112 年 國立臺北大學國際企業研究所《統計學》

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第 1-(1) 題12 分

Under which of the following conditions would you suggest that a double exponential smoothing model should be used instead of a single exponential smoothing model?

(A) When there are two main time-series variables involved in the forecast application

(B) When the data exhibit only random variation

(C) When the time-series data exhibit a trend

(D) When the data set is extremely uneven

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核心觀念

本題考察指數平滑法中,單一指數平滑與雙重指數平滑的適用情況。

**單一指數平滑法(single exponential smoothing)**主要處理具有水準,但沒有明顯趨勢的時間序列。其基本公式為:

St=αYt+(1−α)St−1,0<α<1S_t=\alpha Y_t+(1-\alpha)S_{t-1}, \qquad 0<\alpha<1

其中:

  • YtY_t:第 tt 期實際觀察值
  • StS_t:第 tt 期平滑值
  • α\alpha:平滑常數

單一指數平滑法適合資料只呈現隨機波動,且平均水準大致穩定的情況。

**雙重指數平滑法(double exponential smoothing)**又稱 Holt 雙參數指數平滑法,除了估計資料水準,也額外估計趨勢,因此適合時間序列資料具有明顯上升或下降趨勢時使用。

常見形式為:

Lt=αYt+(1−α)(Lt−1+Tt−1)L_t=\alpha Y_t+(1-\alpha)(L_{t-1}+T_{t-1}) Tt=β(Lt−Lt−1)+(1−β)Tt−1T_t=\beta(L_t-L_{t-1})+(1-\beta)T_{t-1}

其中:

  • LtL_t:第 tt 期的水準估計
  • TtT_t:第 tt 期的趨勢估計
  • α\alpha:水準平滑常數
  • β\beta:趨勢平滑常數

預測未來 mm 期時:

Y^t+m=Lt+mTt\hat{Y}_{t+m}=L_t+mT_t

因此,判斷是否採用雙重指數平滑法的關鍵,在於資料是否具有趨勢成分。

解題方法

本題可直接比較各選項所描述的資料特徵:

  1. 若資料只有隨機變動,使用單一指數平滑法即可。
  2. 若資料具有明顯趨勢,則需要額外估計趨勢,應使用雙重指數平滑法。
  3. 「double」指的是同時平滑水準與趨勢,並不是指有兩個時間序列變數。
  4. 資料是否「極度不均勻」並非選擇雙重指數平滑法的標準判斷依據。

所以正確判斷是資料具有趨勢時使用雙重指數平滑法。

選項分析

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第 1-(2) 題12 分

In a simple exponential smoothing model, which of the following statements is true?

(A) The forecast values are determined by computing a moving average of the previous 4 data periods if we are working with quarterly data.

(B) The larger the smoothing constant, the more smoothing that takes place in the model.

(C) If the data contain a lot of random or irregular ups and downs, then a larger smoothing constant should be used in an attempt to model these fluctuations.

(D) More smoothing of the data will take place if a smoothing constant value close to zero is used.

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核心觀念

本題考查「單純指數平滑法」(Simple Exponential Smoothing, SES)中平滑常數 α\alpha 的意義。

單純指數平滑法的更新公式為:

St=αYt+(1−α)St−1,0<α<1S_t=\alpha Y_t+(1-\alpha)S_{t-1}, \qquad 0<\alpha<1

其中:

  • YtY_t:第 tt 期實際觀察值
  • StS_t:第 tt 期平滑值
  • α\alpha:平滑常數
  • St−1S_{t-1}:前一期平滑值

下一期預測值為:

Y^t+1=St\hat{Y}_{t+1}=S_t

也可寫成:

Y^t+1=αYt+(1−α)Y^t\hat{Y}_{t+1} = \alpha Y_t+(1-\alpha)\hat{Y}_t

α\alpha 越大,最新資料的權重越高,預測值越能快速反映近期變化,因此「平滑程度越低」;α\alpha 越小,歷史平滑值的權重越高,預測線越穩定,受到單期隨機波動的影響越小,因此「平滑程度越高」。

解題方法

判斷本題的關鍵,是掌握 α\alpha 與平滑程度的反向關係:

  • α\alpha 接近 11:重視最新資料,反應快,平滑程度低。
  • α\alpha 接近 00:重視過去平滑值,反應慢,平滑程度高。

因此,直接檢查各選項對「α\alpha、平滑程度、資料波動」三者關係的敘述即可。

選項分析

(A) The forecast values are determined by computing a moving average of the previous 4 data periods if we are working with quarterly data.

