孫永梅
摘 要:運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和文獻(xiàn)資料法,對非參數(shù)檢驗(yàn)中的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)進(jìn)行研究分析,關(guān)于擬合優(yōu)度檢驗(yàn)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量有?字2檢驗(yàn)、K-S檢驗(yàn)和秩和檢驗(yàn)等。在選擇非參數(shù)檢驗(yàn)方法時(shí),需要先考慮兩個(gè)因素:(1)樣本情況分析,是獨(dú)立樣本還是相關(guān)樣本。(2)數(shù)據(jù)的類型,是順序數(shù)據(jù)還是類別數(shù)據(jù)。本文系統(tǒng)分析了?字2檢驗(yàn)和K-S檢驗(yàn),?字2檢驗(yàn)和K-S檢驗(yàn)各自有自己的適應(yīng)條件,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要擇取更合適的統(tǒng)計(jì)方法,才能讓統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)更具有說服力。另,把數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)理論作為理論依據(jù)將其指導(dǎo)運(yùn)用到體育實(shí)際問題中去,理論指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用。希望通過本文對體育科研方面給予一定的理論指導(dǎo),對體育科研起到一定的促進(jìn)作用。
關(guān)鍵詞:非參數(shù)檢驗(yàn);擬合優(yōu)度檢驗(yàn);體育科研
中圖分類號:G80-32 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ?文章編號:1673-260X(2022)01-0059-04
前言
假設(shè)檢驗(yàn)在統(tǒng)計(jì)推斷具有的重要應(yīng)用價(jià)值,從理論上說,假設(shè)檢驗(yàn)是數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的一個(gè)重要分支。在體育科研、訓(xùn)練和教學(xué)中,它也是常用的統(tǒng)計(jì)方法?;诩僭O(shè)檢驗(yàn)的思想,體育現(xiàn)象復(fù)雜多變,假設(shè)檢驗(yàn)也被合理地應(yīng)用在體育科研、訓(xùn)練及教學(xué)中,其理論及應(yīng)用是體育統(tǒng)計(jì)學(xué)中不可或缺的部分。尤其是在有關(guān)體育期刊論文中應(yīng)用假設(shè)檢驗(yàn)的方法比較常見。
近年來,體育統(tǒng)計(jì)相關(guān)書籍及資料只是簡單地介紹了假設(shè)檢驗(yàn)的方法,介紹方法演算的過程,并沒有涉及它的真正理論。例如:在解決問題之前有必要明確研究目的是什么。這一關(guān)鍵問題就是明確總體的問題,在進(jìn)行兩樣本t檢驗(yàn)時(shí),實(shí)驗(yàn)前與實(shí)驗(yàn)后的總體不一致從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的錯(cuò)誤,就是因?yàn)闆]有明確總體是什么,對假設(shè)檢驗(yàn)方法沒有理解其本質(zhì),生搬硬套而導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。另外,查閱了自1997年至今的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),對于非參數(shù)檢驗(yàn)并沒有系統(tǒng)的論述。關(guān)于非參數(shù)檢驗(yàn)方法在體育科研中的應(yīng)用查閱文獻(xiàn)也只有祁國鷹,徐明在《北京體育大學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表了《體育統(tǒng)計(jì)方法系列講座:非參數(shù)檢驗(yàn)方法》,文中也只是簡單地介紹非參數(shù)檢驗(yàn)各種方法的步驟及在SPSS中的應(yīng)用[1]。然而非參數(shù)檢驗(yàn)方法在體育科研中的重要性不容忽視。
