【過去問解答】2014年統計検定1級<統計数理4>

統計検定1級の過去問解答解説を行います。目次は以下をご覧ください。

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目次

問題

統計検定1級の過去問からの出題になります。統計検定の問題の著作権は日本統計学会に帰属していますので,本稿にて記載することはできません。「演習問題を俯瞰する」で詳しく紹介している公式の過去問題集をご購入いただきますようお願い致します。

解答

$F$検定と測定法の比較検討に関する出題でした。

(1)

測定法(1)の計画行列を$X_{(1)}$,測定法(2)の計画行列を$X_{(2)}$とおくと,

\begin{align}
X_{(1)} =
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 0 & 0 & 0\\
1 & 0 & 0 & 0 & 0\\
0 & 1 & 0 & 0 & 0\\
0 & 1 & 0 & 0 & 0\\
0 & 0 & 1 & 0 & 0\\
0 & 0 & 1 & 0 & 0\\
0 & 0 & 0 & 1 & 0\\
0 & 0 & 0 & 1 & 0\\
0 & 0 & 0 & 0 & 1\\
0 & 0 & 0 & 0 & 1
\end{pmatrix},\quad
X_{(2)} =
\begin{pmatrix}
1 & 1 & 0 & 0 & 0\\
1 & 0 & 1 & 0 & 0\\
1 & 0 & 0 & 1 & 0\\
1 & 0 & 0 & 0 & 1\\
0 & 1 & 1 & 0 & 0\\
0 & 1 & 0 & 1 & 0\\
0 & 1 & 0 & 0 & 1\\
0 & 0 & 1 & 1 & 0\\
0 & 0 & 1 & 0 & 1\\
0 & 0 & 0 & 1 & 1
\end{pmatrix}
\end{align}

と表される。正規方程式は$X^{\prime}X\theta=X^{\prime}x$であるため,$\theta$の最小二乗推定量は$X^{\prime}X$が正則のとき$(X^{\prime}X)^{-1}X^{\prime}x$となる。二つの測定法それぞれについて,この最小二乗推定量を計算する。測定法(1)については,

\begin{align}
X_{(1)}^{\prime}X_{(1)} =
\begin{pmatrix}
1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\
0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\
0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0\\
0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0\\
0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1\\
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 0 & 0 & 0\\
1 & 0 & 0 & 0 & 0\\
0 & 1 & 0 & 0 & 0\\
0 & 1 & 0 & 0 & 0\\
0 & 0 & 1 & 0 & 0\\
0 & 0 & 1 & 0 & 0\\
0 & 0 & 0 & 1 & 0\\
0 & 0 & 0 & 1 & 0\\
0 & 0 & 0 & 0 & 1\\
0 & 0 & 0 & 0 & 1
\end{pmatrix}
= 2I_{5}
\end{align}

となることに注意すると,

\begin{align}
\hat{\theta}_{1}
&= (2I_{5})^{-1}X_{(1)}^{\prime}x
= \frac{1}{2}
\begin{pmatrix}
1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\
0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\
0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0\\
0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0\\
0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1\\
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
x_{1}\\
x_{2}\\
x_{3}\\
x_{4}\\
x_{5}\\
x_{6}\\
x_{7}\\
x_{8}\\
x_{9}\\
x_{10}
\end{pmatrix}
= \frac{1}{2}
\begin{pmatrix}
x_{1}+x_{2}\\
x_{3}+x_{4}\\
x_{5}+x_{6}\\
x_{7}+x_{8}\\
x_{9}+x_{10}
\end{pmatrix}
\end{align}

が得られる。測定法(2)については,

\begin{align}
X_{(2)}^{\prime}X_{(2)} {=}
\begin{pmatrix}
1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\
1 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0\\
0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0\\
0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1\\
0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 1
\end{pmatrix}
\!
\begin{pmatrix}
1 & 1 & 0 & 0 & 0\\
1 & 0 & 1 & 0 & 0\\
1 & 0 & 0 & 1 & 0\\
1 & 0 & 0 & 0 & 1\\
0 & 1 & 1 & 0 & 0\\
0 & 1 & 0 & 1 & 0\\
0 & 1 & 0 & 0 & 1\\
0 & 0 & 1 & 1 & 0\\
0 & 0 & 1 & 0 & 1\\
0 & 0 & 0 & 1 & 1
\end{pmatrix}
{=}\!
\begin{pmatrix}
4 & 1 & 1 & 1 & 1 \\
1 & 4 & 1 & 1 & 1 \\
1 & 1 & 4 & 1 & 1 \\
1 & 1 & 1 & 4 & 1 \\
1 & 1 & 1 & 1 & 4
\end{pmatrix}
\end{align}

