113 年 國立臺灣大學財務金融研究所丙組《商用統計學》

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第 1 題

Piske and Usagi made a big fortune by selling Line stickers. They are planning to invest
the money in the stock market. They are now studying the property of a certain stock
X. They have collected data of monthly returns of X in the past 8 months (rxr_x) and the
corresponding market returns (rmr_m) as well as the risk-free rates (rfr_f).

Monthrxr_x (%)rmr_m (%)rfr_f (%)
110102
20102
310103
40103
5-10-43
6-20-43
7062
8662
  1. Piske is interested in the systematic risk of stock X and would like to estimate the
    following regression:
    rxt−rft=β0+β1(rmt−rft)+et(1)r_{xt} - r_{ft} = \beta_0 + \beta_1(r_{mt} - r_{ft}) + e_t \quad (1)
    Assume that et∼IID(0,σ2)e_t \sim IID(0, \sigma^2) and that E[et∣rmt,rft]=0E[e_t | r_{mt}, r_{ft}] = 0. Please help Piske estimate
    the ordinary least square (OLS) estimates β^0OLS\hat{\beta}_0^{OLS} and β^1OLS\hat{\beta}_1^{OLS}.
    a. β^0OLS=−0.058,β^1OLS=0.944\hat{\beta}_0^{OLS} = -0.058, \hat{\beta}_1^{OLS} = 0.944
    b. β^0OLS=−0.073,β^1OLS=0.944\hat{\beta}_0^{OLS} = -0.073, \hat{\beta}_1^{OLS} = 0.944
    c. β^0OLS=−0.058,β^1OLS=1.437\hat{\beta}_0^{OLS} = -0.058, \hat{\beta}_1^{OLS} = 1.437
    d. β^0OLS=−0.073,β^1OLS=1.437\hat{\beta}_0^{OLS} = -0.073, \hat{\beta}_1^{OLS} = 1.437
    e. β^0OLS=−0.084,β^1OLS=1.443\hat{\beta}_0^{OLS} = -0.084, \hat{\beta}_1^{OLS} = 1.443

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核心觀念
本題考查資本資產定價模型 (CAPM) 的簡單線性迴歸估計,重點在於

  1. 以超額報酬 rxt−rftr_{xt}-r_{ft} 為因變數、rmt−rftr_{mt}-r_{ft} 為自變數做 OLS 回歸。
  2. OLS 估計式:
β^1=∑t(xt−xˉ)(yt−yˉ)∑t(xt−xˉ)2,β^0=yˉ−β^1xˉ\hat\beta_1=\frac{\sum_{t}(x_t-\bar x)(y_t-\bar y)}{\sum_{t}(x_t-\bar x)^2},\qquad \hat\beta_0=\bar y-\hat\beta_1\bar x

其中 xt=rmt−rftx_t=r_{mt}-r_{ft},yt=rxt−rfty_t=r_{xt}-r_{ft}。
3. 需計算樣本均值、變異與共變,使用普通最小平方法 (OLS) 的閉式解。


解題方法

  1. 計算每期超額報酬
月rxr_xrmr_mrfr_fyt=rxt−rfty_t=r_{xt}-r_{ft}xt=rmt−rftx_t=r_{mt}-r_{ft}
11010210−2=810-2=810−2=810-2=8
201020−2=−20-2=-210−2=810-2=8
31010310−3=710-3=710−3=710-3=7
401030−3=−30-3=-310−3=710-3=7
5-10-43−10−3=−13-10-3=-13−4−3=−7-4-3=-7
6-20-43−20−3=−23-20-3=-23−4−3=−7-4-3=-7
70620−2=−20-2=-26−2=46-2=4
86626−2=46-2=46−2=46-2=4
  1. 求樣本均值
xˉ=18∑t=18xt=8+8+7+7−7−7+4+48=248=3.\bar x=\frac{1}{8}\sum_{t=1}^{8}x_t= \frac{8+8+7+7-7-7+4+4}{8} =\frac{24}{8}=3. yˉ=18∑t=18yt=8−2+7−3−13−23−2+48=−248=−3.\bar y=\frac{1}{8}\sum_{t=1}^{8}y_t= \frac{8-2+7-3-13-23-2+4}{8} =\frac{-24}{8}=-3.
  1. 計算共變與變異
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第 2 題

  1. Usagi learned from his investment class that there should be no intercept in a Cap-
    ital Asset Pricing Model. Thus, he plans to perform the following regression using
    the Ordinary Least Square (OLS) method:
    rzt−rft=β(rmt−rft)+et(2)r_{zt} - r_{ft} = \beta(r_{mt} - r_{ft}) + e_t \quad (2)
    Which of the following statement(s) is (are) correct?
    I. E[β^]≠E[et]E[\hat{\beta}] \neq E[e_t].
    II. ∑et=0\sum e_t = 0.
    III. ∑(rmt−rft)=0\sum (r_{mt} - r_{ft}) = 0.
    IV. Model (2) should yield a higher centered-R2R^2 than model (1).
    a. I
    b. I and II.
    c. I and III.
    d. I, II, and III.
    e. I, II, and IV.

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核心觀念

  • CAPM 與截距:資本資產定價模型的理論形式為
    E[rzt−rft]=β  E[rmt−rft],E[r_{zt}-r_{ft}]=\beta\;E[r_{mt}-r_{ft}],
    其中截距(α)在理論上應為 0。

  • OLS 無截距回歸:在樣本資料上以最小平方法(OLS)估計
    yt=βxt+et,yt:=rzt−rft,  xt:=rmt−rfty_t =\beta x_t + e_t,\qquad y_t:=r_{zt}-r_{ft},\;x_t:=r_{mt}-r_{ft}
    且 不設截距。

  • OLS 的基本性質(無截距)

    1. 正交條件:∑txtet=0\displaystyle \sum_{t}x_t e_t=0(殘差與解釋變數正交)。
    2. E[et]=0\displaystyle E[e_t]=0 為模型假設(誤差項零均值)。
    3. β^\displaystyle \hat\beta 為無偏估計量:E[β^]=βE[\hat\beta]=\beta(若模型正確且誤差同分佈)。
  • centered‑R2R^2:
    Rˉ2=1−∑(yt−y^t)2∑(yt−yˉ)2\bar R^2=1-\frac{\sum (y_t-\hat y_t)^2}{\sum (y_t-\bar y)^2}
    與是否加入截距無關;加入截距只是把 yˉ\bar y 從 0 移到樣本均值,Rˉ2 \bar R^2 只衡量 變異量的解釋程度。


解題方法
逐一檢視四個敘述的真偽:

  1. I. E[β^]≠E[et]E[\hat{\beta}] \neq E[e_t]

    • E[et]=0E[e_t]=0(誤差零均值)。
    • E[β^]=βE[\hat{\beta}]=\beta(無偏),除非 β=0\beta=0,否則 E[β^]≠0E[\hat{\beta}]\neq0。
    • 因此一般情形下 E[β^]≠E[et]E[\hat{\beta}] \neq E[e_t] 為 真。
  2. II. ∑et=0\displaystyle\sum e_t = 0

    • 無截距的 OLS 保證 ∑xtet=0\sum x_t e_t=0,但 不保證 ∑et=0\sum e_t=0。
    • 若 ∑xt=0\displaystyle\sum x_t =0 才會同時得到 ∑et=0\sum e_t=0,此條件在實務樣本中不一定成立。
    • 故此敘述 假。
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第 3 題

  1. Piske and Usagi are interested in assessing the goodness-of-fit of the Ordinary Least
    Squares (OLS) estimations for the two models above. Let R12R_1^2 represent the centered-
    R2R^2 for the first model, and R22R_2^2 represent the centered-R2R^2 for the second model. In ad-
    dition, let (r^zt−r^ft)1(\hat{r}_{zt} - \hat{r}_{ft})_1 denote the predicted value of the first model, and (r^zt−r^ft)2(\hat{r}_{zt} - \hat{r}_{ft})_2
    denote the predicted value of the second model. Lastly, let ρ1\rho_1 denote the sample
    correlation coefficient between (r^zt−r^ft)1(\hat{r}_{zt} - \hat{r}_{ft})_1 and (rzt−rft)(r_{zt} - r_{ft}), and ρ2\rho_2 denote the sam-
    ple correlation coefficient between (r^zt−r^ft)2(\hat{r}_{zt} - \hat{r}_{ft})_2 and (rzt−rft)(r_{zt} - r_{ft}). Which of the following
    statements is correct?
    a. ρ12=R12=R22\rho_1^2 = R_1^2 = R_2^2
    b. ρ12=R12≠R22\rho_1^2 = R_1^2 \neq R_2^2
    c. ρ12=ρ22=R12\rho_1^2 = \rho_2^2 = R_1^2
    d. ρ12=ρ22=R22\rho_1^2 = \rho_2^2 = R_2^2
    e. None of the above choices (a)-(d).

