115 年 國立成功大學企業管理研究所乙組《統計學》
第 Q1 題
The Motor Vehicles Office (MMO) wanted to understand some basic information about people taking the driver's license test. Therefore, the MMO collected some personal information variables, as well as their written and road test scores. The collecting variables are as follows:
Gender (1=male/2=female); Location (1=northern/2=central/ 3=southern/ eastern); Height (in cm); Weight (in Kg); Student or not (0=Not/ 1=Yes); Written Test Score (1100 points); Road Test Score (1100 points).
How many nominal variables and how many rational variables are there in total?
(A) 5 nominal variables and 2 rational variables;
(B) 4 nominal variables and 3 rational variables;
(C) 3 nominal variables and 4 rational variables;
(D) 2 nominal variables and 5 rational variables;
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本題在於辨識變數的種類,並區分名目尺度 (nominal) 與無理尺度 (rational)。
首先,我們來分析題目中列出的各個變數:
- Gender: 1=male/2=female。這是分類變數,屬於名目尺度。
- Location: 1=northern/2=central/ 3=southern/ eastern。這是分類變數,屬於名目尺度。
- Height: in cm。這是連續變數,具有實際的數值大小和順序,屬於無理尺度。
- Weight: in Kg。這是連續變數,具有實際的數值大小和順序,屬於無理尺度。
- Student or not: 0=Not/ 1=Yes。這是二元分類變數,屬於名目尺度。
- Written Test Score: 1~100 points。
第 Q2 題
Department of Business Administration of H University has two classes, A and B, with 30 and 20 students, respectively. The following table is statistics of the midterm exam scores of two classes.
| Class | n | Average | Standard Deviation | Mode |
|---|---|---|---|---|
| A | 30 | 75 | 8 | 60 |
| B | 20 | 80 | 6 | 62 |
What are the overall "average score" and "variance" of these 50 students?
(A) average=77 and variance =51.84
(B) average=77 and variance =58.80
(C) average=77 and variance =52.80
(D) average=77.5 and variance = 52.80
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核心觀念
本題考查兩個班級合併後的:
- 加權平均數
- 合併資料的變異數
合併變異數不能只將兩班的變異數依人數加權,還必須考慮兩班平均數彼此不同所造成的「組間變異」。
合併平均數公式為:
合併變異數可由總離均差平方和計算:
其中:
本題的標準差視為各班資料的描述性標準差,因此變異數分母採總人數 。
解題方法
第一步:計算全體平均數
因此,50 位學生的整體平均分數為:
第二步:計算組內離均差平方和
A 班的變異數為:
B 班的變異數為:
因此組內離均差平方和為:
第三步:計算組間離均差平方和
全體平均數為 ,因此:
第四步:計算總變異數
總離均差平方和為:
第 Q3 題
Continuation of Q2. If the coefficients of variation (CV) for the two classes are CVA and CVB, and Pearson's first coefficient of skewness are ska and skB, which of the following statements is correct?
(A) CVA = 85.33%, CVB = 45%
(B) CVA = 7.5%, CVB = 10.66%
(C) SKA = -1.875, skB = -3.0, both are left skewness
(D) SKA = 1.875, skB = 3.0, both are right skewness
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核心觀念
- 變異係數 ,用來比較不同平均數資料的相對離散程度。
- Pearson 第一偏態係數 :大於 0 為右偏,小於 0 為左偏。
使用 Q2 的資料
| 班級 | 平均數 | 標準差 | 眾數 | |
|---|---|---|---|---|
| A | 30 | 75 | 8 | 60 |
| B | 20 | 80 | 6 | 62 |
計算
第 Q4 題
Based on data from past flu test strips, the following information was obtained:
Pr(Test positive | Flu) = 0.95; Pr(Test negative | No Flu) = 0.9.
Moreover, it is known that the flu prevalence rate is approximately 0.2 in year 2025. If a flu test indicates that a patient tests positive for flu, what is the probability that he/she in fact has flu?