錯誤。

單純指數平滑法不是固定計算前 4 期平均值的「四期移動平均法」。季度資料只代表一年包含 4 個季度,並不表示預測時必須取前 4 期資料計算平均。

SES 是利用指數遞減權重處理歷史資料:

St=αYt+(1−α)St−1S_t=\alpha Y_t+(1-\alpha)S_{t-1}

最新資料權重為 α\alpha,更早資料的權重依序遞減為 α(1−α)\alpha(1-\alpha)、α(1−α)2\alpha(1-\alpha)^2 等。因此,它不是固定視窗的移動平均。

**(B) The larger the smoothing constant, the more smoothing that takes place in the mo

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第 1-(3) 題12 分

Which of the following forecasting methods allows the decision maker to weigh the past time series differently to make the model more sensitive to more recent data?

(A) Exponential smoothing

(B) Linear trend regression model

(C) Moving average model

(D) De-seasonalizing the time series

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核心觀念

本題考查時間序列預測方法中,是否能對不同時期的歷史資料給予不同權重,並提高模型對近期資料變化的敏感度。

指數平滑法(Exponential smoothing)的基本公式為:

Ft+1=αAt+(1−α)FtF_{t+1}=\alpha A_t+(1-\alpha)F_t

其中:

  • Ft+1F_{t+1}:第 t+1t+1 期的預測值
  • AtA_t:第 tt 期的實際值
  • FtF_t:第 tt 期的預測值
  • α\alpha:平滑常數,且 0<α<10<\alpha<1

將公式持續展開,可得:

Ft+1=αAt+α(1−α)At−1+α(1−α)2At−2+⋯F_{t+1} = \alpha A_t+\alpha(1-\alpha)A_{t-1} +\alpha(1-\alpha)^2A_{t-2}+\cdots

因此,越近期的資料,其權重越大;越早期的資料,其權重會以幾何級數遞減。當 α\alpha 越大時,模型越重視最新資料,對近期變化也越敏感。

解題方法

題幹的關鍵敘述是:

weigh the past time series differently
make the model more sensitive to more recent data

意思是「對過去各期資料給予不同權重,並提高模型對近期資料的敏感度」。

符合此特徵的方法是指數平滑法。其權重結構如下:

α,α(1−α),α(1−α)2,…\alpha,\quad \alpha(1-\alpha),\quad \alpha(1-\alpha)^2,\quad \ldots

這些權重並不相同,且距離目前越近的資料權重越高,所以正確答案為選項(A)。

選項分析

(A)Exponential smoothing

正確。

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第 1-(4) 題12 分

A company has developed a linear trend regression model based on 16 quarters of data. The independent variable is the measure of time, t=1t=1 through 1616, where quarter 1 is winter quarter, quarter 2 is spring, etc. The company has also developed seasonal indexes for each quarter as follows:

Winter: 1.201.20

Spring: 1.001.00

Summer: 0.700.70

Fall: 1.101.10

The linear trend forecast equation is:

y^=120+56t\hat{y}=120+56t

Given this information, what is the seasonally adjusted forecast for period 19?

(A) 1,064

(B) 1,184

(C) 828.80

(D) 986.7

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核心觀念

本題考查「線性趨勢預測」結合「季節指數」的乘法型季節調整。

線性趨勢預測式為:

y^t=a+bt\hat{y}_t=a+bt

其中:

  • tt:時間期數
  • y^t\hat{y}_t:第 tt 期的趨勢預測值
  • 季節指數:反映該季相對於平均水準的季節性高低

若採用乘法型季節模型,加入季節因素後的預測值為:

季節調整後預測值=趨勢預測值×該季季節指數\text{季節調整後預測值} = \text{趨勢預測值}\times\text{該季季節指數}

解題方法

步驟一:計算第 19 期的趨勢預測值

題目給定:

y^=120+56t\hat{y}=120+56t

代入 t=19t=19:

y^19=120+56(19)\hat{y}_{19}=120+56(19) y^19=120+1064=1184\hat{y}_{19}=120+1064=1184

因此,第 19 期尚未考慮季節因素的趨勢預測值為 11841184。

步驟二:判斷第 19 期所屬季節

題目規定:

  • 第 1 期:Winter
  • 第 2 期:Spring
  • 第 3 期:Summer
  • 第 4 期:Fall

每 4 期循環一次。因為:

19=4×4+319=4\times4+3

所以第 19 期對應第 3 季,即 Summer,其季節指數為 0.700.70。

步驟三:加入季節指數

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📄 以下 9 題共用同一段題幹
  1. Research in Smoking Behaviours (30%)

When the questions ask you to explain in “plain language,” it means your descriptions should let everyone who never studies statistics understand what you say.

