћу да буде изабрана у узорак, али само код простог случајног узорка сваки могући узорак од \(n\) јединица има исту вероватноћу.
Случајан одабир јединице (из популације у узорак) врши се коришћењем случајних и псеудослучајних бројева.
\[\pi_{i}=\frac{\left( \begin{array}{l}{N-1} \\ {n-1}\end{array}\right)}{\left( \begin{array}{l}{N} \\ {n}\end{array}\right)}=\frac{n}{N}, \ \ \pi_{i j}=\frac{\left( \begin{array}{l}{N-2} \\ {n-2}\end{array}\right)}{\left( \begin{array}{c}{N} \\ {n}\end{array}\right)}=\frac{n(n-1)}{N(N-1)}\]
\[\widehat m_Y = \frac{1}{n} \sum_{k \in S} y_{k},\ \ \ \ \ \ \ E(\widehat m_Y)= m_{Y}\]
\[ D(\widehat m_Y)=\frac{\sigma^{2}}{n}\left(1-\frac{n}{N}\right), \ \ \ \ \ \ \ \widehat D(\widehat m_Y) =\frac{\overline{S}^{2}}{n}\left(1-\frac{n}{N}\right)\]
\[\left[\widehat{m}_{Y}-z \sqrt{\frac{\overline{S}^{2}}{n}\left(1-\frac{n}{N}\right)}, \ \hat{m}_{Y}+z \sqrt{\frac{\overline{S}^{2}}{n}\left(1-\frac{n}{N}\right)}\right]\] * Ако је обим узорка \(n \geq 30\), \(z\) је кванитл \(\cal N(0,1)\) расподеле и означава се са \(z_{1-\frac{\alpha}{2}}\), а ако је обим узорка мањи од 30, \(z\) је кванитл \(t_{n-1}\) расподеле и означава се са \(t_{n-1 ; 1-\frac{\alpha}{2}}\)
\[\widehat \tau_{Y} = N\widehat m_Y, \ \ \ \ \ \ \ E(\widehat \tau_{Y}) = \tau_{Y}\]
\[D(\widehat \tau_{Y}) = N^2D(\widehat m_Y), \ \ \ \ \ \ \ \widehat D(\widehat \tau_{Y}) = N^2\widehat D(\widehat m_Y)\] \[\left[\widehat\tau_{Y}-z \sqrt{\frac{N^2\overline{S}^{2}}{n}\left(1-\frac{n}{N}\right)}, \ \widehat\tau_{Y}+z \sqrt{\frac{N^2\overline{S}^{2}}{n}\left(1-\frac{n}{N}\right)}\right]\]
Ако се свака изабрана јединица враћа у популацију после избора, тада ма која јединица може бити изабрана више пута у узорак. Узорак од \(n\) јединица изабран на тај начин из популације од \(N\) јединица назива се случајан узорак са понављањем SRSWR (simple random sample with replacement). Овде су свих \(n\) избора независни и свака јединица из популације има исту вероватноћу да буде изабрана у узорак. Дакле, карактеристика случајног узорка са понављањем је да сваки могући низ од \(n\) јединица има исту вероватноћу да буде изабран.
\[\pi_{k}=1-\left(\frac{N-1}{N}\right)^{n}, \ \ \pi_{k l}=1-2\left(\frac{N-1}{N}\right)^{n}+\left(\frac{N-2}{N}\right)^{n}\]
\[ \widehat m_Y = \frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} y_{j_{k}}, \ \ \ \ \ \ \ E(\widehat m_Y)= m_{Y}\]
\[ D(\widehat m_Y)=\frac{N-1}{N} \cdot \frac{\sigma^{2}}{n}, \ \ \ \ \ \ \ \widehat D(\widehat m_Y) =\frac{\overline{S}^{2}}{n}\]
\[\left[\widehat{m}_{Y}-z \sqrt{\frac{N-1}{N} \cdot \frac{\sigma^{2}}{n}}, \ \hat{m}_{Y}+z \sqrt{\frac{N-1}{N} \cdot \frac{\sigma^{2}}{n}}\right]\] * Ако је обим узорка \(n \geq 30\), \(z\) је кванитл \(\cal N(0,1)\) расподеле и означава се са \(z_{1-\frac{\alpha}{2}}\), а ако је обим узорка мањи од 30, \(z\) је кванитл \(t_{n-1}\) расподеле и означава се са \(t_{n-1 ; 1-\frac{\alpha}{2}}\)
\[\widehat \tau_{Y} = N\widehat m_Y, \ \ \ \ \ \ \ E(\widehat \tau_{Y}) = \tau_{Y}\]
\[D(\widehat \tau_{Y}) = N^2D(\widehat m_Y), \ \ \ \ \ \ \ \widehat D(\widehat \tau_{Y}) = N^2\widehat D(\widehat m_Y)\]
\[\left[\widehat\tau_{Y}-z \sqrt{N(N-1) \cdot \frac{\sigma^{2}}{n}}, \ \widehat\tau_{Y}+z \sqrt{N(N-1) \cdot \frac{\sigma^{2}}{n}}\right]\]
За одређивање обима узорка за оцењивање непознате популацијске средње вредности, користи се једначина:
\[n=\frac{1}{\frac{1}{n_{0}}+\frac{1}{N}}, \ \ \ n_{0}=\left(\frac{\sigma z_{1-\frac{\alpha}{2}}}{\Delta}\right)^{2},\] где је \(\Delta\) највећа дозвољена апсолутна грешка.
