109 年 國立臺灣大學農藝系暨研究所作物乙組《生物統計學》
第 1 題
一位科學家想要研究西瓜藤蔓的根延展的深度(變數一)與其所生產的西瓜重量(變數二)之間的關係。他收集了一組隨機的西瓜藤蔓樣本,並以「二變數間沒有相關」(相關係數() = 0)為虛無假說,對立假說則為相關係數大於0。檢定的P值為0.032。這告訴我們什麼?
(A) 在0.05的顯著水準下,相關係數顯著大於0
(B) 在0.01的顯著水準下,相關係數顯著大於0
(C) 相關係數非常小
(D) 相關係數非常接近1
(E) 以上皆非
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這題主要考驗對 P 值 (p-value) 的理解及其在統計檢定中的應用。 P 值代表在虛無假說成立的情況下,觀察到現有數據或更極端數據的機率。
統計檢定的決策規則是:
若 P 值 (顯著水準),則拒絕虛無假說 (H₀)。
若 P 值 ,則不拒絕虛無假說 (H₀)。
在此題目中:
虛無假說 H₀:相關係數 (西瓜藤蔓根延展深度與重量間沒有線性相關)
對立假說 H₁:相關係數 (西瓜藤蔓根延展深度與重量間存在正相關)
檢定 P 值 = 0.032
我們需要比較 P 值與不同的顯著水準 來做出判斷。
第 2 題
同上題,科學家將收集的資料,以西瓜藤蔓的根延展的深度為獨立變數與其所生產的西瓜重量為依變數,據以建構了一簡單直線迴歸模型來描述其間之關係,他所使用單位為公制單位(公尺/公斤),稍後其同事也以同樣的資料但改為英制單位(英呎/磅)建構另一迴歸模型,請問兩模型之間以下何值會相等?
(A) 斜率之估計值
(B) 斜率估計量之標準誤
(C) 決定係數
(D) 殘差平方和(SSE)
(E) 以上皆是
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這題考驗對線性迴歸模型中單位轉換的影響的理解。當我們改變依變數 (Y) 或自變數 (X) 的單位時,迴歸模型的參數和統計量會有不同的變化。
假設原始模型為:
其中 是重量 (公斤), 是長度 (公尺)。
若要轉換為英制單位:
1 英呎 公尺 (所以 1 公尺 英呎)
1 磅 公斤 (所以 1 公斤 磅)
令 (將公尺轉為英呎)
令 (將公斤轉為磅)
新的迴歸模型將是:
將單位轉換代入:
比較原始模型 與轉換後的模型,我們可以發現:
=>
=>
現在我們來分析各選項:
第 3 題
用來估計迴歸係數的最小平方正規方程式是為了:
(A) 使總平方和 (Total sum of squares) 為最小
(B) 使估計值的標準誤差 (Standard error) 為最小
(C) 使 F 檢定統計量的 p-值 (p-value) 為最小
(D) 使誤差平方和 (Error sum of squares) 為最小
(E) 以上皆是
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核心觀念
本題考查最小平方法(ordinary least squares, OLS)估計迴歸係數的目的。
以線性迴歸模型表示:
其中:
- 為觀察值向量;
- 為設計矩陣;
- 為待估計的迴歸係數;
- 為誤差向量。
最小平方法選擇估計值 ,使殘差平方和,也就是誤差平方和(Error sum of squares, SSE)最小:
因此,最小平方正規方程式的直接目的,是求得使 最小的迴歸係數。
解題方法
將誤差平方和寫成矩陣形式:
展開後:
對 微分並令其等於零:
整理可得最小平方正規方程式:
若 可逆,則:
這個估計值使殘差平方和達到最小,因此正確選項為「使誤差平方和為最小」。
選項分析
(A) 使總平方和為最小
錯誤。
第 4 題
如要探討水稻四種基因型與產量之間的相關性,可使用下列何種統計方法?