We were interested in understanding smokers’ behaviours, so we conducted a survey, collecting data via a questionnaire with variables such as gender, age, number of cigarettes smoked per week, and number of friends who smoke, etc. The number of samples is 81. The following calculations are given:

  • Average number of cigarettes smoked per week: 78.7078.70
  • Standard deviation of the number of cigarettes smoked per week: 68.2168.21
  • Correlation coefficient for age and number of cigarettes smoked per week: 0.290.29

We took two variables, number of cigarettes smoked per week and number of friends who smoke, to further examine their relationship, and came up with the equation for the trendline as the scatterplot below:

y=33.681x+1.3326y=33.681x+1.3326

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

第 2-(1) 題30 分

Calculate the zz-score for someone who smokes 100 cigarettes per week. Round both values to 2 decimals.

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核心觀念

本題考查標準分數(zz-score)的計算。zz-score 用來表示某筆資料距離平均數幾個標準差,公式為:

z=x−xˉsz=\frac{x-\bar{x}}{s}

其中:

  • xx:個人實際數值
  • xˉ\bar{x}:樣本平均數
  • ss:樣本標準差

解題方法

已知:

  • 每週平均吸菸數 xˉ=78.70\bar{x}=78.70
  • 標準差 s=68.21s=68.21
  • 個人每週吸菸數 x=100x=100

代入公式:

z=100−78.7068.21z=\frac{100-78.70}{68.21}

先計算個人數值與平均數的差距:

100−78.70=21.30100-78.70=21.30

因此:

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第 2-(2) 題30 分

Explain what the zz-score means in plain language.

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核心觀念

本題考查標準分數(zz-score)的定義與解釋。zz-score$ 用來表示某一筆資料相對於平均數的位置,並以「標準差」作為衡量距離的單位。

公式為:

z=x−xˉsz=\frac{x-\bar{x}}{s}

其中:

  • xx:某位受訪者每週抽菸支數
  • xˉ=78.70\bar{x}=78.70:樣本平均每週抽菸支數
  • s=68.21s=68.21:樣本標準差

因此,本題的計算式為:

z=x−78.7068.21z=\frac{x-78.70}{68.21}

解題方法

先將個人的觀察值 xx 與平均數 78.7078.70 比較,再除以標準差 68.2168.21,即可知道此人的抽菸支數距離平均數幾個標準差。

例如,若某人每週抽菸:

x=146.91x=146.91

則:

z=146.91−78.7068.21=68.2168.21=1z=\frac{146.91-78.70}{68.21} =\frac{68.21}{68.21} =1

這代表此人每週抽菸數比平均數多 11 個標準差。

若某人每週抽菸:

x=10.49x=10.49

則:

z=10.49−78.7068.21=−68.2168.21=−1z=\frac{10.49-78.70}{68.21} =\frac{-68.21}{68.21} =-1

這代表此人每週抽菸數比平均數少 $1

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第 2-(3) 題30 分

Based on the correlation coefficient for age and the number of cigarettes smoked per week, please explain the relationship between these two variables in plain language.

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核心觀念

本題考查皮爾森相關係數(correlation coefficient)對兩個數值變數之間「線性關係方向與強弱」的判讀。

相關係數以 rr 表示,範圍為:

−1≤r≤1-1 \leq r \leq 1
  • r>0r>0:正相關,一個變數增加時,另一個變數通常也有增加傾向。
  • r<0r<0:負相關,一個變數增加時,另一個變數通常有減少傾向。
  • r=0r=0:沒有線性相關。
  • ∣r∣|r| 越接近 11,線性關係越強;越接近 00,線性關係越弱。

本題給定年齡與每週吸菸支數的相關係數為:

r=0.29r=0.29

解題方法

先判斷相關係數的正負,再判斷其絕對值大小。

1. 判斷關係方向

因為:

r=0.29>0r=0.29>0

所以年齡與每週吸菸支數之間呈現正相關。

用白話說,年齡較大的人,每週吸菸支數通常有較多的傾向;年齡較小的人,每週吸菸支數通常有較少的傾向。

2. 判斷關係強弱

相關係數的絕對值為:

∣r∣=0.29|r|=0.29
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第 2-(4) 題30 分

Based on what you see in this scatterplot, determine which is the independent variable and which is the dependent variable, and explain the purpose of this regression analysis.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 2 頁

