統計検定 1級 2018年 統計応用(理工学) 問2 解答 解説

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[1]

\(f(x)=F'(x)\)

\(\displaystyle =\left(1-e^{-\left(\frac{x}{\eta}\right)^m}\right)’\)

\(\displaystyle =\frac{m}{\eta}\left(\frac{x}{\eta}\right)^{m-1}e^{-\left(\frac{x}{\eta}\right)^m}\)

さらに微分して、

\(f'(x)\)\(\displaystyle \propto \left(\frac{x}{\eta}\right)^{m-2}e^{-\left(\frac{x}{\eta}\right)^m}\left\{(m-1)-m\left(\frac{x}{\eta}\right)^m\right\}\)

\(m<1\)の時、\(\displaystyle(m-1)-m\left(\frac{x}{\eta}\right)^m<0\)なので単調減少で、\(\displaystyle \lim_{x \to +0}f(x)=\infty\)なので、\(mode\)は無し。

\(m=1\)の時、\(\displaystyle(m-1)-m\left(\frac{x}{\eta}\right)^m <0\)なので単調減少で、\(f(0)\)は定数なので、\(mode=0\)。

\(m>1\)の時、\(\displaystyle(m-1)-m\left(\frac{x}{\eta}\right)^m =0\)として、\(\displaystyle x=\left(\frac{m-1}{m}\right)^{\frac{1}{m}}\eta\)なので、\(\displaystyle mode=\left(\frac{m-1}{m}\right)^{\frac{1}{m}}\eta\)

\(W(2,10),W(2,5)\)の概形は省略。

[2]

\(h(x)=\displaystyle \frac{f(x)}{1-F(x)}\)

\(\displaystyle =\frac{\frac{m}{\eta}\left(\frac{x}{\eta}\right)^{m-1}e^{-\left(\frac{x}{\eta}\right)^m}}{e^{-\left(\frac{x}{\eta}\right)^m}}\)

\(\displaystyle =\frac{m}{\eta}\left(\frac{x}{\eta}\right)^{m-1}\)

以降、公式の解答を参照。

[3]

システム稼働停止までの寿命を確率変数\(T\)とすると、

\(P(T \leq t)\)\(=1-P(T > t)\)

\(P(T>t)\)は寿命が\(t\)より大きくなる場合で、\(k\)個の部品全てが\(t\)以上の時間持つという場合であるので、

\(=1-(1-F(t))^k\)

\(\displaystyle =1-\left\{e^{-\left(\frac{t}{\eta}\right)^m}\right\}^k\)

\(\displaystyle =1-e^{-\left(\frac{t}{\eta}\right)^m k}\)

\(\displaystyle =1-e^{-\left(\frac{t}{\eta’ }\right)^{m’} }\)

と置いて、係数比較により\(m’,\eta’\)を求めることで\(\displaystyle T \sim W(m,\eta k^{-\frac{1}{m}})\)だと分かる。

[4]

\(X,Y\)の同時確率密度関数を\(f(x,y)\)とすると、\(X<Y\)となる確率は、

\(\displaystyle \int \int _{x<y}f(x,y)dxdy\)

\(\displaystyle =\int^\infty_0 \int^y_0f(x,y)dxdy\)

\(\displaystyle =\int^\infty_0 f_Y(y)\int^y_0f_X(x)dxdy\) (\(X,Y\)は独立のため)

\(\displaystyle =\int^\infty_0 f_Y(y)F_X(y)dy\)

\(\displaystyle =\int^\infty_0 f_Y(y)\left(1-e^{-\left(\frac{y}{10}\right)^2}\right)dy\)

\(\displaystyle =\int^\infty_0 f_Y(y)dy -\int^\infty_0 f_Y(y) e^{-\left(\frac{y}{10}\right)^2}dy\)

\(\displaystyle =1 -\int^\infty_0 f_Y(y) e^{-\left(\frac{y}{10}\right)^2}dy\)

ここで、

\(\displaystyle \int^\infty_0 f_Y(y) e^{-\left(\frac{y}{10}\right)^2}dy\)

\(\displaystyle =\int^\infty_0 \frac{2}{5}\left(\frac{y}{5}\right)e^{-\left(\frac{y}{5}\right)^2}e^{-\left(\frac{y}{10}\right)^2}dy\)

\(\displaystyle =\int^\infty_0 \frac{2}{5}\left(\frac{y}{5}\right)e^{-\left(\frac{y}{\sqrt{20}}\right)^2}dy\)

\(\displaystyle =\frac{4}{5}\int^\infty_0 \frac{2}{\sqrt{10}}\left(\frac{y}{\sqrt{20}}\right)e^{-\left(\frac{y}{\sqrt{20}}\right)^2}dy\)

この積分は\(W(2,\sqrt{20})\)の確率密度関数を積分したものなので、

\(\displaystyle =\frac{4}{5}\)

以上より、

\(\displaystyle \int \int _{x<y}f(x,y)dxdy\)\(\displaystyle =\frac{1}{5}\)

補足

\(P(X<Y | Y=y)=P(X<y)\)\(\displaystyle \int^y_0 f_X(x)dx\)

\(\displaystyle P(X<Y) = \int^\infty_0 P(X<Y | Y=y)P(Y=y)dy\)

\(\displaystyle =\int^\infty_0 f_Y(y)\int^y_0f_X(x)dxdy\)

[5]

対数尤度関数

\(\displaystyle l(m,\eta)=\ln \prod_{i=1}^n f(x_i)\)

\(\displaystyle =\sum_{i=1}^n \ln f(x_i)\)

\(\displaystyle =\sum_{i=1}^n \ln \left(\frac{m}{\eta}\left(\frac{x_i}{\eta}\right)^{m-1}e^{-\left(\frac{x_i}{\eta}\right)^m}\right)\)

\(\displaystyle =\sum_{i=1}^n \left(\ln \frac{m}{\eta} +(m-1)\ln\frac{x_i}{\eta} – \left(\frac{x_i}{\eta}\right)^m\right)\)

\(\displaystyle =n\ln \frac{m}{\eta}+(m-1) \sum_{i=1}^n\ln\frac{x_i}{\eta}-\sum_{i=1}^n\left(\frac{x_i}{\eta}\right)^m\)

次に、

\(\displaystyle \ln\ln\frac{1}{1-F(x)}\)

\(\displaystyle =\ln\ln e^{\left(\frac{x}{\eta}\right)^m}\)

\(\displaystyle =\ln \left(\frac{x}{\eta}\right)^m\)

\(\displaystyle =m \ln \frac{x}{\eta}\)

\(\displaystyle =m\ln x -m\ln \eta\)

よって、\(\left(\ln x_i,\displaystyle \ln\ln\frac{1}{1-F(x_i)}\right)\)の点をプロットし、回帰直線を引くと傾きが\(m\)、切片が\(-m\ln\eta\)になるので、パラメータを推定出来る。

しかし\(F(x_i)\)が分からないので、経験分布関数を用いて\(F(x_i)\)を近似する。

経験分布関数については以下のサイトを参考にしてください。

経験分布関数とは何か:定義・求め方・エクセルのグラフ【統計学】 | k-san.link
未知の確率分布に従って生成されたn個のデータ(標本)を用いて,この未知の確率分布の累積分布関数を推定したものが経験分布関数です.ヒストグラムは,その形状がデータをカウントする区間の幅(級間隔)の決め方に依存しますが,経験分布関数では,与えら...

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