108 年 國立成功大學自然災害減災及管理國際碩士學位學程《統計學》
第 1 題20 分
A random experiment has a sample space . These outcomes are not equally-likely; their probabilities are: , , , . Let Event , Event , and Event . is the complement of event . Determine the following probabilities:
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
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核心觀念
樣本空間中的各結果互斥,因此事件的機率等於其所含結果機率的總和。補事件與聯集則分別使用:
聯集公式要扣除交集,是因為交集中的結果在 裡被計算了兩次。
解題方法與逐項計算
已知 、、、。
(a) 求
,將事件內各結果的機率相加:
(b) 求
:
(c) 求
樣本空間為 ,而 ,所以 。因此:
也可用補事件公式驗算:。
第 2 題20 分
For the case of the thin copper wire, suppose that the number of flaws follows a Poisson distribution (the probability density function is ) with a mean of 2.3 flaws per mm.
(a) Find the probability of exactly 2 flaws in 1 mm of wire.
(b) Determine the probability of 10 flaws in 5 mm of wire.
(c) Determine the probability of at least 1 flaw in 2 mm of wire.
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核心觀念
單位長度的缺陷數服從卜瓦松分配。若每毫米平均有 個缺陷,長度為 毫米的電線,其缺陷數 的平均數為
因此,長度為 毫米的電線上恰有 個缺陷的機率為
這裡的 是離散的計數變數,因此公式給的是機率質量函數。
解題方法
(a) 1 毫米內恰有 2 個缺陷
此時平均數為 。代入卜瓦松公式:
所以,1 毫米電線內恰有 2 個缺陷的機率約為 。
(b) 5 毫米內恰有 10 個缺陷
缺陷平均數隨電線長度成比例增加,因此 。代入公式:
第 3 題20 分
Suppose that the current measurements in a strip of wire are assumed to follow a Normal distribution with and mA.
(a) What is the probability that the current measurement is between 9 and 11 mA?
(b) Determine the value for which the probability that a current measurement is below 0.98.
[Hint: Assume is a standard normal random variable. ; ; ; ]
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本題考驗對常態分佈 (Normal Distribution) 的基本應用,包含機率計算、反向求解、以及標準常態分佈的轉換。
核心觀念:
- 常態分佈:機率密度函數為對稱的鐘形曲線,由平均值 和標準差 決定。
- 標準化 (Standardization):將任意常態分佈變數 轉換為標準常態分佈變數 的過程,公式為 。
- 機率計算:利用標準常態分佈的累積分佈函數 (CDF),即 ,來計算機率。
- 反向求解:已知機率值,反向找出對應的 值,再轉換回原始變數 的值。
解題步驟:
已知電流測量 服從常態分佈 。
(a) 計算電流測量介於 9 mA 和 11 mA 之間的機率,即 。
首先,將 的值標準化為 值:
當 時,。
第 4 題20 分
Use the least-square method to derive the slope of a simple linear regression model is , where is the paired data. and are the mean values of and , and write the definition of coefficient of determination.
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核心觀念
本題考查簡單線性迴歸的最小平方法,以及決定係數的定義。最小平方法選擇截距 與斜率 ,使觀測值與迴歸預測值之間的殘差平方和最小:
解題方法:由最小平方法推導斜率
分別對 與 求偏導數,並令偏導數為零:
整理後得到兩個正規方程:
由第一式,利用 、,可得:
將此式代入第二個正規方程:
移項並整理 :
因此,斜率為:
第 5 題20 分
Use the Method of Moment to derive the parameters of Gamma distribution.
[Hint: PDF of Gamma distribution for . And the first and second moments of Gamma distribution are and respectively.]
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核心觀念
本題考查「動差法」(Method of Moments, MOM)。其基本想法是:
將樣本的前幾階樣本動差,分別設為母體對應階數的動差,再解出未知參數。
Gamma 分配的機率密度函數為
其中通常要求
本題未知參數有兩個:形狀參數 與率參數 ,因此需要使用前兩階動差。
題目已給出:
以及
解題方法
設 為來自此 Gamma 分配的隨機樣本。
第一階樣本動差為
第二階樣本動差為
依動差法,令樣本動差等於母體動差:
為簡化表示,令
因此方程組為
由第一式得
代入第二式:
整理得
因此
從而得到率參數的動差估計量:
再由 ,得到形狀參數的動差估計量:
將 展開後:
以及
以樣本變異數表示
由