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題目設定(第 1、2 題的兩個模型)

  • 模型 (1):rxt−rft=β0+β1(rmt−rft)+etr_{xt}-r_{ft}=\beta_0+\beta_1(r_{mt}-r_{ft})+e_t(有截距)
  • 模型 (2):rxt−rft=β(rmt−rft)+etr_{xt}-r_{ft}=\beta(r_{mt}-r_{ft})+e_t(無截距)

兩個模型的被解釋變數 yty_t 與解釋變數 xt=rmt−rftx_t=r_{mt}-r_{ft} 都相同,只差在有沒有截距。(題幹第 2、3 題的 rztr_{zt} 即 rxtr_{xt}。)

核心觀念

  1. 相關係數不受線性轉換影響(係數為正時連正負號都不變):corr⁡(a+bx, y)=±corr⁡(x,y)\operatorname{corr}(a+bx,\ y)=\pm\operatorname{corr}(x,y),平方後完全相同。
  2. 有截距的 OLS:centered R2R^2 等於「配適值與 yy 的相關係數平方」,也等於簡單迴歸的 rxy2r_{xy}^2。
  3. 無截距的 OLS:殘差和不一定為 0,centered R2=1−∑e^t2∑(yt−yˉ)2R^2=1-\dfrac{\sum\hat e_t^2}{\sum(y_t-\bar y)^2} 不再等於相關係數平方,甚至可能是負的。

推導

  • 模型 (1) 的配適值 y^(1)=β^0+β^1x\hat y^{(1)}=\hat\beta_0+\hat\beta_1x,是 xx 的線性函數 ⇒ ρ12=rxy2\rho_1^2=r_{xy}^2。
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第 4 題

  1. Let's come back to model (1). Assume that E[et∣rmt,rft]=0E[e_t | r_{mt}, r_{ft}] = 0, but the error term
    (ete_t) follows the distribution below:
    et=ϕet−1+ϵt,∣ϕ∣<1e_t = \phi e_{t-1} + \epsilon_t, \quad |\phi| < 1
    ϵt∼IID(0,σ2)\epsilon_t \sim IID(0, \sigma^2)
    Which of the following statement is correct?
    a. β^1OLS\hat{\beta}_1^{OLS} is biased.
    b. var(et)=σ21−ϕ2\text{var}(e_t) = \frac{\sigma^2}{1-\phi^2}
    c. cov(et,et−1)=cov(et,et−2)=0\text{cov}(e_t, e_{t-1}) = \text{cov}(e_t, e_{t-2}) = 0
    d. β^0OLS\hat{\beta}_0^{OLS} and β^1OLS\hat{\beta}_1^{OLS} will no longer be BUE but just BLUE.
    e. None of the above choices (a)-(d).

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核心觀念

  • 模型 (1) 為簡單線性迴歸 yt=β0+β1xt+ety_t=\beta_0+\beta_1x_t+e_t,其中 ete_t 為誤差項。
  • 條件期望 E[et∣rmt,rft]=0E[e_t\mid r_{mt},r_{ft}]=0 意味著 xtx_t(此處可視為 rmt,rftr_{mt},r_{ft} 的函數)與誤差項不相關,滿足外生性。
  • 誤差的 AR(1) 結構

et=ϕet−1+ϵt,∣ϕ∣<1,ϵt∼iid(0,σ2)e_t=\phi e_{t-1}+\epsilon_t,\qquad |\phi|<1,\qquad \epsilon_t\stackrel{iid}{\sim}(0,\sigma^2)

為平穩的自迴歸過程,其二階矩可利用 AR(1) 的穩態性直接求得。

  • 估計量的性質
    • 無偏性:只要 E[et∣X]=0E[e_t\mid X]=0(外生性)即保證 OLS 估計量無偏,與誤差是否序列相關無關。
    • 有效性:Gauss‑Markov 定理要求誤差 不具自相關 才能保證 OLS 為 BLUE(最佳線性無偏估計量)。若有自相關,OLS 仍是無偏的,但不再具有效率(不再是 BLUE,也不一定是 BUE)。

解題方法

  1. 先驗證 誤差的平穩二階矩:
    • 取變異的恆等式

Var⁡(et)=Var⁡(ϕet−1+ϵt)=ϕ2Var⁡(et−1)+σ2\operatorname{Var}(e_t)=\operatorname{Var}(\phi e_{t-1}+\epsilon_t)=\phi^2\operatorname{Var}(e_{t-1})+\sigma^2

  • 因為平穩,Var⁡(et)=Var⁡(et−1)=V\operatorname{Var}(e_t)=\operatorname{Var}(e_{t-1})=V,故

V=ϕ2V+σ2  ⇒  V=σ21−ϕ2.V=\phi^2V+\sigma^2\;\Rightarrow\;V=\frac{\sigma^2}{1-\phi^2}.

  1. 求 自共變:
Cov⁡(et,et−1)=E[etet−1]=E[(ϕet−1+ϵt)et−1]=ϕ E[et−12]+E[ϵtet−1]=ϕV+0=ϕ σ21−ϕ2≠0.\operatorname{Cov}(e_t,e_{t-1})=E[e_t e_{t-1}] =E[(\phi e_{t-1}+\epsilon_t)e_{t-1}] =\phi\,E[e_{t-1}^2]+E[\epsilon_t e_{t-1}] =\phi V+0=\phi\,\frac{\sigma^2}{1-\phi^2}\neq0.

同理

Cov⁡(et,et−2)=E[(ϕet−1+ϵt)et−2]=ϕ Cov⁡(et−1,et−2)=ϕ2V≠0.\operatorname{Cov}(e_t,e_{t-2}) =E[(\phi e_{t-1}+\epsilon_t)e_{t-2}] =\phi\,\operatorname{Cov}(e_{t-1},e_{t-2}) =\phi^2V\neq0.
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第 5 題

  1. T is a random variable with the following probability density function:
    f(t)=λe−λt,for t>0f(t) = \lambda e^{-\lambda t}, \quad \text{for } t > 0
    where λ>0\lambda > 0. The expected value of T is E(T)=1λE(T) = \frac{1}{\lambda}.
    A sample consisting of n independent realizations of T ({t1,t2,...,tn}\{t_1, t_2, ..., t_n\}) was collected.
    Which of the following statement is correct?
    a. λ^MLE=1n∑i=1nti\hat{\lambda}_{MLE} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n t_i
    b. λ^MLE\hat{\lambda}_{MLE} is an unbiased estimator.
    c. λ^MLE\hat{\lambda}_{MLE} is a consistent estimator.
    d. λ^MLE\hat{\lambda}_{MLE} is unbiased and consistent.

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本題考驗對指數分佈的最大概似估計量 (MLE) 的計算、期望值、一致性等性質的理解。

首先,我們需要求出參數 λ\lambda 的最大概似估計量 (MLE)。

1. 建立概似函數 (Likelihood Function):
對於獨立的樣本 {t1,t2,...,tn}\{t_1, t_2, ..., t_n\},T 的聯合機率密度函數為:
L(λ∣t1,...,tn)=∏i=1nf(ti∣λ)=∏i=1nλe−λtiL(\lambda | t_1, ..., t_n) = \prod_{i=1}^n f(t_i | \lambda) = \prod_{i=1}^n \lambda e^{-\lambda t_i}
L(λ)=λne−λ∑i=1ntiL(\lambda) = \lambda^n e^{-\lambda \sum_{i=1}^n t_i}

2. 建立對數概似函數 (Log-Likelihood Function):
ln⁡L(λ)=ln⁡(λne−λ∑ti)=nln⁡λ−λ∑ti\ln L(\lambda) = \ln (\lambda^n e^{-\lambda \sum t_i}) = n \ln \lambda - \lambda \sum t_i