Решење
без понављања
sample(250,12)
## [1] 78 79 33 167 5 93 32 44 46 52 109 196
са понављањем
sample(250,12,replace = T)
## [1] 234 102 91 207 212 112 74 52 206 175 117 40
Решење
N<-676
n<-50
y_i<-c(42, 41, 36, 32, 29, 27, 23, 19, 16, 15, 14, 11, 10, 9, 7, 6, 5, 4, 3)
n_i<-c(23, 4, 1, 1, 1, 2, 1, 1, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 3, 2, 1, 1)
(m<-sum(y_i*n_i)/n)
## [1] 29.42
(t<-N*m)
## [1] 19887.92
(s2<-sum(n_i*(y_i-m)^2)/(n-1))
## [1] 228.9833
Решење
x <- c(2,5,1,4,4,3,2,5,2,3)
n <- 10
N <- 100
а) Одредити просечан број становника по кући и оценити варијансу те оцене.
(t <- N*mean(x))
## [1] 310
(d_t <- N^2*(1-n/N)/n*var(x))
## [1] 1690
б) Оценити укупан број становника у популацији. Наћи оцену варијансе добијене оцене.
(m <- mean(x))
## [1] 3.1
(d_m <-(1-n/N)/n*var(x))
## [1] 0.169
в) Наћи приближни 90% интервал поверења за средину и за тотал обележја популације.
(c(m-qt(0.95,9)*sqrt(d_m),m+qt(0.95,9)*sqrt(d_m)))
## [1] 2.346414 3.853586
(c(t-qt(0.95,9)*sqrt(d_t),t+qt(0.95,9)*sqrt(d_t)))
## [1] 234.6414 385.3586
Решење
s2<-45
N<-1000
z<-qnorm(0.975)
delta<-c(500, 1000, 2000)
(n0<-N^2*z^2*s2/delta^2)
## [1] 691.46259 172.86565 43.21641
(n<-1/(1/n0+1/N))
## [1] 408.79567 147.38742 41.42612
Решење
Задатак ћемо решити користећи пакет \(\color{lightseagreen}{\text{"survey"}}\), који је погодан за анализу података добиjених истраживањем.
Први корак у тоj анализи требало би да буде “описивање” плана истраживања (survey design).
Функциjа svydesign() узима оваj опис и придружуjе га бази података, како би био креиран survey design object. Неки од аргумената ове функциjе су:
data=uzorak - наводимо у ком обjекту су смештени подаци
id= 1 - у узорак се бирају поjединачни елементи, нема кластера
fpc= Total - назначено jе коjа променљива чува обим популациjе
baza1 <- read.table("baza1.txt")
baza1
## V1 V2
## 1 1 26
## 2 2 30
## 3 3 0
## 4 4 55
## 5 5 0
## 6 6 0
## 7 7 37
## 8 8 0
## 9 9 0
## 10 10 67
## 11 11 9
## 12 12 35
## 13 13 29
## 14 14 30
## 15 15 0
## 16 16 35
## 17 17 0
## 18 18 0
## 19 19 27
## 20 20 15
## 21 21 23
## 22 22 0
## 23 23 55
## 24 24 49
## 25 25 0
## 26 26 27
## 27 27 57
## 28 28 54
## 29 29 75
## 30 30 8
## 31 31 45
## 32 32 0
## 33 33 49
## 34 34 0
## 35 35 31
## 36 36 0
## 37 37 27
## 38 38 11
## 39 39 0
## 40 40 43
## 41 41 55
## 42 42 0
## 43 43 48
## 44 44 29
## 45 45 27
## 46 46 70
## 47 47 13
## 48 48 0
## 49 49 25
## 50 50 27
## 51 51 50
s<-sample(length(baza1$V1), 8)
uzorak<-baza1[s,]
#install.packages('survey')
library(survey)
## Loading required package: grid
## Loading required package: Matrix
## Loading required package: survival
##
## Attaching package: 'survey'
## The following object is masked from 'package:graphics':
##
## dotchart
uzorak$Total <- 51 ##dodamo kolonu bazi uzorka
uzorak1 <- svydesign(ids=~1, data=uzorak, fpc=~uzorak$Total)
print(uzorak1)
