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8.1 矩估计与最大似然估计

小题

  1. 【2021-3-5 分】 设总体 的概率分布为 ,利用来自总体的样本值 ,可得 的最大似然估计值为( )
A.    B.    C.    D.
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答案: A,即

解析: 样本中取值 的次数分别为

因此似然函数为

取对数得

求导:

,则

从而

并且

故该驻点确为最大值点。其余选项均不满足似然方程。


  1. 【1991-4-5 分】 设总体 的概率密度为

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

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答案:

解析: 当所有样本值均大于 时,似然函数为

对数似然函数为

求导并令其为零:

得到

故它是唯一的最大似然估计量。


  1. 【1997-1-5 分】 设总体 的概率密度为

是未知参数, 是来自总体 的一个容量为 的简单随机样本,分别用矩估计法和极大似然估计法求 的估计量。

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答案: 矩估计量为

最大似然估计量为

解析: (1)矩估计法

总体一阶原点矩为

令总体一阶矩等于样本一阶矩:

解得

(2)最大似然估计法

似然函数为

对数似然函数为

求导并令其为零:

因此

由于 ,故 ;同时

所以所得驻点为最大值点。


  1. 【2002-3-3 分】 设总体 的概率密度为

是来自总体 的简单随机样本,则未知参数 的矩估计量为多少?

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答案:

解析:,则 服从参数为 的指数分布,因此

矩估计法令 ,于是

所以

大题

  1. 【2002-1-7 分】 设总体 的概率分布为

其中 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。

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答案: 矩估计值为

最大似然估计值为

解析: (1)矩估计

总体均值为

样本均值为

,得到

(2)最大似然估计

样本中 出现的次数分别为 ,故似然函数为

对数似然函数为

求导并令其为零:

整理得

也就是

解得

由于参数范围为 ,只有

符合要求。又似然函数在区间两端趋于 ,因此该内部驻点给出最大值。


  1. 【1999-1-6 分】 设总体 的概率密度为

是取自总体 的简单随机样本。

(1)求 的矩估计量

(2)求 的方差

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答案:

解析: 先求总体的一阶矩:

,得到矩估计量

为求其方差,再计算二阶矩:

所以

由于样本独立同分布,


  1. 【2000-1-8 分】 设某种元件的使用寿命 的概率密度为

其中 为未知参数,又设 的一组样本观测值,求参数 的最大似然估计值。

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答案:

解析:。似然函数为

在可行区间 内, 单调增加,因此在右端点取得最大值,故

关键知识点是:当参数同时决定密度函数的支撑区间时,最大似然估计往往由样本极值给出,不能只对对数似然函数机械求导。


  1. 【2004-3-13 分】 设随机变量 的分布函数为

其中参数 。设 为来自总体 的简单随机样本。

(1)当 时,求未知参数 的矩估计量;

(2)当 时,求未知参数 的最大似然估计量;

(3)当 时,求未知参数 的最大似然估计量。

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答案: (1)

(2)

(3)

解析: 由分布函数求导可得概率密度

(1)当 时,

,则

解得

(2)当 时,似然函数为

对数似然函数为

得到

并且

故这是极大值点。若严格要求参数空间 ,则应在参数空间内比较;通常真样本下所得值按题目标准写成上述形式。

(3)当 时,似然函数为

内, 单调增加,故


  1. 【2004-1-9 分】 设总体 的分布函数为

其中 。设 为来自总体 的简单随机样本,求:

(1) 的矩估计量;

(2) 的最大似然估计量。

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答案:

解析: 由分布函数可得概率密度

(1)矩估计

由于 ,总体均值存在,且

,解得

(2)最大似然估计

似然函数为

对数似然函数为

求导并令其为零:

所以

,故为最大值点。


  1. 【2006-3-13 分】 设总体 的概率密度为

是未知参数, 为来自总体 的简单随机样本,记 为样本值 中小于 的个数。

(1)求 的矩估计;

