111 年 國立臺灣大學農藝系暨研究所生物統計甲組《統計理論》
第 1 題
Let be a random sample from a population with pdf given by
(a) (10 points) Please use the moment generating function (mgf) to show that the first two population moments are and , respectively.
(b) (5 points) Find the method of moment estimator for .
(c) (5 points) Identify a sufficient statistic for .
(d) (5 points) Find the maximum likelihood estimator (MLE) for .
(e) (5 points) If with , then find the distribution of .
(f) (5 points) Find the distribution of the random variable .
(g) (5 points) Use (f) to show whether the MLE is an unbiased estimator. If not, please propose an unbiased estimator based on the MLE.
(h) (5 points) Comment on whether there exists another unbiased estimator with smaller variance than the estimator in (g).
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題主要考查:
- 常態分布的動差生成函數(mgf)與母體動差。
- 動差法估計量(method of moments estimator)。
- Neyman–Fisher 因子分解定理與充分統計量。
- 最大概似估計法(MLE)。
- 卡方分布與 Gamma 分布的轉換。
- 估計量的無偏性。
- Rao–Blackwell 定理與 Lehmann–Scheffé 定理。
由題目中的機率密度函數可辨認:
但各小題仍須依指定方法推導。
(a) 利用 mgf 求 與
隨機變數 的 mgf 為
合併指數部分:
因此
積分部分為 ,所以
由 mgf 與動差的關係:
先求一階導數:
故
再求二階導數:
因此
(b) 動差法估計量
由 (a) 得到母體二階動差:
樣本二階原點動差為
動差法令樣本動差等於母體動差:
解出 :
(c) 的充分統計量
樣本聯合機率密度函數為
整理得
可寫成
依 Neyman–Fisher 因子分解定理,
是 的充分統計量。
任何一對一函數轉換也同樣充分,因此 亦為充分統計量。
(d) 最大概似估計量
對數概似函數為
對 微分:
令一階導數等於 :
因此
再求二階導數:
所以此臨界點確實給出最大值。
(e) 的分布
由
可求 的 mgf:
代入 :
常態分布 的 mgf 為
因此
所以
(f) 的分布
對每個 定義
由 (e),
因此
第 2 題5 分
Let be independent identically distributed random variables from an Exponential distribution with an unknown parameter . Consider the class of estimators, , where is the indicator function.
Determine the value of that minimizes the mean square error (MSE). Note that the pdf of the exponential distribution is for .
登入後即可作答並保存紀錄。
此題考察指數分佈的性質,以及如何最小化估計量的均方誤差 (MSE)。
核心觀念:
- 指數分佈的機率密度函數 (PDF) 和累積分布函數 (CDF)。
- 隨機變數和的期望值與方差。
- 均方誤差 (MSE) 的定義:。
- 如何根據 MSE 的定義找出最佳參數。
解題過程:
給定的指數分佈 PDF 為 ,對 。
指數分佈的 CDF 為 ,對 。
由於 是指數分佈的定義域,所以 對於所有 恆成立。
因此,指示函數 的值恆為 1。
估計量可以簡化為 。
令 。
。
首先,我們需要計算 的期望值和方差。
對於單個指數分佈的隨機變數 :
由於 是獨立同分佈的,所以 的期望值和方差為:
(由於獨立性)
現在,我們計算 的期望值、偏差和方差。
接下來,我們計算 的均方誤差 (MSE)。
第 3 題
Two nominal random variables X and Y, each variable has two categories. If each individual in the population can be cross-classified according to whether X=1 or 2 and Y=1 or 2. Let joint probability , and . Then, the marginal distribution of X is , , and the marginal distribution of Y is , .
(a) (5 points) If X and Y are independent, show that , , , and .
When a sample is randomly collected from the population in a fixed time interval, let be the number of individuals that and . In this case, follow a Poisson distribution with pmf: , and .
To test vs. . (Hint: )
(b) (5 points) Write down the likelihood ratio(LR) test statistic and what distribution does it approximately follow?
(c) (5 points) Show that the LR test statistic is approximation to Pearson's Chi-square statistic.
When a sample is randomly collected from the population with a fixed size , let be the number of individuals that and , and . In this case, follow a multinomial distribution with pmf .
To test vs. . (Hint: )
(d) (5 points) Write down the likelihood ratio(LR) test statistic and what distribution does it approximately follow?
(e) (5 points) Show that the LR test statistic is approximation to Pearson's Chi-square statistic.
When a sample with size is randomly collected from the population conditional on and let be the number of individual that , then will follow a binomial distribution . And another sample with size is randomly collected from the population conditional on and let be the number of individual that , then will follow a binomial distribution .
To test vs. . (Hint: )
(f) (5 points) Write down the likelihood ratio(LR) test statistic and what distribution does it approximately follow?
