108 年 國立臺灣大學財務金融研究所乙組《統計學(I)》
第 1 題
若一皮卡丘每日起床發電量為10千安培,之後隨著每小時增減1千安培,增加和減少機率相同。該皮卡丘早上七點起床,若中午十二點吃飯時的發電量為隨機變數 ,請問 和 的值。
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此題考驗對隨機變數期望值與變異數的計算。皮卡丘從早上七點到中午十二點,共經過 小時。假設每小時的發電量增減是獨立且服從相同分布的。
令 為第 小時的發電量變化量,其中 。
根據題意,每小時增加或減少 1 千安培的機率相同,即 且 。
則 。
。
第 2 題
承上題,請寫出 的機率分配。
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此題要求寫出隨機變數 的機率分配。 的值取決於五個獨立且同分布的隨機變數 的總和。
,其中 服從 和 。
令 為 中值為 1 的個數, 為 中值為 -1 的個數。
則 。
。
。
服從二項分配 ,因為我們獨立地進行了 5 次實驗(每小時),每次實驗有兩種結果(+1 或 -1),且成功的機率(增加 1)為 0.5。
,其中 。
當 時, 的值為 。
因此, 的機率分配為:
第 3 題
承上題,隨機抽樣 日,紀錄該皮卡丘中午十二點吃飯時的發電量,得到樣本平均數 。請根據柴比雪夫不等式 (Chebyshev's Inequality) 找出 機率值的下界 (lower bound)。
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核心觀念
- Chebyshev 不等式:對任意隨機變數 與常數 ,
- 樣本平均的變異數:若 為相互獨立且同分布 (i.i.d.) 的隨機變數,且
則樣本平均 的期望與變異數分別為
解題方法
- 先寫出 Chebyshev 不等式套用於 ,並將界限中的 取為題目要求的 :
- 代入 ,得到
- Chebyshev 給出的僅是上界,題目要求「機率值的下界」(lower bound)。
由於概率本身的範圍是 ,且上述不等式沒有提供任何正的下界,只能保證
第 4 題
根據神奇寶貝理論,正常兩歲皮卡丘每日發電量變化為隨機變數 ; 請問 , 請問 值為何?
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此題考驗對標準常態分配 (Standard Normal Distribution) 的了解,特別是其分位點 (quantile) 的概念。
標準常態分配的機率密度函數為 ,其期望值為 0,標準差為 1。
題目給定 ,並且 。這表示 是標準常態分配的右尾機率為 0.005 的值,亦即 是該分配的 分位點。
我們需要查找標準常態分配表或使用統計軟體來找到這個值。
通常,我們查找的是累積機率 。
第 5 題
承上題,若正常兩歲皮卡丘每日體重為隨機變數 (公斤),令 , 且 和 獨立, 和 獨立; 請問隨機變數 的變異數為何?
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核心觀念
本題考查:
- 變異數的線性組合公式
- 獨立隨機變數的共變異數為
- 共變異數的雙線性質
已知
且 分別與 、 獨立,因此
解題方法
由 ,先計算 與 的共變異數:
因為 與 獨立,所以 ,故
再計算 與 的共變異數:
因為 與 獨立,所以 ,故
因此
第 6 題
承上題,若 為常態分配, , 且 和 未知。隨機抽樣兩個樣本 和 , 定義 , 請寫出統計量 的分配, 並寫出該分配的期望值和變異數。
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此題考驗對卡方分配 (Chi-squared distribution) 的理解,以及樣本變異數的性質。
題目定義了統計量:。
其中 是從 的母體中抽取的兩個獨立樣本。
是這兩個樣本的平均數。
首先,我們需要確定統計量的分佈。
觀察分子中的 。
。
。
所以,。
。
因此,分子為:
。
統計量變為:。
現在,我們需要知道 的分佈。
令 。
。
(因為 獨立)。
。
因此, 是一個標準常態分配 。
令 。則 。
我們的統計量是 。
一個標準常態分配的平方服從自由度為 1 的卡方分配。
所以,。
然而,題目給的統計量是 。
我們之前計算得到 。
第 7 題
是非題,每題5分(共20分,須說明理由,如敘述錯誤請更正)
