114 年 國立中央大學企業管理學系碩士班丙組《統計學》
第 1 題2 分
Which of the following statements concerning outlier detection is false?
(A) The box plot method uses the quartiles as a basis for detecting outliers.
(B) The z-score method is better at detecting outliers than the box plot method since it is less affected by the extreme observation in the data set.
(C) The z-score method uses the mean and standard deviation as a basis for detecting outliers.
(D) The box plot method is better at detecting outliers than the z-score method since it is less affected by the extreme observation in the data set.
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核心觀念
盒鬚圖以四分位數為基礎,常用以下界限判定離群值:
其中 。四分位數與四分位距反映資料中間部分,通常較不受極端值影響。
z 分數法則以平均數和標準差衡量觀測值距離中心的程度:
平均數與標準差容易受極端值影響,因此 z 分數法也會受到極端觀測值影響。
解題方法
圖中題目詢問離群值偵測方法的錯誤敘述;四個選項比較盒鬚圖與 z 分數法的統計基礎,以及兩者受極端值影響的程度。判斷關鍵是:盒鬚圖使用四分位數,z 分數法使用平均數與標準差;
第 2 題2 分
Investing is a game of chance. Suppose there is a 30% chance that a risky stock investment will end up in a total loss of your investment. Because the rewards are so high, you decide to invest in four independent risky stocks.
Find the probability that at least one of your investments becomes a total loss.
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
每檔股票以 的機率全部損失投資,以 的機率不會全部損失。四檔投資彼此獨立,因此可將各檔股票的機率相乘。
題目要求「至少一檔全部損失」,直接計算不便;改算其互補事件「四檔都沒有全部損失」,再用 減去該事件的機率:
解題方法
單檔股票沒有全部損失的機率為:
因四檔投資彼此獨立,四檔都沒有全部損失的機率為:
因此,至少一檔全部損失的機率為:
選項分析
第 3 題2 分
The number of traffic accidents that occur on a particular stretch of road during a month follows a Poisson distribution with a mean of 1.
Find the probability of observing exactly 3 accidents on this stretch of road in the next two months. (Note: )
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
若一段道路每月事故數服從卜瓦松分配,且每月平均事故數為 ,則在兩個月內的平均事故數為
因此,接下來兩個月的事故總數 服從平均數為 的卜瓦松分配。卜瓦松機率質量函數為
解題方法
題目要求兩個月內「恰好」發生 起事故,因此令 、,代入卜瓦松公式:
利用題目給定的 :
選項分析
第 4 題2 分
The amount of time it takes to take an exam has a skewed left distribution with a mean of 65 minutes and a standard deviation of 4 minutes.
If 64 students were randomly sampled, find the probability that the sample mean of the sampled students exceeds 66 minutes.
(A)
(B)
(C)
(D) Approximately
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核心觀念
本題考「樣本平均數的抽樣分配」與中央極限定理。母體平均數為 、標準差為 ,樣本數為 時,樣本平均數 的平均數與標準誤分別為
母體分配雖然左偏,但樣本數 足夠大,可由中央極限定理將 的抽樣分配近似為常態分配。
解題方法
已知 分鐘、 分鐘、。先計算樣本平均數的標準誤:
將 標準化為 分數:
因此,
第 5 題2 分
Suppose a 95% confidence interval for turns out to be . Give a definition of what it means to be “95% confident” in an inference.
(A) In repeated sampling, the population parameter would fall in the given interval 95% of the time.
(B) 95% of the observations in the entire population fall in the given interval.
(C) In repeated sampling, 95% of the intervals constructed would contain the population parameter .
(D) 95% of the observations in the sample fall in the given interval.
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核心觀念
本題考查信賴區間的頻率學派解釋。母體參數 是固定但未知的數值;抽樣結果會改變,因此依不同樣本算出的信賴區間也會改變。
「95% 信賴」指的是:若在相同條件下反覆抽樣,並每次都用同一方法建立信賴區間,長期而言約有 的區間會涵蓋固定的母體參數 。
解題方法
題目給出的區間是 ,但判斷「95% 信賴」的定義時,重點不在區間端點,而在重複抽樣下,建立區間的方法有多常涵蓋真實參數。
設每次抽樣所建立的區間為 ,則 95% 信賴水準表示:
此處的機率描述的是抽樣與區間建構方法在重複進行時的涵蓋比例,而不是固定參數 本身在已算出的區間內隨機變動。
選項分析
第 6 題2 分
A university dean is interested in determining the proportion of students who receive some sort of financial aid. Rather than examine the records for all students, the dean randomly selects 200 students and finds that 118 of them are receiving financial aid.