となること,および与えられた公式に$a=4,b=1,k=5$を代入して得られる

\begin{align}
\begin{pmatrix}
4 & 1 & 1 & 1 & 1 \\
1 & 4 & 1 & 1 & 1 \\
1 & 1 & 4 & 1 & 1 \\
1 & 1 & 1 & 4 & 1 \\
1 & 1 & 1 & 1 & 4
\end{pmatrix}^{-1}
&=
\frac{1}{24}
\begin{pmatrix}
7 & -1 & -1 & -1 & -1 \\
-1 & 7 & -1 & -1 & -1 \\
-1 & -1 & 7 & -1 & -1 \\
-1 & -1 & -1 & 7 & -1 \\
-1 & -1 & -1 & -1 & 7
\end{pmatrix}
\end{align}

を利用すると,

\begin{align}
\hat{\theta}_{2}
&=
\frac{1}{24}
\begin{pmatrix}
7 & -1 & -1 & -1 & -1 \\
-1 & 7 & -1 & -1 & -1 \\
-1 & -1 & 7 & -1 & -1 \\
-1 & -1 & -1 & 7 & -1 \\
-1 & -1 & -1 & -1 & 7
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\
1 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0\\
0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0\\
0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1\\
0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 1
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
x_{1}\\
x_{2}\\
x_{3}\\
x_{4}\\
x_{5}\\
x_{6}\\
x_{7}\\
x_{8}\\
x_{9}\\
x_{10}
\end{pmatrix}\\[0.7em]
&=
\frac{1}{24}
\begin{pmatrix}
6 & 6 & 6 & 6 & -2 & -2 & -2 & -2 & -2 & -2\\
6 & -2 & -2 & -2 & 6 & 6 & 6 & -2 & -2 & -2\\
-2 & 6 & -2 & -2 & 6 & -2 & -2 & 6 & 6 & -2\\
-2 & -2 & 6 & -2 & -2 & 6 & -2 & 6 & -2 & 6\\
-2 & -2 & -2 & 6 & -2 & -2 & 6 & -2 & 6 & 6
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
x_{1}\\
x_{2}\\
x_{3}\\
x_{4}\\
x_{5}\\
x_{6}\\
x_{7}\\
x_{8}\\
x_{9}\\
x_{10}
\end{pmatrix}\\[0.7em]
&= \frac{1}{12}
\begin{pmatrix}
3(x_{1}+x_{2}+x_{3}+x_{4})-(x_{5}+x_{6}+x_{7}+x_{8}+x_{9}+x_{10})\\
3(x_{1}+x_{5}+x_{6}+x_{7})-(x_{2}+x_{3}+x_{4}+x_{8}+x_{9}+x_{10})\\
3(x_{2}+x_{5}+x_{8}+x_{9})-(x_{1}+x_{3}+x_{4}+x_{6}+x_{7}+x_{10})\\
3(x_{3}+x_{6}+x_{8}+x_{10})-(x_{1}+x_{2}+x_{4}+x_{5}+x_{7}+x_{9})\\
3(x_{4}+x_{7}+x_{9}+x_{10})-(x_{1}+x_{2}+x_{3}+x_{5}+x_{6}+x_{8})
\end{pmatrix}
\end{align}

が得られる。

正規方程式の解は,

\begin{align}
\frac{d}{d\theta}\left(\frac{1}{2}\|x-X\theta\|^{2}\right)
&= \frac{1}{2}\frac{d}{d\theta}(x-X\theta)^{\prime}(x-X\theta)
= \frac{1}{2}\frac{d}{d\theta}\left(x^{\prime}x-2\theta^{\prime}X^{\prime}+\theta^{\prime}X^{\prime}X\theta\right)\\[0.7em]
&= \frac{1}{2}\left(-2X^{\prime}x+2X^{\prime}X\theta\right) = 0
\end{align}

