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京都大学 情報学研究科 システム科学専攻 2017年8月実施 専門科目 確率統計

Author

uogxtc, 祭音Myyura

Description

問題1

確率変数 X1,,Xn,Y1,,YmX_1, \ldots, X_n, Y_1, \ldots, Y_m は独立に正規分布に従い、 XiN(aθ,σ2)X_i \sim N(a\theta, \sigma^2), YjN(bθ,σ2)Y_j \sim N(b\theta, \sigma^2), i=1,,ni = 1, \ldots, n, j=1,,mj = 1, \ldots, m とする。 ただし、 N(μ,σ2)N(\mu, \sigma^2) は平均 μ\mu、分散 σ2\sigma^2 の正規分布を表す。 ここで n,mn, m は正の整数、 a,ba, b は正の定数で既知とし、 θ,σ2\theta, \sigma^2 は未知パラメータである。このとき以下の設問に答えなさい。

(1) θ,σ2\theta, \sigma^2 について、 X1,,Xn,Y1,,YmX_1, \ldots, X_n, Y_1, \ldots, Y_m をすべて用いた最尤推定量を求めなさい。

(2) 定数 α,β\alpha, \beta を用いて θ~=αXˉ+βYˉ\tilde{\theta} = \alpha \bar{X} + \beta \bar{Y} と定義する。ただし Xˉ=(X1++Xn)/n\bar{X} = (X_1 + \cdots + X_n)/n, Yˉ=(Y1++Ym)/m\bar{Y} = (Y_1 + \cdots + Y_m)/m である。 θ~\tilde{\theta} の期待値 E(θ~)E(\tilde{\theta}) と分散 V(θ~)V(\tilde{\theta}) を求めなさい。

(3) θ~\tilde{\theta}θ\theta の不偏推定量となるために α,β\alpha, \beta が満たす条件を求めなさい。 また、不偏推定量となる θ~\tilde{\theta}V(θ~)V(\tilde{\theta}) を最小にするときの α,β\alpha, \beta の値を求めなさい。

問題2

あるコインを投げると、確率 p (0<p<1)p \ (0 < p < 1) で表、確率 q (=1p)q \ (= 1 - p) で裏が出る。 このコインを表が出るまで連続して投げ続ける。 ただし、毎回のコイン投げは独立な試行である。 初めて表が出るまでに投げた回数(表が出た試行を含む)を確率変数 TT で表す。 以下の設問に答えなさい。

(1) T=nT = n (n=1,2,n = 1, 2, \ldots) となる確率 P(T=n)P(T = n) を求めなさい。ただし、 P()P(\cdot) は確率を表す。

(2) 確率変数 TT の期待値(平均)と分散を求めなさい。

あるスロットマシン(窓は一つとする)を引くと、 mm 種類(m=1,2,m = 1, 2, \ldots)の異なる図柄が等確率で出る。 便宜上、 mm 種類の図柄のそれぞれに {1,2,,m}\{1, 2, \ldots, m\} の異なる番号を付ける。 このスロットマシンを連続して引くことを考え、 nn 回目(n=1,2,n = 1, 2, \ldots)に引いた際に出た図柄の番号を確率変数 XnX_n {1,2,,m}\in \{1, 2, \ldots, m\} で表す。 ただし、スロットマシンを引く試行は独立である。この時、 mm 種類の図柄のうち異なる図柄が初めて ii 種類(i=1,2,,mi = 1, 2, \ldots, m)になるまでスロットマシンを引いた回数を Tm,iT_{m,i} と表すと、

Tm,i={1(i=1)min{n>Tm,i1XnXj;j=1,,n1}(i=2,,m)T_{m,i} = \begin{cases} 1 & (i = 1) \\ \min \{ n > T_{m,i-1} \mid X_n \neq X_j; j = 1, \ldots, n-1 \} & (i = 2, \ldots, m) \end{cases}

と再帰的に定義できる。以下の設問に答えなさい。

(3) 確率変数 Um,iU_{m,i} (i=2,,mi = 2, \ldots, m) として、

Um,iTm,iTm,i1U_{m,i} \equiv T_{m,i} - T_{m,i-1}

とする。 Um,i=kU_{m,i} = k (k=1,2,k = 1, 2, \ldots) となる確率 P(Um,i=k)P(U_{m,i} = k) を求めなさい。

(4) すべての図柄が初めて出るまでスロットマシンを引いた回数 Tm,mT_{m,m} に対し、その期待値(平均)が以下の式で与えられることを示しなさい。

1+mj=1m11j1 + m \sum_{j=1}^{m-1} \frac{1}{j}

Kai

問題 1

(1)