(2)求 的最大似然估计。

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答案: (1) 的矩估计量为

(2) 的最大似然估计量为

解析: (1)矩估计

总体的一阶原点矩为

令总体一阶矩等于样本一阶矩,即

解得

(2)最大似然估计

样本中有 个观测值落在区间 ,其余 个观测值落在区间 ,故似然函数为

对数似然函数为

时,求导得

,则

从而

并且

故该驻点为唯一最大值点。若 ,似然函数分别在边界 处取得上确界;通常将参数空间闭包纳入考虑后,估计量仍统一写为


  1. 【2006-1-9 分】 设总体 的概率密度为

是未知参数, 为来自总体 的简单随机样本,记 为样本值 中小于 的个数。求 的最大似然估计。

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答案:

解析: 对给定样本,落在 内的 个样本点各贡献因子 ,落在 内的 个样本点各贡献因子 ,故似然函数为

取对数得

时,

,可得

所以

又有

因此该点为极大值点。若 ,最大值位于参数空间的相应边界,统一仍写成


  1. 【2009-1-11 分】 设总体 的概率密度为

其中参数 未知, 是来自总体 的简单随机样本。

(1)求参数 的矩估计量;

(2)求参数 的最大似然估计量。

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答案:

解析: 该分布是形状参数为 、率参数为 的伽马分布。

(1)矩估计

先求总体均值:

利用

得到

,解得

(2)最大似然估计

当所有样本值均大于 时,似然函数为

对数似然函数为

求导并令其为零:

所以所得驻点为唯一最大值点。本题中矩估计量与最大似然估计量相同。


  1. 【2011-1-11 分】 为来自正态总体 的简单随机样本,其中 已知, 未知。 分别表示样本均值和样本方差。

(1)求参数 的最大似然估计量

(2)计算

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答案: (1)

(2)

解析: (1)最大似然估计

样本的似然函数为

对数似然函数为

看作参数,求导得

令其等于零,得到

又由恒等式

可写成

(2)期望与方差

由于

所以

利用卡方分布的性质

得到

因此,当总体均值已知时, 的无偏估计量。


  1. 【2012-1-11 分】 设随机变量 相互独立,且分别服从正态分布 ,其中 是未知参数且 。设

(1)求 的概率密度

(2)设 为来自总体 的简单随机样本,求 的最大似然估计量

(3)证明 的无偏估计量。

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答案: (1)

(2)

(3)

的无偏估计量。

解析: (1)求 的分布

由于 相互独立,且

所以正态随机变量的线性组合仍服从正态分布,并且

因此

其概率密度为

(2)最大似然估计

似然函数为

对数似然函数为

求导得

令其等于零,得到

因此

(3)无偏性

因为 ,所以

于是

的无偏估计量。


  1. 【2013-13-11 分】 设总体 的概率密度为

其中 为未知参数且大于零, 为来自总体 的简单随机样本。

(1)求 的矩估计量;

(2)求 的最大似然估计量。

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答案: (1)

(2)

解析: (1)矩估计

由数学期望的定义,

,则 ,故

用样本一阶原点矩 代替总体一阶原点矩,得到

(2)最大似然估计

似然函数为

对数似然函数为

求导得

,得到

故该驻点为似然函数的唯一最大值点。


  1. 【2014-1-11 分】 设总体 的分布函数为

其中 为未知参数且大于零, 为来自总体 的简单随机样本。

(1)求

(2)求 的极大似然估计量

(3)是否存在常数 ,使得对任意的 ,都有

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答案: (1)

(2)

(3)存在,且

解析: 由分布函数求导,得到总体 的概率密度

(1)计算数字特征

首先,

,则 ,从而

同理,

(2)最大似然估计

似然函数为

对数似然函数为

求导得

,得到

在该点有 ,故它是最大似然估计量。

(3)相合性

由(1)知 。又令 ,则

所以 服从均值为 的指数分布,因而

于是

由切比雪夫不等式,任意 ,有

因此存在常数 ,使题设极限成立,即 的相合估计量。


  1. 【2015-13-11 分】 设总体 的概率密度为

其中 为未知参数, 为来自该总体的简单随机样本。

(1)求 的矩估计量;

