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京都大学 情報学研究科 システム科学専攻 2016年8月実施 専門科目 確率統計

Author

uogxtc, 祭音Myyura

Description

問題1

下記の確率密度関数にしたがう確率変数 XX について、以下の設問に答えよ。 ただし、α>0\alpha > 0, β>0\beta > 0 はパラメータ(母数)である。

f(x)={αxα1βαexp((xβ)α)(x>0)0(x0)f(x) = \begin{cases} \frac{\alpha x^{\alpha-1}}{\beta^\alpha} \exp \left( - \left( \frac{x}{\beta} \right)^\alpha \right) & (x > 0) \\ 0 & (x \leq 0) \end{cases}

(1) 確率変数 XX の平均を、以下のガンマ関数とパラメータを用いて表せ。

Γ(θ)=0xθ1exdx(θ>0)\Gamma(\theta) = \int_0^\infty x^{\theta-1} e^{-x} dx \quad (\theta > 0)

(2) 確率密度関数 f(x)f(x) が規定する確率分布から、大きさ nn の無作為標本

{X1,X2,,Xn}\{X_1, X_2, \ldots, X_n\}

が得られたとする。このとき、パラメータ α=α0\alpha = \alpha_0 を既知として、パラメータ β\beta の最尤推定量を求めよ。

問題2

以下の設問に答えよ。

(1) X1,X2,,XnX_1, X_2, \ldots, X_n を、独立かつ同一の確率分布(確率密度関数を f(x)f(x)、累積分布関数を F(x)F(x) とする)にしたがう確率変数とする。 このとき、X1,X2,,XnX_1, X_2, \ldots, X_n の最小値

Z=min(X1,X2,,Xn)Z = \min(X_1, X_2, \ldots, X_n)

もまた確率変数となるが、その確率密度関数 g(z)g(z)ffFF を用いて表せ。

(2) 設問 (1) の X1,X2,,XnX_1, X_2, \ldots, X_n の確率分布が区間 [0,b][0, b] の一様分布 (b>0)(b > 0) であるとき、

Z=min(X1,X2,,Xn)Z = \min(X_1, X_2, \ldots, X_n)

の期待値を求めよ。

問題3

以下の設問に答えよ。

(1) 半径 aa の円 CC 内に、2 点 A,BA,B を独立かつそれぞれ円 CC 内の一様分布にしたがうようにとる。 ABAB 間の距離を RR としたとき、R2R^2 の期待値を求めよ。

(2) 設問 (1) において、点 AA を中心とし ABAB 間の距離 RR を半径とする円が、円 CC 内に全て含まれる確率を求めよ。

题目描述

  1. 随机变量 XX 的概率密度函数为

    f(x)={αxα1βαexp ⁣[(xβ)α](x>0),0(x0),f(x)= \begin{cases} \dfrac{\alpha x^{\alpha-1}}{\beta^\alpha} \exp\!\left[-\left(\dfrac{x}{\beta}\right)^\alpha\right] & (x>0),\\ 0 & (x\leq0), \end{cases}

    其中 α>0,β>0\alpha>0,\beta>0 为参数。

    (1)使用 Gamma 函数

    Γ(θ)=0xθ1exdx(θ>0)\Gamma(\theta)=\int_0^\infty x^{\theta-1}e^{-x}\,dx \qquad(\theta>0)

    和上述参数表示 XX 的均值。

    (2)从该密度所规定的分布中得到容量为 nn 的随机样本

    {X1,X2,,Xn}.\{X_1,X_2,\ldots,X_n\}.

    已知 α=α0\alpha=\alpha_0,求参数 β\beta 的最大似然估计量。

  2. 回答下列问题。

    (1)设 X1,,XnX_1,\ldots,X_n 独立同分布,其密度函数和累积分布函数分别为 f(x),F(x)f(x),F(x)。令

    Z=min(X1,X2,,Xn).Z=\min(X_1,X_2,\ldots,X_n).

    f,Ff,F 表示 ZZ 的概率密度函数 g(z)g(z)

    (2)若第(1)问中的 X1,,XnX_1,\ldots,X_n 均服从区间 [0,b][0,b] 上的均匀分布,其中 b>0b>0,求 ZZ 的期望。

  3. 回答下列问题。

    (1)在半径为 aa 的圆盘 CC 内,独立地按圆盘上的均匀分布选取两点 A,BA,B。令两点距离为 RR,求 E[R2]E[R^2]

    (2)在第(1)问中,以 AA 为圆心、以 R=ABR=AB 为半径的圆完全包含在圆盘 CC 内的概率是多少?

Kai

問題1

(Readers may refer to Weibull distribution.)