If the dean wanted to estimate the proportion of all students receiving financial aid to within 3% with 95% reliability, how many students would need to be sampled?
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
本題考查母體比例的樣本數估計。在信賴水準固定、允許誤差固定時,估計母體比例所需的樣本數為
其中, 是先導樣本得到的比例估計值, 是允許誤差, 是標準常態分配的臨界值。題目給定 95% 信賴水準與 3% 誤差,因此 、。
解題方法
先由抽出的 200 位學生計算接受助學金的樣本比例:
代入樣本數公式:
樣本數必須取整數,且需確保誤差不超過 3%,因此一律向上取整:
此數字代表所需的總樣本數;題目所給的 200 人是用來估計比例的先導樣本。
選項分析
第 7 題2 分
Suppose we wish to test vs. .
Which of the following possible sample results gives more evidence to suppose (i.e., reject )?
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
本題考左尾單一母平均數檢定:
樣本平均數愈低於 ,且相對於樣本標準差的差距愈大,資料就愈支持 。若母體標準差未知,檢定統計量為
其中 為樣本數。左尾檢定中, 值愈小(愈負),反對 的證據愈強。
解題方法
題目未提供樣本數,因此依選項比較時採用各選項樣本數相同的假設。在 相同的情況下, 值的共同因子 不影響排序,只需比較
各選項的比較值如下:
- (A):
- (B):
- (C):
- (D):
第 8 題2 分
Suppose the population is normal and the variance is unknown. If I test vs. and my test statistic is for , then my -value for this test will be:
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
母體為常態、母體變異數未知,檢定母體平均數時應使用單一樣本 檢定。其檢定統計量服從自由度為 的 分配。
本題為雙尾檢定,,因此 值是觀察到的檢定統計量在兩側尾端的機率總和。
解題方法
樣本數 ,故自由度為
觀察到的檢定統計量為 。由於 分配對稱,雙尾 值為
因此 值落在 與 之間,選 (C)。
選項分析
第 9 題2 分
The standard error of the mean for a sample of 100 is 30. In order to cut the standard error of the mean to 15, we would
(A) increase the sample size to 200.
(B) increase the sample size to 400.
(C) decrease the sample size to 50.
(D) decrease the sample size to 25.
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核心觀念
樣本平均數的標準誤(standard error of the mean, SEM)為
其中 是母體標準差, 是樣本數。在母體標準差不變時,標準誤與樣本數平方根成反比;若要將標準誤縮小為原來的一半,樣本數必須增加為原來的四倍。
解題方法
題目給定樣本數 時,標準誤為 ;目標標準誤為 。比較兩種情況:
代入數值:
兩邊平方後:
第 10 題2 分
The probability distribution shown below describes a population of measurements.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
x&0&2&4\\ \hline P(X=x)&\frac{1}{3}&\frac{1}{3}&\frac{1}{3} \end{array}$$ Suppose that we took repeated random samples of $n=2$ observations from the population described above. Which of the following would represent the sampling distribution of the sample mean? (A) $\begin{array}{c|ccccc}\bar{x}&0&1&2&3&4\\\hline P(\bar{X}=\bar{x})&\frac{1}{9}&\frac{2}{9}&\frac{3}{9}&\frac{2}{9}&\frac{1}{9}\end{array}$ (B) $\begin{array}{c|ccccc}\bar{x}&0&1&2&3&4\\\hline P(\bar{X}=\bar{x})&\frac{1}{5}&\frac{1}{5}&\frac{1}{5}&\frac{1}{5}&\frac{1}{5}\end{array}$ (C) $\begin{array}{c|ccccc}\bar{x}&0&1&2&3&4\\\hline P(\bar{X}=\bar{x})&\frac{2}{9}&\frac{2}{9}&\frac{1}{9}&\frac{2}{9}&\frac{2}{9}\end{array}$ (D) $\begin{array}{c|ccc}\bar{x}&0&2&4\\\hline P(\bar{X}=\bar{x})&\frac{1}{3}&\frac{1}{3}&\frac{1}{3}\end{array}$登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
抽樣分配是指:從母體反覆抽取大小為 的樣本,計算每個樣本平均數可能出現的機率。本題母體中 只能取 ,且各自的機率都是 ;兩次抽樣視為獨立,因此每一組有順序的抽樣結果,機率都是 。
解題方法
原卷圖中的母體分配為 ,各自的機率為 ;樣本數為 ,要判斷樣本平均數 的抽樣分配。
列出兩次抽樣的 種等機率結果,計算每組的平均數:
平均數 分別出現 次,因此:
第 11 題2 分
In a controlled laboratory environment, a random sample of 10 adults and a random sample of 10 children were tested by a psychologist to determine the room temperature that each person finds most comfortable. The data are summarized below:
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
&\text{Sample mean}&\text{Sample variance}\\ \hline \text{Adults}&25.5^\circ\mathrm{C}&1.39\\ \text{Children}&23.5^\circ\mathrm{C}&0.77 \end{array}$$ Find the standard error of the estimate for the difference in mean comfortable room temperatures between adults and children. (A) $1.08$ (B) $1.0392$ (C) $0.216$ (D) $0.4648$登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
兩組獨立隨機樣本的樣本平均數之差,其標準誤衡量「成人平均舒適室溫與兒童平均舒適室溫之差」的抽樣變動。兩組樣本數均為 ,樣本變異數分別為 與 。標準誤公式為
解題方法
依原卷圖,成人與兒童各抽取 人,樣本變異數分別為 、。將這些數值代入兩組平均數差的標準誤公式:
第 12 題2 分
Given vs. , and , what conclusion would you draw at the level of significance?