(A) 簡單迴歸分析
(B) 簡單相關分析
(C) 雙方分析
(D) 獨立性檢定
(E) 以上皆可
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核心觀念
本題考查「自變項與依變項的資料型態」以及統計方法的選擇。
- 水稻基因型:四種類別,屬於類別型自變項。
- 產量:數值型資料,屬於連續型依變項。
- 研究目的:比較四種基因型的平均產量是否存在顯著差異。
因此,適合使用單因子變方分析(one-way ANOVA)。題目選項中的「雙方分析」應為「變方分析」之誤植。
單因子變方分析的基本模型為:
其中:
- :第 種基因型下第 株水稻的產量
- :所有基因型的總平均產量
- :第 種基因型的處理效果
- :隨機誤差
其虛無假設為:
對立假設為:
變方分析將總變異分解為:
其中:
- :組間平方和,反映不同基因型平均產量的差異
- :組內平方和,反映同一基因型內個體間的誤差變異
檢定統計量為:
若 值達顯著水準,表示四種基因型的平均產量並非完全相同;之後可使用 Tukey 法等多重比較方法,判斷哪些基因型彼此不同。
解題方法
判斷統計方法時,先看兩個變項的型態:
- 基因型只有四個類別,不能直接視為連續數值。
- 產量是連續數值。
- 比較一個類別型因子下四組連續數值的平均數,應使用單因子變方分析。
若研究者將四種基因型以數值 編碼,仍不能直接把這些編碼當作具有等距意義的連續變項。基因型編碼中的「4」並不表示它比「2」具有兩倍的基因型效果,因此不宜直接使用一般的簡單相關分析。
選項分析
第 二.1 題
王教授研究A、B兩處試驗田培地茅的根系,由每處試驗田分別隨機抽取20株植株,並測量每株的根長,得到以下資料(單位:公尺)。
試驗田 A:
1.4 1.6 1.6 1.7 1.7 1.7 1.8 1.9 1.9 1.9
1.9 2.0 2.1 2.1 2.2 2.2 2.3 2.4 2.5 2.7
試驗田 B:
1.2 1.2 1.3 1.4 1.4 1.5 1.7 1.9 2.1 2.2
2.2 2.4 2.8 2.9 3.0 3.0 3.3 3.4 3.6 3.8
(1) 請繪製每組資料的盒形圖 (box plot)。(10分)
(2) 請由盒形圖比較兩組資料的中心位置及分散程度。(10分)
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這是一題關於資料視覺化與敘述統計的題目,要求繪製盒形圖並根據盒形圖比較兩組數據的中心趨勢和離散程度。
首先,我們需要計算每組數據的五數概括 (five-number summary),即最小值 (Min)、第一四分位數 (Q1)、中位數 (Median, Q2)、第三四分位數 (Q3) 和最大值 (Max)。
試驗田 A 的資料 (n=20):
數據已排序:
1.4, 1.6, 1.6, 1.7, 1.7, 1.7, 1.8, 1.9, 1.9, 1.9,
1.9, 2.0, 2.1, 2.1, 2.2, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.7
- 最小值 (Min): 1.4
- 最大值 (Max): 2.7
- 中位數 (Median, Q2): 由於 n=20 (偶數), 中位數是第 (20/2) = 10 個數據和第 (20/2 + 1) = 11 個數據的平均值。
第 10 個數據是 1.9, 第 11 個數據是 1.9。
Median = (1.9 + 1.9) / 2 = 1.9 - 第一四分位數 (Q1): Q1 是前 10 個數據的中位數。
前 10 個數據:1.4, 1.6, 1.6, 1.7, 1.7, 1.7, 1.8, 1.9, 1.9, 1.9
Q1 是第 (10/2) = 5 個數據和第 (10/2 + 1) = 6 個數據的平均值。
第 5 個數據是 1.7, 第 6 個數據是 1.7。
