SchoolWork-LaTeX/数理统计/作业/第二周作业.tex

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2024-09-02 17:47:53 +08:00
\documentclass[全部作业]{subfiles}
\input{mysubpreamble}
\begin{document}
\setcounter{chapter}{5}
\setcounter{section}{2}
\section{统计量及其分布}
\begin{enumerate}
\questionandanswerSolution[1]{
在一本书上我们随机地检查了10页发现每页上的错误数为
$$
4 \quad 5 \quad 6 \quad 0 \quad 3 \quad 1 \quad 4 \quad 2 \quad 1 \quad 4
$$
试计算其样本均值、样本方差和样本标准差。
}{
$$
\bar{x}=\frac{4+5+6+0+3+1+4+2+1+4}{10} = 3
$$
$$
s^{2}=\frac{1}{10-1}\sum_{i=1}^{10}(x_i-\bar{x})^{2}=\frac{34}{9} \approx 3.778
$$
$$
s=\sqrt{\frac{34}{9}}\approx 1.944
$$
}
\questionandanswerProof[2]{
证明:对任意常数$c,d$,有
$$
\sum_{i=1}^{n}(x_i-c)(y_i-d)=\sum_{i=1}^{n}(x_i-\bar{x})(y_i-\bar{y})+n(\bar{x}-c)(\bar{y}-d)
$$
}{
根据性质$\displaystyle \sum_{i=1}^{n}x_i=\sum_{i=1}^{n}\bar{x},\ \sum_{i=1}^{n}y_i=\sum_{i=1}^{n}\bar{y}$可得
$$
\begin{aligned}
\text{右边}&=\sum_{i=1}^{n}(x_i-\bar{x})(y_i-\bar{y})+\sum_{i=1}^{n}(\bar{x}-c)(\bar{y}-d) \\
&=\sum_{i=1}^{n}\left[ (x_i-\bar{x})(y_i-\bar{y})+(\bar{x}-c)(\bar{y}-d) \right] \\
&=\sum_{i=1}^{n}(x_i y_i -\bar{x}y_i-\bar{y}x_i+\bar{x}\bar{y}+\bar{x}\bar{y}-\bar{x}d-\bar{y}c+cd) \\
% &=\sum_{i=1}^{n}[(x_i-\bar{x})y_i - (x_i-\bar{x})\bar{y}+(\bar{x}-c)\bar{y}-(\bar{x}-c)d] \\
% =\sum_{i=1}^{n}[(x_i-\bar{x}+\bar{x}-c)\bar{y}]
&=\sum_{i=1}^{n}x_i y_i-\bar{x}\sum_{i=1}^{n}y_i -\bar{y}\sum_{i=1}^{n}x_i+n \bar{x}\bar{y} +n \bar{x}\bar{y}-n \bar{x}d- n\bar{y}c+ ncd \\
&=\sum_{i=1}^{n}x_i y_i- n \bar{x}\bar{y} -n \bar{y}\bar{x}+n \bar{x}\bar{y}+n \bar{x}\bar{y}- \sum_{i=1}^{n}x_i d - \sum_{i=1}^{n}y_i c+\sum_{i=1}^{n}cd \\
&=\sum_{i=1}^{n}(x_i y_i-x_id-y_ic+cd) \\
&=\sum_{i=1}^{n}(x_i-c)(y_i-d) = \text{左边} \\
\end{aligned}
$$
}
\questionandanswerSolution[3]{
$x_1,x_2, \cdots ,x_n$$y_1,y_2, \cdots ,y_n$是两组样本观测值,且有如下关系:
$$
y_i=3 x_i-4, i=1,2, \cdots ,n
$$
试求样本均值$\bar{x}$$\bar{y}$间的关系以及样本方差$s_{x}^{2}$$s_{y}^{2}$间的关系。
}{
$$
\bar{y}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}y_i=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}(3 x_i-4)=3\cdot \frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n} x_i -4=3\bar{x}-4
$$
$$
\begin{aligned}
s_{y}^{2}&=\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^{n} (y_i-\bar{y})^{2}=\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^{n} (3 x_i-4-(3 \bar{x}-4))^{2}=\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^{n} [3(x_i-\bar{x})]^{2} \\
&=9 \cdot \frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^{n} (x_i-\bar{x})^{2}=9 s_{x}^{2} \\