を解くことにより,$X^{\prime}X$が正則のときに$\hat{\theta}=(X^{\prime}X)^{-1}X^{\prime}x$が得られます。

(2)

最小二乗推定量$\hat{\theta}$の標本分散$V[\hat{\theta}]$は$\sigma^{2}(X^{\prime}X)^{-1}$と表される。小問(1)の結果より,

\begin{align}
V[\hat{\theta}_{(1)}] = \frac{\sigma^{2}}{2}I_{5},\quad
V[\hat{\theta}_{(2)}] =
\frac{\sigma^{2}}{24}
\begin{pmatrix}
7 & -1 & -1 & -1 & -1 \\
-1 & 7 & -1 & -1 & -1 \\
-1 & -1 & 7 & -1 & -1 \\
-1 & -1 & -1 & 7 & -1 \\
-1 & -1 & -1 & -1 & 7
\end{pmatrix}
\end{align}

が得られるため,測定法(1)では$V[\hat{\theta}_{j}]=\sigma^{2}/2$,測定法(2)では$V[\hat{\theta}_{j}]=7\sigma^{2}/24$となる。

最小二乗推定量$\hat{\theta}$の標本分散$V[\hat{\theta}]$が$\sigma^{2}(X^{\prime}X)^{-1}$となることは,

\begin{align}
V[\hat{\theta}]
&= V[(X^{\prime}X)^{-1}X^{\prime}x]
= V[(X^{\prime}X)^{-1}X^{\prime}(X\theta+\varepsilon)]
= V[\theta+(X^{\prime}X)^{-1}X^{\prime}\varepsilon]
= V[(X^{\prime}X)^{-1}X^{\prime}\varepsilon]\\[0.7em]
&= E\left[\left\{(X^{\prime}X)^{-1}X^{\prime}\varepsilon\right\}\left\{(X^{\prime}X)^{-1}X^{\prime}\varepsilon\right\}^{\prime}\right]
= E\left[(X^{\prime}X)^{-1}X^{\prime}\varepsilon\varepsilon^{\prime}X\left\{(X^{\prime}X)^{-1}\right\}^{\prime}\right]\\[0.7em]
&= E\left[(X^{\prime}X)^{-1}X^{\prime}\varepsilon\varepsilon^{\prime}X(X^{\prime}X)^{-1}\right]
= (X^{\prime}X)^{-1}X^{\prime}E[\varepsilon\varepsilon^{\prime}]X(X^{\prime}X)^{-1}\\[0.7em]
&= (X^{\prime}X)^{-1}X^{\prime}(\sigma^{2}I_{10})X(X^{\prime}X)^{-1}
= \sigma^{2}(X^{\prime}X)^{-1}
\end{align}

のように示されます。また,小問(1)の結果をそのまま用いて,測定法(1)については

\begin{align}
V[\theta_{j}] &= V\left[\frac{x_{*}+x_{*}}{2}\right] = \frac{2V[x_{*}]}{4} = \frac{\sigma^{2}}{2}
\end{align}

と求め,測定法(2)については

\begin{align}
V[\theta_{j}] &= V\left[\frac{3(x_{*}+x_{*}+x_{*}+x_{*})-(x_{*}+x_{*}+x_{*}+x_{*}+x_{*}+x_{*})}{12}\right] = \frac{9\cdot 4\sigma^{2}+6\sigma^{2}}{12^{2}} = \frac{7\sigma^{2}}{24}
\end{align}

と求めてもよいです。$x_{*}$は測定値ですが,$x=X\theta+\varepsilon$より$V[x]$は測定誤差の分散$\sigma^{2}$となることに注意してください。

(3)

帰無仮説$H_{0}$に対し,帰無仮説を制約条件として計算した最小二乗推定値のもとでの残差平方和を$RSS_{R}$,何の制約条件も設けずに計算した最小二乗推定値のもとでの残差平方和を$RSS_{UR}$とおくと,以下で定義される

\begin{align}
F &= \frac{(RSS_{R}-RSS_{UR})/q}{RSS_{UR}/(n-K)}
\end{align}

は,$F(q,n-K)$に従う。ただし,$q$は帰無仮説における等号の数,$K$はパラメータ数を表している。これを本問題に適用すると,

\begin{align}
RSS_{R} = \|x-X_{0}\hat{\theta}_{0}\|^{2},\quad
RSS_{UR} = \|x-X\hat{\theta}\|^{2},\quad
n=10,\quad
q=4,\quad
K=5
\end{align}

