京都大学 情報学研究科 システム科学専攻 2026年8月実施 確率統計
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AnonTokyo #83056
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以下の問題において,E ( X ) E(X) E ( X ) は確率変数 (random variable) X X X の期待値 (expected value),V ( X ) V(X) V ( X ) は分散 (variance) を表す。N ( μ , σ 2 ) N(\mu,\sigma^2) N ( μ , σ 2 ) は期待値 μ \mu μ ,分散 σ 2 \sigma^2 σ 2 の正規分布 (normal distribution) を表す。
問題 1
n n n は 2 以上の整数 (integer) とする。確率変数 X 1 , … , X n X_1,\ldots,X_n X 1 , … , X n は独立で,X i ∼ N ( μ , 1 ) X_i\sim N(\mu,1) X i ∼ N ( μ , 1 ) ,i = 1 , … , n i=1,\ldots,n i = 1 , … , n とする。ただし,μ \mu μ は未知パラメータである。また,
X ˉ = 1 n ∑ i = 1 n X i \bar X=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n X_i X ˉ = n 1 i = 1 ∑ n X i
とする。さらに,
R = X 1 − X ˉ R=X_1-\bar X R = X 1 − X ˉ
とおく。なお,確率変数の組 ( Y , Z ) (Y,Z) ( Y , Z ) が二変量正規分布 (bivariate normal distribution) にしたがうとき,Y Y Y と Z Z Z が無相関 (uncorrelated) ならば独立 (independent) であることを用いてよい。以下の設問に答えよ。
(1) E ( R ) E(R) E ( R ) および V ( R ) V(R) V ( R ) を求めよ。
(2) R R R と X ˉ \bar X X ˉ が無相関であることを示せ。
(3) U = X 1 2 − 1 U=X_1^2-1 U = X 1 2 − 1 とする。E ( U ) E(U) E ( U ) および条件付き期待値 (conditional expectation) E ( U ∣ X ˉ = x ) E(U\mid\bar X=x) E ( U ∣ X ˉ = x ) を求めよ。
問題 2
n n n を正の整数とし,既知の定数 a 1 , … , a n a_1,\ldots,a_n a 1 , … , a n は ∑ i = 1 n a i 2 = 1 \sum_{i=1}^n a_i^2=1 ∑ i = 1 n a i 2 = 1 を満たすとする。確率変数 X X X は X ∼ N ( 0 , σ 2 ) X\sim N(0,\sigma^2) X ∼ N ( 0 , σ 2 ) であり,σ 2 > 0 \sigma^2>0 σ 2 > 0 は未知パラメータとする。X = x X=x X = x が与えられたとき,確率変数 Y 1 , … , Y n Y_1,\ldots,Y_n Y 1 , … , Y n は独立 (independent) に正規分布にしたがい,Y i ∼ N ( x a i , τ 2 ) Y_i\sim N(xa_i,\tau^2) Y i ∼ N ( x a i , τ 2 ) ,i = 1 , … , n i=1,\ldots,n i = 1 , … , n である。ただし τ 2 > 0 \tau^2>0 τ 2 > 0 は既知の定数とする。ここで Z = ∑ i = 1 n a i Y i Z=\sum_{i=1}^n a_iY_i Z = ∑ i = 1 n a i Y i とおき,Y 1 = y 1 , … , Y n = y n Y_1=y_1,\ldots,Y_n=y_n Y 1 = y 1 , … , Y n = y n が観測されたときの Z Z Z の値を z = ∑ i = 1 n a i y i z=\sum_{i=1}^n a_iy_i z = ∑ i = 1 n a i y i とおく。以下の設問に答えよ。
(1) X = x X=x X = x が与えられたときの Z Z Z の条件付き確率分布 (conditional probability distribution) を求めよ。
(2) W = Z − X W=Z-X W = Z − X とおく。X = x X=x X = x が与えられたときの W W W の条件付き確率分布が x x x によらないことを示せ。この結果により,W W W と X X X は独立であることがわかる。このことを用いて Z Z Z のしたがう確率分布を求めよ。
(3) Y 1 = y 1 , … , Y n = y n Y_1=y_1,\ldots,Y_n=y_n Y 1 = y 1 , … , Y n = y n が与えられたときの X X X の条件付き確率密度関数 (conditional probability density function) を f ( x ∣ y 1 , … , y n ) f(x\mid y_1,\ldots,y_n) f ( x ∣ y 1 , … , y n ) とする。f ( x ∣ y 1 , … , y n ) f(x\mid y_1,\ldots,y_n) f ( x ∣ y 1 , … , y n ) を最大 (maximum) にする x x x の値 x ^ \hat x x ^ を,z , σ 2 , τ 2 z,\sigma^2,\tau^2 z , σ 2 , τ 2 を用いて表せ。
(4) 設問 (2) で求めた Z Z Z の確率分布の確率密度関数 (probability density function) を h ( z ; σ 2 ) h(z;\sigma^2) h ( z ; σ 2 ) とする。Z = z Z=z Z = z を観測したとき,h ( z ; σ 2 ) h(z;\sigma^2) h ( z ; σ 2 ) を最大にする σ 2 \sigma^2 σ 2 の値 σ ^ 2 \hat\sigma^2 σ ^ 2 を,z , τ 2 z,\tau^2 z , τ 2 を用いて表せ。ただし σ 2 > 0 \sigma^2>0 σ 2 > 0 の範囲で最大値をとらない場合は σ ^ 2 = 0 \hat\sigma^2=0 σ ^ 2 = 0 と定める。
(5) 設問 (3) で求めた x ^ \hat x x ^ の式において,σ 2 \sigma^2 σ 2 を設問 (4) の σ ^ 2 \hat\sigma^2 σ ^ 2 で置き換えた値を,z , τ 2 z,\tau^2 z , τ 2 を用いて表せ。
Kai
問題 1
(1) R R R の期待値と分散
E ( X 1 ) = E ( X ˉ ) = μ E(X_1)=E(\bar X)=\mu E ( X 1 ) = E ( X ˉ ) = μ なので
E ( R ) = 0 . \boxed{E(R)=0}. E ( R ) = 0 .