Q1 = (1.7 + 1.7) / 2 = 1.7 - 第三四分位數 (Q3): Q3 是後 10 個數據的中位數。
後 10 個數據:1.9, 2.0, 2.1, 2.1, 2.2, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.7
Q3 是第 5 個數據 (從這組數據的開頭算起) 和第 6 個數據的平均值。
第 5 個數據是 2.2, 第 6 個數據是 2.2。
Q3 = (2.2 + 2.2) / 2 = 2.2
試驗田 A 的五數概括: Min=1.4, Q1=1.7, Median=1.9, Q3=2.2, Max=2.7
試驗田 A 的四分位距 (IQR): IQR = Q3 - Q1 = 2.2 - 1.7 = 0.5
試驗田 B 的資料 (n=20):
數據已排序:
1.2, 1.2, 1.3, 1.4, 1.4, 1.5, 1.7, 1.9, 2.1, 2.2,
2.2, 2.4, 2.8, 2.9, 3.0, 3.0, 3.3, 3.4, 3.6, 3.8
- 最小值 (Min): 1.2
- 最大值 (Max): 3.8
- 中位數 (Median, Q2): 由於 n=20 (偶數), 中位數是第 10 個數據和第 11 個數據的平均值。
第 10 個數據是 2.2, 第 11 個數據是 2.2。
Median = (2.2 + 2.2) / 2 = 2.2 - 第一四分位數 (Q1): Q1 是前 10 個數據的中位數。
前 10 個數據:1.2, 1.2, 1.3, 1.4, 1.4, 1.5, 1.7, 1.9, 2.1, 2.2
Q1 是第 5 個數據和第 6 個數據的平均值。
第 5 個數據是 1.4, 第 6 個數據是 1.5。
Q1 = (1.4 + 1.5) / 2 = 1.45 - 第三四分位數 (Q3): Q3 是後 10 個數據的中位數。
後 10 個數據:2.2, 2.4, 2.8, 2.9, 3.0, 3.0, 3.3, 3.4, 3.6, 3.8
Q3 是第 5 個數據和第 6 個數據的平均值。
第 5 個數據是 3.0, 第 6 個數據是 3.0。
Q3 = (3.0 + 3.0) / 2 = 3.0
試驗田 B 的五數概括: Min=1.2, Q1=1.45, Median=2.2, Q3=3.0, Max=3.8
第 2 題
令 及 二者皆可為族群變方()的估計值,請比較它們的無偏性 (unbiasedness) 及有效性 (efficiency)。(10分)
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這題考查對樣本變方估計量 和 的性質,特別是無偏性 (unbiasedness) 和有效性 (efficiency)。
1. 無偏性 (Unbiasedness):
一個估計量被稱為無偏估計量,如果它的期望值等於被估計的母體參數。
- 對於 :
在統計學中,已知樣本變方 是母體變方 的無偏估計量。也就是說,如果我們從母體中抽取無限多個樣本,計算每個樣本的 ,這些 的平均值將會趨近於母體變方 。
- 對於 :
這個估計量是將分母設為 而不是 。當樣本數 較小時,這個估計量會系統性地低估母體變方 。因此, 是母體變方 的有偏估計量 (biased estimator)。
可以看到,當 趨近於無限大時, 趨近於 ,但對於有限的 ,它是有偏的。
結論 (無偏性): 是母體變方 的無偏估計量,而 是有偏估計量。
2. 有效性 (Efficiency):
有效性衡量的是估計量的變異程度。在兩個無偏估計量之間,變異數較小的那個被認為是更有效率的。如果我們要比較有偏估計量和無偏估計量的有效性,通常會比較它們的均方誤差 (Mean Squared Error, MSE)。對於無偏估計量,MSE 等於其變異數。
- 的變異數: (假設母體為常態分布)
- 的變異數: (假設母體為常態分布)
我們要比較 和 。