在統(tǒng)計(jì)推斷中,有時(shí)對總體分布假定具有模糊性,所測得數(shù)據(jù)并非來自本身所假定分布的總體或測得的數(shù)據(jù)因某些原因被污染。在不能確定假定總體分布的情況下,若選擇參數(shù)檢驗(yàn)方法進(jìn)行推斷可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)論。研究者希望從數(shù)據(jù)的本身獲取所需且必要的信息,這便是非參數(shù)檢驗(yàn)的初步想法。如在未知總體分布的情況下,把一組數(shù)據(jù)信息稱為次序,利用已有信息,按照一定的次序或規(guī)律排序,每一個(gè)數(shù)據(jù)在整組數(shù)據(jù)中有自己的位置稱為秩,在假定條件下,便可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷,獲得所需的信息結(jié)論。
魏登云在《主觀評分誤差的非參數(shù)處理方法》中運(yùn)用非參數(shù)檢驗(yàn)方法,結(jié)合體育競賽的特點(diǎn),運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法中秩分判定比賽的名次,并討論運(yùn)用秩分法去處理評分誤差的優(yōu)點(diǎn)及可行性[2]。其實(shí)非參數(shù)檢驗(yàn)方法在體育科研中的應(yīng)用是有必要的。由于體育現(xiàn)象的復(fù)雜性,有時(shí)參數(shù)檢驗(yàn)并不能滿足需求,這時(shí)選用非參數(shù)檢驗(yàn)是必要的。但在實(shí)際應(yīng)用中對于非參數(shù)檢驗(yàn)并沒有系統(tǒng)的論述及應(yīng)用。
無論是參數(shù)檢驗(yàn)還是非參數(shù)檢驗(yàn)在處理問題時(shí)都是先找出一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型去擬合現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù),擬合的效果如何,怎樣用樣本推斷總體,利用擬合優(yōu)度檢驗(yàn)可以解決疑問。擬合優(yōu)度檢驗(yàn)其思想是找出一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型,利用已有的觀測數(shù)據(jù)去預(yù)測未來數(shù)據(jù)。換言之,找出一個(gè)模型去擬合已有的觀測數(shù)據(jù)。擬合優(yōu)度檢驗(yàn)在統(tǒng)計(jì)理論中有其特殊的地位,不僅是統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)的組成部分,而且和實(shí)際應(yīng)用有密切關(guān)系[1]。由于體育現(xiàn)象具有復(fù)雜性與多樣性,如遇到某問題需利用假設(shè)檢驗(yàn)方法解決時(shí),若給定的假定條件很少,那么可以用非參數(shù)檢驗(yàn)方法去解決問題。非參數(shù)檢驗(yàn)方法的條件比參數(shù)檢驗(yàn)方法要寬松,其對總體的分布不做要求,所以非參數(shù)檢驗(yàn)方法的應(yīng)用范圍比較廣泛。
在有關(guān)擬合優(yōu)度檢驗(yàn)的相關(guān)文獻(xiàn)中,對非參數(shù)檢驗(yàn)的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)的研究稀少。但它在體育科研中的應(yīng)用價(jià)值是值得肯定的。因此,本文僅對非參數(shù)檢驗(yàn)中的擬合優(yōu)度?字2檢驗(yàn)和K-S檢驗(yàn)進(jìn)行研究分析,把數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)理論作為理論依據(jù)將其指導(dǎo)運(yùn)用到體育實(shí)際問題中去。通過對?字2檢驗(yàn)和K-S檢驗(yàn)的研究分析,希望對體育科研工作者有所幫助。