(A) 0.19
(B) 0.01
(C) 0.27
(D) 0.73
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核心觀念
本題考查貝氏定理,目標是由「檢測結果為陽性」反推「實際感染流感」的機率:
已知:
由補事件可得:
且未感染者的偽陽性率為:
解題方法
依全機率定理,檢測呈陽性的機率為:
因此,檢測結果呈陽性時,實際感染流感的機率為:
第 Q5 題
The following table shows the probability of consumers purchasing flash drives of various memory capacities (X, in GB) according to former selling records from a 3C product store.
| X (GB) | p(x) |
|---|---|
| 2 | 0.1 |
| 4 | 0.2 |
| 8 | 0.5 |
| 16 | 0.2 |
The expect value of X and variance of X are:
(A) E(X) = 8.2; Var(X) = 19.56;
(B) E(X) = 7.5; Var(X) = 86.80
(C) E(X) = 7.5; Var(X) = 19.56;
(D) E(X) = 8.2; Var(X) = 4.42
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本題考驗離散型隨機變數的期望值 (Expected Value) 和變異數 (Variance) 的計算。
第一部分:計算期望值 E(X)
期望值 E(X) 的計算公式為:
其中 是隨機變數的可能取值,而 是對應的機率。
將題目給的數據代入:
計算結果:E(X) = 8.2。
這表示選項 (A) 和 (D) 的期望值是正確的。
第二部分:計算變異數 Var(X)
變異數 Var(X) 的計算公式為:
首先,我們需要計算 。
第 Q6 題
The joint pmf for X and Y is shown as following table:
| p(x, y) | Y=5 | Y=10 | Y=50 |
|---|---|---|---|
| X=1 | 0.30 | 0.05 | 0 |
| X=5 | 0.15 | 0.20 | 0.05 |
| X=10 | 0.10 | 0.10 | 0.05 |
(A) μx = 5.33, μy = 21.67;
(C) μx = 4.85, μy = 21.67;
(B) μx = 4.85, μy = 11.25;
(D) μx = 5.33, μy = 11.25
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本題考驗聯合機率質量函數 (Joint Probability Mass Function, PMF) 的應用,計算邊際期望值 (Marginal Expected Values)。
首先,我們需要計算 X 的邊際機率質量函數 (Marginal PMF of X),以及 Y 的邊際機率質量函數 (Marginal PMF of Y)。
計算 X 的邊際機率質量函數 (Marginal PMF of X)
將 X 的每一列機率加總:
檢查總機率:。
計算 X 的期望值 (μx)
第 Q7 題
Continuation of Q6. What is the covariance of X and Y? Are X and Y independent?
(A) COV(X, Y) = 68.2500, X and Y are independent;
(B) COV(X, Y) = 68.2500, X and Y are not independent;
(C) COV(X, Y) = 13.6875, X and Y are independent;
(D) COV(X, Y) = 13.6875, X and Y are not independent.
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本題延續 Q6,要求計算隨機變數 X 和 Y 的共變異數 (Covariance),並判斷 X 和 Y 是否獨立。
我們從 Q6 已經計算出 X 和 Y 的邊際期望值:
μx = E(X) = 4.85
μy = E(Y) = 11.25
第一部分:判斷 X 和 Y 是否獨立
若 X 和 Y 獨立,則其聯合機率質量函數 (joint PMF) 應等於其邊際機率質量函數 (marginal PMFs) 的乘積,即 對於所有的 x 和 y。
我們來驗證幾個組合:
由於 ,所以 X 和 Y 不是獨立的。
因此,我們可以排除選項 (A) 和 (C),因為它們聲稱 X 和 Y 是獨立的。
剩下的選項是 (B) 和 (D)。
第二部分:計算共變異數 Cov(X, Y)
共變異數的計算公式為:
首先,我們需要計算 。
利用聯合機率表:
第 Q8 題
Suppose X is a random variable of a binomial distribution. Given E(X) = 0.8 and Var(X) = 0.64, what is the
binomial distribution of X (sample size (n); probability (p))? Furthermore, if Y→ B (3,0.3), let Z = X + Y, find
P(Z ≥ 1) = ? Assume X and Y are independent...