(A) Accept
(B) Fail to reject
(C) Reject
(D) Not sufficient information to decide
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核心觀念
值是在虛無假設 成立時,觀察到目前樣本結果或更極端結果的機率。檢定時,將 值與顯著水準 比較:
- 若 ,則拒絕 。
- 若 ,則不拒絕 。
「不拒絕 」表示證據不足以支持拒絕虛無假設,不代表已證明 正確。
解題方法
本題的顯著水準為 ,且 。比較兩者:
因此, 值未達拒絕 的標準,結論為不拒絕虛無假設。
選項分析
第 13 題2 分
The time between landings of airplanes at the Taoyuan airport follows an exponential distribution with a mean of 30 seconds.
Find the probability that there will be between a 15 second and a 45 second gap between landings at the Taoyuan airport. (Note: )
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
設 為兩架飛機降落之間的時間間隔。題目指出 服從指數分配,平均數為 秒。若指數分配的平均數為 ,其率參數為 ,因此:
指數分配的累積分配函數為:
題目要求時間間隔介於 秒與 秒之間的機率,也就是 。
解題方法
利用累積分配函數相減,計算區間機率:
依題目提供的 :
因此:
第 14 題2 分
Assume that is a random sample collected from a population with mean and variance .
Consider three point estimators of :
Which of the following statements is correct?
(A) , and are all unbiased.
(B) , and are all biased.
(C) is more efficient.
(D) is more efficient.
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核心觀念
估計量 若滿足 ,稱為 的不偏估計量。不偏估計量之間比較效率時,變異數較小者效率較高。
由於 是從同一母體抽取的隨機樣本,三個觀察值彼此獨立,且各自滿足
解題方法
先逐一計算三個估計量的期望,判斷是否不偏;再比較它們的變異數,判斷效率。
估計量 :
因此 不偏。
估計量 :
因此 不偏。利用樣本觀察值彼此獨立,線性組合的變異數為各項變異數乘上係數平方後加總:
估計量 :
因此 不偏。其變異數為
第 15 題2 分
Which of the following is an appropriate null hypothesis?
(A) The sample mean is not larger than 10.
(B) The sample mean is larger than 10.
(C) The population mean is larger than 10.
(D) The population mean is not larger than 10.
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核心觀念
假設檢定的假設要描述母體參數,而不是樣本統計量。樣本平均數 是由樣本資料計算出的統計量,用來推論母體平均數 。
虛無假設 通常包含等號,將「沒有足夠證據推翻」的主張放在 ;若要檢定母體平均數是否大於 10,假設可寫為:
實際計算檢定統計量時,通常以邊界值 作為虛無假設下的基準。
解題方法
先確認各選項描述的是母體參數還是樣本統計量,再檢查虛無假設是否包含等號。符合「母體平均數不大於 10」且含有等號的敘述,就是適當的虛無假設。
選項分析
- (A) The sample mean is not larger than 10. 描述的是樣本平均數 ,不是母體平均數 ,因此不適合作為假設檢定的母體假設。
第 16 題2 分
For a given sample size , if the level of significance is increased, the power of the test
(A) will decrease.
(B) will increase.
(C) will remain the same.
(D) cannot be determined.