比較 和 。
令 和 。
我們想知道 和 的大小關係。
考慮 。
因為 (樣本數至少為 2 才能計算變方), , 所以 。
這意味著 , 即 。
所以,。
第 3 題
針對某豆科作物調查其根瘤菌數目,在100次調查中每平方公分的菌數分布如下:
| 每平方公分菌數 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 發生次數 | 38 | 30 | 15 | 10 | 5 | 2 |
(1) 令X代表隨機觀察1平方公分的菌數,假設X遵行卜瓦松分布 (Poisson distribution),請用上述資料,估計此分布的平均 (mean) 及變方 (variance)。(10分)
(2) 請估計 的機率。(10分)
卜瓦松分布的機率函數
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這題主要考驗對卜瓦松分布 (Poisson distribution) 的理解、參數估計以及機率計算。
核心觀念:
卜瓦松分布是一個離散機率分布,用於描述在固定時間或空間內,某事件發生的次數。它的重要特徵是其平均數 () 和變方 () 是相等的。
給定資料:
總觀察次數 (樣本數, N) = 38 + 30 + 15 + 10 + 5 + 2 = 100 次。
數據代表在 100 次觀察中,每平方公分根瘤菌數的頻率。
(1) 估計卜瓦松分布的平均值 () 和變方 ():
根據卜瓦松分布的性質,其平均值 () 和變方 () 是相等的。我們可以通過樣本數據來估計這個共同參數。
-
估計平均值 ():
樣本平均值 () 是最常用的估計量。
其中 是每平方公分菌數的值, 是發生次數。
因此,估計的平均值 。
-
估計變方 ():
對於卜瓦松分布,我們期望變方等於平均值。因此,我們也可以用樣本平均值來估計變方。
或者,我們也可以直接計算樣本變方:
樣本變方
第 4 題
某位老師想知道不同系(A、B、C及D)學生的生物統計學成績是否相同,已知各系學生的成績呈常態分布且變異數相等,經隨機抽取部份學生,得到下列的變異數分析表(ANOVA):
| 變異來源 | 自由度 | 平方和 | 平均平方和 | F值 |
|---|---|---|---|---|
| 組間變異 | **** | **** | 105 | **** |
| 組內變異 | **** | **** | **** | |
| 總變異 | 43 | 1155 |
令顯著水準 ,則此檢定的結論為何? 並解釋之。(5分)
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這題考查對單因子變異數分析 (One-way ANOVA) 的假設檢定、F 檢定統計量以及結論的解釋。
核心觀念:
ANOVA 用來檢定三個或三個以上樣本的平均數是否相等。在此題中,我們檢定 A、B、C、D 四個系學生的生物統計學成績平均數是否相等。
給定資訊:
- 檢定對象:四個系 (A, B, C, D) 的學生。
- 變異數分析表 (ANOVA Table)。
- 顯著水準 。
- 假設:各系學生成績呈常態分布且變異數相等。
分析 ANOVA 表:
ANOVA 表提供了計算 F 檢定統計量所需的資訊,並用於檢定虛無假說。
-
確定自由度 (Degrees of Freedom, df):
- 總自由度 () = 43。
- 總自由度等於組間自由度 () 加上組內自由度 ()。
- 組數 (k) = 4 (因為有 A, B, C, D 四個系)。
- 組間自由度 () = k - 1 = 4 - 1 = 3。
- 組內自由度 () = - = 43 - 3 = 40。
- 從表中可以看到「組間變異」的自由度是 ****,我們可以填入 3。
- 從表中可以看到「組內變異」的自由度是 ****,我們可以填入 40。
-
計算平方和 (Sum of Squares, SS):
- 總變異的平方和 () = 1155。