若隨機變數 和 為無相關,則 。
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此題考驗對「無相關」(uncorrelated) 與「獨立」(independent) 兩個概念的區別。
敘述:「若隨機變數 和 為無相關,則 。」
說明:
「無相關」是指 。
展開後,即 。
(因為 和 是常數,所以 )。
因此,。
這表示「無相關」這個條件,確實可以推導出 。
所以,這個敘述是正確的。
第 8 題
是非題,每題5分(共20分,須說明理由,如敘述錯誤請更正)
邦費羅尼校正 (Bonferroni correction), 或稱為邦費羅尼程序 (Bonferroni procedure) 是針對迴歸分析的事後結果做校正和檢定的一個統計方法。
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此題考驗對邦費羅尼校正 (Bonferroni correction) 的理解及其適用範圍。
邦費羅尼校正是用於多重比較 (multiple comparisons) 的一種方法,目的是在進行多次假設檢定時,控制整體第一類錯誤率 (family-wise error rate, FWER)。
當我們進行了 次獨立或相關的檢定時,若每次檢定的顯著水準為 ,則整體犯第一類錯誤的機率可能遠大於 。
邦費羅尼校正的做法是將原來的顯著水準 除以檢定次數 ,即設定每個單獨檢定的顯著水準為 。
這樣做可以確保整體第一類錯誤率不會超過 。
第 9 題
是非題,每題5分(共20分,須說明理由,如敘述錯誤請更正)
隨機抽取隨機樣本 , 隨機變數 屬於某一分配; 根據中央極限定理,樣本平均數在極限上一定逼近常態分配。
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此題考驗對中央極限定理 (Central Limit Theorem, CLT) 的理解。
中央極限定理是統計學中最基本的定理之一。其核心內容是:
如果從一個具有有限期望值 和有限變異數 的任何母體分佈中,獨立地抽取一個足夠大的隨機樣本 ,那麼樣本平均數 的抽樣分佈將近似於一個常態分配 。
隨著樣本大小 的增加,這個近似會變得越來越精確。
第 10 題
是非題,每題5分(共20分,須說明理由,如敘述錯誤請更正)
卡方檢定 (Chi-square test) 的檢定統計量遵循卡方分配。
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此題考驗對卡方檢定 (Chi-square test) 和卡方分配 (Chi-squared distribution) 的理解。
卡方檢定是一類統計檢定方法的總稱,用於分析類別數據。常見的卡方檢定包括:
- 適合度檢定 (Goodness-of-fit test):檢定觀察到的頻率分佈是否與理論上的預期頻率分佈一致。
- 獨立性檢定 (Test of independence):檢定兩個類別變數之間是否相互獨立。
- 同質性檢定 (Test of homogeneity):檢定不同群體之間對於某個類別變數的比例是否相同。
第 11 題
選擇及填充題,每題5分(共50分,本部分作答時請直接寫出題號及答案,不需要附上計算過程。)
小遙想要利用台灣上市公司的資料估計以下證券市場線 (security market line, SML):
(1)
其中 是公司的預期報酬, 代表 公司股價報酬受到大盤報酬影響的程度。假設 可以直接觀察到, 且 。但由於 無法直接觀察到, 因此小遙使用公司過去十年的平均報酬率 來替代 。假設 與 之間存在一衡量誤差 :
(2)
另假設 。令經由古典最小平方法 (ordinary least square, OLS) 得到的 和 的估計式分別為 和 ; 請問以下敘述何者正確? 注意答案可能不只一個。
(a) 為 的不偏及一致估計式
(b) 為 的不偏及一致估計式
(c) 的標準誤 (standard error) 將比沒有衡量誤差 () 時來得大的
(d) 的標準誤將比沒有衡量誤差時來得小
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核心觀念
本題考的是「應變數的衡量誤差」對 OLS 估計的影響,以及「零共變異數、不偏性、一致性」三者的差別。