(A) X→ B(4, 0.2); P(Z ≥ 1)=0.1405;
(B) X→ B(3,0.7); P(Z ≥ 1)=0.8595;
(C) X→ B(4, 0.2); P(Z ≥ 1)=0.8595;
(D) X→ B(3,0.3); P(Z ≥ 1)=0.1405;
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本題包含兩大部分:
- 根據二項分佈的期望值和變異數,找出其參數 n 和 p。
- 計算兩個獨立二項分佈隨機變數之和的機率。
第一部分:找出二項分佈 X 的參數 n 和 p
對於一個二項分佈 ,其期望值和變異數的公式為:
根據題目給的資訊:
(式 1)
(式 2)
將式 1 代入式 2:
將 代回式 1:
所以,二項分佈 X 的參數是 和 。
即 。
目前,選項 (A) 和 (C) 符合這個條件。
第二部分:計算 P(Z ≥ 1)
已知:
- X 和 Y 獨立
由於 X 和 Y 是獨立的二項分佈隨機變數,它們的和 Z 也是一個二項分佈隨機變數。
若 且 ,且 X 和 Y 獨立,則 僅當 時成立。
在本題中, 且 ,所以 不是一個單純的二項分佈。
因此,我們不能直接將 n 相加。我們需要計算 Z 的機率分佈。
Z 的取值範圍是:
X 的取值範圍是 {0, 1, 2, 3, 4}
Y 的取值範圍是 {0, 1, 2, 3}
Z 的最小取值是 ,最大取值是 。
第 Q9 題
The number of traffic accidents at a certain intersection over the past 8 weeks is 3, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 0. If the weekly probability of traffic accidents at this intersection follows a Poisson distribution, what is the probability that the intersection will have more than two (including two) traffic accidents next week? What is the probability that there will be no traffic accidents for two consecutive weeks?
(A) ;
(B) ;
(C) ;
(D) ;
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本題考驗對卜瓦松分佈 (Poisson Distribution) 的理解與應用。卜瓦松分佈常用來描述在固定時間或空間內,隨機獨立事件發生的次數。
首先,題目給了過去 8 週的交通事故次數:3, 3, 2, 1, 2, 3, 2, 0。
我們需要估計卜瓦松分佈的參數 (平均每週交通事故次數)。
第一部分:估計參數
是過去 8 週交通事故總數除以週數。
總交通事故次數 = 3 + 3 + 2 + 1 + 2 + 3 + 2 + 0 = 16 次。
週數 = 8 週。
所以,我們估計每週平均交通事故次數 。
第二部分:計算「下週至少有兩次(包含兩次)交通事故」的機率
設 X 為下週發生的交通事故次數。X 服從卜瓦松分佈,。
我們要求計算 。
計算 的最簡單方法是計算其補集:
卜瓦松分佈的機率質量函數 (PMF) 為:
其中 是事件發生的次數,。
將 代入:
第 Q10 題
The output voltage of a power supply is normally distributed with mean 5 V and standard deviation 0.02 V. If the lower and upper specifications for voltage are 4.95 V and 5.05 V, respectively, what is the probability that a power supply selected at random will conform to the specifications on voltage? [See the Appendix I.]
(A) 0.9938
(B) 0.9876
(C) 0.0062
(D) 0.0124
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本題考驗常態分佈 (Normal Distribution) 下的機率計算,特別是計算落在指定區間內的機率。
題目給的資訊:
- 電壓 X 服從常態分佈,其平均數 V。
- 標準差 V。
- 規格下限 (Lower Specification Limit, LSL) = 4.95 V。
- 規格上限 (Upper Specification Limit, USL) = 5.05 V。
我們要求計算隨機選取的電源供應器電壓符合規格的機率,即 。
為了計算這個機率,我們需要將 X 轉換為標準常態分佈 Z 的值。標準常態分佈的平均數為 0,標準差為 1。
轉換公式為:
計算規格下限對應的 Z 值 ():
計算規格上限對應的 Z 值 ():
第 Q11 題
Continuation of Q10. Suppose we wanted to improve the process. How much would the process variability need to be reduced in order to have all but one out of 1000 units conform to the specifications?