また,V ( X 1 ) = 1 V(X_1)=1 V ( X 1 ) = 1 ,V ( X ˉ ) = 1 / n V(\bar X)=1/n V ( X ˉ ) = 1/ n ,Cov ( X 1 , X ˉ ) = 1 / n \operatorname{Cov}(X_1,\bar X)=1/n Cov ( X 1 , X ˉ ) = 1/ n だから
V ( R ) = V ( X 1 ) + V ( X ˉ ) − 2 Cov ( X 1 , X ˉ ) = 1 + 1 n − 2 n = 1 − 1 n . V(R)=V(X_1)+V(\bar X)-2\operatorname{Cov}(X_1,\bar X)
=1+\frac1n-\frac2n
=\boxed{1-\frac1n}. V ( R ) = V ( X 1 ) + V ( X ˉ ) − 2 Cov ( X 1 , X ˉ ) = 1 + n 1 − n 2 = 1 − n 1 .
(2) 無相関の証明
Cov ( R , X ˉ ) = Cov ( X 1 − X ˉ , X ˉ ) = 1 n − 1 n = 0. \operatorname{Cov}(R,\bar X)
=\operatorname{Cov}(X_1-\bar X,\bar X)
=\frac1n-\frac1n=0. Cov ( R , X ˉ ) = Cov ( X 1 − X ˉ , X ˉ ) = n 1 − n 1 = 0.
従って R R R と X ˉ \bar X X ˉ は無相関である。また,両者は独立正規変数の線形結合であるから同時正規分布に従う。問題文の性質より両者は独立でもある。
(3) U U U の期待値・条件付き期待値
E ( X 1 2 ) = V ( X 1 ) + [ E ( X 1 ) ] 2 = 1 + μ 2 E(X_1^2)=V(X_1)+[E(X_1)]^2=1+\mu^2 E ( X 1 2 ) = V ( X 1 ) + [ E ( X 1 ) ] 2 = 1 + μ 2 なので
E ( U ) = μ 2 . \boxed{E(U)=\mu^2}. E ( U ) = μ 2 .
X 1 = X ˉ + R X_1=\bar X+R X 1 = X ˉ + R かつ R R R と X ˉ \bar X X ˉ は独立である。従って
E ( U ∣ X ˉ = x ) = E [ ( x + R ) 2 − 1 ] = x 2 + 2 x E ( R ) + E ( R 2 ) − 1 = x 2 − 1 n . \begin{aligned}
E(U\mid\bar X=x)
&=E[(x+R)^2-1]\\
&=x^2+2xE(R)+E(R^2)-1\\
&=\boxed{x^2-\frac1n}.
\end{aligned} E ( U ∣ X ˉ = x ) = E [( x + R ) 2 − 1 ] = x 2 + 2 x E ( R ) + E ( R 2 ) − 1 = x 2 − n 1 .
問題 2
(1) Z ∣ X = x Z\mid X=x Z ∣ X = x の分布
条件付きの Y i Y_i Y i は独立正規変数なので,Z Z Z も正規分布に従う。∑ i a i 2 = 1 \sum_i a_i^2=1 ∑ i a i 2 = 1 より
E ( Z ∣ X = x ) = ∑ i a i ( x a i ) = x , E(Z\mid X=x)=\sum_i a_i(xa_i)=x, E ( Z ∣ X = x ) = i ∑ a i ( x a i ) = x ,
V ( Z ∣ X = x ) = τ 2 ∑ i a i 2 = τ 2 . V(Z\mid X=x)=\tau^2\sum_i a_i^2=\tau^2. V ( Z ∣ X = x ) = τ 2 i ∑ a i 2 = τ 2 .
ゆえに
Z ∣ X = x ∼ N ( x , τ 2 ) . \boxed{Z\mid X=x\sim N(x,\tau^2)}. Z ∣ X = x ∼ N ( x , τ 2 ) .
(2) W W W の独立性と Z Z Z の周辺分布
W = Z − X W=Z-X W = Z − X なので,条件付き分布は
W ∣ X = x ∼ N ( 0 , τ 2 ) W\mid X=x\sim N(0,\tau^2) W ∣ X = x ∼ N ( 0 , τ 2 )
であり,x x x に依存しない。従って W W W と X X X は独立で,W ∼ N ( 0 , τ 2 ) W\sim N(0,\tau^2) W ∼ N ( 0 , τ 2 ) である。Z = X + W Z=X+W Z = X + W は独立な正規変数の和であるから,
Z ∼ N ( 0 , σ 2 + τ 2 ) . \boxed{Z\sim N(0,\sigma^2+\tau^2)}. Z ∼ N ( 0 , σ 2 + τ 2 ) .
(3) 条件付き密度の最大点
ベイズの定理より,x x x に依存しない正の定数を省略して
f ( x ∣ y 1 , … , y n ) ∝ exp [ − x 2 2 σ 2 − 1 2 τ 2 ∑ i ( y i − a i x ) 2 ] ∝ exp [ − 1 2 ( 1 σ 2 + 1 τ 2 ) x 2 + z τ 2 x ] . \begin{aligned}
f(x\mid y_1,\ldots,y_n)
&\propto\exp\!\left[-\frac{x^2}{2\sigma^2}-\frac1{2\tau^2}\sum_i(y_i-a_ix)^2\right]\\
&\propto\exp\!\left[-\frac12\left(\frac1{\sigma^2}+\frac1{\tau^2}\right)x^2+\frac z{\tau^2}x\right].
\end{aligned} f ( x ∣ y 1 , … , y n ) ∝ exp [ − 2 σ 2 x 2 − 2 τ 2 1 i ∑ ( y i − a i x ) 2 ] ∝ exp [ − 2 1 ( σ 2 1 + τ 2 1 ) x 2 + τ 2 z x ] .
指数部を x x x で微分すると,極大条件は
− ( 1 σ 2 + 1 τ 2 ) x + z τ 2 = 0. -\left(\frac1{\sigma^2}+\frac1{\tau^2}\right)x+\frac z{\tau^2}=0. − ( σ 2 1 + τ 2 1 ) x + τ 2 z = 0.
よって
x ^ = σ 2 σ 2 + τ 2 z . \boxed{\hat x=\frac{\sigma^2}{\sigma^2+\tau^2}z}. x ^ = σ 2 + τ 2 σ 2 z .
(4) σ 2 \sigma^2 σ 2 の最尤推定
(2) より
h ( z ; σ 2 ) = 1 2 π ( σ 2 + τ 2 ) exp [ − z 2 2 ( σ 2 + τ 2 ) ] . h(z;\sigma^2)=\frac{1}{\sqrt{2\pi(\sigma^2+\tau^2)}}
\exp\!\left[-\frac{z^2}{2(\sigma^2+\tau^2)}\right]. h ( z ; σ 2 ) = 2 π ( σ 2 + τ 2 ) 1 exp [ − 2 ( σ 2 + τ 2 ) z 2 ] .
対数尤度の微分は
∂ log h ∂ σ 2 = z 2 − σ 2 − τ 2 2 ( σ 2 + τ 2 ) 2 . \frac{\partial\log h}{\partial\sigma^2}
=\frac{z^2-\sigma^2-\tau^2}{2(\sigma^2+\tau^2)^2}. ∂ σ 2 ∂ log h = 2 ( σ 2 + τ 2 ) 2 z 2 − σ 2 − τ 2 .
z 2 > τ 2 z^2>\tau^2 z 2 > τ 2 なら内部の極大点は σ 2 = z 2 − τ 2 \sigma^2=z^2-\tau^2 σ 2 = z 2 − τ 2 である。z 2 ≤ τ 2 z^2\le\tau^2 z 2 ≤ τ 2 なら σ 2 > 0 \sigma^2>0 σ 2 > 0 の内部で最大値を取らず,問題文の定義により 0 とする。従って
σ ^ 2 = max { z 2 − τ 2 , 0 } . \boxed{\hat\sigma^2=\max\{z^2-\tau^2,0\}}. σ ^ 2 = max { z 2 − τ 2 , 0 } .
(5) 代入推定値
(3) の式に (4) の値を代入すると
x ^ p l u g - i n = { z − τ 2 z , ∣ z ∣ > τ , 0 , ∣ z ∣ ≤ τ . \boxed{
\hat x_{\mathrm{plug\text{-}in}}=
\begin{cases}
z-\dfrac{\tau^2}{z},&|z|>\tau,\\[5pt]
0,&|z|\le\tau.
\end{cases}} x ^ plug - in = ⎩ ⎨ ⎧ z − z τ 2 , 0 , ∣ z ∣ > τ , ∣ z ∣ ≤ τ .
となる。z = 0 z=0 z = 0 も下段に含まれるため,零除算は生じない。