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核心觀念

本題考查迴歸分析中「自變數」與「依變數」的判定,以及建立迴歸模型的目的。

線性迴歸方程式為:

y^=b0+b1x\hat{y}=b_0+b_1x

其中:

  • xx:自變數(independent variable),用來解釋或預測另一變數。
  • yy:依變數(dependent variable),是研究者想解釋或預測的結果。
  • b0b_0:截距。
  • b1b_1:斜率。

解題方法

由散佈圖的座標軸可知:

  • 橫軸 xx 為「number of friends who smoke」,即吸菸朋友的人數。
  • 縱軸 yy 為「number of cigarettes smoked per week」,即每週吸菸支數。

題目給出的趨勢線為:

y^=33.681x+1.3326\hat{y}=33.681x+1.3326

方程式中,xx 被放在右側作為解釋變數,yy 則是被預測的結果。因此:

  • 自變數:吸菸朋友的人數 xx。
  • 依變數:每週吸菸支數 yy。
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第 2-(5) 題30 分

Explain in plain language what the slope and the intercept mean, respectively, in this example.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 2 頁

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核心觀念

本題考查簡單線性迴歸方程式:

y=b1x+b0y=b_1x+b_0

其中:

  • xx:自變數,本題為「有吸菸習慣的朋友人數」。
  • yy:依變數,本題為「每週吸菸支數」。
  • b1b_1:斜率,表示 xx 增加一單位時,預測的 yy 平均改變量。
  • b0b_0:截距,表示 x=0x=0 時,預測的 yy 數值。

題目給出的迴歸線為:

y=33.681x+1.3326y=33.681x+1.3326

因此,斜率為 33.68133.681,截距為 1.33261.3326。

解題方法

先依照散佈圖的座標軸辨認變數:

  • 橫軸 xx 是有吸菸習慣的朋友人數。
  • 縱軸 yy 是每週吸菸支數。

再將迴歸式與一般形式

y=b1x+b0y=b_1x+b_0

比較,即可得到:

b1=33.681,b0=1.3326b_1=33.681,\qquad b_0=1.3326
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第 2-(6) 題30 分

The R2R^2 value is 0.72640.7264. Please explain what it means in plain language.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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核心觀念

本題考查迴歸分析中的決定係數 R2R^2。

決定係數的定義為:

R2=迴歸模型所解釋的變異應變數的總變異R^2=\frac{\text{迴歸模型所解釋的變異}}{\text{應變數的總變異}}

它表示自變數「每週有吸菸朋友人數」對應變數「每週吸菸支數」的變化,能夠解釋多少比例。

解題方法

已知:

R2=0.7264R^2=0.7264

將其換算成百分比:

0.7264×100%=72.64%0.7264\times 100\%=72.64\%

因此,這條迴歸線可以解釋每週吸菸支數變異的 72.64%72.64\%。

其餘未被模型解釋的比例為:

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第 2-(7) 題30 分

Based on the regression equation given, how many cigarettes would you expect someone to smoke in an average week if they have 4 friends who smoke? Show your calculations and round to a whole number.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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核心觀念

本題考查線性迴歸方程式的代入與預測。迴歸方程式為:

y=33.681x+1.3326y=33.681x+1.3326

其中:

  • xx:有吸菸習慣的朋友人數
  • yy:預期每週吸菸支數

當題目給定朋友人數時,將 xx 的數值代入方程式,即可估計每週吸菸支數。

解題方法

已知某人有 44 位會吸菸的朋友,因此:

x=4x=4

代入迴歸方程式:

y=33.681(4)+1.3326y=33.681(4)+1.3326
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第 2-(8) 題30 分

Can you also make a prediction for someone with 15 friends that smoke?

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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核心觀念

本題考查「線性迴歸方程式」的預測。已知迴歸趨勢線為

y=33.681x+1.3326y=33.681x+1.3326

其中:

  • xx:有吸菸習慣的朋友人數
  • yy:每週預測吸菸支數

當已知某人有 1515 位朋友吸菸時,將 x=15x=15 代入迴歸方程式,即可預測其每週吸菸量。

解題方法

代入 x=15x=15:

y=33.681(15)+1.3326y=33.681(15)+1.3326

先計算斜率項:

33.681(15)=505.21533.681(15)=505.215

因此:

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第 2-(9) 題30 分

Based on the results of the regression analysis, what could be the health implications to people who smoke?