依題目明列條件,四個選項都不是必然成立的敘述。要得到常見的「選 (a)、(b)、(c)」,必須另加零條件平均、衡量誤差與原誤差不相關等假設。
將衡量誤差寫成 ,由題意可得:
令合併誤差為 。題目給定:
但這只表示 與 沒有線性相關,並不表示:
這些未給定的條件,正是判斷各選項的關鍵。
解題方法
一、由 OLS 公式判斷斜率與截距
設樣本有 家公司,並令:
OLS 斜率可寫成:
有限樣本不偏性要求右側比值的期望為零。由於分母也會隨樣本變動,母體的 並不足以保證這件事。常用的充分條件是:給定整組解釋變數後,各誤差的條件平均均為零。
至於一致性,在獨立同分配、適當有限動差及 等通常條件下:
因此,題目的零共變異數條件可支持斜率的一致性,但不能直接推出有限樣本不偏性。
截距則滿足:
在上述通常條件下:
題目沒有給定誤差平均為零,因此截距未必收斂至 。
二、比較合併誤差的變異數
加入衡量誤差後:
因此,衡量誤差是否增加誤差變異數,取決於它與原誤差之間的共變異數,不能只看 。
在同方差、不同公司誤差互不相關,且條件平均為零的通常迴歸設定下,給定相同的 樣本:
所以斜率的理論標準誤如何變動,關鍵在於 如何變動。
選項分析
第 12 題
承第11題。假設 可以直接觀察到, 但在估計 時有衡量誤差 :
(3)
其中 代表 的估計值。另假設 。請問以下敘述何者正確? 注意答案可能不只一個。
(a) 為 的不偏及一致估計式
(b) 為 的不偏及一致估計式
(c) 的標準誤將比沒有衡量誤差 () 時來得大
(d) 的標準誤將比沒有衡量誤差時來得小
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此題考驗對計量經濟學中解釋變數 (自變數) 衡量誤差 (measurement error in explanatory variable) 的影響。
題目模型為 。
現在假設 可直接觀察,但 有衡量誤差 ,即 。
因此,實際估計的模型是 。
其中 。
我們有 (標準 SML 假設)。
題目給定 。
分析 OLS 估計量 的性質:
OLS 估計量的一致性要求 。
。
如果我們假設衡量誤差 與原始誤差項 無關,即 ,那麼
。
由於 (SML 的斜率) 通常為正,且 (因為有衡量誤差),所以 。
這意味著解釋變數 與新的誤差項 存在負相關。
因此,OLS 估計量 是有偏 (biased) 且不一致 (inconsistent) 的。
關於選項 (b) 為 的不偏及一致估計式:
由於 是不一致的,所以這個選項是錯誤的。
關於選項 (a) 為 的不偏及一致估計式:
由於 不一致, 通常也會不一致。所以這個選項也是錯誤的。
接下來分析標準誤 (選項 (c) 和 (d)):
當解釋變數存在衡量誤差時,OLS 估計量的變異數 (和標準誤) 會受到影響。
第 13 題
承第12題,但更改假設為 。換言之, 。 請問以下敘述何者正確? 注意答案可能不只一個。
(a) 為 的不偏及一致估計式
(b) 的機率極限 (probability limit, plim()) 將高於 , 因此可能高估母體 SML 的斜率
(c) 的機率極限將低於 , 因此可能低估母體 SML 的斜率
(d) 的標準誤將比沒有衡量誤差 () 時來得大。
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核心觀念
本題屬於 測量誤差 (errors‑in‑variables) 與 OLS 估計量的偏誤與一致性 的應用。
- 觀測模型:
其中 為資產 的期望報酬, 為市場投資組合報酬, 為真實的系統風險係數。 - 估計模型:因 只能由時間序列估計得到,寫成
其中 為測量誤差。 - 再以橫斷面回歸(SML)估計
其中 為資產 的樣本平均報酬。
若測量誤差 與真實斜率 無相關(),則
即著名的 衰減偏誤 (attenuation bias);截距 仍為不偏且一致。
本題把假設改為 (未指定符號),此時
因 ,且 (常假設),有
代入得
解題方法
- 先寫出 測量誤差模型 的 OLS 估計式,並以 概率極限 (plim) 方式展開。
- 由 可以直接判斷:
- 分子與分母都受到 的影響,偏誤的方向取決於 的正負。
- 截距 的 變為
第 14 題
承第13題,請寫出 的機率極限, 應為 及 的函數。
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此題要求寫出 OLS 估計量 的機率極限 (plim),作為 和 的函數。