1 研究方法
運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和文獻(xiàn)資料法進(jìn)行分析研究。研讀非參數(shù)檢驗(yàn)的相關(guān)書籍;以“參數(shù)檢驗(yàn)”“非參數(shù)檢驗(yàn)”“擬合優(yōu)度檢驗(yàn)”“非參數(shù)檢驗(yàn)在體育科研中的應(yīng)用”等為關(guān)鍵詞在“CNKI”“中國國家圖書館”等數(shù)據(jù)庫檢索。對搜集的資料進(jìn)行閱讀歸納,整理分析。
2 非參數(shù)檢驗(yàn)中擬合優(yōu)度檢驗(yàn)的幾種類別與應(yīng)用
在統(tǒng)計(jì)推斷中,有時(shí)對總體分布假定具有模糊性,所測得數(shù)據(jù)并非來自本身所假定分布的總體或測得的數(shù)據(jù)因某些原因被污染。這時(shí),從數(shù)據(jù)的本身獲取所需要的信息,得出結(jié)論。如檢驗(yàn)?zāi)凶犹?、游泳和體操三個(gè)項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員縱跳成績,測得的成績?nèi)缦拢禾撸?0、76、78、82、79;游泳:65、66、62、67、71、70、65;體操:64、67、64、68、62、63、69。試問運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的不同其男子運(yùn)動(dòng)員的縱跳成績之間是否存在顯著性差異?這就是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)信息不足,這時(shí)我們使用參數(shù)檢驗(yàn)的方法解決問題并非良策。
在選擇非參數(shù)檢驗(yàn)方法時(shí),需要先考慮兩個(gè)因素:(1)關(guān)于樣本情況分析,是獨(dú)立樣本還是相關(guān)樣本。(2)關(guān)于數(shù)據(jù)的類型,是順序數(shù)據(jù)還是類別數(shù)據(jù),簡單地說就是若按照一定的順序或秩序排列那就是順序數(shù)據(jù),如喜歡、不喜歡或男、女就是類別數(shù)據(jù)。
2.1 單樣本擬合優(yōu)度檢驗(yàn)
單樣本非參數(shù)檢驗(yàn)一般屬于擬合優(yōu)度檢驗(yàn)。如研究員實(shí)際觀測到的頻數(shù)和在某種原則下的理論頻數(shù)是否存在顯著差異;實(shí)驗(yàn)觀測的比例P值與所期望的比例值是否存在顯著差異等。
2.1.1 ?字2檢驗(yàn)
檢驗(yàn)的基本思想是利用樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行推斷總體的分布與某一已知分布是否存在顯著差異。?字2檢驗(yàn)用于擬合優(yōu)度的檢驗(yàn),檢驗(yàn)?zāi)辰M數(shù)據(jù)是否服從某種分布。設(shè)樣本X1,X2,…,Xn觀測值x1,x2,…,xn,檢驗(yàn)總體分布與某個(gè)已知分布是否有顯著差異。若討論的是一個(gè)事件的兩種結(jié)果,可以用參數(shù)檢驗(yàn)中的方法解決問題。若討論一個(gè)事件可能有K個(gè)結(jié)果時(shí),使用?字2檢驗(yàn)是需要的。如把樣本數(shù)據(jù)分為k類,其中每類的實(shí)際觀測頻數(shù)設(shè)為f1,f2,…,fk,與對應(yīng)的期望頻數(shù)設(shè)為e1,e2,…,ek,利用檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量?字2去度量觀測頻數(shù)與期望頻數(shù)之差異。其計(jì)算公式:
從式(1)可以看出,觀測頻數(shù)與期望頻數(shù)之間距離越近,?字2值就越小,當(dāng)?字2值為0時(shí),說明每一類觀測頻數(shù)與期望頻數(shù)完全擬合。?字2檢驗(yàn)的運(yùn)用領(lǐng)域很廣。如要檢驗(yàn)總體是否為某一分布時(shí),假設(shè)實(shí)際觀測值的分布為F(x),去檢驗(yàn)總體是否為某一特定分布F0(x)。注意,當(dāng)樣本量充分大時(shí)?字2服從自由度為k-1的?字2分布。在體育教學(xué)中,為了提高學(xué)生的網(wǎng)球正手擊球的水平,采用了一種新的教學(xué)方法。教師從大二年級隨機(jī)抽取100名學(xué)生,配對分成兩個(gè)班,對其進(jìn)行干預(yù)采用兩種不同的教法。一個(gè)學(xué)期結(jié)束后進(jìn)行測試,測得成績?nèi)绫?所示,兩種不同方法測得的成績。