3. 求對數概似函數對 λ\lambda 的一階導函數,並令其等於 0:
∂ln⁡L(λ)∂λ=nλ−∑ti\frac{\partial \ln L(\lambda)}{\partial \lambda} = \frac{n}{\lambda} - \sum t_i
令 ∂ln⁡L(λ)∂λ=0\frac{\partial \ln L(\lambda)}{\partial \lambda} = 0:
nλ−∑ti=0\frac{n}{\lambda} - \sum t_i = 0
nλ=∑ti\frac{n}{\lambda} = \sum t_i
λ^MLE=n∑ti\hat{\lambda}_{MLE} = \frac{n}{\sum t_i}

4. 檢驗二階導函數以確認為最大值:
∂2ln⁡L(λ)∂λ2=−nλ2\frac{\partial^2 \ln L(\lambda)}{\partial \lambda^2} = -\frac{n}{\lambda^2}
由於 λ>0\lambda > 0,所以 ∂2ln⁡L(λ)∂λ2<0\frac{\partial^2 \ln L(\lambda)}{\partial \lambda^2} < 0,確認為最大值。

分析選項:

a. λ^MLE=1n∑i=1nti\hat{\lambda}_{MLE} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n t_i
根據我們的計算,λ^MLE=n∑ti\hat{\lambda}_{MLE} = \frac{n}{\sum t_i}。
而 1n∑ti\frac{1}{n} \sum t_i 是樣本均值 tˉ\bar{t}。
所以,λ^MLE=nntˉ=1tˉ\hat{\lambda}_{MLE} = \frac{n}{n\bar{t}} = \frac{1}{\bar{t}}。
選項 a 錯誤。

b. λ^MLE\hat{\lambda}_{MLE} is an unbiased estimator.
我們需要計算 λ^MLE=n∑ti\hat{\lambda}_{MLE} = \frac{n}{\sum t_i} 的期望值。
令 S=∑i=1ntiS = \sum_{i=1}^n t_i。由於 tit_i 是獨立同指數分佈的隨機變數,其期望值為 E[ti]=1λE[t_i] = \frac{1}{\lambda},變異數為 var(ti)=1λ2\text{var}(t_i) = \frac{1}{\lambda^2}。
SS 是 nn 個獨立同分佈的指數隨機變數之和。SS 服從 Gamma 分佈,參數為 nn 和 λ\lambda。
S∼Gamma(n,λ)S \sim \text{Gamma}(n, \lambda),其機率密度函數為 fS(s)=λnsn−1e−λsΓ(n)f_S(s) = \frac{\lambda^n s^{n-1} e^{-\lambda s}}{\Gamma(n)},其中 Γ(n)=(n−1)!\Gamma(n) = (n-1)!。
E[S]=n×E[ti]=n×1λ=nλE[S] = n \times E[t_i] = n \times \frac{1}{\lambda} = \frac{n}{\lambda}。
E[λ^MLE]=E[nS]E[\hat{\lambda}_{MLE}] = E[\frac{n}{S}]。
對於 Gamma 分佈的隨機變數 SS,其倒數的期望值 E[1S]E[\frac{1}{S}] 通常不等於 1E[S]\frac{1}{E[S]}。

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第 6 題

  1. Lisa and Gaspard are interested in the NTU Master program in Finance and col-
    lect the salary information of their recent alumni. To investigate potential gender
    discrimination in the finance industry in Taiwan, they group the observations by
    gender and estimate the statistics of their annual salary (in thousand NTD). Denote
    the population mean salary of men as μmen\mu_{men} and women as μwomen\mu_{women}. Assume that
    the samples of men and women are distributed independently. Please help Lisa and
    Gaspard to conduct hypotheses testing using the sample information below.
sample average salary (Yˉ\bar{Y})sample standard deviation (SYS_Y)n
Men1,2001,20025025020
Women90090030030015

Which of the following statement is correct?
a. To examine potential gender discrimination, we may establish a null hypothesis
of HA:μmen≠μwomenH_A: \mu_{men} \neq \mu_{women}.
b. The t-statistic for H0:μmen=μwomenH_0: \mu_{men} = \mu_{women} is 2.8612.861.
c. The t-statistic for H0:μmen=H_0: \mu_{men} = $1,000 is 3.5783.578.
d. The t-statistic for H0:μwomen=H_0: \mu_{women} = $1,000 is −1.789-1.789.
e. We cannot reject the null hypothesis that there is no gender discrimination at
5% significance level.

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核心觀念

本題評量以下三個核心統計觀念:

  1. 假設檢定的基本定義:虛無假說(Null Hypothesis, H0H_0)代表「無差異、無效果或現狀」,對立假說(Alternative Hypothesis, H1H_1 或 HAH_A)代表「研究者欲證實的差異或效果」。
  2. 單一常態母體平均數的 tt 檢定(One-Sample tt-test):在母體標準差未知且為小樣本時,檢定母體平均數 μ=μ0\mu = \mu_0 的檢定統計量為:
    t=Yˉ−μ0Sn∼t(n−1)t = \frac{\bar{Y} - \mu_0}{\frac{S}{\sqrt{n}}} \sim t(n-1)
  3. 獨立雙樣本之平均數差檢定(Two-Sample tt-test):檢定兩獨立母體平均數是否相等(H0:μ1−μ2=0H_0: \mu_1 - \mu_2 = 0),無論是否假設母體等變異,皆利用樣本平均數之差值除以其標準誤建構 tt 統計量。

解題方法與公式推導

題目給定樣本統計量:

  • 男性(Men, 設為組別 1):Yˉ1=1,200\bar{Y}_1 = 1{,}200,S1=250S_1 = 250,n1=20n_1 = 20
  • 女性(Women, 設為組別 2):Yˉ2=900\bar{Y}_2 = 900,S2=300S_2 = 300,n2=15n_2 = 15

1. 男性單母體平均數檢定(檢定 μmen=\mu_{men} = $1,0001{,}000)

檢定假說:H0:μmen=1,000vs.HA:μmen≠1,000H_0: \mu_{men} = 1{,}000 \quad \text{vs.} \quad H_A: \mu_{men} \neq 1{,}000

男性樣本之平均數標準誤(Standard Error):
SE(Yˉ1)=S1n1=25020=2504.4721≈55.9017SE(\bar{Y}_1) = \frac{S_1}{\sqrt{n_1}} = \frac{250}{\sqrt{20}} = \frac{250}{4.4721} \approx 55.9017

計算 tt 統計量:
t=Yˉ1−1,000SE(Yˉ1)=1,200−1,00055.9017=20055.9017≈3.578t = \frac{\bar{Y}_1 - 1{,}000}{SE(\bar{Y}_1)} = \frac{1{,}200 - 1{,}000}{55.9017} = \frac{200}{55.9017} \approx 3.578

2. 女性單母體平均數檢定(檢定 μwomen=\mu_{women} = $1,0001{,}000)

檢定假說:H0:μwomen=1,000vs.HA:μwomen≠1,000H_0: \mu_{women} = 1{,}000 \quad \text{vs.} \quad H_A: \mu_{women} \neq 1{,}000

女性樣本之平均數標準誤:
SE(Yˉ2)=S2n2=30015=3003.8730≈77.4597SE(\bar{Y}_2) = \frac{S_2}{\sqrt{n_2}} = \frac{300}{\sqrt{15}} = \frac{300}{3.8730} \approx 77.4597

計算 tt 統計量:
t=Yˉ2−1,000SE(Yˉ2)=900−1,00077.4597=−10077.4597≈−1.291t = \frac{\bar{Y}_2 - 1{,}000}{SE(\bar{Y}_2)} = \frac{900 - 1{,}000}{77.4597} = \frac{-100}{77.4597} \approx -1.291

3. 雙母體平均數差異檢定(檢定性別薪資差異)

檢定假說:H0:μmen=μwomenvs.HA:μmen≠μwomenH_0: \mu_{men} = \mu_{women} \quad \text{vs.} \quad H_A: \mu_{men} \neq \mu_{women}

  • 若未假設等變異(Welch's tt-test):
    SE(Yˉ1−Yˉ2)=S12n1+S22n2=250220+300215=3,125+6,000=9,125≈95.525SE(\bar{Y}_1 - \bar{Y}_2) = \sqrt{\frac{S_1^2}{n_1} + \frac{S_2^2}{n_2}} = \sqrt{\frac{250^2}{20} + \frac{300^2}{15}} = \sqrt{3{,}125 + 6{,}000} = \sqrt{9{,}125} \approx 95.525
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第 7 題

  1. There are machines I, II, and III in a certain factory all producing the same prod-
    uct. Of their production, machines I, II, and III produce 1%, 2% and 3% defective
    products respectively. Of the total production in the factory, machine I produces
    30%, machine II produces 30%, and machine III produces 40%. If one product is
    selected at random from the total product produced in a day, which of the following
    is true?
    a. The probability that it is defective is 2%
    b. If the selected product is defective, the conditional probability that it was pro-
    duced by machine I is .
    c. If the selected product is defective, the conditional probability that it was pro-
    duced by machine II is .
    d. If the selected product is defective, the conditional probability that it was pro-
    duced by machine III is .
    e. None of the above choices (a)-(d).