## Independent Sampling design
## svydesign(ids = ~1, data = uzorak, fpc = ~uzorak$Total)
svymean(~V2, uzorak1)
## mean SE
## V2 20.5 6.7898
mean(uzorak$V2)
## [1] 20.5
svytotal(~V2, uzorak1)
## total SE
## V2 1045.5 346.28
confint(svytotal(~V2, uzorak1))
## 2.5 % 97.5 %
## V2 366.8029 1724.197
*за вежбу: урадити задатак без коришћења пакета “survey”
Решење
trees
## Girth Height Volume
## 1 8.3 70 10.3
## 2 8.6 65 10.3
## 3 8.8 63 10.2
## 4 10.5 72 16.4
## 5 10.7 81 18.8
## 6 10.8 83 19.7
## 7 11.0 66 15.6
## 8 11.0 75 18.2
## 9 11.1 80 22.6
## 10 11.2 75 19.9
## 11 11.3 79 24.2
## 12 11.4 76 21.0
## 13 11.4 76 21.4
## 14 11.7 69 21.3
## 15 12.0 75 19.1
## 16 12.9 74 22.2
## 17 12.9 85 33.8
## 18 13.3 86 27.4
## 19 13.7 71 25.7
## 20 13.8 64 24.9
## 21 14.0 78 34.5
## 22 14.2 80 31.7
## 23 14.5 74 36.3
## 24 16.0 72 38.3
## 25 16.3 77 42.6
## 26 17.3 81 55.4
## 27 17.5 82 55.7
## 28 17.9 80 58.3
## 29 18.0 80 51.5
## 30 18.0 80 51.0
## 31 20.6 87 77.0
trees[sample(length(trees$Girth), 10),]
## Girth Height Volume
## 26 17.3 81 55.4
## 3 8.8 63 10.2
## 22 14.2 80 31.7
## 16 12.9 74 22.2
## 11 11.3 79 24.2
## 31 20.6 87 77.0
## 21 14.0 78 34.5
## 30 18.0 80 51.0
## 17 12.9 85 33.8
## 13 11.4 76 21.4
totali <- c()
sredine <- c()
for (i in 1:1000){
totali[i] <- 31*mean(trees[sample(length(trees$Girth), 10),]$Volume)
sredine[i] <- mean(trees[sample(length(trees$Girth), 10),]$Volume)
}
totali
## [1] 865.83 718.27 896.52 845.37 628.99 1029.20 1126.54 855.91
## [9] 858.08 824.29 1097.40 961.31 696.26 921.94 773.45 876.68
## [17] 914.19 1037.57 642.63 584.97 884.74 962.86 964.10 748.65
## [25] 894.04 941.16 1064.54 1008.43 697.81 882.57 864.59 956.04
## [33] 925.66 998.82 1017.11 771.59 964.10 1021.14 938.99 892.80
## [41] 870.79 972.78 1230.39 785.23 792.05 731.91 875.13 663.40
## [49] 775.00 1174.59 843.51 1073.84 972.16 1142.35 839.79 784.61
## [57] 1148.24 1093.37 927.52 929.07 661.23 728.50 904.58 1030.75
## [65] 983.94 875.75 895.28 912.33 982.08 1200.94 902.72 933.41
## [73] 963.48 934.03 825.84 751.44 916.98 983.63 789.26 803.21
## [81] 1133.36 1034.78 731.29 980.22 1119.41 807.55 844.75 1093.06
## [89] 1073.53 966.89 955.73 787.40 1140.18 1057.41 831.11 1152.27
## [97] 1006.57 797.63 751.13 1293.63 1049.04 877.30 1155.37 1123.75
## [105] 738.42 1088.41 827.70 1047.18 832.35 1056.48 1107.63 868.31
## [113] 848.47 1069.81 697.19 1054.31 881.02 720.13 1040.05 806.93
## [121] 923.18 900.55 812.20 1004.40 860.25 943.95 1010.60 933.41
## [129] 1065.78 805.07 887.84 927.83 1043.77 634.57 1084.07 919.46
## [137] 871.10 987.66 659.68 748.65 1063.61 944.26 1031.68 1038.19
## [145] 1354.70 943.02 863.66 936.82 1011.84 1044.08 805.07 978.05
## [153] 882.57 912.95 994.17 907.99 1140.80 1015.87 1299.83 855.91
## [161] 837.00 993.86 986.73 650.38 806.00 927.52 984.25 1080.97
## [169] 945.50 1023.62 745.55 1042.22 964.72 1186.99 778.72 740.90
## [177] 1004.71 1009.36 1013.08 1094.30 1159.09 756.40 