這是第 13 題的延續,但第 13 題的假設是 。
模型為 ,但我們觀察到 。
估計模型為 ,其中 。
我們假設 ,。
第 13 題的假設是 。
OLS 估計量 的機率極限由以下公式給出:
我們需要計算分子和分母。
分母:
令 , , 。
則 。
分子:
第 15 題
小光想要利用 OLS 估計公司的營收與資產報酬率對於公司執行長 (CEO) 薪資的影響, 並得到以下結果:
其中 為 CEO 的薪資, 單位為千元。 為公司營收, 單位為百萬元。 為自然對數。 為資產報酬率, 計算方式為公司稅前息前盈餘 (單位: 新台幣元) 除以公司總資產帳面價值 (單位: 新台幣元)。 為樣本數。 為判定係數。請問以下對於迴歸結果的解讀何者正確? 注意答案可能不只一個。
(a) 公司營收增加 1% 時, CEO 的薪資將增加 21.7 萬元
(b) 公司營收每增加 1 千萬時, CEO 的薪資將增加 21.7%
(c) 公司 ROA 增加 1 個百分點時, CEO 薪資將增加 336.1 萬元
(d) 公司 ROA 增加 1 個百分點時, CEO 薪資將增加 3.361 萬元
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【核心觀念】
-
OLS 迴歸係數的解釋
- 迴歸式 中, 表示 自變數 增加 1 個單位,其他變數不變 時,因變數 會改變 個單位。
- 係數的單位必須與變數的量測單位相配合。
-
對數變數的增幅解釋
- 若自變數以自然對數形式加入:,則 增加 (即 乘以 )所帶來的 變化為
- ,即「1%」對數變化約為 。
- 若自變數以自然對數形式加入:,則 增加 (即 乘以 )所帶來的 變化為
-
ROA 的量測
- 為「稅前息前盈餘 / 總資產」的比例,常以 百分點(0.01)表示。迴歸式中的 為純數值(如 0.035 = 3.5%),所以係數 代表 每 增加 1 個完整單位(即 100%) 時,薪資變化 (千元)。
【解題方法】
-
確認各變數的量測單位
- :千元 (NTD)。
- :百萬元 (= 1,000,000 NTD)。
- :純比例(如 0.05 代表 5%)。
-
逐一檢驗選項
- (a)「公司營收增加 1% 時,CEO 的薪資將增加 21.7 萬元」
- 1% 增幅的對數變化 。
- (a)「公司營收增加 1% 時,CEO 的薪資將增加 21.7 萬元」
第 16 題
承15題,若 ROA 的係數的 t 統計量 (t-statistic) 為 6.39, 請寫下 ROA 的係數在 95% 水準下的信賴區間。由於在小光的樣本數下 t 分配已非常接近 z 分配, 請直接使用 z 分配的臨界值。請將答案四捨五入到整數。
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此題考驗對迴歸係數信賴區間的計算,以及 t 分配近似於 z 分配的應用。
迴歸模型為:。
我們關注 ROA 的係數 (在題目中為 )。
給定的 t 統計量為 。
樣本數 。
信賴水準為 95%。
由於 較大,t 分配近似於標準常態 (z) 分配。
信賴區間 (Confidence Interval, CI) 的計算公式為:
或
(當使用 z 分配近似時)
其中, 是係數的估計值, 是該估計量的標準誤。
t 統計量定義為:。
所以,。
我們有 (根據題目係數估計值)。
。
所以,。
。
第 17 題
是非題,每題5分(共20分,須說明理由,如敘述錯誤請更正)
承15題,請寫下聯合檢定 及 ROA 的係數皆為零的 F 統計量 (F-statistic) 值。
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此題考驗對 F 檢定 (F-test) 在多元迴歸中的應用,特別是聯合檢定 (joint test)。
在多元迴歸模型中,F 檢定用於檢定所有自變數的係數是否同時為零。
模型為:。
虛無假設 : 且 。
對立假設 :至少有一個係數不為零 ( 或 )。
F 統計量的計算公式為:
其中:
- 是受限模型 (restricted model) 的殘差平方和。
- 是無限制模型 (unrestricted model) 的殘差平方和。
- 是被檢定的約束條件的數量 (在此為 2,因為我們檢定 和 )。
- 是樣本數 (123)。
- 是無限制模型中自變數的數量 (在此為 2,即 和 ROA)。
無限制模型是完整的迴歸模型:。
其殘差平方和為 。
第 18 題