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核心觀念
本題測驗的是全機率公式與 Bayes 定理的應用。

  • 全機率公式:P(D)=∑iP(Mi)P(D∣Mi)P(D)=\sum_{i}P(M_i)P(D\mid M_i),其中 DD 為「產品不良」事件,MiM_i 為「由第 ii 台機器生產」事件。
  • Bayes 定理:P(Mi∣D)=P(Mi)P(D∣Mi)P(D)P(M_i\mid D)=\dfrac{P(M_i)P(D\mid M_i)}{P(D)},用於求在已知產品不良的條件下,各機器的產出機率。

解題方法

  1. 先列出機器的產出比例與不良率
P(M1)=0.30,P(D∣M1)=0.01,P(M2)=0.30,P(D∣M2)=0.02,P(M3)=0.40,P(D∣M3)=0.03.\begin{aligned} P(M_1)&=0.30,\quad P(D\mid M_1)=0.01,\\ P(M_2)&=0.30,\quad P(D\mid M_2)=0.02,\\ P(M_3)&=0.40,\quad P(D\mid M_3)=0.03. \end{aligned}
  1. 計算整體不良率 P(D)P(D)(全機率公式)
P(D)=0.30⋅0.01+0.30⋅0.02+0.40⋅0.03=0.003+0.006+0.012=0.021=2.1%.P(D)=0.30\cdot0.01+0.30\cdot0.02+0.40\cdot0.03 =0.003+0.006+0.012 =0.021=2.1\%.
  1. 依 Bayes 定理求各機器在「產品不良」條件下的貢獻比例
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第 8 題

  1. Bharadwaj, Løken, and Neilson (2013, AER) are interested in the effects of early
    life health interventions and provide the following figures. It is widely known that
    the birth weight of an infant is negatively associated with the mortality rate and
    positively associated with future health condition. The researchers found a natu-
    ral experiment in both Chile and Norway that the governments require hospitals to
    provide additional care for infants born less than 1,500 grams. Below are the days
    stayed in the hospital, mortality rates, and the math performance of the infants
    when they turn to first to eighth grade across their birth weights. Which of the
    following statement is incorrect?

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
The image contains three scatter plots:

  1. "Days in hospital (>= 32 weeks)" vs. "Birth weight (grams)"
  2. "Infant mortality (>= 32 weeks)" vs. "Birth weight (grams)"
  3. "Math first to eighth grade (>= 32 weeks)" vs. "Birth weight (grams)"

The x-axis for all plots is "Birth weight (grams)", ranging from 1400 to 1600.
The y-axis for the first plot is "Days in hospital (>= 32 weeks)", ranging from 20 to 40.
The y-axis for the second plot is "Infant mortality (>= 32 weeks)", ranging from -0.35 to 0.2.
The y-axis for the third plot is "Math first to eighth grade (>= 32 weeks)", ranging from -0.25 to 0.15.

Observations from plots:

  • Plot 1 (Days in hospital): Shows a general increasing trend of days in hospital with birth weight. There seems to be a slight discontinuity or change in slope around 1500 grams. Infants below 1500 grams seem to have slightly fewer days in hospital compared to those just above 1500 grams.
  • Plot 2 (Infant mortality): Shows a strong negative association between birth weight and infant mortality. As birth weight increases, infant mortality decreases sharply. The slope appears to be consistently negative.
  • Plot 3 (Math performance): Shows a generally positive association between birth weight and math performance. As birth weight increases, math performance tends to increase. There might be a slight change in slope around 1500 grams.

a. Infants born right below 1,500 grams stay longer in the hospital than infants
born right above 1,500 grams.
b. The negative slopes of infant mortality rates and birth weights below and above
the 1,500-gram birth weight are what the researchers are interested in.
c. Infants born right below 1,500 grams tend to perform better in math than
infants born right above 1,500 grams when they grow up.
d. The findings suggest that the relationship between early life health care and
future intellectual development may be causal.
e. Except for the discontinuity at exactly 1,500 grams, there seems to be a positive
relationship between the birth weights and future math performance.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 5 頁

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核心觀念

本題考查「迴歸不連續設計」(Regression Discontinuity Design, RDD)。

令出生體重為 WW,門檻值為

c=1500 克c=1500\text{ 克}

出生體重低於 15001500 克的嬰兒依法接受額外醫療照護,因此處置變數可表示為

D=1(W<1500)D=\mathbf{1}(W<1500)

RDD 的核心不是觀察出生體重與結果變數的單純斜率,而是比較門檻值左右兩側、出生體重非常接近 15001500 克的嬰兒,其結果是否出現「跳躍」。

若低於門檻者接受額外照護,局部處置效果為

τRDD=lim⁡w→1500−E(Y∣W=w)−lim⁡w→1500+E(Y∣W=w)\tau_{\text{RDD}} = \lim_{w\to1500^-}E(Y\mid W=w) - \lim_{w\to1500^+}E(Y\mid W=w)

其中左極限代表出生體重略低於 15001500 克,右極限代表略高於 15001500 克。


解題方法

觀察三張圖在 15001500 克處的左右兩側:

  1. 住院天數:門檻左側高於右側,表示低於 15001500 克者接受額外照護後,住院時間較長。
  2. 嬰兒死亡率:出生體重與死亡率大致呈負相關,但研究重點是 15001500 克處是否有不連續跳躍。
  3. 未來數學成績:門檻左側的數學表現高於右側,表示額外早期照護可能改善日後學習表現。

因此,判斷選項時應區分:

  • 「斜率」描述出生體重與結果變數的連續關係。
  • 「不連續跳躍」才是 RDD 用來辨識因果效果的關鍵。

選項分析

(a) 正確。

圖一顯示,在 15001500 克附近,門檻左側的住院天數高於門檻右側。因此,出生體重略低於 15001500 克的嬰兒,住院時間較長。

這符合額外醫療照護的制度安排:低於門檻者接受較密集的照護,住院天數因而增加。


(b) 錯誤。

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第 9 題

  1. Consider the following model:
    Yt=γYt−1+utY_t = \gamma Y_{t-1} + u_t
    ut=ϕut−1+ϵtu_t = \phi u_{t-1} + \epsilon_t
    ϵt∼IID(0,σ2)\epsilon_t \sim IID(0, \sigma^2)
    It is known that ∣γ∣<1|\gamma| < 1 and ∣ϕ∣<1|\phi| < 1. We also have a reasonably large T number
    of observations. Now, you are planning to run an Ordinary Least Square (OLS)
    regression of {YtY_t} on its lag term {Yt−1Y_{t-1}}:
    Yt=α+βYt−1+etY_t = \alpha + \beta Y_{t-1} + e_t
    Which of the following statements is correct?
    a. α^OLS\hat{\alpha}^{OLS} is an unbiased estimator for γ\gamma.
    b. β^OLS\hat{\beta}^{OLS} is biased since there is no intercept in the data generating process for YtY_t.
    c. β^OLS\hat{\beta}^{OLS} is biased because utu_t is not stationary.
    d. cov(Yt−1,ut)=ϕσ2(1−ϕ2)(1−γϕ)\text{cov}(Y_{t-1}, u_t) = \frac{\phi \sigma^2}{(1-\phi^2)(1-\gamma \phi)}
    e. None of the above choices (a)-(d).