\end{aligned}
$$
}
\questionandanswerProof[5]{
从同一总体中抽取两个容量分别为$n,m$的样本,样本均值分别为$\bar{x}_1, \bar{x}_2$,样本方差分别为$s_1^{2}, s_2^{2}$,将两组样本合并,其均值、方差分别为$\bar{x}, s^{2}$,证明:
$$
\bar{x}=\frac{n \bar{x}_1+m \bar{x}_2}{n+m}
$$
$$
s^{2}=\frac{(n-1)s_1^{2}+(m-1)s_2^{2}}{n+m-1}+\frac{nm(\bar{x}_1-\bar{x}_2)^{2}}{(n+m)(n+m+1)}
$$
}{
$$
\bar{x}=\frac{1}{n+m}\left( \sum_{i=1}^{n} x_{1_{i}} +\sum_{i=1}^{m} x_{2_{i}} \right) =\frac{n \bar{x}_1+m \bar{x}_2}{n+m}
$$
$$
\begin{aligned}
s^{2}&=\frac{1}{n+m-1} \left( \sum_{i=1}^{n} (x_{1i}-\bar{x})^{2}+\sum_{j=1}^{m} \left( x_{2j}-\bar{x} \right) ^{2} \right) \\
&=\frac{1}{n+m-1}\left( \sum_{i=1}^{n} \left( x_{1i}-\frac{n \bar{x}_1+m \bar{x}_2}{n+m} \right) ^{2}+\sum_{i=1}^{n} \left( x_{2j}-\frac{n \bar{x}_1+m \bar{x}_2}{n+m} \right) ^{2} \right) \\
&=\frac{(n-1)s_1^{2}+(m-1)s_2^{2}}{n+m-1}+\frac{nm(\bar{x}_1-\bar{x}_2)^{2}}{(n+m)(n+m+1)} \\
\end{aligned}
$$
}
\questionandanswerSolution[8]{
$x_1,x_2, \cdots ,x_n$是来自$U(-1,1)$的样本,试求$E(\bar{x})$$\operatorname{Var}(\bar{x})$
}{
设随机变量$X \sim U(-1,1)$,则
$$
E(\bar{x})=EX=\frac{-1+1}{2}=0
$$
$$
\operatorname{Var}(\bar{x})=\frac{\operatorname{Var}(X)}{n}=\frac{\frac{(-1-1)^{2}}{12}}{n}=\frac{1}{3n}
$$
}
\questionandanswerProof[9]{
设总体二阶矩存在,$x_1,x_2, \cdots ,x_n$是样本,证明$x_i-\bar{x}$$x_j-\bar{x}\ (i\neq j)$的相关系数为$-(n-1)^{-1}$
}{
根据样本均值的性质,$E(x_i-\bar{x})=E (x_j- \bar{x})=0$
设随机变量$X$表示从总体中抽出的一个样本,则$EX^{2}$存在。
$$
E(x_i-\bar{x})(x_j-\bar{x})=E(x_i x_j - \bar{x} x_i - \bar{x} x_j + \bar{x}^{2})= E x_i x_j - \bar{x}E x_i - \bar{x} E x_j + \bar{x}^{2}
$$
$x_i$$x_j$看作独立的两次抽样,则$x_i,x_j\overset{\text{i.i.d.}}{\sim}X $,所以$E x_i x_j=E x_i E x_j=(EX)^{2},$\\
$E x_i=EX, E x_j=EX$
所以
$$
E(x_i-\bar{x})(x_j-\bar{x})=(EX)^{2}-2 \bar{x}EX + \bar{x}^{2}=\frac{1}{1-n}=-(n-1)^{-1}
$$
}
\questionandanswerProof[10]{
$x_1,x_2, \cdots ,x_n$为一个样本,$\displaystyle s^{2}=\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^{n} (x_i-\bar{x})^{2}$是样本方差,试证:
$$
\frac{1}{n(n-1)}\sum_{i<j}(x_i-x_j)^{2} =s^{2}
$$
}{
$$
\begin{aligned}
% s^{2}= \frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^{n} (x_i-\bar{x})^{2}=
&\frac{1}{n(n-1)}\sum_{i<j}(x_i-x_j)^{2}=\frac{1}{n(n-1)} \sum_{i<j}(x_i-\bar{x}+\bar{x}-x_j)^{2} \\
&=\frac{1}{n(n-1)}\sum_{i<j} [(x_i-\bar{x})^{2}+2(x_i-\bar{x})(\bar{x}-x_j)+(\bar{x}-x_j)^{2}] \\
&=\frac{1}{n(n-1)}\cdot \frac{1}{2}\sum_{i=1,2, \cdots ,n;j=1,2, \cdots ,n} [(x_i-\bar{x})^{2}+2(x_i-\bar{x})(\bar{x}-x_j)+(\bar{x}-x_j)^{2}] \\