(g) (5 points) Show that the LR test statistic is approximation to Pearson's Chi-square statistic.
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題整合三種抽樣架構下的「列聯表獨立性檢定」:
- 母體列聯表中的獨立性表示法。
- Poisson 抽樣下的 likelihood ratio test。
- Multinomial 抽樣下的 likelihood ratio test。
- 兩個獨立 Binomial 比例相等的 likelihood ratio test。
三種情況的共同結論是:
- LR 統計量為 deviance:
- 在虛無假設成立且樣本數充分大時, 近似服從自由度為 的卡方分布。
- 利用題目所給近似式,可證明 近似等於 Pearson 卡方統計量:
(a)獨立性下的聯合機率
若 與 獨立,則依獨立性的定義,
題目以 表示總機率,因此
在一般未標準化的寫法中,獨立性可表示為
因此:
由於機率總和為 ,本題實際上有 ,所以也可寫成
例如:
Poisson 抽樣
令四個細格計數相互獨立,且
記:
(b)Poisson 抽樣下的 LR 統計量與其分布
解題方法
在完整模型 下,四個細格平均數 均可自由估計,因此最大概似估計為
在獨立性虛無假設 下,平均數必須具有乘積形式:
其最大概似估計所產生的期望細格數為
因此,Poisson 模型的 likelihood ratio 統計量為
代入期望值後:
若某一格 ,採用慣例:
近似分布
完整模型有 個參數;獨立性模型有 個自由參數,因此差異為
依 Wilks 定理,在 成立且樣本數充分大時,
(c)證明 Poisson LR 統計量近似 Pearson 卡方統計量
令
題目給定:
因此:
近似為
整理得:
在 Poisson 模型中,
而擬合值也滿足
所以:
因此第一項消失,得到:
右側正是 Pearson 卡方統計量:
故:
Multinomial 抽樣
現在固定總樣本數 ,且
此時:
(d)Multinomial 抽樣下的 LR 統計量與其分布
完整模型
在 下,四個機率滿足
因此只有 個自由參數。最大概似估計為
獨立性模型
在 下:
其最大概似估計為
因此虛無假設下的期望細格數為
Multinomial likelihood ratio 統計量為
代入兩模型的估計值:
因此:
等價地,使用期望細格數表示:
近似分布
完整模型有 個自由參數;獨立性模型有 個自由參數,因此:
所以在 成立且樣本數充分大時,
(e)證明 Multinomial LR 統計量近似 Pearson 卡方統計量
令:
利用題目給定的近似式:
代入 LR 統計量:
第 4 題
Let be the number of calls received during any one hour, and follow a Poisson distribution with pmf: , . To test vs. , and we know
(a) (3 points) Write down the test statistic.
(b) (3 points) When significant level is set as 0.05, fine the rejection region of .
(c) (3 points) When , reject . Find the probability of type I error.
(d) (3 points) Test vs. with the same significant level given in Question(c), find the rejection region.
(e) (3 points) When , reject . Find the probability of type II error when for small .
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考查:
- Poisson 分配的機率質量函數。
- 假設檢定中的檢定統計量與拒絕域。
- 第一型錯誤與第二型錯誤。
- 複合虛無假設下的檢定大小。
- Poisson 分配具有單調似然比,因此對於檢定 ,觀察值越大越支持對立假設。
對任意 ,似然比可寫為
因為 ,上式隨 遞增,所以應在 很大時拒絕 。
(a) 檢定統計量
由於樣本只有一個觀察值 ,且似然比隨 單調遞增,因此檢定統計量直接取
當 越大,表示觀察到的來電數越多,越支持 。
(b) 顯著水準為 時的拒絕域
因為對立假設為 ,拒絕域應採右尾形式:
在 下,利用 Poisson 分配計算右尾機率:
而
因此,最大的整數臨界值為 ,標準的非隨機化拒絕域為
此檢定的實際顯著水準為
由於離散型分配通常無法恰好達到 ,所以實際顯著水準只要求不超過 。
若要求恰好達到 ,可在 時以隨機機率 拒絕。由
可得
但一般考試所求的拒絕域採用非隨機化形式,即 。
(c) 當 時拒絕 ,第一型錯誤機率
第一型錯誤是「 為真卻拒絕 」。
本題的虛無假設為 ,而指定拒絕域為
因此第一型錯誤機率為
由題目所給機率:
所以
需注意,這個拒絕域位於左尾,與檢定 的合理方向相反;當 變大時, 通常會變大,而不是落在 或 。
(d) 檢定 對抗
由第 (c) 題,
對於上尾檢定,拒絕域應為
Poisson 分配具有隨機序性:當 增加時, 會增加。因此在複合虛無假設 下,拒絕機率的最大值出現在邊界 :
計算可得