統計検定 1級 2017年 統計応用(理工学) 問2 解答 解説

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[1]

\(\displaystyle E[X]=\int^\infty_0 xf(x)dx\)

\(\displaystyle =\int^\infty_0 \lambda x e^{-\lambda x}dx=\frac{1}{\lambda}\)

次に、

\(\displaystyle F(x)=\int^x_0 f(x)dx\)

\(\displaystyle =\int^x_0 \lambda e^{-\lambda x}dx\)

\(=1-e^{-\lambda x}\)

なので、

\(\displaystyle \frac{f(x)}{1-F(x)}=\frac{\lambda e^{-\lambda x}}{1-(1-e^{-\lambda x})}\)

\(=\lambda\)

\(E[X]\)と\(\displaystyle \frac{f(x)}{1-F(x)}\)の関係性は逆数の関係。

[2]

\(P(X_1 \leq x)\)\(=1-P(X_1 \geq x)\)

\(=1-P(時刻xの時に1回も故障していない)\)

\(=1-P(N(x) = 0)\)

\(=1-\displaystyle e^{-\lambda x}\left . \frac{(\lambda x)^n}{n!} \right |_{n=0}\)

\(=1-\displaystyle e^{-\lambda x}\)

\(P(X_1=x) = \displaystyle \frac{dP(X_1 \leq x)}{dx}\)

\(\displaystyle = \lambda e^{-\lambda x}\)

[3]

\(t_0\)の95%上側信頼限界は、

\(\displaystyle \int^{t_U}_0 \lambda e^{-\lambda t}dt = 0.95\)

を解くことで、

\(t_U = \displaystyle -\frac{\ln 0.05}{\lambda}\)

よって\(t_0\)の推定区間は、

\(t_0 \leq \displaystyle -\frac{\ln 0.05}{\lambda}\)

\(\lambda\)について解くことで\(\lambda\)の信頼区間は、

\(\lambda \leq \displaystyle -\frac{\ln 0.05}{t_0}\)

\(MTTF = E[X]=\displaystyle \frac{1}{\lambda}\)より、

\(\displaystyle\frac{1}{MTTF} \leq -\frac{\ln 0.05}{t_0}\)

よって、\(MTTF\)の下側信頼限界は、

\(MTTF \geq \displaystyle -\frac{t_0}{\ln 0.05}\)

\(t_0\)経過時に故障が確認されていなかった場合については、公式の解答を参照。

別解

\(t \sim Exp(\lambda)\)より、\(\displaystyle 2\lambda t \sim Ga \left(1,\frac{1}{2}\right)\)\(\sim \chi^2(2)\)なので、

\(\displaystyle 2\lambda t = \frac{2t}{MTTF} \sim \chi^2(2)\)

下側95%信頼限界を考えるので、

\(\displaystyle \frac{2t_0}{MTTF} \leq \chi^2_{0.05}(2)=5.99\)

\(MTTF \geq \displaystyle \frac{2t_0}{5.99} \approx \frac{t_0}{3}\)

[4]

\(P(X \geq 1000)\geq 0.999\)

\(P(X < 1000) \leq 0.001 \)

\(1-e^{-1000\lambda} \leq 0.001\)

\(\ln (1-0.001) \leq -1000\lambda \)

\(-0.001 \leq -1000\lambda \)

\(10^{-6} \geq \lambda \)

よって、

\(\lambda \leq 10^{-6} h^{-1}\)


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