(A) σ = 0.018;
(B) σ = 0.015
(C) σ = 0.010
(D) σ = 0.005
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本題延續 Q10,考驗如何透過降低製程變異數 (標準差 ) 來提高產品符合規格的機率。
Q10 的資訊:
- 平均數 V。
- 規格範圍:[4.95 V, 5.05 V]。
- 我們希望「所有單位中,只有一個不符合規格」,這意味著 999 個單位符合規格。
- 因此,符合規格的機率為 。
我們需要找到新的標準差 ,使得 ,其中 。
將規格範圍轉換為標準常態分佈 Z 的值:
我們希望 。
由於常態分佈是對稱的,我們可以寫成:
第 Q12 題
If X is uniformly distributed over (0, 15), then the
(A)
(B)
(C)
(D)
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本題考驗均勻分佈 (Uniform Distribution) 的機率計算,以及不等式的代數處理。
題目給的資訊:
- X 服從 (0, 15) 上的連續均勻分佈。
- 其機率密度函數 (PDF) 為 ,對於 ,否則為 0。
- 我們要求計算 。
首先,我們需要處理不等式 。
將所有項移到一邊,得到一個二次不等式:
為了找出滿足此不等式的 X 值範圍,我們需要先找到二次方程式 的根。
我們可以分解因式:
所以,根是 和 。
這個二次函數 是一個開口向上的拋物線。
不等式 表示函數值大於 0 的區域,也就是拋物線在 X 軸上方的位置。
這發生在 或 的範圍內。
現在,我們需要結合 X 的分佈範圍 (0, 15) 來確定滿足條件的 X 的範圍。
- 且 。這部分的範圍是 。
- 且 。這部分的範圍是 。
因此,滿足不等式 的 X 的範圍是 。
第 Q13 題
The following tables are the ANOVA Table and coefficients Table for a simple linear regression. In this regression model, Y represents Satisfaction, and X represents Product Quality. From these two tables, what are the values of R² (coefficient of determination) of this regression model and r (correlation coefficient) of X and Y?
(A) R² = 23.651%, r = 0.415;
(B) R² = 76.349%, r = 0.415;
(C) R² = 23.651%, r = 0.486;
(D) R² = 76.349%, r = 0.598;
ANOVA Table
| Source | Sum of Squares | df | Mean Square | F | P-value |
|---|---|---|---|---|---|
| Regression | 33.260 | 1 | 33.260 | 30.358 | 0.000 |
| Residual | 107.367 | 98 | 1.096 | ||
| Total | 140.628 | 99 | |||
| Dependent Variable: Y (Satisfaction); Predictors: (Constant), X (Product Quality) |
Coefficients Table
| B | Std. Error | Beta | t | P-value | |
|---|---|---|---|---|---|
| (Constant) | 3.676 | 0.598 | 6.151 | 0.000 | |
| X | 0.415 | 0.486 | 5.510 | 0.000 |
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核心觀念
本題考查簡單線性迴歸中的:
- 判定係數 的計算。
- 相關係數 與標準化迴歸係數 Beta 的關係。
- 迴歸係數 、標準化係數 Beta、標準誤之間的區別。
在 ANOVA 表中:
- Regression Sum of Squares 為迴歸平方和
- Residual Sum of Squares 為殘差平方和
- Total Sum of Squares 為總平方和
判定係數定義為:
在「簡單線性迴歸」且只有一個自變數時,標準化迴歸係數 Beta 等於 與 的相關係數:
此外,。
解題方法
一、計算判定係數
由 ANOVA 表可得:
因此:
換算成百分比:
這表示 Product Quality 可以解釋 Satisfaction 總變異的約 。
殘差所占比例為:
但這是未被模型解釋的比例,不是 。
二、判斷相關係數
Coefficients Table 中, 的資料如下:
- :未標準化迴歸係數
- Beta :標準化迴歸係數
在簡單線性迴歸中:
也可利用 驗算:
由於 的迴歸係數 ,表示正向關係,因此取正根:
選項分析
第 Q14 題
Continuation of Q13, what is the value of Blank A in Coefficients Table?
(A) 0.075
(B) 0.088
(C) 0.107
(D) 0.895
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核心觀念
迴歸係數表中,各欄的關係是
使用 Q13 的 Coefficients Table
| B | Std. Error | Beta | t | P-value | |
|---|---|---|---|---|---|
| (Constant) | 3.676 | 0.598 | 6.151 | 0.000 | |
| X | 0.415 | Blank A | 0.486 | 5.510 | 0.000 |
Blank A 是 X 這一列的標準誤:
第 Q15 題
Let be a random sample from the population which is following Uniform [0, 50]. Which of the following can be considered the maximum likelihood estimator of ?