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核心觀念
檢定力(power)是在對立假設為真時,正確拒絕虛無假設的機率:
其中 是第二類錯誤的機率。
顯著水準 是在 為真時,錯誤拒絕 的機率上限。對樣本數及其他檢定條件固定的標準檢定而言,提高 會放寬拒絕 的門檻,使拒絕域擴大,因此在 為真時,落入拒絕域的機率通常會增加。
解題方法
固定 與檢定方法,將顯著水準由 提高到 ,其中 。較高的顯著水準對應較大的拒絕域:
因此,在對立假設為真時:
第 17 題2 分
The test for the equality of two population variances is based on
(A) the difference between the two sample variances.
(B) the difference between the two population variances.
(C) the ratio of the two sample variances.
(D) the difference between the sample variances divided by the difference between the sample means.
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核心觀念
檢定兩個母體變異數是否相等,會比較兩個樣本變異數的比值。在兩母體皆為常態分配且樣本相互獨立的條件下,若虛無假設為
則檢定統計量可寫為
在虛無假設成立時, 服從自由度為 的 分配,其中 是兩組樣本數。因此,檢定的依據是兩個樣本變異數的比值。
解題方法
題目詢問「檢定兩個母體變異數相等的檢定,是根據什麼?」依據 檢定的定義,先以兩組樣本變異數估計母體變異數,再將兩個樣本變異數相除,形成檢定統計量:
第 18 題2 分
Which of the following components in an ANOVA table are not additive?
(A) Sum of squares
(B) Degrees of freedom
(C) Mean squares
(D) It is not possible to tell.
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核心觀念
ANOVA(變異數分析)表利用平方和與自由度分解資料的總變異。平方和與自由度可依來源分解後相加;均方則是平方和除以自由度的比值,通常不具可加性。
解題方法
原卷第 5 頁第 18 題詢問 ANOVA 表中哪個成分「不可加總」,選項依序為平方和、自由度、均方,以及無法判斷。判斷關鍵是比較各成分的分解關係與定義。
以單因子 ANOVA 為例:
可見平方和與自由度都能加總。均方的定義則是:
第 19 題2 分
The principal focus of the control chart is the attempt to separate special or assignable causes of variation from common causes of variation.
What cause of variation can be reduced only by changing the system?
(A) Common causes
(B) Special or assignable causes
(C) Total causes
(D) None of the above.
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核心觀念
管制圖用來區分製程變異的兩種來源:
- 共同原因:變異來自製程系統本身,持續存在於日常運作中。要降低這類變異,必須改善或改變整個系統。
- 特殊原因/可歸屬原因:由特定、非日常的因素造成;找出原因後,可針對該因素採取措施。
解題方法
原卷第 19 題問:「哪一種變異原因只能透過改變系統來降低?」選項依序是共同原因、特殊或可歸屬原因、總原因、以上皆非。題幹也指出管制圖的重點是區分特殊原因與共同原因。
依變異來源判斷:共同原因是系統本身所造成,要降低它就須改善系統;特殊原因則可在辨識出具體原因後,直接處理該原因。因此答案是共同原因。
選項分析
第 20 題2 分
In performing a regression analysis involving two numerical variables, we are assuming
(A) the variances of and are equal.
(B) that and are independent.
(C) the expected value of for each value is the same.
(D) the variation around the line of regression is the same for each value.
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核心觀念
本題考查簡單線性迴歸的基本假設,重點是「迴歸線周圍的誤差變異是否固定」。
簡單線性迴歸模型可寫為:
其中, 是 對應的平均反應值, 是觀測值偏離迴歸線的誤差。等變異假設要求:對不同的 值,誤差的變異數相同,即
這表示各個 值下, 在迴歸線周圍的散布程度大致相同。
解題方法
直接對照選項與迴歸模型的假設。題目問的是進行迴歸分析時所假設的條件;其中,迴歸分析的重要假設之一,是在不同 值下,反應值相對於迴歸線的變異程度相同。因此,描述「迴歸線周圍變異在各個 值下相同」的選項符合等變異假設。
選項分析
第 1 題8 分
Let , , and be uncorrelated random variables with variances , , and , respectively. Let
(1) Find . (4 pts)
(2) Find . (4 pts)
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核心觀念
本題考「不相關隨機變數的線性組合」之共變異數與相關係數。
共變異數具有雙線性:
此外,。題目中的 、、 兩兩不相關,因此它們彼此的共變異數皆為 。
解題方法
(1)求
將 與 代入共變異數定義的線性展開式:
兩個線性組合共同包含 ,所以共變異數只留下 的變異數;其餘交叉共變異數皆因不相關而為 。
(2)求
相關係數的定義為:
第 2 題18 分
The average time a professional baseball player used to take to run from home base to first base was 3.79 seconds. Last year, he underwent repair surgery due to a knee injury while baserunning. Although he has now fully recovered, the coach suspects that the professional baseball player's baserunning speed is not up to the past level and wants to conduct a hypothesis test.
