\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]{ 设$x_1,x_2, \cdots ,x_n$和$y_1,y_2, \cdots ,y_n$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$\bar{x}$和$\bar{y}$间的关系以及样本方差$s_{x}^{2}$和$s_{y}^{2}$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]{ 设$x_1,x_2, \cdots ,x_n$是来自$U(-1,1)$的样本,试求$E(\bar{x})$和$\operatorname{Var}(\bar{x})$。 }{ 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$x_i-\bar{x}$与$x_j-\bar{x}\ (i\neq j)$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。 $$ E(x_i-\bar{x})(x_j-\bar{x})=E(x_i x_j - \bar{x} x_i - \bar{x} x_j + \bar{x}^{2})= E x_i x_j - \bar{x}E x_i - \bar{x} E x_j + \bar{x}^{2} $$ 将$x_i$与$x_j$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]{ 设$x_1,x_2, \cdots ,x_n$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