通過實(shí)驗(yàn)組和對照組數(shù)據(jù)的比較,判斷兩種不同的網(wǎng)球正手教學(xué)方法是否對教學(xué)效果產(chǎn)生不同的影響。從表1中可以看出,實(shí)驗(yàn)組和對照組的成績不及格的比例有差距,原因是新的教法所產(chǎn)生的效果還是因?yàn)檎`差所導(dǎo)致的差別,需通過檢驗(yàn)才能得出結(jié)論。(a=0.05)
首先建立原假設(shè)H0:實(shí)驗(yàn)組與對照組各級的比例相同。其次構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量?字2=,通過把數(shù)據(jù)輸入SPSS軟件中,得出結(jié)論P(yáng)>0.05。我們就可以做出判斷,原假設(shè)成立。雖然新的教法的成績有所提高,但是通過檢驗(yàn)新舊方法并沒有顯著差異,新方法的成績有所提高可能是因?yàn)檎`差造成的,所以新的教學(xué)方法還需改進(jìn)。以上的例子就是利用?字2檢驗(yàn)的方法解決兩種不同結(jié)果。
?字2檢驗(yàn)在體育領(lǐng)域中應(yīng)用是比較廣泛的,在參數(shù)檢驗(yàn)中也有提及,在非參數(shù)檢驗(yàn)中主要用于對分布的檢驗(yàn)以及對獨(dú)立的類別數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)。正態(tài)性檢驗(yàn)可使用?字2的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)方法。如測得65名職業(yè)游泳運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練后的脈搏頻率與安靜狀態(tài)時(shí)脈搏頻率之差頻數(shù)分布數(shù)據(jù),試圖檢驗(yàn)職業(yè)游泳運(yùn)動(dòng)員的脈搏差數(shù)是否服從正態(tài)分布?此類問題,首先建立原假設(shè)H0:脈搏差服從正態(tài)分布,H1:脈搏差不服從正態(tài)分布。再根據(jù)樣本信息選擇合適的?字2檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量,取顯著性水平?琢值,經(jīng)過計(jì)算取得檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的值,與P值進(jìn)行比較。是否接受原假設(shè),從而得出結(jié)論。
2.1.2 K-S檢驗(yàn)
在統(tǒng)計(jì)學(xué)中,K-S檢驗(yàn)可適用于比較某一樣本分布與參考概率分布,或比較兩個(gè)樣本分布(兩個(gè)樣本的K-S檢驗(yàn))。它涉及一組樣本數(shù)據(jù)的實(shí)際分布與某一指定理論分布之間相符合程度的問題,用來檢驗(yàn)所獲取的樣本數(shù)據(jù)是否來自具有某一理論分布的總體[2]。K-S檢驗(yàn)的思想是分析其理論分布的累計(jì)頻數(shù)與抽樣累計(jì)頻數(shù)之差值。若樣本觀測值服從某一指定的理論分布,那么最大差值應(yīng)該較小。設(shè)F(x)是隨機(jī)變量X的理論分布函數(shù),S(x)=i/n是樣本累計(jì)頻數(shù)(i≤x觀測值的數(shù)目,i=1,2…,n。n為樣本總數(shù))。檢驗(yàn)樣本S(x)是否來自總體的分布函數(shù)F(x),構(gòu)造其統(tǒng)計(jì)量,計(jì)算公式如下:
D=max|S(x)-F(x)| ? (2)
從公式(2)可以看出,對每個(gè)x值來說,若S(x)與F(x)差值較小,說明S(x)與F(x)擬合程度很高,則認(rèn)為樣本數(shù)據(jù)是來自其理論分布的總體。如,抽取某市初三所有男生的身高數(shù)據(jù),利用樣本數(shù)據(jù)信息推斷初三男生的總體身高是否服從正態(tài)分布。