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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核心觀念

本題考察線性迴歸的結果解讀,重點包括:

  • 迴歸斜率 b=33.681b=33.681:表示自變數增加 11 單位時,應變數的平均預測值改變多少。
  • 正斜率代表兩變數呈正向關係。
  • 迴歸關係只能說明「關聯」,不能直接證明因果關係。

本題迴歸式為:

y=33.681x+1.3326y=33.681x+1.3326

其中:

  • xx:有抽菸習慣的朋友人數
  • yy:每週抽菸支數

解題方法

由於斜率 33.681>033.681>0,表示有抽菸朋友越多的人,平均而言每週抽菸支數也越多。

具體而言,xx 每增加 11 人,模型預測每週抽菸量平均增加:

33.681 支33.681\text{ 支}

這顯示抽菸者的社交環境與抽菸量存在正向關聯。身邊有較多抽菸朋友,可能增加接觸香菸、受到同儕影響或維持抽菸習慣的機會,進而使抽菸量較高。

抽菸量增加代表接觸菸草煙霧及有害物質的暴露量可能增加,因此可能提高罹患肺癌、心血管疾病、慢性肺部疾病等抽菸相關疾病的風險,也可能增加尼古丁依賴程度。

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📄 以下 2 題共用同一段題幹

You can find a Consumer Price Index (CPI) table of a fictional country “Ostania” below.

Year20182019202020212022
CPI101.3102.1108.5114.2120.4

第 3-(1) 題8 分

Compared to 2020, how much more expensive are consumer goods and services in 2022 in Ostania? Calculate your answer in percentages and round to 2 decimals.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查消費者物價指數(CPI)的相對變動率。CPI 反映同一籃消費財與服務的價格水準,從 2020 年至 2022 年的價格上漲百分比為:

價格變動率=2022年CPI−2020年CPI2020年CPI×100%\text{價格變動率} = \frac{\text{2022年CPI}-\text{2020年CPI}}{\text{2020年CPI}} \times 100\%

解題方法

由題目得知:

  • 2020 年 CPI:108.5108.5
  • 2022 年 CPI:120.4120.4

先計算 CPI 增加量:

120.4−108.5=11.9120.4-108.5=11.9
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第 3-(2) 題8 分

Mr Loid Forger has been living in Ostania since 2020 and has earned €4250 net per month in 2020. In 2022 his salary was €4650 net per month. Has Mr Forger’s salary, when adjusted for inflation, increased or decreased in 2022 compared to 2020? By what percentage? Show your calculations. Round to 2 decimals.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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核心觀念

本題考查 CPI 衡量物價水準的功能,以及「名目薪資」轉換為「實質薪資」的方法。

以 2020 年為基準,比較 2022 年薪資時,應將 2022 年薪資換算成 2020 年的購買力:

2022年實質薪資(以2020年價格計)=2022年名目薪資×CPI2020CPI2022\text{2022年實質薪資(以2020年價格計)} = \text{2022年名目薪資} \times \frac{\text{CPI}_{2020}}{\text{CPI}_{2022}}

解題方法與計算

2020 年薪資為 €4250,2022 年名目薪資為 €4650。

將 2022 年薪資換算為 2020 年購買力:

4650×108.5120.4=4186.544650\times\frac{108.5}{120.4} =4186.54
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📄 以下 3 題共用同一段題幹

A metaverse company analyzes the sales situation in 111 years and determines the relationship between the payment method and the price category of consumers purchasing metaverse goods. It obtains the following joint probability table:

ItemCashCredit cardDebit card
Below 10,000 yuan0.090.030.04
10,000–100,000 yuan0.050.210.18
More than 100,000 yuan0.030.230.14

第 4-(1) 題15 分

What is the proportion of consumer payments made by using debit cards?

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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核心觀念

本題考查聯合機率表中的「邊際機率」。使用 debit card 的總比例,等於 debit card 欄中各價格區間聯合機率的總和:

P(Debit card)=∑P(價格區間且使用 Debit card)P(\text{Debit card}) =\sum P(\text{價格區間且使用 Debit card})

解題方法

由表中 debit card 欄位可得:

  • 消費金額低於 10,000 元:0.040.04
  • 消費金額介於 10,000–100,000 元:0.180.18
  • 消費金額超過 100,000 元:0.140.14

因此,使用 debit card 的比例為:

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第 4-(2) 題15 分

What is the probability that consumers will spend more than 100,000 yuan when they use a credit card to pay for a transaction?