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核心觀念
本題涉及 AR(1) 內生變數模型 與 OLS 估計的偏誤判斷。

  • Yt=γYt−1+utY_t=\gamma Y_{t-1}+u_t 為一階自迴歸 (AR) 結構,係數 γ\gamma 為 穩定(∣γ∣<1|\gamma|<1)。
  • 誤差 utu_t 本身亦遵循 AR(1):ut=ϕut−1+εtu_t=\phi u_{t-1}+\varepsilon_t,且 ∣ϕ∣<1|\phi|<1,因此 utu_t 是 嚴格平穩(零均值、有限變異、恆定自共變)。
  • 觀測 YtY_t 與其滯後 Yt−1Y_{t-1} 之 OLS 回歸:
    Yt=α+βYt−1+et(et≡ut).Y_t=\alpha+\beta Y_{t-1}+e_t\quad(e_t\equiv u_t).
    判斷 OLS 估計量 α^,β^\hat\alpha,\hat\beta 是否無偏、以及 Yt−1Y_{t-1}與 utu_t 的共變結構。

解題方法

  1. 檢視 utu_t 的平穩性:utu_t 為 AR(1) 且 ∣ϕ∣<1|\phi|<1,其自共變 Var⁡(ut)=σ2/(1−ϕ2)\operatorname{Var}(u_t)=\sigma^2/(1-\phi^2),故 utu_t 為平穩。
  2. 計算 cov⁡(Yt−1,ut)\operatorname{cov}(Y_{t-1},u_t)
    • 先寫出 utu_t 的 MA 表示:
      ut=∑k=0∞ϕkεt−k.u_t=\sum_{k=0}^{\infty}\phi^{k}\varepsilon_{t-k}.
    • 再將 Yt−1Y_{t-1} 以 uu 的遞迴代入:

Y_{t-1}=\sum_{j=0}^{\infty}\gamma^{j}u_{t-1-j}
=\sum_{j=0}^{\infty}\gamma^{j}\sum_{m=0}^{\infty}\phi^{m}\varepsilon_{t-1-j-m}.
$$

  • 兩式共變只在同一個 ε\varepsilon 之項相乘時非零,條件為 k=1+j+mk=1+j+m(kk 為 utu_t 中 εt−k\varepsilon_{t-k} 的指標)。
  • 因此
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第 10 題

  1. Suppose that a data generating process is as the following:
    Yt=a+bXt+ϵtY_t = a + b X_t + \epsilon_t
    However, XtX_t cannot be directly observed. There are two observable proxies for XtX_t:
    Xt1=Xt+ut1X_{t1} = X_t + u_{t1}
    Xt2=Xt+ut2X_{t2} = X_t + u_{t2}
    We know that ϵt∼N(0,σϵ2)\epsilon_t \sim N(0, \sigma_\epsilon^2), Xt∼N(μX,σX2)X_t \sim N(\mu_X, \sigma_X^2), ut1∼N(0,σu12)u_{t1} \sim N(0, \sigma_{u1}^2), and ut2∼N(0,σu22)u_{t2} \sim N(0, \sigma_{u2}^2). ut1u_{t1}
    and ut2u_{t2} are also uncorrelated to XtX_t, YtY_t, ϵt\epsilon_t, and each other.

We now construct two additional regressors:
Xt3=14Xt1+14Xt2X_{t3} = \frac{1}{4} X_{t1} + \frac{1}{4} X_{t2}
Xt4=14Xt1+12Xt2X_{t4} = \frac{1}{4} X_{t1} + \frac{1}{2} X_{t2}
For n=1,2,3, or 4n = 1,2,3, \text{ or } 4, denote β^n\hat{\beta}_n as the OLS coefficient when we regress YtY_t on XtnX_{tn}. For a negative bb, which of the following has the smallest value?
a. β^1\hat{\beta}_1
b. β^2\hat{\beta}_2
c. β^3\hat{\beta}_3
d. β^4\hat{\beta}_4
e. None of the above choices (a)-(d).

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核心觀念

  • 測量誤差的衰減 (attenuation) 效果:在單變數 OLS 回歸

Yt=a+bXt+εt,εt⊥XtY_t = a + bX_t +\varepsilon_t ,\qquad \varepsilon_t\perp X_t

若使用含有測量誤差的代理變數 WtW_t 代替真實 XtX_t,OLS 係數 β^\hat\beta 為

β^=bCov⁡(Xt,Wt)Var⁡(Wt),\hat\beta = b\frac{\operatorname{Cov}(X_t,W_t)}{\operatorname{Var}(W_t)} ,

其中 Cov⁡(Xt,Wt)Var⁡(Wt)∈(0,1)\displaystyle \frac{\operatorname{Cov}(X_t,W_t)}{\operatorname{Var}(W_t)}\in(0,1) 稱為 衰減因子。當真實係數 b<0b<0 時,衰減因子越大,β^\hat\beta 越負(值較小);衰減因子越小,β^\hat\beta 越接近 0(值較大)。

  • 兩個獨立測量誤差的線性組合:若
Wt=α1Xt1+α2Xt2,Xt1=Xt+ut1,  Xt2=Xt+ut2,W_t = \alpha_1 X_{t1} + \alpha_2 X_{t2},\qquad X_{t1}=X_t+u_{t1},\; X_{t2}=X_t+u_{t2},

且 ut1,ut2u_{t1},u_{t2} 與 XtX_t 完全不相關,則

Cov⁡(Xt,Wt)=(α1+α2)σX2,Var⁡(Wt)=(α1+α2)2σX2+α12σu12+α22σu22.\operatorname{Cov}(X_t,W_t)= (\alpha_1+\alpha_2)\sigma_X^2 ,\qquad \operatorname{Var}(W_t)= (\alpha_1+\alpha_2)^2\sigma_X^2+ \alpha_1^{2}\sigma_{u1}^2+\alpha_2^{2}\sigma_{u2}^2 .

解題方法

  1. 先寫出每個代理變數的期望、變異與協方差。
  2. 依照 OLS 公式 β^n=bCov⁡(Yt,Xtn)Var⁡(Xtn)=bCov⁡(bXt+εt,Xtn)Var⁡(Xtn)=bb Cov⁡(Xt,Xtn)Var⁡(Xtn)\displaystyle \hat\beta_n=b\frac{\operatorname{Cov}(Y_t,X_{tn})}{\operatorname{Var}(X_{tn})}=b\frac{\operatorname{Cov}(bX_t+\varepsilon_t,X_{tn})}{\operatorname{Var}(X_{tn})}=b\frac{b\,\operatorname{Cov}(X_t,X_{tn})}{\operatorname{Var}(X_{tn})} 簡化為

β^n=bCov⁡(Xt,Xtn)Var⁡(Xtn),\hat\beta_n = b\frac{\operatorname{Cov}(X_t,X_{tn})}{\operatorname{Var}(X_{tn})},

因為 εt\varepsilon_t 與所有 XtnX_{tn} 不相關。
3. 把每個 XtnX_{tn} 用 XtX_t、ut1u_{t1}、ut2u_{t2} 表示,代入上式得到四個 衰減因子,分別記為 f1,…,f4f_1,\dots,f_4。
4. 比較 fnf_n 的大小。因 b<0b<0,β^n\hat\beta_n 的「最小值」等價於「最大衰減因子」fnf_n。
5. 觀察衰減因子皆是 σX2\sigma_X^2 與測量誤差變異 σu12,σu22\sigma_{u1}^2,\sigma_{u2}^2 的有理式;若不提供 σu12,σu22\sigma_{u1}^2,\sigma_{u2}^2 的相對大小,無法確定哪一個因子最大。

計算過程

令 s=σX2,  v1=σu12,  v2=σu22s=\sigma_X^2,\;v_1=\sigma_{u1}^2,\;v_2=\sigma_{u2}^2。

變數表示式Cov⁡(Xt,Xtn)\operatorname{Cov}(X_t,X_{tn})Var⁡(Xtn)\operatorname{Var}(X_{tn})衰減因子 fnf_n
Xt1X_{t1}Xt+ut1X_t+u_{t1}sss+v1s+v_1f1=ss+v1\displaystyle f_1=\frac{s}{s+v_1}
Xt2X_{t2}Xt+ut2X_t+u_{t2}sss+v2s+v_2f2=ss+v2\displaystyle f_2=\frac{s}{s+v_2}
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第 11 題

  1. Let {YtY_t}t=1n_{t=1}^n be a sequence of independent and N(0,1)N(0, 1)-distributed random variables.
    Denote μˉn:=n−1∑t=1nYt2\bar{\mu}_n := n^{-1}\sum_{t=1}^n Y_t^2. By Chebyshev's inequality, we obtain the result:
    P(0.5≤μn≤1.5)≥α,P(0.5 \leq \mu_n \leq 1.5) \geq \alpha,
    for some α∈(0,1)\alpha \in (0, 1). Which of the following is right when n=100n = 100?
    (a) α=0.88\alpha = 0.88
    (b) α=0.90\alpha = 0.90
    (c) α=0.92\alpha = 0.92
    (d) α=0.94\alpha = 0.94
    (e) None of the above choices (a)-(d).