- 總平方和等於組間平方和 () 加上組內平方和 ()。
- 從表中可以看到「組間變異」的平均平方和 () = 105。
- 。
- 所以,。
- 從表中可以看到「總變異」的平方和 () = 1155。
- 。
- 我們可以填入「組間變異」的平方和為 315。
- 我們可以填入「組內變異」的平方和為 840。
-
計算平均平方和 (Mean Square, MS):
- 組間平均平方和 () = 105 (已給定)。
- 組內平均平方和 () = 。
- 我們可以填入「組內變異」的平均平方和為 21。
第 5 題
某農民想比較兩種飼料,試著找出哪種飼料最能使豬隻體重增長。他隨機抽取10頭豬,並隨機分配餵以兩種飼料,因此每種飼料分配5頭豬。然後,他在實驗開始前先稱重,並在30週後再次稱重,假設體重分布為常態分布。得到資料如下:
| 豬隻編號 | 飼料 | 實驗前體重(KG) | 30周後體重(KG) |
|---|---|---|---|
| 1 | A | 92.4 | 241.3 |
| 2 | A | 102.7 | 208.0 |
| 3 | A | 92.7 | 222.2 |
| 4 | A | 84.2 | 191.8 |
| 5 | A | 107.3 | 230.4 |
| 6 | B | 91.1 | 205.1 |
| 7 | B | 79.8 | 176.4 |
| 8 | B | 83.6 | 173.8 |
| 9 | B | 71.1 | 158.5 |
| 10 | B | 98.4 | 226.2 |
(1) 不考慮飼料品牌的因素,在顯著水準 下檢定30周後體重是否增加超過100KG?(5分)
(2) 在顯著水準 下檢定二種不同飼料對體重增加是否有差異?(5分)
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這是一題關於假設檢定的題目,需要處理兩種不同的檢定:
(1) 檢定單一樣本的平均數是否大於某特定值 (在此是 100 KG)。
(2) 檢定兩個獨立樣本的平均數是否存在差異。
資料整理:
- 樣本數:總共 10 隻豬。
- 飼料 A 組:5 頭豬 (編號 1-5)。
- 飼料 B 組:5 頭豬 (編號 6-10)。
- 假設:體重分布為常態分布。
(1) 不考慮飼料品牌的因素,在顯著水準 下檢定30周後體重是否增加超過100KG?
這是一個單一樣本 t 檢定 (One-sample t-test) 的問題。我們需要檢定所有豬在 30 週後的平均體重是否顯著大於 100 KG。
-
步驟 1: 計算 30 周後體重的樣本平均值和標準差。
首先,我們需要計算所有 10 頭豬在 30 周後的體重。
數據: 241.3, 208.0, 222.2, 191.8, 230.4, 205.1, 176.4, 173.8, 158.5, 226.2
總數 (n) = 10。計算樣本平均值 ():
KG計算樣本標準差 (s):
首先計算樣本變方 ():
KG -
步驟 2: 設定虛無假說 (H₀) 和對立假說 (H₁)。
我們想檢定體重是否「增加超過 100 KG」。這意味著我們關心平均體重是否大於 100 KG。
H₀: (平均體重不超過 100 KG)
H₁: (平均體重超過 100 KG)
這是一個右尾檢定 (right-tailed test)。 -
步驟 3: 計算 t 檢定統計量。
其中 (虛無假說中的平均值)。
-
步驟 4: 確定自由度和臨界值。
自由度 。
顯著水準 。
由於是右尾檢定,我們需要查找 t 分布表中 和右尾機率為 0.05 的臨界值。
查表可知,。 -
步驟 5: 做出決策。
將計算出的 t 值與臨界值比較。
由於 (),我們拒絕虛無假說 H₀。 -
步驟 6: 解釋結論。
在顯著水準 0.05 下,我們有足夠的證據證明 30 周後的平均體重顯著超過 100 KG。
(2) 在顯著水準 下檢定二種不同飼料對體重增加是否有差異?