(2)求 的最大似然估计量。

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答案: (1)

(2)

解析: (1)矩估计

总体 在区间 上服从均匀分布,因此

令总体一阶原点矩等于样本一阶原点矩,得

(2)最大似然估计

似然函数为

对固定样本观测值,在允许范围 内, 增大而减小,故 增大而增大。因此似然函数在允许范围的最右端取得最大值,即

这里不能直接对对数似然函数求导而忽略示性函数,因为参数 同时决定总体分布的取值区间。


  1. 【2017-13-11 分】 某工程师为了解一台天平的精度,用该天平对一物体的质量做 次测量,该物体的质量 是已知的。设 次测量结果 相互独立且均服从正态分布 ,该工程师记录的是 次测量的绝对误差

利用 估计

(Ⅰ)求 的概率密度;

(Ⅱ)利用一阶矩求 的矩估计量;

(Ⅲ)求 的最大似然估计量。

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答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

(Ⅲ)

解析: (Ⅰ)求 的概率密度

,则 ,且 。当 时,

求导,得到

因此 服从参数为 的半正态分布。

(Ⅱ)矩估计

由半正态分布的一阶矩,或直接计算,

,得到

(Ⅲ)最大似然估计

似然函数为

对数似然函数为

求导得

,得到

该驻点使对数似然函数取得最大值,故为所求最大似然估计量。


  1. 【2018-13-11 分】 设总体 的概率密度为

其中 为未知参数, 为来自总体 的简单随机样本。记 的最大似然估计量为

(Ⅰ)求

(Ⅱ)求

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答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

解析: (Ⅰ)最大似然估计

似然函数为

对数似然函数为

求导得

,得到

又在该点有 ,故其为最大似然估计量。

(Ⅱ)计算期望与方差

。当 时, 的概率密度为

因此 服从均值为 的指数分布,故

由于 相互独立同分布,所以

还是 的无偏估计量。


  1. 【2019-13-11 分】 设总体 的概率密度为

其中 是已知参数, 是未知参数, 是常数, 是来自总体 的简单随机样本。

(1)求 的值;

(2)求 的最大似然估计量。

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答案: (1)

(2)

解析: (1)由概率密度的归一性,

因此

,则 ,从而

这说明 服从参数为 的半正态分布。

(2)由样本观测值必须满足 ,似然函数为

,则对数似然函数为

求导得

,可得

且对数似然函数在该点取得最大值,故


  1. 【2020-13-11 分】 设某元件使用寿命 的分布函数为

其中 为参数且均大于零。

(1)求概率 ,其中

(2)设取 个这样的元件做寿命试验,测得寿命 ,其中 已知,求 的最大似然估计值。

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答案: (1)

(2)

解析: (1)当 时,由生存函数与分布函数的关系,

又因为事件 ,所以

时,上式化为 ,与已经使用的时间 无关,体现指数分布的无记忆性;当 时,一般不具有无记忆性。

(2)对分布函数求导,得到 的概率密度

样本的似然函数为

对数似然函数为

求导得

,得到

因此


  1. 【2022-13-12 分】 是来自期望为 的指数分布总体的简单随机样本, 是来自期望为 的指数分布总体的简单随机样本,且 相互独立,其中 是未知参数。求 的极大似然估计量 ,并求
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答案:

解析: 期望为 的指数分布概率密度为

期望为 的指数分布概率密度为

由两组样本相互独立,联合似然函数为

对数似然函数为

求导得

,得到

下面计算其方差。由于指数分布的方差等于其均值的平方,故

于是

再利用所有随机变量相互独立,得

此外,

故该最大似然估计量也是 的无偏估计量。