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1、成績(jī)?cè)u(píng)定表學(xué)生姓名陳基政班級(jí)學(xué)號(hào)17專(zhuān)業(yè)信息與計(jì)算科學(xué)課程設(shè)計(jì)題目合金鋼的抗拉強(qiáng)度與鋼中含碳量的回歸分析評(píng)語(yǔ)組長(zhǎng)簽字:成績(jī)?nèi)掌?0 年 月曰課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)院理學(xué)院專(zhuān)業(yè)信息與計(jì)算科學(xué)學(xué)生姓名陳基政班級(jí)學(xué)號(hào)17課程設(shè)計(jì)題目合金鋼的抗拉強(qiáng)度與鋼中含碳量的回歸分析實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù):通過(guò)該課程設(shè)計(jì),使學(xué)生進(jìn)一步理解概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基本概念、理論和方法;初步掌握Excel統(tǒng)計(jì)工作表在隨機(jī)模擬中是應(yīng)用,MATLAB統(tǒng)計(jì)軟件包對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng) 計(jì)檢驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析;具備初步的運(yùn)用計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理的技能,使課堂中學(xué)習(xí)到理 論得到應(yīng)用。1 數(shù)據(jù)整理:收集數(shù)據(jù),錄入數(shù)據(jù),畫(huà)出相應(yīng)圖形;建立數(shù)學(xué)模型,數(shù)據(jù)的輸入 與整
2、理,各種數(shù)據(jù)的圖形顯示。2假設(shè)檢驗(yàn):MATLAB繪制出直方圖,做數(shù)據(jù)分布的推測(cè);參數(shù)估計(jì),假設(shè)檢 驗(yàn),繪制概率密度圖。3單因素、多因素方差分析:正態(tài)總體的方差分析冋題;MATLAB統(tǒng)計(jì)軟件中關(guān)于方差分析的相關(guān)命令,做出方差分析表,box圖,能對(duì)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。4一元、多元線性回歸模型:回歸系數(shù)的估計(jì)與檢驗(yàn),數(shù)據(jù)散點(diǎn)與回歸直線的圖 示,殘差圖。運(yùn)用MATLAB統(tǒng)計(jì)軟件,對(duì)給定的數(shù)據(jù)擬合回歸方程。工作計(jì)劃與進(jìn)度安排:周三12節(jié):選題,設(shè)計(jì)解決問(wèn)題方法周三38節(jié):調(diào)試程序周四14節(jié):完成論文,答辯指導(dǎo)教師:2012年6月28日專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人:2012年7月8日學(xué)院教學(xué)副院長(zhǎng):2012年7月19日數(shù)理統(tǒng)
3、計(jì)是具有廣泛應(yīng)用的數(shù)學(xué)分支,而區(qū)間估計(jì)和假設(shè)檢驗(yàn)問(wèn)題在其中占 有很重要的地位。對(duì)于正態(tài)總體期望和方差的區(qū)間估計(jì)和假設(shè)檢驗(yàn)問(wèn)題已有完備 的結(jié)論;對(duì)于非正態(tài)總體期望和方差的區(qū)間估計(jì)和假設(shè)檢驗(yàn)問(wèn)題,在大樣本的情況下,可利用中心極限定理轉(zhuǎn)化為正態(tài)總體來(lái)解決。 但實(shí)際問(wèn)題中常常碰到非正 態(tài)總體,而且是小樣本的情況,因此對(duì)它的區(qū)間估計(jì)和假設(shè)檢驗(yàn)是一個(gè)值得研究 的問(wèn)題。本文利用概率綸與數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的所學(xué)的回歸分析知識(shí), 對(duì)小樣本常用小樣本 常用分布參數(shù)置信區(qū)間和線性相關(guān)的顯著性檢驗(yàn),相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn),預(yù)測(cè)與監(jiān)控,進(jìn)行了深入研究,提出了小樣本常用分布參數(shù)的置信區(qū)間與線性相關(guān) 的顯著性檢驗(yàn),相關(guān)系數(shù)的顯著性檢