這是一個獨立樣本 t 檢定 (Independent samples t-test) 的問題,因為我們比較的是兩個獨立的組別 (飼料 A 組和飼料 B 組) 的體重增加量。
首先,我們需要計算每個組別的體重增加量。
體重增加量 = 30 周後體重 - 實驗前體重
飼料 A 組 (n₁=5):
| 豬隻編號 | 實驗前體重(KG) | 30周後體重(KG) | 體重增加量 () |
|---|---|---|---|
| 1 | 92.4 | 241.3 | 148.9 |
| 2 | 102.7 | 208.0 | 105.3 |
| 3 | 92.7 | 222.2 | 129.5 |
| 4 | 84.2 | 191.8 | 107.6 |
| 5 | 107.3 | 230.4 | 123.1 |
計算飼料 A 組體重增加量的平均值 () 和標準差 ():
KG
計算 :
飼料 B 組 (n₂=5):
| 豬隻編號 | 實驗前體重(KG) | 30周後體重(KG) | 體重增加量 () |
|---|---|---|---|
| 6 | 91.1 | 205.1 | 114.0 |
| 7 | 79.8 | 176.4 | 96.6 |
| 8 | 83.6 | 173.8 | 90.2 |
第 6 題
某研究護士根據下列模式對12筆隨機樣本成人年齡(歲)與血液中膽固醇量(mg/dL)資料進行簡單直線迴歸(Simple Linear Regression)分析:
他將成人年齡定義為自變數(Independent variable),血液中膽固醇量定義為依變數(Dependent variable),用統計軟體分析後得到下列結果:
估計迴歸直線:
由上述資料,計算得到
依變數的總平方和
殘差均方 (Residual Mean Square, MSE)
試回答下列問題:
(1) 完成下面變方分析表(ANOVA Table)
| Source of Variance | Degrees of Freedom | Sum of Squares | Mean Square | F-value |
|---|---|---|---|---|
| Regression | ||||
| Residual | 9395.352 | |||
| Total | 52101 |
(2) 計算簡單相關係數,並在顯著水準 下進行檢定族群簡單相關係數是否不為0? (5分)
(3) 在顯著水準 下進行檢定斜率是否不等於0。(5分)
(4) 下圖為同資料庫較大隨機樣本經配適簡單直線迴歸模型的殘差診斷圖:
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
試問此圖要檢驗簡單直線迴歸的何種模型假設? 依此圖,請敘述此模型假設是否成立?(4分)
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核心觀念
本題考簡單線性迴歸的變異數分析、相關係數與斜率檢定,以及用常態 Q–Q 圖檢查殘差是否符合常態分配。
簡單線性迴歸的變異分解為 。本題有 筆資料,因此迴歸、殘差與總變異的自由度分別為 、 與 。在簡單線性迴歸中,檢定斜率是否為零,等同於檢定母體相關係數是否為零;其統計量滿足 。
解題方法與計算
(1)完成變異數分析表
由題目給定的 與 :
殘差均方為:
迴歸均方與 F 值為:
| 變異來源 | 自由度 | 平方和 | 均方 | F 值 |
|---|---|---|---|---|
| 迴歸 | 1 | 42705.648 | 42705.648 | 45.454 |
| 殘差 | 10 | 9395.352 | 939.5352 | — |
| 總和 | 11 | 52101 | — | — |
(2)計算簡單相關係數並檢定母體相關係數
簡單線性迴歸的決定係數為 。因估計斜率為正,相關係數也取正號:
檢定 對 ,使用自由度 的 t 統計量:
第 無 題
表一、t分布右尾機率對照表
TABLE B: t-DISTRIBUTION CRITICAL VALUES
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此為統計學常用的 t 分布臨界值表,用於查找在給定自由度 (df) 和右尾機率 (Tail probability p) 下的 t 值。在進行 t 檢定時,可根據此表查得臨界值,進而與計算出的 t 統計量進行比較,以做出統計決策。
第 無 題
表二、F分布第95個百分位(即)對照表 *註:dfl:分子自由度、df2:分母自由度
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此為統計學常用的 F 分布臨界值表,用於查找在給定分子自由度 (df1) 和分母自由度 (df2) 下,對應於 95% 百分位 (即右尾機率 p=0.05) 的 F 值。
第 無 題
簡單直線迴歸模型的殘差診斷圖
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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此為簡單直線迴歸模型的殘差診斷圖,具體內容為殘差 (Residuals) 對標準常態分位數 (Normal Quantiles) 的散佈圖。此圖用於檢驗迴歸模型中誤差項是否服從常態分布的假設。
圖示說明:
- 橫軸 (Normal Quantiles): 代表標準常態分布的理論分位數。