\documentclass[全部作业]{subfiles} \input{mysubpreamble} \begin{document} \setcounter{chapter}{6} \setcounter{section}{5} \section{区间估计} \begin{enumerate} \questionandanswer[3]{ $0.50, 1.25, 0.80, 2.00$是取自总体$X$的样本,已知$Y=\ln X$服从正态分布$N(\mu,1)$。 }{} \begin{enumerate} \questionandanswerSolution[]{ 求$\mu$的置信水平为$95\%$的置信区间; }{ $$ \frac{1-0.95}{2} = 0.025 ,\quad u_{0.025} = -1.96 ,\quad \frac{u_{0.025}}{\sqrt{n}}=\frac{-1.96}{\sqrt{4}}=-0.98 $$ $$ \overline{\ln x} = \frac{1}{4}(\ln 0.50+ \ln 1.25+\ln 0.80+\ln 2.00) = 0 $$ 所以$\mu$的置信水平为$95\%$的置信区间为$[-0.98, 0.98]$。 } \questionandanswerSolution[]{ 求$X$的数学期望的置信水平为$95\%$的置信区间。 }{ $$ EX = E e^{Y} = e^{EY} = e^{\mu} $$ 所以$EX$的置信水平为$95\%$的置信区间为$[e^{-0.98}, e^{0.98}],即[0.3753110988514, 2.66445624192942]$。 } \end{enumerate} \questionandanswer[5]{ 已知某种材料的抗压强度$X\sim N(\mu,\sigma^{2})$,现随机地抽取10个试件进行抗压试验,测得数据如下: $$ 482\quad 493\quad 457\quad 471\quad 510\quad 446\quad 435\quad 418\quad 394\quad 469 $$ }{} \begin{enumerate} \questionandanswerSolution[]{ 求平均抗压强度$\mu$的置信水平为$95\%$的置信区间; }{ 由于$\sigma$未知,所以$\mu$的置信区间为$\left[ \bar{x}-t_{1-0.025}(10-1)s/ \sqrt{10}, \bar{x}+t_{1-0.025}(10-1)s /\sqrt{10} \right] $ 之后计算得 $$ \bar{x}=457.5,\quad s\approx 35.21757768 $$ 所以$\mu$的置信水平为$95\%$的置信区间为 $$ [457.5- 2.2622\times 35.21757768/ \sqrt{10}, 457.5-2.2622\times 35.21757768 /\sqrt{10}] $$ 即 $$ [432.306385526736, 482.693614473264] $$ } \questionandanswerSolution[]{ 若已知$\sigma=30$,求平均抗压程度$\mu$的置信水平为$95\%$的置信区间; }{ 由于$\sigma$已知,所以$\mu$的$95\%$置信区间为$\left[ \bar{x}-u_{0.975}\sigma/\sqrt{n}, \bar{x}+u_{0.975}\sigma/\sqrt{n} \right] $,代入得 $$ \left[ 457.5-1.96\times 30 / \sqrt{10}, 457.5 + 1.96\times 30 /\sqrt{10} \right] $$ 即 $$ \left[ 438.90580735821, 476.09419264179 \right] $$ } \questionandanswerSolution[]{ 求$\sigma$的置信水平为$95\%$的置信区间。 }{ $\mu$未知时$\sigma$的置信水平为$95\%$的置信区间为$\left[ \frac{s\sqrt{n-1}}{\sqrt{\chi^{2}_{0.975}(n-1)}}, \frac{s\sqrt{n-1}}{\sqrt{\chi^{2}_{0.025}(n-1)}} \right] $,代入得 $$ \left[ \frac{35.21757768\times \sqrt{10-1}}{\sqrt{19.0228}}, \frac{35.21757768\times \sqrt{10-1}}{\sqrt{2.7004}} \right] $$ 即 $$ \left[ 24.2238693218913, 64.2934434191729 \right] $$ } \end{enumerate} \questionandanswerSolution[6]{ 在一批货物中随机抽取80件,发现有11件不合格品,试求这批货物的不合格品率的置信水平为$0.90$的置信区间。 }{ 样本的分布为$b(1,p)$。由于样本量较大,可以使用近似置信区间,即\\ $\left[ \bar{x}-u_{0.95}\sqrt{\frac{\bar{x}(1-\bar{x})}{n}}, \bar{x}+u_{0.95}\sqrt{\frac{\bar{x}(1-\bar{x})}{n}} \right] $ ,其中$\bar{x}=\frac{11}{80} = 0.1375$,$n=80$,$u_{0.95}=1.645$,代入得 $$ \left[ 0.1375-1.645 \times \sqrt{\frac{0.1375\times (1-0.1375)}{80}}, 0.1375+1.645\times \sqrt{\frac{0.1375\times (1-0.1375)}{80}} \right] $$ 即 $$ \left[ 0.0741638282314373, 0.200836171768563 \right] $$ } \questionandanswer[9]{ 设从总体$X\sim N(\mu_1,\sigma_1^{2})$和总体$Y\sim N(\mu_2,\sigma_2^{2})$中分别抽取容量为$n_1=10,n_2=15$的独立样本,可计算得$\bar{x}=82, s_x^{2}=56.5, \bar{y}=76, s_y^{2}=52.4$。 }{} \begin{enumerate} \questionandanswerSolution[]{ 若已知$\sigma_1^{2}=64, \sigma_2^{2}=49$,求$\mu_1-\mu_2$的置信水平为$95\%$的置信区间; }{ $\sigma_1^{2}$和$\sigma_2^{2}$均已知,则$\mu_1-\mu_2$的置信水平为$95\%$的置信区间为\\ $\left[ \bar{x}-\bar{y}-u_{0.975}\sqrt{\frac{\sigma_1^{2}}{n_1} +\frac{\sigma_2^{2}}{n_2}}, \bar{x}-\bar{y}+u_{0.975}\sqrt{\frac{\sigma_1^{2}}{n_1}+\frac{\sigma_2^{2}}{n_2}} \right] $,代入得 $$ \left[ 82-76-1.96\times \sqrt{\frac{64}{10}+\frac{49}{15}},\ 82-76+1.96\times \sqrt{\frac{64}{10}+\frac{49}{15}} \right] $$ 即 $$ \left[ -0.0938876480180258,\ 12.093887648018 \right] $$ }\questionandanswerSolution[]{ 若已知$\sigma_1^{2}=\sigma_2^{2}$,求$\mu_1-\mu_2$的置信水平为$95\%$的置信区间; }{ $\sigma_1^{2}=\sigma_2^{2}$未知,则$\mu_1-\mu_2$的置信水平为$95\%$的置信区间为\\ $$ \left[\bar{x}-\bar{y} - \sqrt{\frac{n_1+n_2}{n_1n_2}}s_w t_{0.975}(n_1+n_2-2),\ \bar{x}-\bar{y}+\sqrt{\frac{n_1+n_2}{n_1n_2}}s_w t_{0.975}(n_1+n_2-2)\right] $$ 其中$\displaystyle s_w^{2} = \frac{(n_1-1)s_{x}^{2}+(n_2-1)s_{y}^{2}}{n_1+n_2-2}$,$t_{0.975}(23)=2.0687$,代入得 $$ s_w^{2}=\frac{(10-1)\times 56.5+(15-1)\times 52.4}{10+15-2} = \frac{12421}{230} $$ 置信区间为 $$ \left[ 82-76-\sqrt{\frac{10+15}{10\times 15}} \sqrt{\frac{12421}{230}}\times 2.0687,\ 82-76+\sqrt{\frac{10+15}{10\times 15}}\sqrt{\frac{12421}{230}}\times 2.0687 \right] $$ 即 $$ \left[ -0.206349837966326,\ 12.2063498379663 \right] $$ } \questionandanswerSolution[]{ 