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本題考驗對 Chebyshev 不等式在樣本變異數估計上的應用。

首先,我們需要了解 YtY_t 的性質以及 μˉn\bar{\mu}_n 的含義。
Yt∼N(0,1)Y_t \sim N(0, 1) 獨立同分佈。
E[Yt]=0E[Y_t] = 0
Var(Yt)=E[Yt2]−(E[Yt])2=E[Yt2]−02=E[Yt2]\text{Var}(Y_t) = E[Y_t^2] - (E[Y_t])^2 = E[Y_t^2] - 0^2 = E[Y_t^2]。
由於 Var(Yt)=1\text{Var}(Y_t) = 1,所以 E[Yt2]=1E[Y_t^2] = 1。

μˉn=n−1∑t=1nYt2\bar{\mu}_n = n^{-1} \sum_{t=1}^n Y_t^2。
這是一個樣本均值,用於估計 E[Yt2]E[Y_t^2]。
根據勞氏大數法則 (Law of Large Numbers),當 n→∞n \to \infty 時,μˉn→pE[Yt2]=1\bar{\mu}_n \xrightarrow{p} E[Y_t^2] = 1。

我們需要使用 Chebyshev 不等式來建立 P(0.5≤μn≤1.5)≥αP(0.5 \leq \mu_n \leq 1.5) \geq \alpha 的結果。
Chebyshev 不等式的一般形式是:對於任意隨機變數 XX 和任意 k>0k>0,
P(∣X−E[X]∣≥k)≤Var(X)k2P(|X - E[X]| \geq k) \leq \frac{\text{Var}(X)}{k^2}。
或者,P(∣X−E[X]∣<k)≥1−Var(X)k2P(|X - E[X]| < k) \geq 1 - \frac{\text{Var}(X)}{k^2}。

在這裡,我們關注的是 μˉn\bar{\mu}_n。
E[μˉn]=E[n−1∑Yt2]=n−1∑E[Yt2]=n−1∑t=1n1=n−1×n=1E[\bar{\mu}_n] = E[n^{-1}\sum Y_t^2] = n^{-1}\sum E[Y_t^2] = n^{-1} \sum_{t=1}^n 1 = n^{-1} \times n = 1。
Var(μˉn)=Var(n−1∑Yt2)=n−2∑Var(Yt2)\text{Var}(\bar{\mu}_n) = \text{Var}(n^{-1}\sum Y_t^2) = n^{-2} \sum \text{Var}(Y_t^2) (由於 YtY_t 獨立)。
由於 Yt∼N(0,1)Y_t \sim N(0, 1),其平方 Yt2Y_t^2 服從自由度為 1 的卡方分佈 (χ2(1)\chi^2(1))。
卡方分佈 χ2(k)\chi^2(k) 的期望值是 kk,變異數是 2k2k。
所以,E[Yt2]=1E[Y_t^2] = 1,Var(Yt2)=2×1=2 \text{Var}(Y_t^2) = 2 \times 1 = 2。
因此,Var(μˉn)=n−2∑t=1n2=n−2×n×2=2n\text{Var}(\bar{\mu}_n) = n^{-2} \sum_{t=1}^n 2 = n^{-2} \times n \times 2 = \frac{2}{n}。

現在,我們應用 Chebyshev 不等式到 μˉn\bar{\mu}_n。
我們想找到 P(0.5≤μˉn≤1.5)P(0.5 \leq \bar{\mu}_n \leq 1.5)。
這可以寫成 P(∣μˉn−1∣≤0.5)P(|\bar{\mu}_n - 1| \leq 0.5)。
我們需要將不等式 P(∣μˉn−1∣≤0.5)P(|\bar{\mu}_n - 1| \leq 0.5) 與 Chebyshev 不等式 P(∣μˉn−E[μˉn]∣<k)≥1−Var(μˉn)k2P(|\bar{\mu}_n - E[\bar{\mu}_n]| < k) \geq 1 - \frac{\text{Var}(\bar{\mu}_n)}{k^2} 進行比較。
在這裡,E[μˉn]=1E[\bar{\mu}_n] = 1。
我們有 k=0.5k=0.5。

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第 12 題

  1. Let {YtY_t}t=1n_{t=1}^n be a sequence of independent and χ2(1)\chi^2(1)-distributed random variables.
    Consider a linear regression:
    Yt=β+et,Y_t = \beta + e_t,
    where β\beta is a parameter, and ete_t is the error term with E[et]=0E[e_t] = 0. Let β^\hat{\beta} be the least
    squares estimator of β\beta. Which of the following is right?
    (a) E[β^]=1E[\hat{\beta}] = 1 and var(β^)=2n\text{var}(\hat{\beta}) = \frac{2}{n}
    (b) E[β^]=12E[\hat{\beta}] = \frac{1}{2} and var(β^)=1n\text{var}(\hat{\beta}) = \frac{1}{n}
    (c) E[β^]=1E[\hat{\beta}] = 1 and var(β^)=1n\text{var}(\hat{\beta}) = \frac{1}{n}
    (d) E[β^]=12E[\hat{\beta}] = \frac{1}{2} and var(β^)=2n\text{var}(\hat{\beta}) = \frac{2}{n}
    (e) None of the above choices (a)-(d).

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本題考驗對簡單線性迴歸中 OLS 估計量期望值和變異數的計算,以及對 χ2\chi^2 分佈性質的理解。

首先,我們分析給定的模型和隨機變數。
模型:Yt=β+etY_t = \beta + e_t。
YtY_t 是一個 χ2(1)\chi^2(1) 分佈的隨機變數。
E[et]=0E[e_t] = 0。
β^\hat{\beta} 是 β\beta 的最小平方法 (OLS) 估計量。

對於模型 Yt=β+etY_t = \beta + e_t,這是一個只有截距項的迴歸模型,自變數是 1 (一個常數)。
OLS 估計量 β^\hat{\beta} 的公式是:
β^=∑t=1n(1)(Yt−Yˉ)∑t=1n(1)2=∑Yt−nYˉn=nYˉ−nYˉn=0\hat{\beta} = \frac{\sum_{t=1}^n (1) (Y_t - \bar{Y})}{\sum_{t=1}^n (1)^2} = \frac{\sum Y_t - n\bar{Y}}{n} = \frac{n\bar{Y} - n\bar{Y}}{n} = 0。
這顯然是錯的。OLS 估計量是針對斜率係數。
這裡的模型 Yt=β+etY_t = \beta + e_t 實際上是將 β\beta 作為截距項來估計。
如果我們將自變數視為 Xt=1X_t = 1 (一個常數向量),模型為 Yt=βXt+etY_t = \beta X_t + e_t (這裡 Xt=1X_t=1)。
那麼 OLS 估計量是 β^=∑XtYt∑Xt2=∑1⋅Yt∑12=∑Ytn=Yˉ\hat{\beta} = \frac{\sum X_t Y_t}{\sum X_t^2} = \frac{\sum 1 \cdot Y_t}{\sum 1^2} = \frac{\sum Y_t}{n} = \bar{Y}。
所以,β^=Yˉ\hat{\beta} = \bar{Y}。

現在我們需要計算 β^=Yˉ\hat{\beta} = \bar{Y} 的期望值和變異數。
Yt∼χ2(1)Y_t \sim \chi^2(1)。
χ2(k)\chi^2(k) 分佈的期望值是 kk,變異數是 2k2k。
所以,對於 χ2(1)\chi^2(1) 分佈:
E[Yt]=1E[Y_t] = 1
Var(Yt)=2\text{Var}(Y_t) = 2

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第 13 題

  1. Let {(Y1i,Y2i)(Y_{1i}, Y_{2i})}i=1n_{i=1}^n be a sequence of IID random vectors with the distribution:
    [Y1iY2i]∼N([728],[10.250.250.5])\begin{bmatrix} Y_{1i} \\ Y_{2i} \end{bmatrix} \sim N \left( \begin{bmatrix} 7 \\ 28 \end{bmatrix}, \begin{bmatrix} 1 & 0.25 \\ 0.25 & 0.5 \end{bmatrix} \right)
    Denote Yˉ1=n−1∑i=1nY1i\bar{Y}_1 = n^{-1} \sum_{i=1}^n Y_{1i} and Yˉ2=n−1∑i=1nY2i\bar{Y}_2 = n^{-1} \sum_{i=1}^n Y_{2i}. Which of the following is right
    when n=50n = 50?
    (a) var[Yˉ1−Yˉ2]=0.015\text{var}[\bar{Y}_1 - \bar{Y}_2] = 0.015
    (b) var[Yˉ1−Yˉ2]=0.020\text{var}[\bar{Y}_1 - \bar{Y}_2] = 0.020
    (c) var[Yˉ1−Yˉ2]=0.025\text{var}[\bar{Y}_1 - \bar{Y}_2] = 0.025
    (d) var[Yˉ1−Yˉ2]=0.030\text{var}[\bar{Y}_1 - \bar{Y}_2] = 0.030
    (e) None of the above choices (a)-(d).