778.10 1033.54
## [185] 1061.44 984.56 979.60 1061.44 811.58 869.86 745.86 836.69
## [193] 875.44 840.72 1126.23 1026.10 1109.80 953.25 1003.47 1011.84
## [201] 1170.56 879.78 961.00 896.83 1140.80 676.73 922.25 832.97
## [209] 922.25 761.98 990.76 842.27 979.91 942.71 1116.62 717.96
## [217] 685.10 999.44 862.42 889.70 1126.23 781.51 1042.22 952.01
## [225] 1008.12 752.68 864.90 865.52 982.70 962.55 848.16 1025.48
## [233] 1209.93 1170.87 1031.37 1032.61 972.16 1060.82 1030.75 971.85
## [241] 807.55 955.73 1137.39 1000.06 814.68 837.00 894.97 1005.02
## [249] 934.34 810.34 925.04 948.60 882.88 890.63 776.55 778.72
## [257] 1182.03 855.60 949.22 1116.62 720.44 1118.17 867.07 985.18
## [265] 760.74 921.94 986.42 764.46 934.34 985.49 1137.39 740.59
## [273] 808.79 1189.47 1074.15 957.28 1057.41 1077.25 992.31 727.26
## [281] 1020.21 963.48 841.96 736.25 1057.72 975.57 859.63 1054.93
## [289] 1012.15 852.50 936.20 1020.52 769.42 831.11 881.02 1107.94
## [297] 957.90 978.98 1187.61 930.00 925.97 989.52 944.57 956.66
## [305] 915.43 937.13 921.32 987.35 1163.12 789.57 791.12 908.61
## [313] 721.06 837.31 939.61 955.11 698.43 979.29 939.30 1076.94
## [321] 1001.61 771.59 843.20 885.98 888.15 1019.28 1151.96 1069.81
## [329] 1049.66 838.24 1126.85 835.76 938.99 725.71 674.87 1001.92
## [337] 1158.78 987.97 908.92 1019.59 1007.19 950.15 992.00 778.41
## [345] 1002.85 825.22 890.01 1002.23 1089.65 803.83 967.51 969.37
## [353] 724.47 762.60 1058.65 851.26 981.46 1212.72 867.69 1086.86
## [361] 930.62 893.11 757.64 1085.00 1107.63 819.02 799.18 821.19
## [369] 992.31 849.09 831.11 952.32 968.75 838.55 683.86 1038.50
## [377] 877.61 985.18 819.02 875.13 1143.28 969.68 878.54 1125.61
## [385] 864.90 1139.25 695.33 1084.38 1044.39 706.80 916.67 836.69
## [393] 786.78 976.19 1001.92 748.96 1123.75 968.44 894.35 722.61
## [401] 983.32 787.09 861.49 1009.98 809.10 945.81 1138.32 924.11
## [409] 952.63 767.56 943.64 889.08 922.25 879.16 833.59 1073.22
## [417] 753.30 1081.28 922.25 652.24 878.23 1010.29 868.31 1058.65
## [425] 953.87 1163.74 885.05 794.84 1024.24 1002.23 1156.92 984.87
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sredine
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## [452] 27.74 32.00 31.10 23.19 26.88 28.60 35.61 25.93 23.40 34.10 33.90
## [463] 33.81 32.74 34.13 32.01 38.95 34.72 31.93 34.46 22.97 29.22 33.95
## [474] 38.08 20.88 31.40 27.19 30.06 27.38 40.67 30.55 33.15 33.30 24.20
## [485] 29.51 37.22 31.08 34.81 38.01 31.08 34.26 23.79 22.88 33.50 30.27
## [496] 27.56 33.05 27.73 22.46 38.51 28.24 29.46 35.58 32.45 26.17 39.66
## [507] 25.32 26.96 21.65 26.06 26.81 27.93 31.31 28.43 30.47 30.72 39.89
## [518] 35.14 31.37 25.98 26.44 30.43 26.15 27.74 35.57 32.79 30.11 25.84
## [529] 27.40 26.06 33.62 33.94 28.81 38.19 36.06 31.63 27.50 29.58 24.09
## [540] 31.85 28.39 29.16 29.09 31.38 27.18 31.16 27.22 31.76 30.80 25.25
