統計検定 1級 過去問 解答/解答例と解説
2014年11月30日 (日) 試験

統計応用 問2 [3]

設問の要約
  • 実験は多数回行うことができるとする.

  • f(x) は上問 [2] と同じ 2 次式

  • 実験は x=±1 および x=0 の3点のみで実施する.

  • p : x=0 での実験回数の割合

  • x=±1 での実験回数の割合はそれぞれ等しく (1p)/2

  • 次のそれぞれについて x=0 での実験回数の割合 p を求めよ.

    1. (α,β,γ) の推定量の分散共分散行列の行列式を最小にする計画

    2. 1x1 での Y の予測分散の期待値 (積分) を最小にする計画

解答例

(1)

X=(1x1x121x2x221xnxn2)
XX=(111x1x2xn2x12x22xn2)(1x1x121x2x221xnxn2)=(ni=1nxii=1nxi2i=1nxii=1nxi2i=1nxi3i=1nxi2i=1nxi3i=1nxi4)
ところで,
|σ2(XX)1|=(σ2)n|(XX)1|=(σ2)n|XX|
よって,一般化分散 |σ2(XX)1| を最小化することは,|XX| を最大化することと同値である. ここで,
i=1nxi=(1)×1p2n+0×np+1×1p2n=0
i=1nxi2=(1)2×1p2n+02×np+12×1p2n=n(1p)
i=1nxi3=(1)3×1p2n+03×np+13×1p2n=0
i=1nxi4=(1)4×1p2n+04×np+14×1p2n=n(1p)
よって,
|XX|=|ni=1nxii=1nxi2i=1nxii=1nxi2i=1nxi3i=1nxi2i=1nxi3i=1nxi4|=|n0n(1p)0n(1p)0n(1p)0n(1p)|=|nn(1p)0n(1p)0n(1p)000n(1p)|  (第1列)(第3列)={nn(1p)}|n(1p)00n(1p)|={nn(1p)}{n2(1p)20}=n3p(1p)2
p で微分して 0 とおくと,
ddp|XX|=n3(1p)22n3p(1p)=n3(1p){(1p)2p}=n3(1p)(13p)=0
 p=1,13
よって,分散共分散行列の行列式を最小にするには,p=13 とすればよい.

(2)

x=x0 における Y の推定値を Y^0 とおく.

Y^0=α^+β^x0+γ^x02
ここで,x0=(1,x0,x02), β^=(α^,β^,γ^) とおけば,
Y^0=xβ^
予測分散は,
V[Y^0]=V[xβ^]=xV[β^]x=x(σ2(XX)1)x=σ2x(XX)1x
ところで,
XX=(n0n(1p)0n(1p)0n(1p)0n(1p))
(XX)1=1|XX|((1)1+1n2(1p)20(1)1+3{n2(1p)2}0(1)2+2{n2(1p)n2(1p)2}0(1)3+1{n2(1p)2}0(1)3+3n2(1p))=1n3p(1p)2(n2(1p)20n2(1p)20n2p(1p)0n2(1p)20n2(1p))=1n(1/p01/p01/(1p)01/p01/{p(1p)})
σ2x(XX)1x=σ2n(1x0x02)(1/p01/p01/(1p)01/p01/{p(1p)})(1x0x02)=σ2n(1x0x02)(1/px02/px0/(1p)1/p+x02/{p(1p)})=σ2n{(1px02p)+x021p+x02(1p+x02p(1p))}=σ2n{1px02p+x021px02p+x04p(1p)}=σ2np(1p){(1p)x02(1p)+x02px02(1p)+x04}=σ2np(1p){x04+(3p2)x02+(1p)}
Y の予測分散の期待値は,
E[V[Y^]]=11σ2np(1p){x04+(3p2)x02+(1p)}dx0=2σ2np(1p)01{x04+(3p2)x02+(1p)}dx0=2σ2np(1p)[15x05+3p23x03+(1p)x0]01=2σ2np(1p){15+3p23+(1p)}=2σ215np(1p){3+5(3p2)+15(1p)}=2σ215np(1p){3+15p10+1515p}=16σ215np(1p)
よって,予測分散の期待値を最小にする p は,p(1p) を最大にする p を考えればよいので, p=12 とすればよい.