Resposta rápida
O motivo é que, assumindo que os dados são iid e e definindo
ˉ XXi∼N(μ,σ2)
ao formar intervalos de confiança, a distribuição da amostra associada à variância da amostra (S2, lembre-se, uma variável aleatória!) É uma distribuição qui-quadrado (S2(N-1)/σ2∼χ2n-1), assim como a distribuição da amostra associada à média da amostra é uma distribuição normal padrão ((ˉX-μ)√
X¯S2==∑NXiN∑N(X¯−Xi)2N−1
S2S2(N−1)/σ2∼χ2n−1) quando você conhece a variação, e com um aluno t quando você não (
( ˉ X -μ) √(X¯−μ)n−−√/σ∼Z(0,1) ).
(X¯−μ)n−−√/S∼Tn−1
Resposta longa
Primeiramente, provaremos que segue uma distribuição qui-quadrado com N - 1S2(N−1)/σ2N−1 graus de liberdade. Depois disso, veremos como essa prova é útil ao derivar os intervalos de confiança para a variação e como a distribuição do qui-quadrado aparece (e por que é tão útil!). Vamos começar.
A prova
Para isso, talvez você precise se acostumar com a distribuição do qui-quadrado neste artigo da Wikipedia . Essa distribuição possui apenas um parâmetro: os graus de liberdade, , e passa a ter uma Função Geradora de Momento (MGF) dada por:
m χ 2 ν ( t ) = ( 1 - 2 t ) - ν / 2 .
Se pudermos mostrar que a distribuição de S 2 ( N - 1 ) / σ 2 tem uma função geradora de momentos como esta, mas com ν Nν
mχ2ν(t)=(1−2t)−ν/2.
S2(N−1)/σ2 , mostramos que
S 2 ( N - 1 ) / σ 2 segue uma distribuição qui-quadrado com
N - 1 graus de liberdade. Para mostrar isso, observe dois fatos:
ν=N−1S2(N−1)/σ2N−1
Se definirmos,
ondeZi~N(0,1), isto é, variáveis aleatória normal, a função de geração de momento deYé dada por
m Y (t)
Y=∑(Xi−X¯)2σ2=∑Z2i,
Zi∼N(0,1)YmY(t)===E[etY]E[etZ21]×E[etZ22]×...E[etZ2N]mZ2i(t)×mZ22(t)×...mZ2N(t).
The MGF of Z2 is given by
mZ2(t)==∫∞−∞f(z)exp(tz2)dz(1−2t)−1/2,
where I have used the PDF of the standard normal, f(z)=e−z2/2/2π−−√ and, hence,
mY(t)=(1−2t)−N/2,
which implies that Y follows a chi-square distribution with N degrees of freedom.
Y1Y2ν1ν2 degrees of freedom, then W=Y1+Y2 distributes with a chi-square distribution with ν1+ν2 degrees of freedom (this follows from taking the MGF of W; do this!).
With the above facts, note that if you multiply the sample variance by N−1, you obtain (after some algebra),
(N−1)S2=−n(X¯−μ)+∑(Xi−μ)2,
and, hence, dividing by
σ2,
(N−1)S2σ2+(X¯−μ)2σ2/N=∑(Xi−μ)2σ2.
Note that the second term in the left-side of this sum distributes as a chi-square distribution with 1 degree of freedom, and the right-hand side sum distributes as a chi-square with
N degrees of freedom.
Therefore, S2(N−1)/σ2 distributes as a chi-square with N−1 degrees of freedom.
Calculating the Confidence Interval for the variance.
When looking for a confidence interval for the variance, you want to know the limits L1 and L2 in
P(L1≤σ2≤L2)=1−α.
Let's play with the inequality inside the parenthesis. First, divide by
S2(N−1),
L1S2(N−1)≤σ2S2(N−1)≤L2S2(N−1).
And then remember two things: (1) the statistic
S2(N−1)/σ2 has a chi-squared distribution with
N−1 degrees of freedom and (2) the variances is always greather than zero, which implies that you can invert the inequalities, because
L1S2(N−1)≤σ2S2(N−1)σ2S2(N−1)≤L2S2(N−1)⇒⇒S2(N−1)σ2≤S2(N−1)L1,S2(N−1)L2≤S2(N−1)σ2,
hence, the probability we are looking for is:
P(S2(N−1)L2≤S2(N−1)σ2≤S2(N−1)L1)=1−α.
Note that
S2(N−1)/σ2∼χ2(N−1). We want then,
∫N−1S2(N−1)L2pχ2(x)dx∫S2(N−1)L1N−1pχ2(x)dx==(1−α)/2 ,(1−α)/2
(we integrate up to
N−1 because the expected value of a chi-squared random variable with
N−1 degrees of freedom is
N−1) or, equivalently,
∫S2(N−1)L20pχ2(x)dx=α/2,∫∞S2(N−1)L1pχ2(x)dx=α/2.
Calling
χ2α/2=S2(N−1)L2 and
χ21−α/2=S2(N−1)L1, where the values
χ2α/2 and
χ21−α/2 can be found in chi-square tables (in computers mainly!) and solving for
L1 and
L2,
L1L2==S2(N−1)χ21−α/2,S2(N−1)χ2α/2.
Hence, your confidence interval for the variance is
C.I.=(S2(N−1)χ21−α/2,S2(N−1)χ2α/2).