2.2 兩獨(dú)立的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)
2.2.1 ?字2檢驗(yàn)
單樣本的?字2檢驗(yàn)可以推廣到兩個(gè)獨(dú)立樣本的總體差異性的檢驗(yàn)[3]。隨機(jī)變量n1和n2是分別從分布函數(shù)F1(x)和F2(x)的總體中抽取的樣本數(shù)據(jù),利用樣本觀測值推斷兩個(gè)總體是否有顯著性差異。其統(tǒng)計(jì)量的選擇與計(jì)算及最后統(tǒng)計(jì)決策都與兩個(gè)獨(dú)立樣本檢驗(yàn)相似。同時(shí),兩個(gè)獨(dú)立樣本的?字2檢驗(yàn)可以推廣到對k個(gè)樣本之間差異的顯著性檢驗(yàn)。例如,隨機(jī)從初一和初二年級分別抽取x人和y人(其中男女比例是一樣的),調(diào)查學(xué)生是否喜歡上體育課,發(fā)現(xiàn)初中一年級學(xué)生喜歡上體育課的人數(shù)是n1人,初二喜歡上體育課的人數(shù)是n2人,那么初一和初二學(xué)生喜歡上體育課的比例是否有差異。首先我們建立原假設(shè):兩個(gè)年級的學(xué)生喜歡上體育課的比例相同。其次構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量?字2并計(jì)算得出數(shù)據(jù),確定顯著水平a。若原假設(shè)成立,?字2服從自由度為k-1的?字2分布,其否定域?yàn)閧?字2|?字2>?字a2(k-1)}.如果?字2值落入拒絕域則是拒絕原假設(shè),即兩個(gè)年級的學(xué)生喜歡上體育課的比例是有差異,否則,是接受原假設(shè),即兩個(gè)年級的學(xué)生喜歡上體育課的比例無差異。
同時(shí),?字2檢驗(yàn)還用于檢驗(yàn)兩個(gè)屬性之間是否獨(dú)立的?字2獨(dú)立性檢驗(yàn)。?字2檢驗(yàn)可用來推斷多個(gè)構(gòu)成比之間有無顯著差異即檢驗(yàn)兩個(gè)因素是否獨(dú)立,在應(yīng)用中,可先列出R×C聯(lián)系然后采用?字2檢驗(yàn),若結(jié)果差異顯著,則說明多個(gè)率在整體上有差異但并不說明任意兩個(gè)率之間都有差異。2×2聯(lián)系檢驗(yàn)是R×C聯(lián)表的特例,可檢驗(yàn)兩個(gè)總體率之間是否有差異。
在實(shí)際應(yīng)用時(shí),各種檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量都有其應(yīng)用條件,在選擇時(shí)根據(jù)研究目的、設(shè)計(jì)的類型、分布的特點(diǎn)及統(tǒng)計(jì)推斷的目的要求選取適當(dāng)?shù)臋z驗(yàn)方法。
2.2.2 K-S檢驗(yàn)
無論是兩個(gè)獨(dú)立樣本K-S檢驗(yàn)還是單樣本K-S檢驗(yàn),其思路基本一致。通過兩個(gè)獨(dú)立總體的樣本觀測值去分析判斷是否來自同一個(gè)總體。
在對比兩個(gè)樣本進(jìn)行分析時(shí),K-S檢驗(yàn)對經(jīng)驗(yàn)累積分布函數(shù)的位置和形狀差異有一定的敏感性。通過分析兩獨(dú)立總體樣本的累計(jì)頻數(shù)之差值,確定是否有差異性。如從總體X和Y中,選取兩組樣本數(shù)據(jù)(X1,X2,…,Xn)和(Y1,Y2,…,Yn),SX(x)和SY(x)是累計(jì)頻數(shù)。若要檢驗(yàn)總體X與Y分布是否相同,則構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量,設(shè)定顯著水平a和確定否定域,最后得出結(jié)論,做出決策。如檢驗(yàn)東部地區(qū)與西部地區(qū)的青少年發(fā)育狀況是否存在差異。