4、驗(yàn),預(yù)測(cè)與監(jiān)控,的解決方法。本文利用小樣本情形的統(tǒng)計(jì)量法解決離散型的 0-1分布、二項(xiàng)分布以及連續(xù) 型的指數(shù)分布參數(shù)的置信區(qū)間與線性相關(guān)的顯著性檢驗(yàn),相關(guān)系數(shù)的顯著性檢 驗(yàn),對(duì)于泊松分布的參數(shù)的置信區(qū)間與線性相關(guān)的顯著性檢驗(yàn),相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)則采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析。 對(duì)于均勻分布,利用兩個(gè)參數(shù)的最大似然估計(jì) 求出聯(lián)合概率密度進(jìn)行求解。關(guān)鍵詞:方差分析;置信區(qū)間;線性相關(guān);預(yù)測(cè)與監(jiān)控1設(shè)計(jì)目的 42設(shè)計(jì)問(wèn)題 43 設(shè)計(jì)原理 43.1 模型回歸系數(shù)的估計(jì) 53.2 回歸方程顯著性檢驗(yàn) 63.3 回歸系數(shù)的置信區(qū)間 73.4 利用模型預(yù)測(cè) 74 方法實(shí)現(xiàn) 84.1 輸入數(shù)據(jù),觀察線性關(guān)系 84.
5、2 作回歸分析與檢驗(yàn) 84.3殘差分析 94.4 點(diǎn)預(yù)測(cè)及作圖 104.5 對(duì)含碳量X=0.15%進(jìn)行預(yù)測(cè) 114.6 下面用Excel “分析工具庫(kù)”提供的“回歸”工具,找出線性回歸方程,并檢驗(yàn)其顯著性 115.設(shè)計(jì)總結(jié) 15參考文獻(xiàn)15致謝161設(shè)計(jì)目的了解一元回歸方程,回歸系數(shù)的檢驗(yàn)方法及應(yīng)用一元回歸方程進(jìn)行預(yù)測(cè)的方 法;學(xué)會(huì)應(yīng)用MATLAB件進(jìn)行一元回歸實(shí)驗(yàn)的分析方法。同時(shí)更好的了解概率 論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的知識(shí),熟練掌握概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)在實(shí)際問(wèn)題上的應(yīng)用,并將所學(xué)的知識(shí)結(jié)合Excel對(duì)數(shù)據(jù)的處理解決實(shí)際問(wèn)題。本設(shè)計(jì)是利用一元線性回歸理 論對(duì)合金鋼的抗拉強(qiáng)度與鋼中的碳含量的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型,
6、并用Excel分析工具庫(kù)中的回歸分析軟件進(jìn)行解算。2設(shè)計(jì)問(wèn)題某種合金鋼的抗拉強(qiáng)度丫(N/mm2)與鋼中含碳量X( %)有關(guān),測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)如下:龍yiyi0.054080.134560.074170.144510.084190.164890.094280.185000.104020.205500.114360.225580.124480.246601.檢驗(yàn)合金鋼的抗拉強(qiáng)度 Y(N/mm2)與鋼中含碳量X(%)之間是否存在顯 著的線性相關(guān)關(guān)系;如果存在,求 丫關(guān)于X的線性回歸方程。2.設(shè)含碳量X=0.15%,求抗拉強(qiáng)度丫的置信水平為0.95的預(yù)測(cè)區(qū)間3設(shè)計(jì)原理在實(shí)際問(wèn)題中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)變量之間
