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千葉大学 理学研究科 基盤理学専攻 数学・情報数理学コース 2016年8月実施 専門 B9

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description

X1,,XnX_1,\ldots,X_n は独立に平均 μ\mu、分散 σ2>0\sigma^2>0 の分布 DD に従い、n2n\ge2 とする。

X=1ni=1nXi,S2=1n1i=1n(XiX)2.\overline X=\frac1n\sum_{i=1}^nX_i,\qquad S^2=\frac1{n-1}\sum_{i=1}^n(X_i-\overline X)^2.

(1) E[X2]E[\overline X^2] を求めよ。

(2) S2S^2σ2\sigma^2 の不偏推定量であることを示せ。

(3) D=N(μ,σ2)D=N(\mu,\sigma^2) の場合、自然数 kk に対して E[(Xμ)k]E[(\overline X-\mu)^k] を求めよ。

题目描述

设独立同分布样本的均值为 μ\mu、方差为 σ2>0\sigma^2>0n2n\ge2,样本均值为 X\overline X,无偏样本方差为 S2=(n1)1i(XiX)2S^2=(n-1)^{-1}\sum_i(X_i-\overline X)^2

(1) 求 E[X2]E[\overline X^2]

(2) 证明 E[S2]=σ2E[S^2]=\sigma^2

(3) 若总体正态,求样本均值的任意阶中心矩。

Kai

(1)

独立性より EX=μE\overline X=\muVarX=σ2/n\operatorname{Var}\overline X=\sigma^2/n。従って

E[X2]=μ2+σ2n.E[\overline X^2]=\mu^2+\frac{\sigma^2}{n}.

(2)

恒等式

i(XiX)2=i(Xiμ)2n(Xμ)2\sum_i(X_i-\overline X)^2=\sum_i(X_i-\mu)^2-n(\overline X-\mu)^2

の期待値を取ると

(n1)E[S2]=nσ2nσ2n=(n1)σ2.(n-1)E[S^2]=n\sigma^2-n\frac{\sigma^2}{n}=(n-1)\sigma^2.

従って E[S2]=σ2E[S^2]=\sigma^2

(3)

Z=n(Xμ)/σN(0,1)Z=\sqrt n(\overline X-\mu)/\sigma\sim N(0,1)。対称性から奇数次モーメントは零である。偶数次は標準正規密度 ϕ\phi に対する ϕ(z)=zϕ(z)\phi'(z)=-z\phi(z) と部分積分により

E[Z2m]=(2m1)E[Z2m2]=(2m1)!!.E[Z^{2m}]=(2m-1)E[Z^{2m-2}]=(2m-1)!!.

従って

E[(Xμ)k]={0k が奇数,(2m1)!!(σ2n)mk=2m.E[(\overline X-\mu)^k]= \begin{cases} 0&k\text{ が奇数},\\ (2m-1)!!\left(\dfrac{\sigma^2}{n}\right)^m&k=2m. \end{cases}