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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核心觀念

本題考查條件機率。已知消費者使用信用卡付款,求其消費金額超過 100,000 元的機率,使用公式:

P(A∣B)=P(A∩B)P(B)P(A\mid B)=\frac{P(A\cap B)}{P(B)}

其中:

  • AA:消費金額超過 100,000 元
  • BB:使用信用卡付款

解題方法

由聯合機率表可得:

使用信用卡的總機率為:

P(B)=0.03+0.21+0.23=0.47P(B)=0.03+0.21+0.23=0.47

同時符合「消費金額超過 100,000 元」與「使用信用卡」的聯合機率為:

P(A∩B)=0.23P(A\cap B)=0.23
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第 4-(3) 題15 分

What is the proportion of purchases paid by consumers using credit or debit cards for financial transactions?

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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核心觀念

本題考查聯合機率表的邊際機率。信用卡或金融卡付款代表兩種互斥的付款方式,因此:

P(信用卡或金融卡)=P(信用卡)+P(金融卡)P(\text{信用卡或金融卡}) = P(\text{信用卡})+P(\text{金融卡})

解題方法

先加總信用卡欄的聯合機率:

P(信用卡)=0.03+0.21+0.23=0.47P(\text{信用卡})=0.03+0.21+0.23=0.47

再加總金融卡欄的聯合機率:

P(金融卡)=0.04+0.18+0.14=0.36P(\text{金融卡})=0.04+0.18+0.14=0.36

信用卡與金融卡不可能同時作為同一筆交易的付款方式,因此直接相加:

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📄 以下 2 題共用同一段題幹

Assuming that the operating income of the head office and branches of the international business is in line with the bivariate normal distribution, the operating income of the international business head office in the 111th year is subject to the normal distribution with a mean value of 170 and a standard deviation of 10. The operating income of the branch is subject to the normal distribution with a mean value of 170 and a variance of 10. The correlation coefficient between these two is 0.6. Today, considering a group of international businesses with a total operating income of 175.

第 5-(1) 題10 分

What is the average operating income of its branches?

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核心觀念

本題考查「二元常態分配下的條件期望值」。

設:

  • XX:總公司營業收入
  • YY:分公司營業收入
  • S=X+YS=X+Y:國際企業總營業收入

已知:

X∼N(170,102)X\sim N(170,10^2) Y∼N(170,10)Y\sim N(170,10)

因此:

μX=170,σX=10\mu_X=170,\quad \sigma_X=10 μY=170,σY=10\mu_Y=170,\quad \sigma_Y=\sqrt{10}

相關係數為:

ρXY=0.6\rho_{XY}=0.6

二元常態分配下,條件期望值公式為:

E(Y∣S=s)=μY+Cov⁡(Y,S)Var⁡(S)(s−μS)E(Y\mid S=s) = \mu_Y+ \frac{\operatorname{Cov}(Y,S)}{\operatorname{Var}(S)} (s-\mu_S)

其中:

μS=μX+μY\mu_S=\mu_X+\mu_Y

且:

Cov⁡(Y,S)=Cov⁡(Y,X+Y)=Cov⁡(X,Y)+Var⁡(Y)\operatorname{Cov}(Y,S) = \operatorname{Cov}(Y,X+Y) = \operatorname{Cov}(X,Y)+\operatorname{Var}(Y)

解題方法

題目給定總營業收入為 S=175S=175,要求分公司的平均營業收入,即求:

E(Y∣X+Y=175)E(Y\mid X+Y=175)

先計算總公司與分公司營業收入的共變異數:

Cov⁡(X,Y)=ρXYσXσY\operatorname{Cov}(X,Y) = \rho_{XY}\sigma_X\sigma_Y =0.6(10)(10)=610=0.6(10)(\sqrt{10}) = 6\sqrt{10}

總營業收入的平均數為:

μS=μX+μY=170+170=340\mu_S=\mu_X+\mu_Y=170+170=340

總營業收入的變異數為:

Var⁡(S)=Var⁡(X+Y)\operatorname{Var}(S) = \operatorname{Var}(X+Y)
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第 5-(2) 題10 分

What is the proportion of operating income exceeding 175?

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核心觀念

本題考查兩個具相關性的常態變數之和。

令:

  • 總公司營業收入為 XX,則 X∼N(170,102)X\sim N(170,10^2);
  • 分公司營業收入為 YY,則 Y∼N(170,10)Y\sim N(170,10),其中第二個參數為變異數;
  • 相關係數為 ρXY=0.6\rho_{XY}=0.6。

總營業收入定義為:

T=X+YT=X+Y

若 XX 與 YY 聯合服從二元常態分配,則其線性組合 T=X+YT=X+Y 仍服從常態分配。


解題方法

總營業收入的平均數為:

μT=μX+μY=170+170=340\mu_T=\mu_X+\mu_Y=170+170=340

總營業收入的變異數不能直接將兩個變異數相加,必須加入共變異數:

Var⁡(T)=Var⁡(X)+Var⁡(Y)+2Cov⁡(X,Y)\operatorname{Var}(T) = \operatorname{Var}(X)+\operatorname{Var}(Y)+2\operatorname{Cov}(X,Y)

其中:

Cov⁡(X,Y)=ρXYσXσY\operatorname{Cov}(X,Y) = \rho_{XY}\sigma_X\sigma_Y

已知:

σX=10,σY=10\sigma_X=10,\qquad \sigma_Y=\sqrt{10}

因此:

Cov⁡(X,Y)=0.6(10)(10)=610\operatorname{Cov}(X,Y) = 0.6(10)(\sqrt{10}) = 6\sqrt{10}

故:

Var⁡(T)=100+10+2(610)=110+1210≈147.947\operatorname{Var}(T) = 100+10+2(6\sqrt{10}) = 110+12\sqrt{10} \approx147.947

總營業收入的標準差為:

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📄 以下 5 題共用同一段題幹

An international business uses a simple linear regression model to estimate the relationship between the number of advertisements XX and the sales amount YY. According to the monthly data of the business from January to October, 111, the average value of the 10 sales is 130, while the variation is 1748. As for the average number of 10 advertisements, it is 14. Additionally, the covariance between the sales amount YY and the number of advertisements XX is 316. Also, the regression equation estimated using the classical least squares method (OLS) is:

Y=60+5XY=60+5X

第 6-(1) 題25 分

If the sales amount in March is 88, and the number of advertisements in this month is 8, please estimate the fitted value for the sales amount in March, 111.

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核心觀念

本題考查簡單線性迴歸中「迴歸方程式的配適值」計算。

已知 OLS 迴歸方程式為:

Y^=60+5X\hat{Y}=60+5X

其中:

  • Y^\hat{Y}:銷售金額 YY 的配適值或預測值
  • XX:廣告數量
  • 6060:截距
  • 55:迴歸係數,表示廣告數量每增加 11 單位,預測銷售金額平均增加 55 單位

配適值是將觀察到的 XX 代入迴歸方程式所得到的 Y^\hat{Y}。

解題方法

三月的廣告數量為:

X=8X=8

代入迴歸方程式:

Y^=60+5X\hat{Y}=60+5X

因此:

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第 6-(2) 題25 分

Continuing from the previous question, please estimate the residual value of the sales amount in March.

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核心觀念

簡單線性迴歸的殘差,是實際觀測值與迴歸方程式預測值之差:

ei=Yi−Y^ie_i=Y_i-\hat{Y}_i

其中,Y^i\hat{Y}_i 為預測銷售額。題目給定迴歸方程式:

Y^=60+5X\hat{Y}=60+5X

因此,三月的殘差為:

e三月=Y三月−(60+5X三月)e_{\text{三月}}=Y_{\text{三月}}-\left(60+5X_{\text{三月}}\right)

解題方法

將三月的廣告數量 X三月X_{\text{三月}} 代入迴歸方程式,可得到三月預測銷售額:

Y^三月=60+5X三月\hat{Y}_{\text{三月}}=60+5X_{\text{三月}}

再以三月實際銷售額減去預測銷售額:

e三月=Y三月−Y^三月=Y三月−(60+5X三月)e_{\text{三月}} =Y_{\text{三月}}-\hat{Y}_{\text{三月}} =Y_{\text{三月}}-\left(60+5X_{\text{三月}}\right)

殘差為正,表示實際銷售額高於模型預測;殘差為負,表示實際銷售額低於模型預測。

資料完整性判斷

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第 6-(3) 題25 分

Estimate the coefficient of determination (R2R^2).

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核心觀念

本題考查線性迴歸中的決定係數 R2R^2,代表迴歸模型所能解釋的應變數 YY 總變異比例:

R2=迴歸平方和總平方和R^2=\frac{\text{迴歸平方和}}{\text{總平方和}}

在含截距項的簡單線性迴歸中,也可利用斜率估計值、XX 與 YY 的共變異數,以及 YY 的變異數直接計算:

R2=β^1Cov⁡(X,Y)Var⁡(Y)R^2=\frac{\hat{\beta}_1\operatorname{Cov}(X,Y)}{\operatorname{Var}(Y)}

其中:

  • β^1\hat{\beta}_1:迴歸線斜率
  • Cov⁡(X,Y)\operatorname{Cov}(X,Y):XX 與 YY 的共變異數
  • Var⁡(Y)\operatorname{Var}(Y):YY 的變異數