7、的相關(guān)關(guān)系不是線性的(即直線型),而是非線性的(即曲線型)。設(shè)其中有兩個(gè)變量x與y,我們可以用一個(gè) 確定函數(shù)關(guān)系式: y 二 u(x)大致的描述y與x之間的相關(guān)關(guān)系,函數(shù)u(x)稱(chēng)為y關(guān)于x的回歸函數(shù), 方程y二u(x)成為y關(guān)于x的回歸方程。一元線性回歸處理的是兩個(gè)變量 x與y之間的線性關(guān)系,可以設(shè)想 y的 值由兩部分構(gòu)成:一部分由自變量 x的線性影響所致,表示 x的線性函數(shù) a bx ;另一部分則由眾多其他因素,包括隨機(jī)因素的影響所致,這一部 分可以視為隨機(jī)誤差項(xiàng),記為;??傻靡辉€性回歸模型:y 二 a bx(i)式中,自變量x是可以控制的隨機(jī)變量,成為回歸變量;固定的未知參數(shù)a,b成為
8、回歸系數(shù);y稱(chēng)為響應(yīng)變量或因變量。由于;是隨機(jī)誤差,根據(jù)中心極限2 2定理,通常假定; N(0,二),-是未知參數(shù)。確定y與x之間的關(guān)系前,可根據(jù)專(zhuān)業(yè)知識(shí)或散點(diǎn)圖,選擇適當(dāng)?shù)那€回 歸方程,而這些方程往往可以化為線性方程或者就是線性方程, 因此我們可以用 線性方程:y = a bx大致描述變量y與x之間的關(guān)系;3.1 模型回歸系數(shù)的估計(jì)為了估計(jì)回歸系數(shù),假定試驗(yàn)得到兩個(gè)變量x 與y 的n個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)(Xi,yi )i =1,2,3n,我們將這n對(duì)觀測(cè)值代入式(1),得:yi 二 a bXi n,i 二 1,2,3, n這里;1, ;2,,;n互獨(dú)立的隨機(jī)變量,均服從正態(tài)分布,即;N(0, ;2),
9、 i 二 1,2,3, n回歸系數(shù)估計(jì)的方法有多種,其中使用最廣泛的是最小二乘法,即要求選 取的a,b,的值使得述隨機(jī)誤差&的平方和達(dá)到最小,即求使得函數(shù)2-a - bXj取得最小值的a,b o由于Qa, b是a,b的二元函數(shù),利用微積分中的函數(shù)存在極值的必要 條件,分別對(duì)Qa, b求a,b偏導(dǎo)數(shù),并令其為o,構(gòu)成二元一次方程組:nZ (yi - a - bXi) = 0,i =0i =0Z (yi - a - bXi )Xi = 0,i =1化簡(jiǎn)后得到如下正規(guī)方程組:na (、Xi )b 八 yi,i Ji Jna(-i 二n2Xi )a(7 Xi )i 二解方程組得到總體參數(shù)a,
10、b估計(jì)量:a> = 1 7 y. W丄' Xin y | nXin、 Xi 一(、 Xi )這里,x.和yi(i =1,2 n)均已有的觀測(cè)數(shù)據(jù)。由此得到回歸方程:y? = a bX帶入觀測(cè)x.,得到值yi稱(chēng)為回歸預(yù)測(cè)值。方程的直線稱(chēng)為回歸直線。3.2 回歸方程顯著性檢驗(yàn)建立一元線性回歸方程當(dāng)且僅當(dāng)變量之間存在線性相關(guān)關(guān)系時(shí)才是有意義 的,因此必須對(duì)變量之間的線性相關(guān)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn),即對(duì)建立的回歸模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。我們首先引入幾個(gè)概念:n(1) SSr二' (yi -y)2,稱(chēng)為SSr總偏差平方和,它表示觀測(cè)值 y總的i分散程度;n(2) SSf.二、(W -y)2,
11、稱(chēng)SSr為回歸平方和,它是由回歸變量 X的變i 7化引起的,放映了回歸變量X對(duì)變量y線性關(guān)系的密切程度;n(3) SS.=瓦(yi -y?)2,稱(chēng)sSe為殘差(剩余)平方和,它是由觀測(cè)誤i 7差等其他因素起誤差,它的值越小說(shuō)明回歸方程與原數(shù)據(jù)擬合越好。可以證明下列關(guān)系成立SS T = SS R SS Enn2'、(yi - y) = (y?i Ai Jn-y)2+z 5 - y?)2i我們主要考慮回歸平方和在總偏差和中所占的比重,記r2 = SS(0<=R<=1),稱(chēng)R為復(fù)相關(guān)系數(shù),用R的大小來(lái)評(píng)價(jià)模型的有效性,R越大,則反映回歸變 量與相應(yīng)變量之間的線性函數(shù)關(guān)系越密切。引