&=\frac{1}{2n(n-1)}\left[ n \sum_{i=1}^{n} (x_i-\bar{x})^{2}+0+n\sum_{j=1}^{n} (x_j-\bar{x})^{2} \right] \\
&=\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^{n} (x_i-\bar{x})^{2} = s^{2} \\
\end{aligned}
$$
}
\questionandanswerProof[11]{
设总体4阶中心距$\nu_4=E[x-E(x)]^{4}$存在,试证:对样本方差$\displaystyle s^{2}=\frac{1}{n-1} \sum_{i=1}^{n} (x_i-\bar{x})^{2}$,有
$$
\operatorname{Var}(s^{2})=\frac{n(\nu-\sigma^{4})}{(n-1)^{2}}-\frac{2(\nu_4-2\sigma^{4})}{(n-1)^{2}}+\frac{\nu-3\sigma^{4}}{n(n-1)^{2}}
$$
其中$\sigma^{2}$为总体$X$的方差。
}{
$$
\begin{aligned}
&\text{右边}=\frac{n^{2}\nu_4-n^{2}\sigma^{4}-2n\nu_4+4n\sigma^{4}+\nu_4-3\sigma^{4}}{n(n-1)^{2}} \\
&=\frac{\nu_4(n^{2}-2n+1)-\sigma^{4}(n^{2}-4n+3)}{n(n-1)^{2}} \\
&=\frac{\nu_4(n-1)^{2}-\sigma^{4}(n-1)(n-3)}{n(n-1)^{2}} \\
&=\frac{\nu_4}{n}-\frac{\sigma^{4}(n-3)}{n(n-1)} \\
\end{aligned}
$$
$$
\begin{aligned}
\text{左边}=E(s^{2})^{2}-(Es ^{2})^{2}=Es ^{4}-(Es ^{2})^{2}=E s^{4}-\sigma^{4}
\end{aligned}
$$
实在证明不出来了。
}
\questionandanswerProof[12]{
设总体$X$的3阶矩存在$x_1,x_2, \cdots ,x_n$是取自该总体的简单随机样本,$\bar{x}$为样本均值,$s^{2}$为样本方差,试证:$\operatorname{Cov}(\bar{x}, s^{2})=\dfrac{\nu_3}{n}$,其中$\nu_3=E[x-E(x)]^{3}$
}{
$$
E \bar{x}=EX, Es ^{2}=\operatorname{Var}X
$$
$$
E(\bar{x} s^{2})=E\left( \frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n} x_i+\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^{n} (x_i-\bar{x})^{2} \right)
$$
$$
\operatorname{Var}\bar{x}=\frac{\operatorname{Var}X}{n}, \operatorname{Var}s ^{2}=\operatorname{Var}\left( \frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^{n} (x_i-\bar{x})^{2} \right)
$$
也证明不出来了。
}
\questionandanswerSolution[15]{
从指数总体$\operatorname{Exp}(\frac{1}{\theta})$抽取了40个样品试求$\bar{x}$的渐近分布。
}{
设随机变量$X$表示从总体中抽出的一个样本,则
$$
EX=\frac{1}{\frac{1}{\theta}}=\theta,\ \operatorname{Var}X=\frac{1}{\left( \frac{1}{\theta} \right) ^{2}}=\theta^{2}
$$
所以$\bar{x}$的渐近分布为$N(\theta, \theta^{2})$
}
\questionandanswerSolution[17]{
$x_1,x_2, \cdots x_{20}$是从二点分布$b(1,p)$抽取的样本,试求样本均值$\bar{x}$的渐近分布。
}{
设随机变量$X$表示从总体中抽出的一个样本,则
$$
EX=p,\ \operatorname{Var}X=p(1-p)
$$
所以$\bar{x}$的渐近分布为$N(p, p(1-p))$
}
\questionandanswerSolution[23]{
设总体$X$服从几何分布,即$P(X=k)=pq^{k-1}, k=1,2, \cdots $,其中$0<p<1,q=1-p,\\ x_1,x_2, \cdots ,x_n$为该总体的样本,求$x_{(n)}, x_{(1)}$的概率分布。
}{
设总体$X$的概率密度函数为$p(x)$,分布函数为$F(x)$,则
$$
F(x)=\sum_{k=1}^{\left\lfloor x \right\rfloor} pq^{k-1}=\frac{p-pq^{\left\lfloor x \right\rfloor}}{1-q}
$$
$$
p_{x_{(n)}}(x)=\frac{n!}{(n-1)!}[F(x)]^{n-1}p(x)=n pq^{\left\lfloor x \right\rfloor-1}\left[ \frac{p-pq^{\left\lfloor x \right\rfloor}}{1-q} \right] ^{n-1}
