統計検定 1級 過去問 解答/解答例と解説
2015年11月29日 (日) 試験

統計数理 問1 [3]

設問の要約
  • X¯ の平均周りの k 次モーメントを求めよ.

解答例

XN(μ, σ2) の積率母関数 MX(t) は,

MX(t)=exp[μt+σ22t2]
MX(n)(t)=E[XnetX]
MX(n)(0)=E[Xn]
であるので,X¯N(μ, σ2n) の積率母関数 MX¯(t) は,
MX¯(t)=exp[μt+σ22nt2]
X¯ の平均周りの k 次のモーメントを求めるには,X¯ の代わりに,X¯μ の積率母関数を求め,k 階微分すると求めることができる.
MX¯μ(k)(0)=E[(X¯μ)k]
X¯μ の積率母関数は,
MX¯μ(t)=E[e(X¯μ)t]=E[eX¯teμt]=E[eX¯t]eμt=MX¯(t) eμt=eμt+σ22nt2 eμt=eσ22nt2
マクローリン展開すると,
MX¯μ(t)=1+11!σ22nt2+12!(σ22nt2)2+13!(σ22nt2)3+=1+11!σ22nt2+12!σ422n2t4+13!σ623n3t6+==01!σ22nt2
これより,k が奇数のとき,
MX¯μ(k)(0)=0
また,k が偶数のとき,k=2m と書くとすると,
MX¯μ(k)(t)=2k01!σ22n2(21)(22)(2k+1)t2k==m1!σ22n2(21)(22)(22m+1)t22m
MX¯μ(k)(0)=1m!σ2m2mnm2m(2m1)(2m2)21=1m!σ2m2mnm(2m)!=(2m)!m!(σ22n)m
よって,
E[(X¯μ)k]=E[(X¯μ)2m]=(2m)!m!(σ22n)m

補足1: XN(0, σ2)k 次モーメントの別の計算方法

XN(0,σ2)
E[Xk]=xk12πσ2ex22σ2dx
k=2m+1 (m=1,2,) のとき,奇関数を積分することになるので,
E[X2m+1]=0
k=2m (m=1,2,) のとき,偶関数を積分することになるので,
E[X2m]=x2m12πσ2ex22σ2dx=20x2m12πσ2ex22σ2dx=22πσ20x2mex22σ2dx
ここで,
u=x22σ2
とおくと,
dudx=xσ2
xdx=σ2du
また,
x2=2σ2u
x=2σu12
であるので,
E[X2m]=22πσ20x2m1ex22σ2xdx=22πσ20(2σu12)2m1euσ2du=22πσ2(2σ)2m1σ20(u12)2m1eudu=22πσ2(2σ)2m1σ20um12eudu=22πσ2(2σ)2m1σ20um+121eudu=22πσ2(2σ)2m1σ2Γ(m+12)=1π2σ22σ2(2σ2)2m1Γ(m+12)=1π(2σ2)2mΓ(m+12)=1π(2σ2)mΓ(m+12)=1Γ(12)(2σ2)mΓ(m+12)=Γ(m+12)Γ(12)(2σ2)m
または,
E[Xk]=Γ(12k+12)Γ(12)212kσk

補足2: XN(μ, σ2) の平均周りの k 次モーメント

問題では X¯ の平均周りの k 次モーメントを計算したが, X の平均周りの k 次モーメントは,σnσ に置き換えれば良い.

E[(Xμ)k]={0k=2m+1  (m=1,2,)(k1)!!σkk=2m  (m=1,2,)={0k=2m+1  (m=1,2,)(2m)!2mm!(σ2)mk=2m  (m=1,2,)={0k=2m+1  (m=1,2,)Γ(m+12)Γ(12)2m(σ2)mk=2m  (m=1,2,)

補足3: 二重階乗

kN のとき,

k!!={2mm!k=2m  (m=1,2,)(2m)!2mm!k=2m1  (m=1,2,)