12、入F統(tǒng)計(jì)量。定義FSSE(n - 2),可知 FF( 1, n-2).對(duì)于給定的顯著水平a( 一般這里取0.05或0.01),查表可得臨界值Fa( 1,n-2)如果F> F .( 1,n-2),則認(rèn)為y與x之間的線性關(guān)系顯著;如果 F<二F:(1,n-2),則認(rèn)為y與x之間的線性關(guān)系不顯著,或者不存在線性關(guān)系,在實(shí)際 應(yīng)用中也可以通過(guò)F對(duì)應(yīng)的概率Pu來(lái)說(shuō)明y與x之間的線性相關(guān)性顯著。3.3 回歸系數(shù)的置信區(qū)間AA回歸方程(1)的回歸系統(tǒng)a, b是一個(gè)點(diǎn)估計(jì)值,給定置信水平1- 后,可 得到他們對(duì)應(yīng)的置信區(qū)間,并且回歸區(qū)間越短越好,如果摸個(gè)回歸系數(shù)的置信區(qū) 間包含0點(diǎn),則說(shuō)明該回歸變
13、量的影響不顯著, 需要進(jìn)一步地修改回歸方程,盡量是每個(gè)回歸系數(shù)的置信區(qū)間都不包含 0點(diǎn)。3.4 利用模型預(yù)測(cè)在對(duì)所建立的回歸模型進(jìn)行相關(guān)程度檢驗(yàn)與分析之后,如果預(yù)測(cè)變量y與相關(guān)變量x的每一個(gè)給定值x0,帶入回歸模型,就可以求得一個(gè)相對(duì)應(yīng)的回歸預(yù)AA測(cè)值y。,y稱(chēng)為模型的點(diǎn)估計(jì)值。4方法實(shí)現(xiàn)4.1輸入數(shù)據(jù),觀察線性關(guān)系在命令窗口輸入:y=408 417 419 428 420 436 448 456 451 489 500 550 558 600x=0.05 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24plot(
14、x,y, '*')生成圖(1),可以看出x和y大體成線性關(guān)系6006606405205004804604404204000 040.060.090.10.120 140.1S0.180.20 220 24圖(1)散點(diǎn)圖(橫軸:X縱軸:Y)4.2作回歸分析與檢驗(yàn)在命令窗口輸入:n=len gth(y);x=on es( n,1),x'b,bi nt,r,ri nt,s=regress(y',x);b,bi nt,s輸出:b =1.0e+003 *0.33281.0165bint =1.0e+003 *0.30950.35610.85681.1761s =0.941
15、3192.47450.0000234.8459這個(gè)結(jié)果可整理成如表(1)的形式。表(1) MATLAB回歸分析結(jié)果表回歸系數(shù)回歸系數(shù)估計(jì)值回歸系數(shù)置信區(qū)間B 0332.8309.5,356.1B 11.01650.8568,1.1761r2 0.9413 F=192.4745 p<234.8459一元回歸方程為:y =332.8 1.0165x從幾個(gè)方面都可以檢驗(yàn)?zāi)P褪怯行У?,所以X與Y的相關(guān)性顯著。4.3殘差分析殘差及其置信區(qū)間作圖代碼輸入:rcoplot(r,ri nt)結(jié)果如圖(2)所示:Residual Case Order Plot4e8101214Case Number504
16、030.M1OO10常-fflnp麗g理圖(2)殘差圖(橫軸:鋼中含碳量縱軸:殘差分析值)所謂殘差是指實(shí)際觀察值與回歸估計(jì)值的差,殘差分析就是通過(guò)殘差所提供的信息,分析出數(shù)據(jù)的可靠性、周期性或其它干擾。從殘差圖可以看出,數(shù)據(jù)的殘差離零點(diǎn)較近,且殘差的置信區(qū)間均包含零點(diǎn),這說(shuō)明回歸模型y =332.8 1.0165x能很好的符合原始數(shù)據(jù)4.4 點(diǎn)預(yù)測(cè)及作圖在命令窗口輸入:Z=b+b(2)*xplot(x,y, 'k+',x,Z,'r')輸出:如圖(3)圖(3)點(diǎn)預(yù)測(cè)4.5 對(duì)含碳量X=0.15%進(jìn)行預(yù)測(cè)在命令窗口輸入:y=408 417 419 428 420 4
