Математическая статистика. Воскобойников Ю.Е - 15 стр.

UptoLike

29 30
n
)XX(
D
n
i
в
i
в
=
=1
2
.
С другой стороны,
.XnXXnXnX
)XXXX()XX(
n
i
i
n
i
i
iв
n
i
i
n
i
вi
ввв
в
=+=
=+
=
==
==
1
22
1
222
2
1
2
1
2
2
2
Тогда из определения дисперсии следует
2
1
2
1
22
в
n
i
i
n
i
вi
в
X
n
X
n
XnX
D
=
=
==
.
Воспользуясь теперь следствием из теоремы Чебышева для одинако-
во распределенных случайных величин
2
i
X и свойствами предела по
вероятности, получаем
)(
);()(
22
1
2
XMX
XMXM
n
X
p
в
i
p
n
i
i
⎯→
=⎯→
=
и, значит,
г
p
в
DXDXMXMD ==⎯→ )()()(
22
.
Следовательно, дисперсия выборочная
в
D является состоятельной
оценкой для дисперсии генеральной. Вычислим математическое ожида-
ние
в
D и убедимся, что
гв
DDM )( . Имеем
=
=
=
==
)X(M
n
X
MX
n
X
M)D(M
в
n
i
i
в
n
i
i
в
2
1
2
2
1
2
=
++
=
=
2
11
2
n
X...X
M
n
X
M
n
n
i
i
++++
=
2
22
2
2
1
2
n
XXX...XX
M)X(M
ji
jin
,
где
ji
ji
XX означает сумму произведений величин
i
X и
j
X для
всех значений
i и
j
от 1 до n , но не равных между собой. Так как
i
X
и
j
X независимы при
j
i
, то
)()()(
jiji
XMXMXXM
=
.
Поэтому, продолжая вычисления
)(
В
DM , получаем
=
+++
=
2
22
1
2
n
)X(M)X(M)X(M...X(M
)X(M)D(M
ji
jin
в
=
+
=
n
)X(M)n(n)X(nM
)X(M
22
2
1
[
]
.D
n
n
)X(M)X(M
n
n
n
)n(n)X(nM
)X(M
г
1
11
22
2
2
=
=
+
=
Множитель
)1(
nn объясняется тем, что по правилу произведения
количество различных пар (
), ji
при
nji
1
равно
)1( nn
.
Итак, мы получили, что
гв
D
n
n
DM
1
)(
= (3.11)
и, следовательно,
в
D смещенная оценка для дисперсии генеральной.
Теорема доказана.
Полученная формула (3.11) для вычисления математического ожи-
дания дисперсии выборочной позволяет указать состоятельную и не-
смещенную оценку для дисперсии генеральной. Для этого рассмотрим
случайную величину
в
D
n
n
S
1
2
=
, (3.12)
                                               n                                                                             ⎛ X 12 + X 22 + ... + X n2 + ∑ X i X j   ⎞
                                                          2
                                           ∑( X i − X в )                                                                    ⎜                            i≠ j
                                                                                                                                                                      ⎟
                             Dв =          i =1
                                                                            .                               = M( X 2 )− M⎜                         2
                                                                                                                                                                      ⎟,
                                                           n                                                                 ⎜⎜                  n                    ⎟⎟
   С другой стороны,                                                                                                          ⎝                                        ⎠
               n
                           2      2              2
                                                   n                                          где    ∑      X i X j означает сумму произведений величин X i             и X j для
              ∑( Xi − X в ) = ∑( Xi − 2X в Xi + X ) =                                                i≠ j
                                                                                    в
              i=1                              i=1                                            всех значений i и j от 1 до n , но не равных между собой. Так как X i
                         n                                      n
                   = ∑ Xi2 − 2nX 2 + nX 2 =∑ Xi2 − nX 2 .                                     и X j независимы при i ≠ j , то
                                               в           в                         в
                     i=1                                       i=1
   Тогда из определения дисперсии следует                                                                               M ( X i X j ) = M ( X i )M ( X j ) .
                                 n                              n                                   Поэтому, продолжая вычисления M ( DВ ) , получаем
                                  2     2                               2
                             ∑ X i − nX в                      ∑ Xi
                   Dв =      i =1
                                                           =   i =1
                                                                                − X в2 .                                    M ( X 12 + ... + M ( X n2 ) + ∑ M ( X i )M ( X j )
                                           n                        n                                                                                     i≠ j
                                                                                              M ( Dв ) = M ( X 2 ) −                                                                =
   Воспользуясь теперь следствием из теоремы Чебышева для одинако-                                                                                   n2
во распределенных случайных величин                            X i2 и свойствами предела по
вероятности, получаем                                                                                                 nM ( X 2 ) + n( n − 1 )M 2 ( X )
                     n                                                                                          = M( X 2 )−                               =
                             2                                                                                                           n
                    ∑ Xi
                    i =1
                         n
                                       p
                                     ⎯⎯→ M ( X i2 ) = M ( X 2 );                                 = M( X 2 )−
                                                                                                              nM ( X 2 ) + n( n − 1 ) n − 1
                                                                                                                        n
                                                                                                                                       =
                                                                                                                                           n
                                                                                                                                                      [
                                                                                                                                               M ( X 2 ) − M 2( X )          ]
                                                       p
                                        X в ⎯⎯→ M ( X )                                                                         n −1
и, значит,                                                                                                                   =       Dг .
                                                                                                                                  n
                     p
           Dв ⎯⎯→ M ( X 2 ) − M 2 ( X ) = D ( X ) = Dг .                                         Множитель n( n − 1) объясняется тем, что по правилу произведения
   Следовательно, дисперсия выборочная Dв является состоятельной                              количество различных пар ( i , j ) при 1 ≤ i ≠ j ≤ n равно n( n − 1) .
оценкой для дисперсии генеральной. Вычислим математическое ожида-                                   Итак, мы получили, что
ние Dв и убедимся, что M ( Dв ) ≠ Dг . Имеем                                                                                              n −1
                                                                                                                             M ( Dв ) =        Dг                          (3.11)
                   ⎛ n 2                       ⎞      ⎛ n 2⎞                                                                                n
                   ⎜ ∑ Xi                      ⎟      ⎜ ∑ Xi ⎟                                и, следовательно, Dв – смещенная оценка для дисперсии генеральной.
     M ( D в ) = M ⎜ i =1               − X в2 ⎟ = M ⎜ i = 1    ⎟− M( X 2 )=
                                                                        в
                   ⎜ n                         ⎟      ⎜ n ⎟                                   Теорема доказана.
                   ⎜                           ⎟      ⎜         ⎟                                Полученная формула (3.11) для вычисления математического ожи-
                   ⎝                           ⎠      ⎝         ⎠                             дания дисперсии выборочной позволяет указать состоятельную и не-
                   ⎛ n 2                ⎞                                                     смещенную оценку для дисперсии генеральной. Для этого рассмотрим
                   ⎜ ∑ Xi               ⎟                           2
               = M ⎜ i =1               ⎟ − M ⎛⎜ X 1 + ... + X n ⎞⎟ =                         случайную величину
                   ⎜ n                  ⎟      ⎝        n         ⎠                                                                   n
                   ⎜                    ⎟                                                                                    S2 =        Dв ,                              (3.12)
                   ⎝                    ⎠                                                                                           n −1
                                                       29                                                                                 30