The likelihood function is

L(θ,σ2)=i=1nfX(Xi)i=1mfY(Yi)=i=1n12πσe(xaθ)22σ2i=1m12πσe(xbθ)22σ2,\begin{aligned} L(\theta,\sigma^{2})&=\prod_{i=1}^nf_X(X_i)\prod_{i=1}^mf_Y(Y_i)\\ &=\prod_{i=1}^n\frac1{\sqrt{2\pi}\sigma}e^{-\frac{(x-a\theta)^2}{2\sigma^2}}\prod_{i=1}^m\frac1{\sqrt{2\pi}\sigma}e^{-\frac{(x-b\theta)^2}{2\sigma^2}}, \end{aligned}

from which we know that the log-likelihood is:

logL=(n+m)logσ(n+m)log2π{i=1n(aθXi)22σ2+j=1m(bθYj)22σ2}.\begin{aligned} \log L&=-(n+m)\log \sigma-(n+m)\log\sqrt{2\pi}\\ &-\bigg\{\sum_{i=1}^{n}\frac{(a\theta-X_{i})^{2}}{2\sigma^{2}}+\sum_{j=1}^{m}\frac{(b\theta-Y_{j})^{2}}{2\sigma^{2}}\bigg\}. \end{aligned}

Set logLσ=0\frac{\partial\log L}{\partial\sigma}=0 , we will find

logLσ=n+mσ{i=1n(aθXi)2+j=1m(bθYj)2}12(2)1σ3=0σ^2=1n+m{i=1n(aθXi)2+j=1m(bθYj)2}\begin{aligned} \frac{\partial\log L}{\partial\sigma}& =-\frac{n+m}{\sigma}-\left \{ \sum_{i=1}^{n}(a\theta-X_{i})^{2} +\sum_{j=1}^m(b\theta-Y_j)^2\right\}\cdot\frac12\cdot(-2)\frac1{\sigma^3} \\ &=0 \\ \Rightarrow\quad\hat{\sigma}^2=& \frac{1}{n+m}\bigg\{\sum_{i=1}^{n}{(a\theta-X_{i})^{2}}+\sum_{j=1}^{m}{(b\theta-Y_{j})^{2}}\bigg\} \end{aligned}

The MLE of θ\theta is obtained in a similar way.

logLθ=12σ2{i=1n2(aθXi)a+j=1m2(bθYj)b}=0θ^=ai=1nXi+bj=1mYjna2+mb2.\begin{aligned} \frac{\partial\log L}{\partial\theta}&=-\frac{1}{2\sigma^{2}}\bigg\{\sum_{i=1}^{n}2(a\theta-X_{i})a+\sum_{j=1}^{m}2(b\theta-Y_{j})b\bigg\}=0\\ &\Rightarrow\quad\hat{\theta}=\frac{a\sum_{i=1}^{n}X_{i}+b\sum_{j=1}^{m}Y_{j}}{na^{2}+mb^{2}}. \end{aligned}

(2)

E[Xˉ]=E[X1++Xnn]=i.i.d.1nnE[Xi]=aθ.\mathbb{E}[\bar{X}]=\mathbb{E}\left[\dfrac{X_1+\cdots+X_n}{n}\right]\overbrace{=}^{i.i.d.}\dfrac{1}{n}\cdot n\cdot\mathbb{E}[X_i]=a\theta.

Similarly,

E[Yˉ]=bθ.\mathbb{E}[\bar{Y}]=b\theta.

Then

E[θ~]=αaθ+βbθ.\mathbb{E}[\tilde{\theta}]=\alpha a\theta+\beta b\theta.

For variance we have

Var(Xˉ)=1nVar(Xi)=σ2n,Var(Yˉ)=σ2m,\mathrm{Var}(\bar{X})=\frac{1}{n}\mathrm{Var}(X_{i})=\frac{\sigma^{2}}{n},\quad\mathrm{Var}(\bar{Y})=\frac{\sigma^{2}}{m},
Var(αXˉ+βYˉ)=(α2n+β2m)σ2.\mathrm{Var}(\alpha\bar{X}+\beta\bar{Y})=(\frac{\alpha^2}{n}+\frac{\beta^2}{m})\sigma^2.

(3)

When θ~\tilde{\theta} is an unbiased estimate of θ\theta,

E[θ~]=αaθ+βbθ=θ,\mathbb{E}[\tilde\theta]=\alpha a\theta+\beta b\theta=\theta,

which is equivalent to

β=1αab.\beta=\frac{1-\alpha a}{b}.

The variance of θ~\tilde{\theta} will be written as

Var(θ~)=σ2n(α2+1+a2α22aαb2)=σ2n{(1+a2b2)α22abα+1b2}.\begin{aligned}\mathrm{Var}(\tilde{\theta})&=\frac{\sigma^{2}}{n}\left(\alpha^{2}+\frac{1+a^{2}\alpha^{2}-2a\alpha}{b^{2}}\right)\\ &=\frac{\sigma^{2}}{n}\bigg\{(1+\frac{a^{2}}{b^{2}})\alpha^{2}-\frac{2a}{b}\alpha+\frac{1}{b^{2}}\bigg\}. \end{aligned}

The minima of Var(θ~)\text{Var}(\tilde{\theta}) is at

α=2ab22(1+a2b2)=aa2+b2,\alpha=\frac{\frac{2a}{b^2}}{2(1+\frac{a^2}{b^2})}=\frac{a}{a^2+b^2},

and

β=1a2a2+b2b=ba2+b2.\beta=\frac{1-\frac{a^2}{a^2+b^2}}b=\frac b{a^2+b^2}.

問題2

(For this question, readers may refer to geometric distribution, 幾何分布.)

(1)

Pr(T=n)=Pr(t1=tail)×Pr(t2=tail)××P(tn=head)=qn1p,\begin{aligned}\Pr(T=n)&=\Pr(t_{1}=tail) \times \Pr(t_{2}=tail) \times \cdots \times P(t_{n}=head)\\&=q^{n-1}p,\end{aligned}

where tit_i is the result of the ii-th coin toss

(2)

E[T]=k=1n(pk)qk1=k=0n1p(k+1)qk,(i)\mathbb{E}[T]=\sum_{k=1}^n(pk)q^{k-1}=\sum_{k=0}^{n-1}p(k+1)q^k, \tag{i}

This is a commonly seen series. We consider

qE[T]=k=1n(pk)qk.(ii)q\mathbb{E}[T]=\sum_{k=1}^n(pk)q^k. \tag{ii}

Eq. (i) subtracted by Eq. (ii) is

(1q)E[T]=ppnqn+k=1n1pqk.(1-q)\mathbb{E}[T]=p-pn\cdot q^n+\sum_{k=1}^{n-1}p\cdot q^k.

Then

E[T]=(pq1q+p)/(1q)=p(1q)2=1p.\begin{aligned} \mathbb{E}[T]&=\left(\frac{pq}{1-q}+p\right)/(1-q)\\ &=\frac{p}{(1-q)^{2}}=\frac{1}{p}. \end{aligned}

Now consider the second moment.

E[T2]=k=1k2qk1p=k=0(k+1)2qkp.\mathbb{E}[T^2]=\sum_{k=1}^\infty k^2q^{k-1}p=\sum_{k=0}^\infty(k+1)^2q^kp.
qE[T2]=k=1k2qkp,q\mathbb{E}[T^2]=\sum_{k=1}^\infty k^2q^kp,
(1q)E[T2]=p+k=1(2k+1)qkp=2qp+pq1q+p=2pp,\begin{aligned}(1-q)\mathbb{E}[T^{2}]&=p+\sum_{k=1}^{\infty}(2k+1)q^{k}p\\ &=\frac{2q}p+\frac{pq}{1-q}+p\\ &=\frac{2-p}p, \end{aligned}

Thus

E[T2]=2pp2,\mathbb{E}[T^2]=\frac{2-p}{p^2},

and

Var(T)=2pp21p2=1pp2.\mathrm{Var}(T)=\frac{2-p}{p^2}-\frac{1}{p^2}=\frac{1-p}{p^2}.

(3)

The most tricky part is to understand the question (at least for me the formulation of Tm,iT_{m,i} is not obvious). A quick explanation: Tm,iT_{m,i} is the number of trials (slot machine draws) that you have done when the ii-th unique pattern (図柄) first appears. For example, when you draw for the first time, you definitely get a new pattern. The first pattern comes from one draw, so Tm,1=1.T_{m,1}=1. Then you do another 3 draws and they are all the same as the 1-st pattern, while the 5-th draw you get a new pattern! Then Tm,2=1+3+1=5.T_{m,2}=1+3+1=5. And similar procedures will tell you Tm,3,,Tm,m.T_m,3,\ldots,T_{m,m}.

Then we will notice that Tm,iTm,i1T_{m,i}-T_{m,i-1} is exactly the number of your keeping drawing from the already got (i1)(i-1) types of patterns, plus one which you draw one new pattern from the (mi+1)(m-i+1) types.

Then Um,iU_m,i follows a geometric distribution, thus

Pr(Um,i=k)=(i1m)k1(mi+1m).\Pr(U_{m,i}=k)=\left(\frac{i-1}{m}\right)^{k-1}\left(\frac{m-i+1}{m}\right).

(4)

We first find E[Um,i]\mathbb{E}[U_m,i], which has already been done in 問題2 の (2).

i.e.,

E[Um,i]=1mi+1m=mmi+1.\mathbb{E}[U_{m,i}]=\frac{1}{\frac{m-i+1}{m}}=\frac{m}{m-i+1}.

Therefore,

Tm,m=1+Um,2+Um,3++Um,mE[Tm,m]=1+i=2mE[Um,i]=1+i=2mmmi+1=1+mi=2m1mi+1=1+mi=2m1mi+1=1+mj=2m1j1.\begin{aligned} T_{m,m}&=1+U_{m,2}+U_{m,3}+\ldots+U_{m,m}\\ \mathbb{E}[T_{m,m}]&=1+\sum_{i=2}^m\mathbb{E}[U_{m,i}]\\ &=1+\sum_{i=2}^m\frac m{m-i+1}=1+m\sum_{i=2}^m\frac1{m-i+1}\\ &=1+m\sum_{i=2}^m\frac1{m-i+1}=1+m\sum_{j=2}^m\frac1{j-1}. \end{aligned}