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大阪大学 基礎工学研究科 数理科学 (システム創成専攻) 2019年度 数理科学 II [7]

Author

Miyake

Description

Kai

(1)

まず、確率を \(P\) で表すと、

\[ \begin{aligned} P(a \leq X \leq b) &= \int_a^b f(x|\lambda) dx \\ &= \lambda \int_a^b \exp ( -\lambda x) dx \\ &= \exp(-\lambda a) - \exp(-\lambda b) \\ P(a \leq Y \leq b) &= \exp \left( - \frac{a}{\lambda} \right) - \exp \left( -\frac{b}{\lambda} \right) \end{aligned} \]

である。

そこで、 \(Z\) の確率分布関数を \(G(z)\) とすると、

\[ \begin{aligned} G(z) &= P(Z \leq z) \\ &= P(X \leq z \text{ and } Y \leq z) + P(X \leq z \leq Y) + P(Y \leq z \leq X) \\ &= P(X \leq z) P(Y \leq z) + P(X \leq z) P(z \leq Y) + P(Y \leq z) P(z \leq X) \\ &= \left( 1 - \exp (- \lambda z) \right) \left( 1 - \exp \left(- \frac{z}{\lambda} \right) \right) + \left( 1 - \exp (- \lambda z) \right) \exp \left(- \frac{z}{\lambda} \right) + \left( 1 - \exp \left(- \frac{z}{\lambda} \right) \right) \exp (- \lambda z) \end{aligned} \]

となるから、 \(Z\) の確率密度関数 \(g(z)\) は、

\[ \begin{aligned} g(z) &= \frac{d G(z)}{dz} \\ &= \left( \lambda + \lambda^{-1} \right) \exp \left( - \left( \lambda + \lambda^{-1} \right) z \right) \\ &= \mu \exp \left( - \mu z \right) \end{aligned} \]

となる。ここで、 \(\mu = \lambda + \lambda^{-1}\) とした。

よって、平均を \(E\), 分散を \(V\) で表すと、

\[ \begin{aligned} E[Z] &= \int_0^\infty z g(z) dz \\ &= \mu \int_0^\infty z \exp \left( - \mu z \right) dz \\ &= \frac{1}{\mu} = \frac{1}{\lambda + \lambda^{-1}} \\ E[Z^2] &= \int_0^\infty z^2 g(z) dz \\ &= \mu \int_0^\infty z^2 \exp \left( - \mu z \right) dz \\ &= \frac{2}{\mu^2} = \frac{2}{\left( \lambda + \lambda^{-1} \right)^2} \\ V[Z] &= E[Z^2] - E[Z]^2 \\ &= \frac{1}{\mu^2} = \frac{1}{\left( \lambda + \lambda^{-1} \right)^2} \end{aligned} \]

を得る。

(2)

\(Z\) の観測値を \(z_1, z_2, \cdots, z_n\) とし、 その平均を

\[ \begin{aligned} \bar{z} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n z_i \end{aligned} \]

とする。

対数尤度関数 \(l\) は、

\[ \begin{aligned} l &= \sum_{i=1}^n \log g(z_i) \\ &= \sum_{i=1}^n \log \left( \mu \exp \left( - \mu z_i \right) \right) \\ &= n \log \mu - \mu \sum_{i=1}^n z_i \\ &= n \log \mu - \mu n \bar{z} \\ \therefore \ \ \frac{dl}{d \mu} &= \frac{n}{\mu} - n \bar{z} \end{aligned} \]

であるから、 \(\mu\) の最尤推定量 \(\hat{\mu}\) は、

\[ \begin{aligned} \hat{\mu} = \frac{1}{\bar{z}} \end{aligned} \]

であることがわかる。

(3)

\[ \begin{aligned} \frac{d \mu}{d \lambda} &= 1 - \frac{1}{\lambda^2} \end{aligned} \]

であるから、 \(\lambda \gt 1\) において、 \(\mu\)\(\lambda\) の単調増加関数である。 よって、 \(\lambda\) の最尤推定量 \(\hat{\lambda}\) は、

\[ \begin{aligned} \hat{\lambda} + \frac{1}{\hat{\lambda}} = \hat{\mu} \end{aligned} \]

を満たし、

\[ \begin{aligned} \hat{\lambda} &= \frac{1}{2} \left( \hat{\mu} + \sqrt{\hat{\mu}^2 - 4} \right) \\ &= \frac{1}{2} \left( \frac{1}{\bar{z}} + \sqrt{\frac{1}{\bar{z}^2} - 4} \right) \end{aligned} \]

を得る。

ただし、これは \(\bar{z} \leq 1/2\) のときであり、 \(\bar{z} \gt 1/2\) のときは、

\[ \begin{aligned} \hat{\lambda} = 1 \end{aligned} \]

である。