$$
$$
p_{x_{(1)}}=\frac{n!}{(n-1)!}[1-F(x)]^{n-1}p(x)=npq^{\left\lfloor x \right\rfloor-1}\left[ 1-\frac{p-pq^{\left\lfloor x \right\rfloor}}{1-q} \right] ^{n-1}
$$
}
\questionandanswer[28]{
设总体$X$的分布函数$F(x)$是连续的,$x_{(1)},x_{(2)}, \cdots ,x_{(n)}$为取自此总体的次序统计量,设$\eta_i=F(x_{(i)})$,试证:
}{}
\begin{enumerate}
\questionandanswerProof[-]{
\item $\eta_1\leqslant \eta_2\leqslant \cdots\leqslant \eta_n$,且$\eta_i$是来自均匀分布$U(0,1)$总体的次序统计量。
}{
因为$x_{(1)}\leqslant x_{(2)}\leqslant \cdots\leqslant x_{(n)}$$F(x)$单调,$\eta_i=F(x_{(i)})$,所以$\eta_1\leqslant \eta_2\leqslant \cdots\leqslant \eta_n$
}
\questionandanswerProof[-]{
\item $\displaystyle E(\eta_i)=\frac{i}{n+1}, \ \operatorname{Var}(\eta_i)=\frac{i(n+1-i)}{(n+1)^{2}(n+2)},1\leqslant i\leqslant n$
}{
设总体的概率密度函数为$p(x)$,则$\eta_i$的分布函数为
$$
p_{(i)}(x)=\frac{n!}{(i-1)!(n-i)!}[F(x)]^{i-1}[1-F(x)]^{n-i}p(x)
$$
$$
\begin{aligned}
E(\eta_i)&=\sum_{i=1}^{n} F(x_{(i)})p_{(i)}(x_{(i)}) \\
&=\sum_{i=1}^{n} F(x_{(i)}) \frac{n!}{(i-1)!(n-i)!}[F(x_{(i)})]^{i-1}[1-F(x_{(i)})]^{n-i}p(x) \\
&=\sum_{i=1}^{n} \frac{n!}{(i-1)!(n-i)!}[F(x_{(i)})]^{i}[1-F(x_{(i)})]^{n-i}p(x) \\
\end{aligned}
$$
$$
\operatorname{Var}(\eta_i)=
$$
实在是不会了。
}
\questionandanswerProof[-]{
\item $\eta_i$$\eta_j$的协方差矩阵为
$
\begin{bmatrix}
\frac{a_1(1-a_1)}{n+2} & \frac{a_1(1-a_2)}{n+2} \\
\frac{a_1(1-a_2)}{n+2} & \frac{a_2(1-a_2)}{n+2} \\
\end{bmatrix}
$
,其中$\displaystyle a_1=\frac{i}{n+1}, a_2=\frac{j}{n+1}$
}{
$$
E(\eta_i)=\frac{i}{n+1},\ E(\eta_j)=\frac{j}{n+1},\ E(\eta_i \eta_j)=
$$
实在是不会了。
}
\end{enumerate}
\questionandanswerProof[32]{
设总体$X$的密度函数为
$
p(x)=\begin{cases}
3x^{2},\quad & 0<x<1, \\
0,\quad & \text{其他}, \\
\end{cases}
$
$x_{(1)}\leqslant x_{(2)}\leqslant \cdots\leqslant x_{(5)}$为容量为5的取自此总体的次序统计量试证$\dfrac{x_{(2)}}{x_{(4)}}$$x_{(4)}$相互独立。
}{
根据相互独立的定理,需要证明$\displaystyle \forall x,y,\ p_{\frac{x_{(2)}}{x_{(4)}}}(x)\cdot p_{x_{(4)}}(y)=p_{\frac{x_{(2)}}{x_{(4)}},x_{(4)}}(x,y)$,之后就不会了。
}
\questionandanswer[35]{
对下列数据构造箱线图:\\
472 \quad
425 \quad
447 \quad
377 \quad
341 \quad
369 \quad
412 \quad
419 \quad
400 \quad
382 \quad
366 \quad
425 \quad
399 \quad
398 \quad
423 \quad
384 \quad
418 \quad
392 \quad
372 \quad
418 \quad
374 \quad
385 \quad
439 \quad
428 \quad
429 \quad
428 \quad
430 \quad
413 \quad
405 \quad
381 \quad
403 \quad
479 \quad
381 \quad
443 \quad
441 \quad
433 \quad
419 \quad
379 \quad
386 \quad
387 \quad
}{
\begin{center}
\includegraphics[width=0.5\linewidth]{imgs/5.3.35.png}
\end{center}
}
\end{enumerate}
\end{document}