若对$\sigma_1^{2},\sigma_2^{2}$一无所知,求$\mu_1-\mu_2$的置信水平为$95\%$的置信区间; }{ 此时为一般场合下,$\mu_1-\mu_2$的置信水平为$95\%$的近似置信区间为\\ $[\bar{x}-\bar{y}-s_0 t_{0.975}(l),\ \bar{x}-\bar{y}+s_0 t_{0.975}(l)]$,其中$s_0^{2} = \frac{s_{x}^{2}}{n_1}+\frac{s_y^{2}}{n_2}=\frac{56.5}{10}+\frac{52.4}{15} = \frac{2743}{300}$, \\ $\displaystyle l=\frac{s_0^{4}}{\frac{s_{x}^{4}}{n_1^{2}(n_1-1)}+\frac{s_y^{4}}{n_2^{2}(n_2-1)}} = \frac{\left( \frac{2743}{300} \right) ^{2}}{\frac{56.5^{2}}{10^{2}(10-1)}+\frac{52.4^{2}}{15^{2}(15-1)}} = \frac{52668343}{2783727} \approx 18.92008\approx 19$,\\ $t_{0.975}(19)=2.0930$。 所以置信区间为 $$ \left[ 82-76-\sqrt{\frac{2743}{300}}\times 2.0930, \ 82-76+\sqrt{\frac{2743}{300}}\times 2.0930 \right] $$ 即 $$ \left[ -0.328801942179367, \ 12.3288019421794 \right] $$ } \questionandanswerSolution[]{ 求$\sigma_1^{2}/\sigma_2^{2}$的置信水平为$95\%$的置信区间。 }{ 置信区间为 $$ \left[\frac{s_{x}^{2}}{s_y^{2}}\cdot \frac{1}{F_{0.975}(9, 14)},\ \frac{s_{x}^{2}}{s_y^{2}}\cdot \frac{1}{F_{0.025}(9,14)} \right] $$ 由于$F_{\frac{\alpha}{2}}(n_1,n_2) = {1}/{F_{1-\frac{\alpha}{2}}(n_2,n_1)}$,所以可以代入得 $$ \left[ \frac{56.5}{52.4}\cdot \frac{1}{3.21},\ \frac{56.5}{52.4}\cdot {3.80} \right] $$ 即 $$ \left[0.335901643242729,\ 4.09732824427481 \right] $$ } \end{enumerate} \questionandanswerSolution[12]{ 设某电子产品的寿命服从指数分布,其密度函数为$\lambda e^{-\lambda x}I_{\{ x>0 \}}$,现从此批产品中抽取容量为9的样本,测得寿命为(单位:千小时) $$ 15\quad 45\quad 50\quad 53\quad 60\quad 65\quad 70\quad 83\quad 90 $$ 求平均寿命$1/\lambda$的置信水平为0.9的置信区间和置信上、下限。 }{ 首先尝试构造枢轴量,设样本为$x_1,x_2, \cdots ,x_9$,则$x_1,x_2, \cdots x_9\overset{\text{i.i.d.}}{\sim}\operatorname{Exp}(\lambda)$,则$\sum_{i=1}^{9} x_i \sim \operatorname{Ga}(9, \lambda)$,所以${2\lambda}\sum_{i=1}^{9} x_i \sim \operatorname{Ga}(9, \frac{1}{2})=\chi^{2}(18)$,分布不依赖于$\lambda$,所以$G=2\lambda\sum_{i=1}^{9} x_i$为枢轴量,所以 $$ P\left( \chi^{2}_{0.05}(18)\leqslant G\leqslant \chi^{2}_{0.95}(18) \right) = 0.9 $$ $$ P\left( \frac{\chi^{2}_{0.05}(18)}{2\sum_{i=1}^{9} x_i}\leqslant \lambda\leqslant \frac{\chi^{2}_{0.95}(18)}{2\sum_{i=1}^{9} x_i} \right) =0.9 $$ 所以$\lambda$的置信水平为0.9的双侧置信区间为 $$ \left[ \frac{\chi^{2}_{0.05}(18)}{2\sum_{i=1}^{9} x_i}, \ \frac{\chi^{2}_{0.95}(18)}{2\sum_{i=1}^{9} x_i} \right] = \left[ \frac{9.3905}{2\times 531},\ \frac{28.8693}{2\times 531} \right] = \left[ 0.00884227871939736,\ 0.0271838983050847 \right] $$ 同理,单侧置信上限为 $$ \frac{\chi^{2}_{0.9}(18)}{2\sum_{i=1}^{9} x_i}=\frac{25.9894}{2\times 531} = 0.0244721280602637 $$ 单侧置信下限为 $$ \frac{\chi^{2}_{0.1}(18)}{2\sum_{i=1}^{9} x_i}=\frac{10.8649}{2\times 531} = 0.0102306026365348 $$ 所以$\frac{1}{\lambda}$的置信水平为0.9的置信区间为 $$ \left[ \frac{2\times 531}{28.8693}, \ \frac{2\times 531}{9.3905} \right] = \mathbf{\left[ 36.7864825264208, \ 113.093019541025 \right]} $$ 单侧置信上限为 $$ \frac{2\times 531}{10.8649} = \mathbf{97.74595256284} $$ 单侧置信下限为 $$ \frac{2\times 531}{25.9894} = \mathbf{40.8628133008073} $$ } \questionandanswerSolution[13]{ 设总体$X$的密度函数为 $$ p(x;\theta)=\frac{1}{\pi\left[ 1+(x-\theta)^{2} \right] }, \quad -\infty\theta \}}, \quad -\infty<\theta<\infty, $$ $x_1,x_2, \cdots ,x_n$为抽自此总体的简单随机样本。 }{} \begin{enumerate} \questionandanswerProof[]{ 证明:$x_{(1)}-\theta$的分布与$\theta$无关,并求出此分布; }{ 令$y = x-\theta$,则$p(y) = e^{-y}I_{\{ y>0 \}}$。 由于$y=x-\theta$是单调增函数,所以$y_{(1)}=x_{(1)}-\theta$。 $F(y)=\int_{0}^{y} e^{-t} \mathrm{d}t=1-e^{-y}$,从而次序统计量$y_{(1)}=x_{(1)}-\theta$的概率密度函数为 $$ p_{(1)}(y) = \frac{n!}{0!(n-1)!} [F(y)]^{0} \left[ 1-F(y) \right] ^{n-1} p(y) = n \left( e^{-y} \right) ^{n-1} e^{-y} I_{\{ y>0 \}} = ne^{-ny} I_{\{ y>0 \}} $$ 所以$x_{(1)}-\theta \sim \operatorname{Exp}(n)$,与$\theta$无关。 } \questionandanswerSolution[]{ 求$\theta$的置信水平为$1-\alpha$的置信区间。 }{ $$ P(c\leqslant x_{(1)}-\theta\leqslant d)=\int_{c}^{d} ne^{-ny} \mathrm{d}y $$ 因为被积函数在$[0,+\infty)$上单调递减,所以区间长度最短则$c=0$,所以 $$ \int_{0}^{d} n e^{-ny} \mathrm{d}y = \left. -e^{-ny} \right|_{0}^{d} = 1-e^{-nd} = 1-\alpha $$ 所以 $d = \dfrac{-\ln \alpha}{n}$。 而$c \leqslant x_{(1)}-\theta\leqslant d \implies x_{(1)}-d\leqslant \theta\leqslant x_{(1)}-c\implies x_{(1)}+\frac{\ln \alpha}{n}\leqslant \theta\leqslant x_{(1)}$,所以$\theta$的置信水平为$1-\alpha$的置信区间为 $$ \left[ x_{(1)}+\frac{\ln \alpha}{n},\ x_{(1)} \right] $$ } \end{enumerate} \end{enumerate} \end{document}