## [551] 33.58 33.43 22.52 30.76 26.07 34.08 33.67 27.16 30.28 30.53 26.16
## [562] 27.06 31.71 27.94 21.43 29.19 27.53 30.25 30.24 26.65 35.26 26.40
## [573] 29.50 33.74 25.67 31.46 34.89 27.17 32.67 40.90 30.00 32.62 29.16
## [584] 27.19 36.74 34.59 35.94 37.73 35.80 29.49 30.32 32.06 30.99 31.29
## [595] 26.76 34.33 29.48 28.59 34.05 21.32 27.66 29.52 28.26 29.59 34.41
## [606] 31.33 37.84 36.99 28.21 30.27 23.05 36.61 28.77 42.64 22.23 30.35
## [617] 24.04 40.64 25.57 37.15 29.24 34.60 34.07 29.52 31.37 31.50 26.62
## [628] 33.76 25.00 29.43 32.14 28.92 38.86 35.57 29.70 28.67 24.39 30.32
## [639] 42.43 30.67 36.28 30.65 25.70 33.12 36.10 34.59 30.50 30.31 24.02
## [650] 30.41 30.22 31.19 30.31 32.90 31.31 34.53 32.18 27.25 30.28 37.69
## [661] 34.53 32.90 26.62 30.36 28.15 35.99 31.18 37.03 31.42 37.51 32.26
## [672] 28.20 29.78 32.31 36.87 30.77 25.85 38.75 24.84 33.43 31.27 25.72
## [683] 31.29 23.19 24.97 29.21 32.99 35.88 36.11 23.57 24.50 27.05 30.97
## [694] 32.82 29.75 28.75 27.43 30.11 32.02 37.40 31.64 32.54 25.43 21.23
## [705] 37.56 33.93 31.37 31.47 28.15 37.25 33.30 23.51 25.22 31.07 26.90
## [716] 27.03 31.55 32.89 35.03 34.21 27.85 27.22 32.75 27.16 36.10 30.42
## [727] 33.88 22.71 29.10 30.79 35.08 26.26 33.60 26.26 26.78 26.12 36.12
## [738] 37.89 35.53 36.77 34.33 35.25 31.21 35.26 29.57 25.52 28.90 27.01
## [749] 34.96 32.12 35.28 23.29 33.10 32.22 35.89 37.11 30.60 31.10 35.51
## [760] 28.67 27.95 32.86 29.67 37.71 22.02 35.97 25.74 27.48 31.18 29.55
## [771] 33.84 35.32 29.17 28.26 35.83 28.38 36.81 38.40 30.75 37.49 28.12
## [782] 23.95 25.56 26.86 29.37 28.76 23.90 25.53 35.10 25.75 37.65 34.48
## [793] 30.37 30.15 27.07 32.48 24.78 24.98 25.05 36.66 31.99 24.94 34.17
## [804] 29.88 29.10 31.41 33.70 26.31 29.26 28.84 25.54 37.39 37.93 34.98
## [815] 26.96 24.95 27.35 35.75 33.66 27.74 35.77 27.88 31.50 29.89 27.48
## [826] 34.51 26.89 30.00 26.11 27.93 32.68 24.31 22.51 23.51 29.89 37.34
## [837] 20.75 30.32 30.49 27.76 30.40 33.17 30.49 25.67 31.90 30.77 38.47
## [848] 29.24 30.51 30.08 25.88 25.56 32.57 27.14 29.67 30.79 26.65 29.56
## [859] 24.84 28.27 29.36 33.73 31.70 32.64 27.32 31.17 36.10 34.07 25.10
## [870] 30.09 27.95 29.20 26.50 34.71 40.06 24.38 35.53 31.81 18.81 31.52
## [881] 29.04 27.28 31.97 29.51 26.99 23.11 38.43 28.55 24.19 35.87 33.69
## [892] 37.62 26.37 28.16 24.66 35.50 34.28 35.52 39.59 24.63 29.90 30.08
## [903] 35.05 25.72 26.72 28.99 18.16 32.77 33.22 33.83 34.45 33.91 23.56
## [914] 31.41 37.63 30.11 31.44 29.98 27.29 24.95 24.29 30.48 35.24 24.85
## [925] 31.22 21.88 32.65 31.44 25.71 35.29 33.73 27.31 25.51 32.69 32.39
## [936] 32.32 31.17 26.46 27.07 32.54 24.40 33.21 24.28 28.14 31.91 30.58
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## [991] 27.95 35.13 26.05 24.74 27.46 24.79 36.90 32.07 36.84 30.12
hist(totali, col=blues9)
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