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
本題考查「最大概似估計量」(Maximum Likelihood Estimator, MLE)。
題目將母體寫成固定的 ,但未明確定義 。依照選項與標準題型,合理解讀為:
其中 是均勻分配的上限,欲估計 。
對於 ,其機率密度函數為
解題方法:建立概似函數
令樣本最大值為
由於樣本獨立,概似函數為
因此可寫成
要使概似函數大於 ,必須滿足
在此條件下,
因為 隨著 增加而遞減,所以要使概似函數最大,應選擇符合 的最小值:
因此最大概似估計量為樣本最大值。
選項分析
(A):錯誤
均勻分配 的上限必須至少涵蓋所有觀察值,因此必須有
樣本最小值通常小於樣本最大值,所以 可能小於 ,此時概似函數直接為 ,不可能是最大概似估計量。
第 Q16 題
Let and be independent. If and both follow , what the distribution should be of ?
(A) t(2)
(B)
(C) F(1, 2)
(D)
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本題考驗標準常態分佈 (Standard Normal Distribution) 和卡方分佈 (Chi-squared Distribution) 的性質。
題目給的資訊:
- 和 是獨立的。
我們要求計算 的分佈。
首先,我們定義一個新的隨機變數 。
由於 和 是獨立的常態分佈隨機變數,它們的和 Y 也服從常態分佈。
Y 的平均數是:
Y 的變異數是:
(因為 獨立)
所以,。
現在,我們考慮 。
我們可以將 Y 標準化。定義 。
。
第 Part B: Calculation 題20 分
Notice: Please show the details and answer in order.
Students in a class argued with their teacher, believing the grades were too low. However, the teacher felt the grades were within a reasonable range. Finally, the department chairman proposed the following rule: A sample of average grades from this teacher's past courses would be taken. If the average grade was lower than the department's overall student average of 75, then the teacher would be asked to adjust the grade by adding points. Therefore, the department sampled 64 of this teacher's past courses, with an average of 77 and a standard deviation of 8. Please answer the following questions based on the above description:
(a) [2 points] List the null hypothesis (Ho) and alternative hypothesis (H1).
(b) [b-1; 3 points] If we consider n=64 as a large sample, what is the test statistic for part (a)?
[b-2; 2 points] Please conduct the test of hypothesis at level of significance = 0.05 by the test statistic and show your conclusion?
(c) [c-1; 3 points] What is the corresponding (1-a)% confidence interval?
[c-2; 2 points] Please conduct the test of hypothesis with the confidence interval, and what is your conclusion?
(d) [d-1; 2 points] What is the p-value for this test?
[d-2; 2 points] Based on the p-value, what is your conclusion?
(e) [4 points] Suppose that the actual mean score of all students in the department is 78, what is the value of Type II Error?
Please see the Appendix I.
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核心觀念
本題考查單一母體平均數的假設檢定,且樣本數 足夠大,因此可使用大樣本 檢定。
已知:
樣本平均數的標準誤為:
部門的規則是:若教師過去課程的平均成績低於全系平均 分,才要求教師加分。因此檢定重點是判斷母體平均成績是否「低於」,屬於左尾檢定。
(a) 虛無假設與對立假設
令 表示該教師過去所有課程學生的母體平均成績。
實際進行檢定時,虛無假設通常以邊界值表示為:
因此本題為左尾單尾檢定。
(b) 以檢定統計量進行檢定
(b-1) 檢定統計量
由於 為大樣本,使用大樣本 統計量:
代入資料:
所以檢定統計量為:
(b-2) 在 下進行檢定
左尾檢定的臨界值為:
拒絕域為:
本題:
因此不落在拒絕域內,不能拒絕虛無假設。
結論: 在顯著水準 下,沒有充分證據認為該教師的平均成績低於全系平均 分,因此不應依此規則要求教師加分。
(c) 信賴區間法
(c-1) 信賴區間
當 時,信賴水準為:
因此為 信賴區間。大樣本下使用 :
代入資料:
所以:
計算上下限:
故 信賴區間為:
(c-2) 以信賴區間進行檢定
欲檢定的基準值為 。
所得 信賴區間為:
因為 不在此信賴區間內,且整個區間都高於 ,表示樣本資料傾向支持:
不過本題的對立假設是:
因此資料並不支持「平均成績低於 」的主張。
結論: 不拒絕 ,不要求教師加分。
注意:以雙尾 信賴區間判斷本題左尾檢定時, 落在區間下方,代表結果更傾向於平均數高於 ,而非低於 。
(d) -value 法
(d-1) -value
本題為左尾檢定,且觀察到:
因此:
由標準常態分配表:
所以:
(d-2) 依據 -value 作結論
比較: