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第七章 参数估计和假设检验

选择题​

  1. 设 是取自总体 的一个简单随机样本,, 是样本均值,则 的无偏估计量是
A. ;    B. ;
C. ;    D. 。
查看答案与解析

答案: C

解析: 记

由样本离差平方和的期望公式

可得

因此 是总体方差 的无偏估计量,故选 C。

对于其他选项:

  • A 的期望为

不是无偏估计量。

  • B 的期望为

是有偏估计量。

  • D 中

与 B 相同,也不是无偏估计量。


  1. 设 是取自总体 的简单随机样本,记 ,,,,则
A. 是 的无偏估计;    B. 是 的无偏估计;
C. 是 的无偏估计;    D. 是 的无偏估计。
查看答案与解析

答案: B

解析: 由样本方差的基本性质,若总体方差存在,则

所以 是 的无偏估计量,B 正确。

对于其他选项:

  • A:虽然 无偏,但一般不能推出 对 无偏。由于平方根函数为严格凹函数,且题设 ,由詹森不等式得

因而 通常是 的有偏估计。

  • C:

所以 不是 的无偏估计。

  • D:由于

故不是 的无偏估计。


  1. 设 是从总体 中取出的简单随机样本 的样本均值,则 是 的矩估计,如果
A. ;    B. 服从参数为 的指数分布;
C. ;    D. 服从 上的均匀分布。
查看答案与解析

答案: A

解析: 矩估计法用样本矩代替相应的总体矩。若只含一个未知参数 ,通常令

再解出 的估计量。

  • A:若 ,则

令 ,得到

因此 A 正确。

  • B:按通常的指数分布参数约定,密度为

则

所以矩估计量为

而不是 。

  • C:该分布为参数为 的几何分布,且

故矩估计量也是 。

  • D:若 ,则

因而


  1. 假设总体 的方差 存在 , 是取自总体 的简单随机样本,其方差为 ,且 ,则
A. 是 的矩估计量;    B. 是 的最大似然估计量;
C. 是 的无偏估计量;    D. 是 的相合(一致)估计量。
查看答案与解析

答案: D

解析: 样本方差为

利用恒等式

由大数定律,因 ,有

于是

又由于平方根函数在 上连续,故由连续映射定理

因此 是 的相合估计量,D 正确。

对于其他选项:

  • A:一般矩估计得到的总体标准差估计量为

而不是分母为 的 。

  • B:题目只假设总体方差存在,并未指定总体分布,无法写出统一的似然函数,因此不能断言 是最大似然估计量。即使总体正态, 的最大似然估计量也通常为

不是 。

  • C:由 及詹森不等式,

因而 一般不是 的无偏估计量。

填空题​

  1. 设 是取自总体 的简单随机样本, 是总体方差 的无偏估计量,则 ,。
查看答案与解析
答案:

解析: 设总体均值为 ,则

所以

又因为

故

于是

要使其对任意 都等于 ,必须有

由第二式得 ,代入第一式:

因此

此时原估计量正好为


  1. 设总体 服从 上的均匀分布, 是取自 的简单随机样本,则未知参数 的矩估计量为 ,。
查看答案与解析

答案: 令

则

解析: 若 ,则

总体二阶原点矩为

矩估计法令总体一阶、二阶原点矩分别等于样本一阶、二阶原点矩,即

由

可得

因为 ,所以

再由

联立解得

计算题与应用题​

  1. 设总体 的概率分布为
01

其中 是未知参数,又设 是总体 的一组样本观测值。

(Ⅰ)试求参数 的矩估计量和最大似然估计量;

(Ⅱ)验证相应两个估计量的无偏性。

查看答案与解析

答案: (Ⅰ)参数 的矩估计量和最大似然估计量相同,均为

对于给定样本观测值,估计值为

(Ⅱ)该估计量是 的无偏估计量。

解析: (Ⅰ)先求矩估计量。由总体分布可得

矩估计法令总体一阶原点矩等于样本一阶原点矩,即

故

再求最大似然估计量。设样本中取值为 的个数为

取值为 的个数为

似然函数为

取对数得

对 求导:

令 ,得

又因为对数似然函数在 内为凹函数,所以该驻点给出最大值。

(Ⅱ)由于 独立同分布,且 ,所以

因此矩估计量和最大似然估计量均为 的无偏估计量。


  1. 设总体 的概率密度为

其中 和 是未知参数,利用总体 的如下样本值

求 的矩估计值和最大似然估计值。

查看答案与解析
答案:

解析: 由于 是概率密度,必须满足

因此

先求矩估计。总体均值为

令 ,得到

由给出的样本值,

故

于是

再求最大似然估计。样本中落在 内的观测值有 个,落在 内的观测值有 个,因此

利用约束 ,有

对数似然函数为

求导得

令 ,得到

故

并且

所以该驻点确为最大值点。


  1. 已知总体 服从瑞利分布,其密度函数为

为取自总体 的简单随机样本,求 的矩估计量,并问这个估计量是否为无偏估计量?

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答案:

该估计量不是 的无偏估计量,而是正偏估计量。

解析: 瑞利分布的一阶矩为

矩估计法令

解得

下面判断无偏性。瑞利分布还满足

因此

又

代入得

所以

由于 ,故

因此 不是无偏估计量,其偏差为


  1. 接连不断地、独立地对同一目标射击,直到命中为止,假定共进行了 轮这样的射击,各轮射击次数相应为 ,试求命中率 的最大似然估计值和矩估计值。
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答案: 最大似然估计值与矩估计值相同,均为

解析: 设一轮射击直到首次命中所需的射击次数为随机变量 。每次射击相互独立,单次命中概率为 ,则 服从几何分布:

先求最大似然估计。由样本观测值 ,似然函数为

对数似然函数为

求导得

令 ,可得

从而

再求矩估计。几何分布的数学期望为

令总体一阶矩等于样本一阶矩:

所以

因此最大似然估计与矩估计相同。若所有 ,则估计值为边界值 。


  1. 设 服从 上的均匀分布, 为简单随机样本,求 的最大似然估计量。
查看答案与解析

答案: 记

则

解析: 总体密度为

因此样本的似然函数为

利用次序统计量可写为

要使似然函数非零,参数必须满足

在这些约束下,似然函数随区间长度 的增大而减小。因此应使 尽可能小,即取

故最大似然估计量为


  1. 已知总体 的密度函数为

其中 为未知参数, 为简单随机样本,求 和 的矩估计量。

查看答案与解析

答案: 记

则

解析: 令

由题设密度可知, 服从参数为 的指数分布,即

因此

从而

并且

总体二阶原点矩为

用样本一阶矩、二阶矩分别代替总体一阶矩、二阶矩,得到矩方程

将第一式代入第二式,得

于是

再由

得到

这里根号内正是分母为 的样本方差,必为非负数。


  1. 设总体 服从韦布尔分布,密度函数为

其中 为已知, 是未知参数,试根据来自 的简单随机样本 ,求 的最大似然估计量。

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答案:

解析: 对样本观测值 ,似然函数为

整理得

取对数,得

求导:

令 ,得

又

故该驻点确为对数似然函数的唯一最大值点。因此


  1. 设某种电子器件的寿命(以小时计) 服从指数分布,概率密度为

其中 未知。现从这批器件中任取 只在时刻 时投入独立寿命试验,试验进行到预定时间 结束,此时有 只器件失效,试求 的最大似然估计。

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答案:

解析: 本题只给出在截止时刻 前失效的器件数 ,因此把每只器件是否在 前失效作为观测结果。

单只器件在 前失效的概率为

未失效的概率为

由独立性,失效器件数 服从二项分布

忽略与 无关的组合数,似然函数为

令

则二项分布中参数 的最大似然估计为

因此

即

两边取对数,得到

若另外记录了每只失效器件的具体失效时刻,则属于Ⅰ型截尾样本,似然函数及估计式会相应包含这些失效时刻;本题按题目给出的观测信息,仅利用失效总数 。


  1. 设总体 在区间 上服从均匀分布, 是取自总体 的简单随机样本,,。

(Ⅰ)求 的矩估计量和最大似然估计量;

(Ⅱ)求常数 ,使 , 均为 的无偏估计,并比较其有效性;

(Ⅲ)应用切比雪夫不等式证明: 均为 的一致性(相合性)估计。

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答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

即

两者的方差分别为

当 时, 比 更有效;当 时两者相同。

(Ⅲ) 与 均为 的一致估计量。

解析: (Ⅰ)矩估计量与最大似然估计量

由于

有

令样本一阶矩等于总体一阶矩:

得到矩估计量

总体密度为

于是似然函数为

当 时, 随 增大而严格减小,因此应取允许的最小值

(Ⅱ)无偏化及有效性比较

先求 。由

若 对 无偏,则

所以

再求 。对 ,最大次序统计量的分布函数为

因此密度为

于是

若 对 无偏,则

所以

故两个无偏估计量为

下面比较方差。由于均匀分布的方差为

所以

又

从而

于是

当 时,

故 的方差更小,因而更有效;当 时,两者完全相同。

(Ⅲ)一致性证明

对任意 ,由于 无偏,由切比雪夫不等式

当 时,右端趋于 ,故

同理,由 无偏,

所以

因此 和 均为 的一致估计量。


  1. 设有一批同型号产品,其次品率记为 。现有五位检验员分别从中随机抽取 件产品,检测后的次品数分别为 。

(Ⅰ)若已知 ,求 的矩估计值 ;

(Ⅱ)若已知 ,求 的极大似然估计值 ;

(Ⅲ)在情况(Ⅱ)下,检验员从该批产品中再随机检测100个产品,试用中心极限定理近似计算其次品数大于3的概率(注:)。

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答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

(Ⅲ)

解析: 设第 位检验员检出的次品数为 ,则

且五个随机变量相互独立。样本观测值为

其样本均值为

(Ⅰ)求 的矩估计值

二项分布的数学期望为

矩估计法令

已知 ,故

(Ⅱ)求 的最大似然估计值

当 时,每位检验员的次品数服从 。五位检验员共检查

件产品,共发现

件次品。

因此似然函数中与 有关的部分为

二项分布中成功概率的最大似然估计为成功频率,因此

(Ⅲ)近似计算再次抽检时次品数大于3的概率

将 取为估计值 。设再次抽检100件产品时的次品数为 ,则

其均值和方差分别为

故标准差为

由中心极限定理,

近似服从标准正态分布。按题目给出的 计算,不作连续性修正,有

而

所以


  1. 假设批量生产的某种配件的内径 服从正态分布 ,今随机抽取16个配件,测得平均内径 毫米,样本标准差 毫米,试求 和 的 置信区间。
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答案:

解析: 总体服从正态分布,但总体均值和方差均未知,样本容量为

置信度为 ,故

(Ⅰ)总体均值 的置信区间

由于总体方差未知,使用统计量

查 分布表,标准 分布的 分位数为

因此 的 置信区间为

代入数据,得

从而

即

取三位小数可写为

(Ⅱ)总体方差 的置信区间

对于正态总体,有

设 表示自由度为15的卡方分布的 分位数。查表得

于是 的 置信区间为

由于

故

因此


  1. 在测量反应时间中假设反应时间服从正态分布,一心理学家估计的标准差是 秒。为了以 的置信度使他对平均反应时间的估计误差不超过 秒,应取的样本容量 为多少?
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答案:

解析: 将总体标准差按题给估计值

处理。对正态总体均值的双侧 置信区间,其允许误差为

题中

并要求误差不超过

故应有

整理得

因此

样本容量必须取整数,并且应向上取整,故

若取 ,则尚不能保证误差不超过 秒,因此不能向下取整。


  1. 某装置的平均工作温度据制造厂家称低于 ,今从一个由16台装置构成的随机样本测得工作温度的平均值和标准差分别为 和 ,根据这些数据能否支持厂家结论?设 ,并假定工作温度近似服从正态分布。
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答案: 不能支持厂家关于平均工作温度低于 的结论。

解析: 设装置工作温度总体的均值为 。厂家声称

为检验该结论,可建立左侧检验

由于总体近似服从正态分布、总体方差未知,使用单样本 检验。检验统计量为

在临界边界 下,

由题给数据

得到统计量观测值

显著性水平为 。左侧检验的拒绝域为

查表得

故拒绝域为

而样本统计量

没有落入拒绝域,因此不能拒绝原假设 ,也就没有充分证据说明

事实上,样本均值 高于 。若进一步进行右侧检验

则

会拒绝 ,表明数据反而支持平均工作温度高于 。

因此,依据该样本数据,厂家的结论不能得到支持。