題目中的「variation」視為銷售額 YY 的變異數,即:

Var⁡(Y)=1748\operatorname{Var}(Y)=1748

解題方法

已知迴歸方程式為:

Y^=60+5X\hat{Y}=60+5X

因此斜率為:

β^1=5\hat{\beta}_1=5

又已知:

Cov⁡(X,Y)=316\operatorname{Cov}(X,Y)=316

以及:

Var⁡(Y)=1748\operatorname{Var}(Y)=1748

根據簡單線性迴歸的決定係數公式:

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第 6-(4) 題25 分

Please estimate the correlation (CORR) between the sales amount YY and the number of advertisements XX.

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核心觀念

本題考查簡單線性迴歸中,相關係數與共變異數、變異數之間的關係。

相關係數定義為:

rXY=Cov⁡(X,Y)Var⁡(X)Var⁡(Y)r_{XY}=\frac{\operatorname{Cov}(X,Y)} {\sqrt{\operatorname{Var}(X)\operatorname{Var}(Y)}}

題目已知:

  • YY 的平均數為 130130
  • YY 的變異數為 17481748
  • XX 的平均數為 1414
  • XX 與 YY 的共變異數為 316316
  • OLS 迴歸式為 Y=60+5XY=60+5X

關鍵在於利用迴歸斜率:

β^1=Cov⁡(X,Y)Var⁡(X)\hat{\beta}_1 = \frac{\operatorname{Cov}(X,Y)} {\operatorname{Var}(X)}

因此可由斜率 55 反推出 XX 的變異數。

解題方法

第一步:由迴歸斜率求 Var⁡(X)\operatorname{Var}(X)

迴歸式

Y=60+5XY=60+5X

的斜率為:

β^1=5\hat{\beta}_1=5

又因為:

β^1=Cov⁡(X,Y)Var⁡(X)\hat{\beta}_1 = \frac{\operatorname{Cov}(X,Y)} {\operatorname{Var}(X)}

代入題目資料:

5=316Var⁡(X)5=\frac{316}{\operatorname{Var}(X)}

所以:

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第 6-(5) 題25 分

In the case that the significant level alpha (α\alpha) is equal to 0.050.05, please use the TT test approach to test the hypothesis that the number of advertisements XX affects the sales amount YY. That is, please check whether the slope value of the regression linear relationship is zero or not.

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核心觀念

本題考驗簡單線性迴歸中,斜率的 tt 檢定。模型為

Yi=β0+β1Xi+εiY_i=\beta_0+\beta_1X_i+\varepsilon_i

要檢定廣告數量 XX 是否影響銷售金額 YY,等價於檢定母體迴歸斜率是否為零:

H0:β1=0H_0:\beta_1=0 H1:β1≠0H_1:\beta_1\neq 0

因為是雙尾檢定,顯著水準為 α=0.05\alpha=0.05。

斜率估計量的檢定統計量為

t=b1−β1,0SE(b1)t=\frac{b_1-\beta_{1,0}}{SE(b_1)}

其中

SE(b1)=MSESxxSE(b_1)=\sqrt{\frac{MSE}{S_{xx}}}

且自由度為

n−2=10−2=8n-2=10-2=8

解題方法與計算

已知:

  • 樣本數:n=10n=10
  • YY 的樣本變異數:sY2=1748s_Y^2=1748
  • XX 與 YY 的樣本共變異數:sXY=316s_{XY}=316
  • 估計迴歸式:
Y^=60+5X\hat{Y}=60+5X

因此斜率估計值為

b1=5b_1=5

1. 求 SxxS_{xx}

在簡單線性迴歸中,

b1=SxySxxb_1=\frac{S_{xy}}{S_{xx}}

因此

Sxx=Sxyb1S_{xx}=\frac{S_{xy}}{b_1}

由樣本共變異數定義:

Sxy=(n−1)sXY=9(316)=2844S_{xy}=(n-1)s_{XY}=9(316)=2844

所以

Sxx=28445=568.8S_{xx}=\frac{2844}{5}=568.8

2. 求殘差平方和 SSESSE

迴歸平方和分解關係為

SSE=Syy−b1SxySSE=S_{yy}-b_1S_{xy}

其中

Syy=(n−1)sY2=9(1748)=15732S_{yy}=(n-1)s_Y^2=9(1748)=15732

因此

SSE=15732−5(2844)SSE=15732-5(2844) SSE=15732−14220=1512SSE=15732-14220=1512

3. 求誤差均方 MSEMSE

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