跳到正文
格致开物MATHWIKI

分层随机抽样

分层随机抽样先把总体分成互不重叠且合起来覆盖全体的层,再在每层内分别随机抽取。年级可以成为层:既能保证每个年级有样本,也允许活动时长的分散程度不同。分层是在抽人前做的;抽完以后才按年级整理表格,不能自动继承分层设计的方差公式。

三个年级的加权平均

以下均为虚构教学数据。全市高中生三个年级人数 Nh 分别是 600、400、200,总数 N=1200;每层抽 nh=60,40,20 人,完成者均值 y¯h=5,6,8 小时,样本标准差 sh=2,3,4 小时。令层权重 Wh=Nh/N,总体均值估计为 y¯st=∑h=1HWhy¯h=12(5)+13(6)+16(8)=356≈5.833 小时. 三个层均值的简单平均是 (5+6+8)/3=6.333 小时,它给每个年级相同权重,回答的是另一个问题。只有年级人数相同,二者才碰巧一致。

三个年级分别有六百、四百、二百人;每层对应抽取六十、四十、二十人,层均值五、六、八小时,再按总体份额加权
分层估计先算各层均值,再按总体人数份额组合。

方差从各层相加

若各层内都是简单随机抽样,且不同层独立,fh=nh/Nh,则 Var⁡(y¯st)=∑hWh2(1−fh)Sh2nh. 证明只需把 y¯st−Y¯=∑hWh(y¯h−Y¯h) 展开平方。层间抽取独立,交叉项的期望为零;每个平方项由层内简单随机抽样方差给出。用 sh2 代 Sh2 得可计算的方差估计。本例每层抽样比例均为 0.1,三个方差贡献为 0.015,0.0225,0.020,和是 0.0575 平方小时,标准误约 0.240 小时。若完整回答、抽样设计照计划执行,正态近似 95% 区间约为 5.833±1.96(0.240)=[5.36,6.30] 小时;它不包含名单遗漏或无回答偏差。

样本怎样分到各层

比例分配令 nh≈nNh/N,本例总样本 120 时得到 60、40、20。若各层调查成本相近、标准差 Sh 已有可靠预估,希望固定 n=∑hnh 下使方差较小,可以按 nh∝NhSh 分配,称为 Neyman 分配。本例比例为 600(2):400(3):200(4)=3:3:2,可取 45、45、30 人。

这个比例可从方差式推出来:其中 ∑hWh2Sh2/Nh 与 nh 无关,故只需使 ∑h(WhSh)2/nh 最小。柯西不等式给出 (∑hWhSh)2≤(∑h(WhSh)2nh)(∑hnh). 等号要求 nh 与 WhSh 成正比,即与 NhSh 成正比。用上面的标准差作规划值,45、45、30 的估计方差约 0.05287,比比例分配的 0.0575 稍小。实际分配须取整数、保证每层样本足够,并考虑成本和抽样上限;若各层单人成本 ch 不同,固定总成本下的最优比例改为 nh∝NhSh/ch。

参考资料