17、36 448 456 451 489 500 550 558 600; x=0.05 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24;polytool(x,y,1,0.05)輸出:如圖(4)650GOOV VEdues5004003000 24a j 45CloseX Values0.060.D8D.12D.14D.160 180.2圖(4)散點(diǎn)圖及擬合曲線如圖所示,紅線表示為數(shù)據(jù)離合區(qū)間,藍(lán)色“ +”表示為數(shù)據(jù)散點(diǎn)分布,綠色表 示為擬合曲線。在含碳量 X=0.15%,抗拉強(qiáng)度丫的置信水平為0.95的預(yù)測(cè)區(qū)間 5
18、14.763,445.5662。4.6 下面用Excel “分析工具庫(kù)”提供的“回歸”工具,找出線性 回歸方程,并檢驗(yàn)其顯著性具體步驟如下:1在【數(shù)據(jù)】菜單中選中【數(shù)據(jù)分析】,則會(huì)彈出【數(shù)據(jù)分析】對(duì)話框,然 后“分析工具”中選擇“回歸”選項(xiàng),如圖(5)所示。單擊【確定】后,則彈 出【回歸】對(duì)話框,如圖(6)所示。2填寫(xiě)【回歸】對(duì)話框。如圖(6)所示,該對(duì)話框的內(nèi)容較多,可以根據(jù) 需要,選擇相關(guān)項(xiàng)目。在“ X值輸入?yún)^(qū)域”內(nèi)輸入隊(duì)因變量數(shù)據(jù)區(qū)域的引用,該 區(qū)域必須有單列數(shù)據(jù)組成,如本題中組分 B;在“ 丫只輸入?yún)^(qū)域”輸入對(duì)自變量數(shù)據(jù)區(qū)域的引用,如本題中組分 A。“標(biāo)志”:如果輸入?yún)^(qū)域的第一行中包含
19、標(biāo) 志項(xiàng),則選中此復(fù)選框,本題中的輸入?yún)^(qū)域包含標(biāo)志項(xiàng); 如果在輸入?yún)^(qū)域中沒(méi)有 標(biāo)志項(xiàng),則應(yīng)清楚此復(fù)選框,Excel將在輸出表中生成合適的數(shù)據(jù)標(biāo)志。"置信度”: 如果需要在匯總輸出表中包含附件的置信度信息,則選中此復(fù)選框,然后在右側(cè)的編輯框中,輸入所要使用的置信度。Excel默認(rèn)的置信度為95%,相當(dāng)于顯著性水平 a=0.05?!俺?shù)為 零”:如果要強(qiáng)制回歸線通過(guò)原點(diǎn),則選中此復(fù)選框。“輸出選項(xiàng)”:選擇“輸 出區(qū)域”,在此輸出對(duì)輸出表左上角單元格的引用。3>“殘差”:如果需要以殘差輸出表形式查看殘差,貝誕中此復(fù)選框?!皹?biāo)準(zhǔn)殘差”:如果需要在殘差輸出表中包含標(biāo)準(zhǔn)殘差, 則選中此復(fù)選
20、框?!皻埐顖D” 如果需要生成一張圖表,繪制每個(gè)自變量及其殘差,則選中此復(fù)選框。“線性擬合圖”:如果需要為預(yù)測(cè)值和觀察值生成和觀測(cè)值生車(chē)一個(gè)圖表,則選中此復(fù) 選框。“正態(tài)概率圖”:如果需要繪制正態(tài)概率圖,則選中此復(fù)選框。圖(5) Excel數(shù)據(jù)分析工具圖(6)回歸分析工具界面回歸分析工具運(yùn)行結(jié)果:表(2)SUMMARY OUTPUT回歸統(tǒng)計(jì)Multiple0. 944845R Square0. 892733Adjusted0. 882981標(biāo)準(zhǔn)誤差0. 018729觀測(cè)值13表(2)中“Multiple R”是線性回歸的系數(shù)“R Square"是擬合系數(shù)“AdjustedR Squar
21、e"調(diào)整后的擬合系數(shù)。表(3)方差分析方差分析回歸分析df1SS0.032111MSQ32111F91.54752ni ficanc1.15E-065 F殘差110. 0038580.000351總計(jì)120, 035969表(4)回歸分析結(jié)果Coef fi cien-標(biāo)準(zhǔn)誤差t StatP-valueLovei- 95%Updei-限 9王 0止限 95. 0%Intercept -0. 202820.036363-5. 577550. 000166-0. 28285-0.12278-0.28285-0. 1227S40S CL 0007187. 51E-059.5680471. 1