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這一題的完整詳解

這題的核心觀念在於「二元常態分佈的線性組合變異數計算」以及「樣本平均數的變異數性質」。考生必須熟練掌握變異數的運算規則,特別是當兩個隨機變數不獨立(存在共變數)時,如何處理 Var(X−Y)\text{Var}(X - Y) 的展開式;同時要理解從母體變異數推導至樣本平均數變異數時,需要除以樣本數 nn 的關鍵步驟。這題並非單純代入公式,而是測試對共變數在加減運算中符號變化(−2Cov-2\text{Cov})的敏感度,以及對樣本平均數收斂速度的直覺。

完整解題過程

第一步:整理母體參數

根據題目給定,隨機向量 [Y1iY2i]\begin{bmatrix} Y_{1i} \\ Y_{2i} \end{bmatrix} 服從二元常態分佈:
[Y1iY2i]∼N([728],[10.250.250.5])\begin{bmatrix} Y_{1i} \\ Y_{2i} \end{bmatrix} \sim N \left( \begin{bmatrix} 7 \\ 28 \end{bmatrix}, \begin{bmatrix} 1 & 0.25 \\ 0.25 & 0.5 \end{bmatrix} \right)

我們可以從共變異數矩陣(Covariance Matrix)中讀出以下母體參數:

  1. Y1iY_{1i} 的變異數:Var(Y1i)=σ12=1\text{Var}(Y_{1i}) = \sigma_1^2 = 1
  2. Y2iY_{2i} 的變異數:Var(Y2i)=σ22=0.5\text{Var}(Y_{2i}) = \sigma_2^2 = 0.5
  3. Y1iY_{1i} 與 Y2iY_{2i} 的共變數:Cov(Y1i,Y2i)=σ12=0.25\text{Cov}(Y_{1i}, Y_{2i}) = \sigma_{12} = 0.25

注意:題目說明樣本是 IID(獨立同分佈),意味著不同下標 i≠ji \neq j 之間的觀測值相互獨立,但同一組內的 Y1iY_{1i} 與 Y2iY_{2i} 存在相關性(因為共變數不為 0)。

第二步:分析目標統計量的變異數結構

題目要求計算 Var[Yˉ1−Yˉ2]\text{Var}[\bar{Y}_1 - \bar{Y}_2],其中 Yˉ1\bar{Y}_1 和 Yˉ2\bar{Y}_2 分別為樣本平均數:
Yˉ1=1n∑i=1nY1i,Yˉ2=1n∑i=1nY2i\bar{Y}_1 = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n Y_{1i}, \quad \bar{Y}_2 = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n Y_{2i}

首先,我們利用變異數的線性組合性質展開 Var[Yˉ1−Yˉ2]\text{Var}[\bar{Y}_1 - \bar{Y}_2]。對於任意兩個隨機變數 AA 和 BB,變異數的差公式為:
Var(A−B)=Var(A)+Var(B)−2Cov(A,B)\text{Var}(A - B) = \text{Var}(A) + \text{Var}(B) - 2\text{Cov}(A, B)
將 A=Yˉ1A = \bar{Y}_1 和 B=Yˉ2B = \bar{Y}_2 代入,得到:
Var[Yˉ1−Yˉ2]=Var(Yˉ1)+Var(Yˉ2)−2Cov(Yˉ1,Yˉ2)\text{Var}[\bar{Y}_1 - \bar{Y}_2] = \text{Var}(\bar{Y}_1) + \text{Var}(\bar{Y}_2) - 2\text{Cov}(\bar{Y}_1, \bar{Y}_2)

第三步:計算樣本平均數的變異數與共變數

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第 14 題

  1. Let {Yi}i=1n\{Y_i\}_{i=1}^n be a sequence of independent and N(0,1)N(0, 1)-distributed random variables. Denote Xn:=1n1∑i=1n1Yi+1n−n1∑i=n1+1nYiX_n := \frac{1}{n_1} \sum_{i=1}^{n_1} Y_i + \frac{1}{n-n_1} \sum_{i=n_1+1}^n Y_i, for some n1≤nn_1 \le n. Let Mn(t)M_n(t) be the moment generating function of XnX_n with tt denoting a real number. Which of the following is right?

(A) ln⁡Mn(t)=t24(nn1(n−n1))\ln M_n(t) = \frac{t^2}{4}\left(\frac{n}{n_1(n-n_1)}\right)
(B) ln⁡Mn(t)=t22(nn1(n−n1))\ln M_n(t) = \frac{t^2}{2}\left(\frac{n}{n_1(n-n_1)}\right)
(C) ln⁡Mn(t)=t2(nn1(n−n1))\ln M_n(t) = t^2\left(\frac{n}{n_1(n-n_1)}\right)
(D) ln⁡Mn(t)=2t2(nn1(n−n1))\ln M_n(t) = 2t^2\left(\frac{n}{n_1(n-n_1)}\right)
(E) None of the above choices (a)-(d).

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核心觀念

本題考兩個觀念:獨立隨機變數線性組合的變異數,以及常態隨機變數的動差母函數。若 X∼N(0,σ2)X\sim N(0,\sigma^2),則

MX(t)=exp⁡(σ2t22),ln⁡MX(t)=σ2t22.M_X(t)=\exp\left(\frac{\sigma^2t^2}{2}\right), \qquad \ln M_X(t)=\frac{\sigma^2t^2}{2}.

解題方法

依原卷圖,第 14 題給定互相獨立且服從 N(0,1)N(0,1) 的 YiY_i,並將 XnX_n 定義為前 n1n_1 個變數的平均,加上其餘 n−n1n-n_1 個變數的平均。由於分母 n−n1n-n_1 不可為零,題目中的定義須有 1≤n1<n1\le n_1<n。

兩組使用的 YiY_i 彼此獨立,因此兩個平均數也獨立。每個 YiY_i 的變異數為 11,所以

Var⁡(Xn)=Var⁡(1n1∑i=1n1Yi)+Var⁡(1n−n1∑i=n1+1nYi).\operatorname{Var}(X_n) = \operatorname{Var}\left(\frac{1}{n_1}\sum_{i=1}^{n_1}Y_i\right) + \operatorname{Var}\left(\frac{1}{n-n_1}\sum_{i=n_1+1}^{n}Y_i\right).

分別計算兩項:

Var⁡(1n1∑i=1n1Yi)=1n12⋅n1=1n1,\operatorname{Var}\left(\frac{1}{n_1}\sum_{i=1}^{n_1}Y_i\right) = \frac{1}{n_1^2}\cdot n_1 = \frac{1}{n_1},
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第 15 題

  1. Let {Yi}i=1n\{Y_i\}_{i=1}^n be a sequence of independent and N(0,1)N(0, 1)-distributed random variables.

Consider the following variable:
Xi:={Y1,i=1,Yi−αYi−1,i>1,X_i := \begin{cases} Y_1, & i = 1, \\ Y_i - \alpha Y_{i-1}, & i > 1, \end{cases}
for some α∈(0,1)\alpha \in (0, 1), and denote the statistic Zn:=1n∑i=1nXiZ_n := \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n X_i. Which of the following is right?

