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千葉大学 融合理工学府 数学情報科学専攻 数学・情報数理学コース 2023年8月実施 専門 A4

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

n∈N,0<p<1n\in\mathbb N,0<p<1 とし、X∼Bi⁡(n,p)X\sim\operatorname{Bi}(n,p) は P(X=x)=(nx)px(1−p)n−xP(X=x)=\binom nxp^x(1-p)^{n-x} (x=0,…,nx=0,\ldots,n) を満たす。

(1) 二項分布の再生性を説明し、証明せよ。

(2) この母集団から大きさ NN の標本を抽出したとき、標本平均の分布、期待値、分散を求めよ。

(3) m>0m>0 とし、np=mnp=m を保ち n→∞,p→0n\to\infty,p\to0 としたとき、(2) の標本平均の極限分布を求めよ。

题目描述​

(1) 说明并证明二项分布的可加性。(2) 从 Bi⁡(n,p)\operatorname{Bi}(n,p) 抽取容量为 NN 的独立样本,求样本均值的分布、期望和方差。(3) 固定 m=np>0m=np>0,令 n→∞,p→0n\to\infty,p\to0,求样本均值的极限分布。

Kai​

(1)​

独立な U∼Bi⁡(n1,p)U\sim\operatorname{Bi}(n_1,p)、V∼Bi⁡(n2,p)V\sim\operatorname{Bi}(n_2,p) に対して、U+V∼Bi⁡(n1+n2,p)U+V\sim\operatorname{Bi}(n_1+n_2,p) となる。実際、確率母関数は

E[zU+V]=E[zU]E[zV]=(1−p+pz)n1+n2E[z^{U+V}]=E[z^U]E[z^V]=(1-p+pz)^{n_1+n_2}

となり、二項分布の確率母関数に一致する。

(2)​

標本を X1,…,XNX_1,\ldots,X_N、標本平均を X‾\overline X とすると NX‾=∑iXi∼Bi⁡(Nn,p)N\overline X=\sum_iX_i\sim\operatorname{Bi}(Nn,p)。したがって

P(X‾=k/N)=(Nnk)pk(1−p)Nn−k(0≤k≤Nn),P(\overline X=k/N)=\binom{Nn}{k}p^k(1-p)^{Nn-k}\quad(0\le k\le Nn),
E[X‾]=np,Var⁡(X‾)=np(1−p)N.\boxed{E[\overline X]=np,\qquad\operatorname{Var}(\overline X)=\frac{np(1-p)}N}.

(3)​

NN を固定する。NX‾N\overline X の確率母関数は

(1+mn(z−1))Nn⟶eNm(z−1).\left(1+\frac mn(z-1)\right)^{Nn}\longrightarrow e^{Nm(z-1)}.

よって NX‾N\overline X は Poisson⁡(Nm)\operatorname{Poisson}(Nm) に分布収束する。求める極限分布は Z/NZ/N(Z∼Poisson⁡(Nm)Z\sim\operatorname{Poisson}(Nm))であり、

P(Z/N=k/N)=e−Nm(Nm)kk!(k≥0).\boxed{P(Z/N=k/N)=e^{-Nm}\frac{(Nm)^k}{k!}\quad(k\ge0)}.