22、5E-060. 0005530. 0008840.0005530. 0008B4RESIDUALOUTPUT觀測(cè)值預(yù)測(cè)0. 05殘差標(biāo)準(zhǔn)磯差10. 096726-0. 02673-1.4904720. 09S163-0. 01816-1. 012930. 104627-0. 01463-0. 8157640. 0988810.0011190. 0624145CL 110374CL 000377 0208660.1189940.0010060. 05610270. 1247<tl0, 0052590. 29330880. 1211490.0188511.05129790.1484450.0
23、115550. 644383100.1563470. 0236531.3190961161922630. 0077370. 431458120.198010. 021991.22635213CL 271279-0. 03128-1.74442表(5)回歸分析結(jié)果殘差與標(biāo)準(zhǔn)殘差408 Residual Plot0.05K °-100200300斗歡 300600 .700-0.05 -40&圖(7)用Excel處理數(shù)據(jù)得出的殘差分布圖系列1預(yù)測(cè)0.05圖(8)用Excel處理數(shù)據(jù)得出線性擬合圖根據(jù)運(yùn)行結(jié)果分析:由表3所知,若保留四位有效數(shù)字,該回歸方程的截距是332.8,斜率為
24、1.0165,所以回歸方程的表達(dá)式為:y= 332.8 1.0165x ;根據(jù)回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果,知 決定系數(shù)x=0.9409,即相關(guān)系數(shù)r=0.970,說(shuō)明自變量與因變量之間有較高的相 關(guān)性;根據(jù)方差分析的結(jié)果,F(xiàn)=91.5475,有效的F<0.01,所以建立的回歸方程 非常顯著。在表五中,除了列出了回歸系數(shù),還有標(biāo)準(zhǔn)誤差等項(xiàng)目。其中“標(biāo)準(zhǔn)誤差”表示的事對(duì)應(yīng)回歸系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差,其中偏回歸系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差?!皌 Stat ”就是t檢驗(yàn)時(shí)的統(tǒng)計(jì)量t ;如果多元線性回歸,則可直接根據(jù)“ t Stat ”的大小, 判斷因素的主次順序?!癙-value ”表示t檢驗(yàn)偏回歸系數(shù)不顯著的概率,如果 P-value<0.01,則可認(rèn)為該系數(shù)對(duì)應(yīng)的變量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響非常顯著,如果 0.01< P-value <0.05,則可認(rèn)為該系數(shù)對(duì)應(yīng)的變量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著;對(duì)于常 數(shù)項(xiàng),P-value則表示常數(shù)項(xiàng)為零的幾率。5.設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)對(duì)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的這道實(shí)際問(wèn)題的解決,不僅使我更加深刻的理解了概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí),而且使我對(duì)這些知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用產(chǎn)生了濃 厚
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