(1) Please state the null hypothesis and alternative hypothesis. (3 pts)
(2) After setting the significance level to , the coach decides to conduct 4 baserunning tests from home base to first base. What test statistic should he choose? Please also describe the conditions of use and sampling distribution. (6 pts)
(3) Please describe the rejection region. (3 pts)
(4) The baserunning times are recorded as , , and . What is the value of the test statistic? (3 pts)
(5) What is the conclusion about this test? (3 pts)
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核心觀念
這題要檢定手術後的平均跑壘時間是否增加。跑壘時間越長代表速度越慢,因此教練的懷疑應寫成母體平均時間大於過去的 秒。
樣本數只有 ,且母體標準差未知,故使用單一母體平均數的 檢定。若各次測量互相獨立,且跑壘時間母體為常態分配,則檢定統計量在虛無假設邊界 下服從自由度為 的 分配。
解題方法與答案
(1) 虛無假設與對立假設
令 表示手術後的母體平均跑壘時間。因檢定方向是確認時間是否增加:
計算檢定統計量時,虛無假設以其邊界值 作為基準。
(2) 檢定統計量、使用條件與抽樣分配
母體標準差未知,以樣本標準差 估計,使用單一樣本 統計量:
其中, 是樣本平均數, 是樣本標準差,,。
使用條件為:
- 各次跑壘測量為隨機且彼此獨立。
- 母體跑壘時間為常態分配;由於樣本數很小,常態假設尤其重要。
- 母體標準差未知,故以樣本標準差估計。
在 的邊界 下,檢定統計量服從自由度 的 分配:
(3) 拒絕域
第 3 題24 分
A model relating a person's wage () to observed education () and other unobserved factors () is specified as
where is measured in dollars per hour and is years of education.
(1) Please state the population regression function. (3 pts)
(2) The following table contains the years of education and wages per hour for 8 labors. Please estimate the relationship between and using OLS. (4 pts)
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
\text{labor}&1&2&3&4&5&6&7&8\\ \hline wage&16&20&20&18&22&24&30&26\\ educ&12&12&14&14&16&16&18&18 \end{array}$$ (3) Please complete the following ANOVA table. (4 pts) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】 Source | DF | SS | MS | $F$ | $\Pr>F$ Model | (a) ____ | (d) ____ | (f) ____ | (h) ____ | $0.002599$ Error | (b) ____ | $28.4$ | (g) ____ | | Corrected Total | (c) ____ | (e) ____ | | | (4) Find the coefficient of determination, $R^2$. (3 pts) (5) Please test the utility of the model, i.e., to test $H_0:\beta_1=0$ vs. $H_1:\beta_1\ne0$. (a) Describe the model assumptions needed. (4 pts) (b) What test statistic should be chosen? Please also describe the sampling distribution. (3 pts) (c) What is the value of test statistic? (3 pts)登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考簡單線性迴歸的母體迴歸函數、最小平方法估計、變異數分析表,以及迴歸係數的顯著性檢定。
樣本迴歸線的斜率與截距為
變異數分析中,總平方和分解為 ;檢定單一斜率是否為零,可使用 檢定,且其統計量平方等於迴歸的 統計量。
解題方法
依原卷表格,8 位勞工的教育年數為 ,每小時工資為 ;原卷另給誤差平方和 ,並列出模型檢定的 值 。
(1) 母體迴歸函數
母體迴歸函數是給定教育年數時,工資的條件期望:
其中 為母體截距, 表示教育年數每增加一年,母體平均每小時工資的變化量。
(2) 以最小平方法估計迴歸線
令 、。由資料可得
計算離均差平方和與交叉乘積和:
因此斜率估計值為
截距估計值為
估計的工資與教育年數關係為
斜率表示教育年數每增加一年,估計的平均每小時工資增加 $1.70。代回資料驗算,預測值在教育年數 時分別為 ;各觀測值殘差平方和為 ,與原卷給定的 一致。
(3) 完成變異數分析表
模型自由度為 ;誤差自由度為 ;修正總自由度為 。由平方和分解,
因此
均方與 統計量為