(1)

E[X]=0xf(x)dx=0α(xβ)αe(xβ)αdx.\begin{aligned} \mathbb{E}[X]&=\int_0^\infty xf(x)dx\\ &=\int_0^\infty\alpha\left(\frac x\beta\right)^\alpha e^{-\left(\frac x\beta\right)^\alpha}dx. \end{aligned}

Let u=(xβ)αu=\left(\frac x\beta\right)^\alpha and we have

βu1/α=xdx=βαu1α1du,\begin{aligned} &\beta u^{1/\alpha}=x \\ &dx=\frac\beta\alpha u^{\frac1\alpha-1}du, \end{aligned}

Then

E[X]=β0u1αeudu=βΓ(1α+1).\begin{aligned} \mathbb{E}[X]&=\beta\int_{0}^{\infty}u^{\frac{1}{\alpha}}e^{-u}du\\ &=\beta\Gamma\left(\frac{1}{\alpha}+1\right). \end{aligned}

(2)

The likelihood function is

L(β)=i=1nα0Xiα01βα0e(Xiβ)α0,L(\beta)=\prod_{i=1}^n\frac{\alpha_0X_i^{\alpha_0-1}}{\beta^{\alpha_0}}e^{-\left(\frac{X_i}{\beta}\right)^{\alpha_0}},

from which we know that the log-likelihood function is

logL=nlogα0nα0logβ+(α01)i=1nlogXii=1n(Xiβ)α0.\log L=n\log\alpha_{0}-n\alpha_{0}\log\beta+(\alpha_{0}-1)\sum_{i=1}^{n}\log X_{i}-\sum_{i=1}^{n}\left(\frac{X_{i}}{\beta}\right)^{\alpha_{0}}.

By setting logLβ=0\frac{\partial\log L}{\partial\beta}=0, we get

nα0β+α01βα0+1i=1nXiα0=0β^=(i=1nXiα0n)1/α0.\begin{aligned} &-\:\frac{n\alpha_{0}}{\beta} + \alpha_0 \frac{1}{\beta^{\alpha_0 + 1}}\sum_{i=1}^n X_i^{\alpha_0} =0 \Rightarrow\quad\hat{\beta}=\left(\frac{\sum_{i=1}^{n}X_{i}^{\alpha_{0}}}{n}\right)^{1/\alpha_{0}}. \end{aligned}

問題2

(1)

(The problems of the CDF/PDF of min/max of i.i.d.i.i.d. random variables are commonly seen in the exams.)

The cumulative distribution function (CDF, 累積分布関数) of ZZ is as follows:

Pr(Z<s)=1Pr(Zs)=1Pr(X1s,,Xns)=1i=1n(1F(s))=1(1F(s))n.\begin{aligned} \Pr(Z<s)&=1-\Pr(Z\geq s)\\ &=1-\Pr(X_1\geq s,\ldots,X_n\geq s)\\ &=1-\prod_{i=1}^n\left(1-F(s)\right)\\ &=1-\left(1-F(s)\right)^n. \end{aligned}

The probability density function (PDF,確率密度関数) is

fZ(s)=dPr(Z<s)ds=n(1F(s))n1f(s).f_Z(s)=\frac{d\Pr(Z<s)}{ds}=n(1-F(s))^{n-1}f(s).

(2)

The PDF of XiX_i is

f(x)={1/b,if  0<x<b0,otherwise.f(x)=\begin{cases} 1/b,&\text{if }\ 0<x<b \\ 0,&\text{otherwise.} \end{cases}

Then,

E[Z]=0bxfZ(x)dx=0bnbx(1xb)n1dx(let y=1xb)=10nb(bby)yn1(b)dy=bn+1.\begin{aligned} \mathbb{E}[Z]&=\int_0^bxf_Z(x)dx\\ &=\int_0^b\frac nbx\left(1-\frac xb\right)^{n-1}dx\\ &(\text{let }y=1-\frac xb)\\ &=\int_1^0\frac nb\cdot(b-by)y^{n-1}(-b)dy\\ &=\frac b{n+1}. \end{aligned}

問題3

(1)

Let OO be the center of CC. For a point uniformly distributed on the disk, the radial density is 2r/a22r/a^2, so

E[OA2]=0ar22ra2dr=a22,E[OA]=0.\mathbb E[|OA|^2]=\int_0^a r^2\frac{2r}{a^2}\,dr=\frac{a^2}{2}, \qquad \mathbb E[\overrightarrow{OA}]=\boldsymbol 0.

Independence gives

E[R2]=E[OA2]+E[OB2]2E[OA]E[OB]=a2.\mathbb E[R^2] =\mathbb E[|OA|^2]+\mathbb E[|OB|^2] -2\mathbb E[\overrightarrow{OA}]\cdot\mathbb E[\overrightarrow{OB}] =\boxed{a^2}.

(2)

The probability is

1πa20a2πr(ar)2a2dr=16.\frac{1}{\pi a^2}\int_0^a2\pi r\cdot \frac{(a-r)^2}{a^2}dr =\boxed{\frac16}.

Here 2πrπa2\frac{2\pi r}{\pi a^2} is the probability that AA lies in a circle centered with CC of radius rr.

Suppose that the distance between AA and the center of the disk is rr. Then BB must lie in the disk centered at AA with radius ara-r. The conditional probability is therefore (ar)2a2\frac{(a-r)^{2}}{a^{2}}.