(A) E[Zn2]=1n2(1+(1−α)2(n−1))\mathbb{E}[Z_n^2] = \frac{1}{n^2}(1 + (1-\alpha)^2(n-1))
(B) E[Zn2]=1n2(1+2α2+(1−α)2(n−1))\mathbb{E}[Z_n^2] = \frac{1}{n^2}(1 + 2\alpha^2 + (1-\alpha)^2(n-1))
(C) E[Zn2]=1n2(1+(1−α)2(n−1)+2α(n−1)2)\mathbb{E}[Z_n^2] = \frac{1}{n^2}(1 + (1-\alpha)^2(n-1) + 2\alpha(n-1)^2)
(D) E[Zn2]=1n2(1+2(1−α)(n−1)+(1−α)2(n−1)2)\mathbb{E}[Z_n^2] = \frac{1}{n^2}(1 + 2(1-\alpha)(n-1) + (1-\alpha)^2(n-1)^2)
(E) None of the above choices (a)-(d).

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核心觀念

本題考的是隨機變數線性組合的變異數,以及零均值隨機變數的二階動差。因為每個 YiY_i 相互獨立且服從 N(0,1)N(0,1),所以 E[Yi]=0\mathbb{E}[Y_i]=0、Var⁡(Yi)=1\operatorname{Var}(Y_i)=1,不同 YiY_i 之間的共變異數為 00。因此,若 ZnZ_n 的平均數為 00,則 E[Zn2]=Var⁡(Zn)\mathbb{E}[Z_n^2]=\operatorname{Var}(Z_n)。

解題方法

依原卷圖,X1=Y1X_1=Y_1,而 i>1i>1 時 Xi=Yi−αYi−1X_i=Y_i-\alpha Y_{i-1};統計量為 Zn=1n∑i=1nXiZ_n=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n X_i,且 α∈(0,1)\alpha\in(0,1)。將所有 XiX_i 相加,整理各個 YiY_i 的係數:

∑i=1nXi=Y1+∑i=2n(Yi−αYi−1)=(1−α)∑i=1n−1Yi+Yn.\sum_{i=1}^n X_i =Y_1+\sum_{i=2}^n(Y_i-\alpha Y_{i-1}) =(1-\alpha)\sum_{i=1}^{n-1}Y_i+Y_n.

因此,

Zn=1n((1−α)∑i=1n−1Yi+Yn).Z_n=\frac{1}{n}\left((1-\alpha)\sum_{i=1}^{n-1}Y_i+Y_n\right).

各 YiY_i 的平均數都是 00,所以 E[Zn]=0\mathbb{E}[Z_n]=0,進而 E[Zn2]=Var⁡(Zn)\mathbb{E}[Z_n^2]=\operatorname{Var}(Z_n)。利用獨立性計算變異數:

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第 16 題

  1. Let {Yi}i=1n\{Y_i\}_{i=1}^n be a sequence of independent and U(0,1)U(0, 1)-distributed random variables with σ2:=var[Yi]\sigma^2 := \mathrm{var}[Y_i], Yˉ:=n−1∑i=1nYi\bar{Y} := n^{-1} \sum_{i=1}^n Y_i and σ^2:=n−1∑i=1n(Yi−Yˉ)2\hat{\sigma}^2 := n^{-1} \sum_{i=1}^n (Y_i - \bar{Y})^2. By a suitable large-sample method, it can be shown that n(σ^2−σ2)\sqrt{n}(\hat{\sigma}^2 - \sigma^2) has the limiting distribution N(0,v)N(0, v), as n→∞n \to \infty, for some v>0v > 0. Which of the following is right?

(A) v=1360v = \frac{1}{360}
(B) v=1280v = \frac{1}{280}
(C) v=1240v = \frac{1}{240}
(D) v=1180v = \frac{1}{180}
(E) None of the above choices (a)-(d).

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核心觀念

本題考的是樣本變異數的漸近分布。由中央極限定理,若估計量可寫成 nn 個獨立同分布隨機變數之函數的平均,就能求出其漸近變異數;使用樣本平均估計母體平均數所帶來的修正,也要一併確認。

解題方法

從原卷頁圖可讀到:YiY_i 相互獨立且服從 U(0,1)U(0,1),樣本變異數定義為 σ^2=n−1∑i=1n(Yi−Yˉ)2\hat{\sigma}^2=n^{-1}\sum_{i=1}^n(Y_i-\bar Y)^2,題目詢問 n(σ^2−σ2)\sqrt n(\hat{\sigma}^2-\sigma^2) 的漸近變異數 vv。由均勻分布可得母體平均數 μ=12\mu=\frac12、母體變異數 σ2=112\sigma^2=\frac1{12}。

先將樣本變異數改寫成以母體平均數為中心的形式:

σ^2=1n∑i=1n(Yi−μ)2−(Yˉ−μ)2.\hat{\sigma}^2 = \frac1n\sum_{i=1}^n(Y_i-\mu)^2-(\bar Y-\mu)^2.

由於 Yˉ−μ=Op(n−1/2)\bar Y-\mu=O_p(n^{-1/2}),因此
n(Yˉ−μ)2=Op(n−1/2)→0\sqrt n(\bar Y-\mu)^2=O_p(n^{-1/2})\to 0。所以在乘上 n\sqrt n 後,第二項不影響極限分布;漸近變異數為 (Yi−μ)2(Y_i-\mu)^2 的變異數:

v=Var⁡ ⁣((Yi−μ)2)=E[(Yi−μ)4]−(E[(Yi−μ)2])2.v = \operatorname{Var}\!\left((Y_i-\mu)^2\right) = \mathbb E[(Y_i-\mu)^4]-\left(\mathbb E[(Y_i-\mu)^2]\right)^2.
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第 17 題

  1. Let {(ei,Xi′)}\{(e_i, X_i')\} be a sequence of independent and N(0,Ik+1)N(0, I_{k+1})-distributed random vectors for some k:=dim⁡(Xi)>1k := \dim(X_i) > 1. Assume that YiY_i is a random variable generated by the formula:
    Yi=Xi′Xi+ei.Y_i = X_i' X_i + e_i.

Let h(Xi)h(X_i) be an arbitrary transformation of XiX_i such that E[(Yi−h(Xi))2]\mathbb{E}[(Y_i - h(X_i))^2] is defined, and h∗(Xi)h^*(X_i) be the optimal choice of h(Xi)h(X_i) which minimizes E[(Yi−h(Xi))2]\mathbb{E}[(Y_i - h(X_i))^2]. Which of the following is right?

(A) var[h∗(Xi)]=k\mathrm{var}[h^*(X_i)] = k
(B) var[h∗(Xi)]=3k\mathrm{var}[h^*(X_i)] = 3k
(C) var[h∗(Xi)]=6k\mathrm{var}[h^*(X_i)] = 6k
(D) var[h∗(Xi)]=9k\mathrm{var}[h^*(X_i)] = 9k
(E) None of the above choices (a)-(d).

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核心觀念

以平方誤差衡量預測時,最佳的 h(Xi)h(X_i) 是條件期望:

h∗(Xi)=E[Yi∣Xi].h^*(X_i)=\mathbb{E}[Y_i\mid X_i].

題目給的 (ei,Xi′)(e_i,X_i') 服從 N(0,Ik+1)N(0,I_{k+1}),因此 eie_i 與 XiX_i 相互獨立,且各分量皆為標準常態。題目要算的是最佳預測值 h∗(Xi)h^*(X_i) 的變異數。

解題方法

依原卷第 17 題,Yi=Xi′Xi+eiY_i=X_i'X_i+e_i,其中 XiX_i 是 kk 維向量,k>1k>1;選項列出 k、3k、6k、9kk、3k、6k、9k,以及「以上皆非」。因為 E[ei∣Xi]=0\mathbb{E}[e_i\mid X_i]=0,所以

h∗(Xi)=E[Yi∣Xi]=E[Xi′Xi+ei∣Xi]=Xi′Xi.h^*(X_i) =\mathbb{E}[Y_i\mid X_i] =\mathbb{E}[X_i'X_i+e_i\mid X_i] =X_i'X_i.

令 Xi=(Xi1,…,Xik)′X_i=(X_{i1},\ldots,X_{ik})',則 Xi′Xi=∑j=1kXij2X_i'X_i=\sum_{j=1}^k X_{ij}^2。各分量獨立且服從標準常態,因此 Var⁡(Xij2)=3−1=2\operatorname{Var}(X_{ij}^2)=3-1=2。利用獨立性:

Var⁡[h∗(Xi)]=Var⁡(∑j=1kXij2)=∑j=1kVar⁡(Xij2)=2k.\operatorname{Var}[h^*(X_i)] =\operatorname{Var}\left(\sum_{j=1}^k X_{ij}^2\right) =\sum_{j=1}^k\operatorname{Var}(X_{ij}^2) =2k.
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