K–S檢驗(yàn)通過修改以后可作擬合優(yōu)度檢驗(yàn),在檢驗(yàn)正態(tài)性分布的特殊情況下,先將樣本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,再與標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布進(jìn)行比較分析。使用這些值和方差去定義特定的參考分布將會更改其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的零分布。有研究發(fā)現(xiàn),即使采用了這種校正的形式,其測試也不像Shapiro-Wilk檢驗(yàn)或Anderson-Darling檢驗(yàn)?zāi)菢佑行У貦z驗(yàn)其正態(tài)性。當(dāng)然,這些其他測試也有其自身的缺點(diǎn)。如Shapiro–Wilk檢驗(yàn)中,樣本的選取時(shí)會有許多相同值其效果并不好。
3 對非參數(shù)檢驗(yàn)中的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)的認(rèn)知
3.1 分布情況
非參數(shù)檢驗(yàn)是在總體分布未知的情況下的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法。在實(shí)際問題處理時(shí),有時(shí)提取的信息量很少,在總體分布未知時(shí)只能應(yīng)用非參數(shù)檢驗(yàn)。非參數(shù)檢驗(yàn)比參數(shù)檢驗(yàn)的應(yīng)用范圍廣泛。?字2檢驗(yàn)與K-S檢驗(yàn)都可用于檢驗(yàn)樣本是否來自某一理論分布的總體。
3.2 測量數(shù)據(jù)類型
?字2檢驗(yàn)常用于定類尺度測量的數(shù)據(jù),適應(yīng)于分類資料的統(tǒng)計(jì)推斷。K-S檢驗(yàn)還用于對定序尺度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合檢驗(yàn)。
3.3 特殊情況處理
?字2檢驗(yàn)一般要求的是大樣本,對于特別小的樣本量,?字2檢驗(yàn)則不能應(yīng)用,若應(yīng)用?字2檢驗(yàn)可能會導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論,而K-S檢驗(yàn)則不受限制。因此,K-S檢驗(yàn)的功效比?字2檢驗(yàn)要強(qiáng)。根據(jù)樣本量的不同在最后處理時(shí)臨界值的確定也是有區(qū)別的。在實(shí)際問題處理時(shí),如需要檢驗(yàn)正態(tài)性,應(yīng)該避免使用?字2檢驗(yàn)和K-S檢驗(yàn)。這一問題在數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論中已被證明的。同時(shí),在運(yùn)用中注意減少第二類錯(cuò)誤的發(fā)生。
4 總結(jié)
雖然非參數(shù)檢驗(yàn)方法較粗略,其擬合優(yōu)度檢驗(yàn)的實(shí)際運(yùn)用比較廣泛,但其統(tǒng)計(jì)思想比較直觀。對于非正態(tài)的數(shù)據(jù)或未知分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),其檢驗(yàn)的效率較高。在某特殊分布情況下,非參數(shù)檢驗(yàn)方法的效率可超過t檢驗(yàn)。
但是如果當(dāng)條件充分時(shí),則選擇參數(shù)檢驗(yàn)的方法,一方面可以充分利用給定的信息,距答案更進(jìn)一步;另一方面可以減少誤差。預(yù)期頻數(shù)較小時(shí),?字2檢驗(yàn)需要合并鄰近的類別才可以計(jì)算,K-S檢驗(yàn)則不需要。因此K-S檢驗(yàn)比?字2檢驗(yàn)保留更多的信息。?字2檢驗(yàn)和K-S檢驗(yàn)的樣本量相等時(shí),K-S檢驗(yàn)對于原假設(shè)為假時(shí)可提供一個(gè)更高的拒絕率,因此,與?字2檢驗(yàn)相比K-S檢驗(yàn)具有更強(qiáng)的檢出率。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要擇取更合適的統(tǒng)計(jì)方法,才能讓統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)更具有說服力。
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