統計検定 1級 2019年 統計数理 問2 解答 解説

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[1]

\(X\sim Exp(\lambda)\)(指数部分)の時、

\(E[X]=\displaystyle \int^\infty _0xf(x)dx\)

\(\displaystyle =\int^\infty _0x\lambda e^{-\lambda x}dx\)

\(\displaystyle =\frac{1}{\lambda}\)

よって、

\(E[U]=E[X_1+X_2]\)\(=\displaystyle \frac{2}{\lambda}\)

[2]

\(U=X_1+X_2,V=X_2\)と変数変換すると、\(X_1=U-V,X_2=V\)で、ヤコビアンは\(||J||=1\)なので、\(x_1=u-v >0 ,x_2=v>0\)すなわち\(u>v>0\)の時

\(f(u,v)=\lambda e^{-\lambda X_1}\lambda e^{-\lambda X_2}\)

\(=\lambda e^{-\lambda (u-v)}\lambda e^{-\lambda v}\)

\(=\lambda^2 e^{-\lambda u} \)

\(U\)の周辺確率密度関数を求めて、

\(g(u)\)\(\displaystyle = \int^u_0 \lambda^2 e^{-\lambda u}dv\)

\(=\lambda^2ue^{-\lambda u} \)

以上より、

\(\displaystyle g(u)=\left\{ \begin{array}{} \lambda^2ue^{-\lambda u} &(u > 0)\\ \displaystyle0&( u \leq 0) \end{array}\right. \)

[3]

\(\displaystyle E\left[\frac{1}{U}\right]= \int^\infty_0 \frac{1}{u}g(u)du\)

\(\displaystyle =\int^\infty_0 \frac{1}{u}\lambda^2ue^{-\lambda u}du\)

\(=\lambda\)

[4]

\(\displaystyle E\left[\frac{\alpha \bar{X}}{\theta}+\frac{\theta}{\alpha \bar{X}}-2\right]\)

\(\displaystyle =E\left[\frac{\alpha \lambda U}{2}+\frac{2}{\alpha \lambda U}-2\right]\)

\(\displaystyle =\frac{\alpha \lambda}{2}E[U]\)\(+\displaystyle \frac{2}{\alpha \lambda}E\left[\frac{1}{ U}\right]\)\(-2\)

\(\displaystyle =\frac{\alpha \lambda}{2}\frac{2}{\lambda}\)\(+\displaystyle \frac{2}{\alpha \lambda}\lambda\)\(-2\)

\(\displaystyle =\alpha + \frac{2}{\alpha}-2\)

\(\geq 2\sqrt{2}-2\)(相加相乗平均の大小関係)

等号成立は、\(\alpha=\displaystyle \frac{2}{\alpha}\)すなわち、\(\alpha=\sqrt{2}\)の時。


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