Математическая статистика. Воскобойников Ю.Е - 16 стр.

UptoLike

31 32
называемую исправленной дисперсией. Понятно, что
г
p
DS ⎯→
2
,
так как
1
1
n
n
при n . С другой стороны,
ггвв
DD
n
n
n
n
)D(M
n
n
D
n
n
M)S(M =
=
=
=
1
111
2
.
Тем самым доказана.
Теорема 3.4. Исправленная дисперсия
2
S является состоятельной и
несмещенной оценкой для дисперсии генеральной
г
D .
Заметим, что для выборок большого объема множитель
1n
n
бли-
зок к 1 и поэтому случайные величины
2
S и
в
D мало отличаются друг
от друга. Однако для выборок малого объема это отличие может быть
существенным.
Возникает вопрос: будет ли несмещенная оценка
2
S эффективной.
Для ответа предположим, что случайная величина
X
подчиняется
нормальному распределению
),a(N
σ
, а величины
n
XXX ,...,,
21
,
как обычно,
n независимых экземпляров независимой величины Х. То-
гда минимальная дисперсия несмещенной оценки для дисперсий равна
n
D
4
min
2
σ
=
. (3.13)
В п. 4.1 будет показано, что величина
2
S представима в виде
2
1
2
2
1
=
n
n
S
χ
σ
, (3.14)
где
2
1n
χ
случайная величина, имеющая
2
χ
распределение с 1
n
степенями свободы. Поэтому
1
2
1
4
2
1
2
4
2
=
=
n
)(D
)n(
)S(D
n
σ
χ
σ
, (3.15)
из этого следует
min
2
1
)(
D
n
n
SD
=
. (3.16)
Следовательно,
2
S , будучи несмещенной оценкой дисперсии
)( XD , не является эффективной оценкой. Однако при достаточно
больших
n
увеличение )(
2
SD по сравнению с
min
D пренебрежи-
тельно мало.
Заметим, что несмещенная эффективная оценка дисперсии
)( XD
нормально распределенной величины
),a(NX
σ
=
имеет вид
2
1
2
0
)(
1
=
=
n
i
i
aX
n
S .
Однако в эту формулу входит математическое ожидание
a
, которое,
как правило, заранее неизвестно.
3.4. Точечная оценка вероятности события
Обозначим через )( Ap неизвестную вероятность события A в од-
ном испытании. Для оценивания
)(Ap
проведем n независимых ис-
пытаний, в которых событие
A произошло
m
раз. Тогда случайная ве-
личина
n
m
p =
*
(3.17)
является частностью (относительной частотой) события
A . Свойства
этой точечной оценки определяет.
Теорема 3.5. Относительная частота
nmp /
*
= появления события
A в n испытаниях есть состоятельная оценка вероятности )( Ap .
Доказательство. Состоятельность оценки
*
p вытекает из теоремы
Бернулли, согласно которой для любого
0>
ε
выполняется неравенст-
во
1=
<
ε
)A(P
n
m
Plim
n
(3.18)
или в других обозначениях:
)( Ap
n
m
p
⎯→ .
Для доказательства несмещенности этой оценки зафиксируем число
испытаний
n . Найдем математическое ожидание частности m/n, имея в
называемую исправленной дисперсией. Понятно, что                                                              2
                                                                                           Следовательно, S , будучи несмещенной оценкой дисперсии
                                      2      p
                                     S ⎯⎯→ Dг ,                                          D( X ) , не является эффективной оценкой. Однако при достаточно
         n                                                                                                                 2
                                                                                         больших n увеличение D ( S ) по сравнению с Dmin пренебрежи-
так как     → 1 при n → ∞ . С другой стороны,
       n −1                                                                              тельно мало.
             ⎛ n      ⎞    n                n n −1                                          Заметим, что несмещенная эффективная оценка дисперсии D ( X )
 M( S 2 ) = M⎜     Dв ⎟ =      M ( Dв ) =     ⋅    Dг = Dг .
             ⎝ n −1 ⎠ n −1                n −1 n                                         нормально распределенной величины        X = N ( a ,σ ) имеет вид
      Тем самым доказана.
                                                                                                                           1 n
                                                            2
   Теорема 3.4. Исправленная дисперсия S является состоятельной и                                                 S 02 =     ∑ ( X i − a)2 .
                                                                                                                           n i =1
несмещенной оценкой для дисперсии генеральной Dг .
                                                                                            Однако в эту формулу входит математическое ожидание a , которое,
                                                        n                                как правило, заранее неизвестно.
   Заметим, что для выборок большого объема множитель       бли-
                                                      n −1                                   3.4. Точечная оценка вероятности события
                                      2
зок к 1 и поэтому случайные величины S и Dв мало отличаются друг                            Обозначим через p ( A) неизвестную вероятность события A в од-
от друга. Однако для выборок малого объема это отличие может быть                        ном испытании. Для оценивания  p( A) проведем n независимых ис-
существенным.
                                                                      2                  пытаний, в которых событие A произошло m раз. Тогда случайная ве-
   Возникает вопрос: будет ли несмещенная оценка S эффективной.                          личина
   Для ответа предположим, что случайная величина X подчиняется
                                                                                                                           m
нормальному распределению N ( a ,σ ) , а величины X 1 , X 2 ,..., X n ,                                            p* =                                         (3.17)
                                                                                                                           n
как обычно, n независимых экземпляров независимой величины Х. То-                        является частностью (относительной частотой) события A . Свойства
гда минимальная дисперсия несмещенной оценки для дисперсий равна                         этой точечной оценки определяет.
                                             2σ 4                                                                                     *
                                                                                            Теорема 3.5. Относительная частота p = m / n появления события
                                           Dmin = .              (3.13)
                                               n                                         A в n испытаниях есть состоятельная оценка вероятности p( A) .
                                              2
      В п. 4.1 будет показано, что величина S представима в виде                                                                               *
                                                                                            Доказательство. Состоятельность оценки p               вытекает из теоремы
                                                 2
                                            σ                                                                                        ε >0
                                  S2 =                χ n2−1 ,                  (3.14)   Бернулли, согласно которой для любого                 выполняется неравенст-
                                           n −1                                          во
где   χ n2−1   – случайная величина, имеющая               χ 2 – распределение с n − 1                         ⎛m             ⎞
                                                                                                          lim P⎜ − P( A ) < ε ⎟ = 1                             (3.18)
степенями свободы. Поэтому                                                                               n→∞ ⎝ n              ⎠
                                σ4                           2σ 4                        или в других обозначениях:
                D( S 2 ) =                D( χ n2−1 ) =           ,             (3.15)                                m p
                             ( n − 1 )2                      n −1                                                       ⎯⎯→ p ( A) .
из этого следует                                                                                                      n
                                                                                            Для доказательства несмещенности этой оценки зафиксируем число
                                    n
                     D( S 2 ) =        Dmin .                                   (3.16)   испытаний n . Найдем математическое ожидание частности m/n, имея в
                                  n −1
                                                 31                                                                             32