是非題,每題5分(共20分,須說明理由,如敘述錯誤請更正)
承15題,若小光將 CEO 薪資的衡量單位由新台幣改為美元 (假設 1 美元 = 30 新台幣), 請問以下敘述何者正確? 注意答案可能不只一個。
(a) ROA 的係數將縮小為原來的 1/30
(b) ROA 的 t 統計量 (t-statistic) 值將縮小為原來的 1/30
(c) 模型的殘差平方和 (sum of squared residuals) 將縮小為原來的 1/30
(d) 模型的均方根誤差 (root mean squared error, 或 standard error of the regression) 將縮小為原來的 1/30
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此題考驗變數單位變換對迴歸係數、t 統計量、殘差平方和及均方根誤差的影響。
原模型:。
。
將 CEO 薪資的單位由新台幣改為美元。
令 。
則 。
新的模型為:。
除以 30,得到:
。
令新的係數為 ,新的誤差項為 。
分析選項:
(a) ROA 的係數將縮小為原來的 1/30
- 原 ROA 係數為 。
- 新的 ROA 係數為 。
- 約等於 。
- 所以,ROA 的係數縮小為原來的 1/30。
- 選項 (a) 是正確的。
(b) ROA 的 t 統計量 (t-statistic) 值將縮小為原來的 1/30
- t 統計量定義為:。
第 19 題
是非題,每題5分(共20分,須說明理由,如敘述錯誤請更正)
承15題,小光考慮公司治理的效果後重新估計以下迴歸:
(5)
其中 為一公司治理指標, 其值為 0 至 6 之間的整數, 數值越大代表公司治理越差。小光預期當公司治理越好時, CEO 的固定薪資 (薪資結構中不受公司績效影響的部分) 應該越低, 但薪資結構中會隨著績效變動的部分 (例如分紅) 應該越高。基於以上的想法, 請問小光對於迴歸係數的預期應為何? 注意答案可能不只一個。
(a)
(b)
(c)
(d)
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核心觀念
本題考察「交互作用項」的係數解釋,以及公司治理指標 的方向判斷。
迴歸式為:
其中:
- 越大,代表公司治理越差。
- 因此,公司治理越好,代表 越小。
- CEO 薪資可分為:
- 固定薪資:不隨公司績效 ROA 改變的部分。
- 績效薪資:會隨 ROA 改變的部分。
解題方法
將迴歸式按照 ROA 整理:
因此:
1. 固定薪資部分
固定薪資對應到 ROA 的截距:
在銷售額固定下,治理指標對固定薪資的邊際影響為:
題目指出,公司治理越好時,CEO 的固定薪資越低。
由於治理越好代表 越小,所以 越大、治理越差時,固定薪資應越高。因此:
2. 績效薪資部分
薪資對 ROA 的邊際效果為:
這代表績效薪資的敏感度。
題目指出,公司治理越好時,薪資中隨績效變動的部分越高。治理越好時 越小,因此當 增加、治理變差時,ROA
第 20 題
是非題,每題5分(共20分,須說明理由,如敘述錯誤請更正)
承15題,假設母體迴歸式為:
(6)
其中 , , 但在中部與北部公司的 CEO 的殘差變異數 較在南部工作的 CEO 來得大。請問以下敘述何者正確? 注意答案可能不只一個。
(a) OLS 估計式仍為 的不偏估計式。
(b) OLS 估計式仍為 的一致估計式。
(c) 不再適合用來當作良好配適度的指標。
(d) 傳統 OLS 所使用的迴歸係數 t 統計量不再具有 t 分配。
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此題考驗對異質變異數 (heteroskedasticity) 問題的理解,以及它對 OLS 估計量性質的影響。
模型為:。
假設:
- :這是 OLS 估計量不偏和一致性的關鍵假設(誤差項條件期望為零)。
- , :解釋變數與誤差項無相關,這是 OLS 估計量一致性的關鍵假設。
- 在中部和北部公司較在南部公司大。這表示存在異質變異數。
即,誤差項的變異數不是常數,而是取決於解釋變數的值。
,且 在不同地區(中部/北部 vs 南部)有差異。
分析選項:
(a) OLS 估計式仍為 的不偏估計式。
- OLS 估計量的不偏性要求 。
- 題目給定了 。
- 異質變異數本身並不違反這個條件。
- 因此,OLS 估計量仍然是不偏的。
- 選項 (a) 是正確的。