國立高雄大學統計學研究所
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主題:5 普查與抽樣
發表者:黃文璋 Email:huangwj@nuk.edu.tw 日期:2014/8/30 上午 11:27:19

舊約聖經”“撒母耳記下的第二十四章:

耶和華又向以色列人發怒就激動大衛使他吩咐人去數點以色列人和猶大人。大衛就吩咐跟隨他的元帥約押說:你去走遍以色列眾支派,從但直到別是巴,數點百姓,我好知道他們的數目。…。他們走遍全地,過了九個月零二十天,就回到耶路撒冷。約押將百姓的總數奏告於王:以色列拿刀的勇士有八十萬;猶大有五十萬。

大衛(David,西元前1040-970)就是以色列史上著名的大衛王(King David),是以色列聯合王國(United Kingdom of Israel and Judah)的第二任國王,在位期間長達40年,從西元前1010970年。維基百科”根據“新約聖經”中“馬太福音路加福音的記載,說耶穌是大衛的後裔。其實在馬太福音第一章第18節:

耶穌基督降生的事記在下面他母親馬利亞已經許配了約瑟,還沒有迎娶,馬利亞就從聖靈懷了孕。

這就是所謂童女懷孕生子。既然如此,毫無血源,耶穌是否能算大衛的後裔,是有些爭議的。約瑟後來仍娶了馬利亞,他倒是大衛的後代。

以色列從很早期的摩西時代起,就有人口普查。大衛這次數點百姓,可能是為了賦稅、徵兵,或徭役之類的原因,統計對治國是很重要的。由前述引文知,即使在古代帝王統治,人口普查也是一大工程,要派個身邊親信的元帥去執行而總共才130萬人,便要歷經約290天才能點數完畢。需要這麼漫長的時間,雖顯示此統計工作做的很仔細,但也反映人口普查之不容易執行,因此品質不見得能好好控制。而在九個多月期間,有些數過的地區,總會有死亡、出生,或遷徙,亦會造成一些誤差。

昔日執行人口普查,在規定的時間,可以要人在家等待今日自由意識高漲,掌權者難以號令天下,莫敢不從,人口普查已難實施。況且就算想普查,很多情況下,根本做不到。座頭鯨(humpback whale)是鯨類中最大者。據估計,歷史上全球的座頭鯨曾有12.5萬頭之多,其後由於濫捕,逐漸降至僅數千頭,瀕臨絕種。近年來因保育成功,數量已慢慢回升。座頭鯨生活在大海裡,如何數有多少頭呢?顯然無法採取普查方式。Barlow et al. (2011)一文指出,依他們長達三年的調查,全球至少已有21,000頭座頭鯨。該文說,此數字是通過對攝影數據進行更深入的統計分析而得出的。

在不易普查的情況下,抽樣調查便為一常採的方式。普查及抽樣調查,皆會有誤差。今日依賴較好的技術,由抽樣調查得到的結果,有時還較大費工夫的普查結果精準。當然不論普查或抽樣調查,對數據都要有些直觀,否則得到的統計可能因太離譜而毫無價值。

抽樣調查乃想以若干抽取的樣本來了解母體。人們有時僅嚐一粒葡萄,便據此來判斷整串葡萄的酸甜,以決定購買與否,這便是所謂一葉知秋。但母體的變異若不是很小,樣本數便不宜太少,否則便是以管窺天,見不到全貌了。另外抽樣調查要可靠,乃基於取樣須有代表性。以民意為例孟子”“萬章上篇,孟子(西元前372-289)曾引尚書”“泰誓篇”裡的“天視自我民視,天聽自我民聽,認為帝王該聽看民意。但若民視及民聽中的,皆僅為身邊若干親信,則不過是以偏概全,應屬被蒙蔽,不是客觀的取樣,這絕非統計的精神。底下來看黃文璋(2006)一文所給的幾個例子。

假設想估計一袋子裡紅球所佔比例。先將袋中的球攪和均勻,然後依序取出若干個球,每次取出後不放回。再依所取出的球中,紅球所佔比倒,來估計袋子裡紅球所佔比例這是一不難想到的作法。當然其中的攪和均勻,可能會讓有些人感到困惑。“均勻”一詞常反映公正性。在玩撲克牌或麻將等遊戲時,也是要先儘量將牌洗得很均勻。有人說撲克牌洗七次便會夠均勻了。如果真能將袋中的球攪和得均勻,則得到的估計便較準確。此處提到的取球過程,便為常見的一種抽樣方式,稱為簡單隨機抽樣(simple random sampling),其定義可參考黃文璋(2012)一文。至於要取出多少球才夠?這涉及誤差的大小。取出的樣本數若較大,則誤差便易較小,反之則誤差便易較大。誤差是統計估計裡一重要議題,此處先不討論。

前述估計紅球比例的方法,雖簡單但用途廣泛。如也可用來估計圓周率ππ為一定值,並不隨機,有趣的是,我們卻可藉隨機的方式來估計它。在桌上放一張紙,然後畫一正方形及其內切圓,設圓半徑為r,則正方形的邊長為2r。然後隨機地灑下一些芝麻假設共有n粒落進正方形內其中有a粒落進圓中。由於是隨機地灑,所以合理地假設an之比,為圓面積πr2與正方形面積4r2之比建立起等式

a/n = (πr2)/(4r2) = π/4

後,便可解出圓周率之估計值

π = 4a/n

了。問題是隨機地灑芝麻容易嗎?人的天性不是缺乏隨機性嗎?說不定會因不想白灑,即企圖避免讓芝麻落到正方形外,造成芝麻有過度集中在圓內的傾向,導致高估π

處理諸如球或芝麻的問題,其實都還算容易。如果對象是動物或人,就更難做到隨機抽樣了。例如,想估計池中有多少條魚(N)。如前,可先隨機地自池裡取出若干條(K)依序做上記號後放回。再隨機地取出若干條(n),算出其中有做記號的魚數(k)。令

K/N = k/n

其中KNn已知,如此便解出估計值

N = nK/k

了。這問題看起來與前述估計紅球比例,及圓周率π類似,但誤差卻可能大很多。因某些魚說不定較易被取中某些魚說不定較易受到驚嚇,會躲藏而不易再度被取中。即魚並不像球或芝麻,魚是有個性的。

隨機抽樣可說是收集資料之一常見步驟,但連對魚都不易做到隨機抽取樣本,何況是處理與人有關的問題。所以實際抽樣時,須有一套取樣的機制,如藉助電腦才能辦到。

參考文獻

1. 黃文璋(2006). 決策的誤差. 數學傳播季刊, 30(3): 66-79.

2. 黃文璋(2010). 抽樣調查.黃家小館(http://huang.nuk.edu.tw/cindex.htm).

3. Barlow, J., Calambokidis, J., Falcone, E. A., Baker, C. S., Burdin, A. M., Clapham, P. J., Ford, J. K. B., Gabriele ,C. M., LeDuc, R., Mattila, D. K., Quinn II, T. J., Rojas-Bracho, L., Straley, J. M., Taylor, B. L., Urbán R. J., Wade, P., Weller, D., Witteveen, B. H. and Yamaguchi, M. (2011). Humpback whale abundance in the North Pacific estimated by photographic capture-recapture with bias correction from simulation studies. Marine Mammal Science, 27: 793-818.

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