となる。ただし,$\|\cdot\|$は各成分の二乗和の平方根であるノルムを表し,$\theta_{0}$は帰無仮説$H_{0}$の元での線形モデル$x=X\theta_{0}+\varepsilon$で定義する。なお,公式解答では帰無仮説の下での計画行列$X$を$X_{0}$として定義しているが,帰無仮説は母数に対する仮定であって測定方法に関する仮定ではないため,帰無仮説の有無に応じて$X$の形が変化することはない。ここで,

\begin{align}
RSS_{R}
&= \|x-X\hat{\theta}_{0}\|^{2}
= (x-X\hat{\theta}_{0})^{\prime}(x-X\hat{\theta}_{0})\\[0.7em]
&= \left\{(x-X\hat{\theta})+(X\hat{\theta}-X\hat{\theta}_{0})\right\}^{\prime}\left\{(x-X\hat{\theta})+(X\hat{\theta}-X\hat{\theta}_{0})\right\}\\[0.7em]
&= RSS_{UR}{+}(x{-}X\hat{\theta})^{\prime}(X\hat{\theta}{-}X\hat{\theta}_{0}){+}(X\hat{\theta}{-}X\hat{\theta}_{0})^{\prime}(x{-}X\hat{\theta}){+}\|X\hat{\theta}{-}X\hat{\theta}_{0}\|^{2}
\end{align}

において,

\begin{align}
(x-X\hat{\theta})^{\prime}(X\hat{\theta}-X\hat{\theta}_{0})
&{=} x^{\prime}X\hat{\theta}-x^{\prime}X\hat{\theta}_{0}-\hat{\theta}^{\prime}X^{\prime}X\hat{\theta}+\hat{\theta}^{\prime}X^{\prime}X\hat{\theta}_{0}\\[0.7em]
&{=} x^{\prime}X\hat{\theta}-x^{\prime}X\hat{\theta}_{0}-(X^{\prime}X\hat{\theta})^{\prime}\hat{\theta}+(X^{\prime}X\hat{\theta})^{\prime}\hat{\theta}_{0}\\[0.7em]
&{=} x^{\prime}X\hat{\theta}{-}x^{\prime}X\hat{\theta}_{0}{-}(X^{\prime}X(X^{\prime}X)^{-1}X^{\prime}x)^{\prime}\hat{\theta}{+}(X^{\prime}X(X^{\prime}X)^{-1}X^{\prime}x)^{\prime}\hat{\theta}_{0}\\[0.7em]
&{=} x^{\prime}X\hat{\theta}{-}x^{\prime}X\hat{\theta}_{0}{-}(X^{\prime}x)^{\prime}\hat{\theta}+(X^{\prime}x)^{\prime}\hat{\theta}_{0}\\[0.7em]
&{=} x^{\prime}X\hat{\theta}{-}x^{\prime}X\hat{\theta}_{0}{-}x^{\prime}X\hat{\theta}+x^{\prime}X\hat{\theta}_{0} = 0
\end{align}

および同様に

\begin{align}
(X\hat{\theta}-X\hat{\theta}_{0})^{\prime}(x-X\hat{\theta})
&= (X\hat{\theta})^{\prime}x-(X\hat{\theta})^{\prime}X\hat{\theta}-(X\hat{\theta}_{0})^{\prime}x+(X\hat{\theta}_{0})^{\prime}X\hat{\theta}\\[0.7em]
&= (X\hat{\theta})^{\prime}x-\hat{\theta}^{\prime}(X^{\prime}X\hat{\theta})-(X\hat{\theta}_{0})^{\prime}x+\theta_{0}^{\prime}(X^{\prime}_{0}X\hat{\theta})\\[0.7em]
&= (X\hat{\theta})^{\prime}x-\hat{\theta}^{\prime}(X^{\prime}x)-(X\hat{\theta}_{0})^{\prime}x+\theta_{0}^{\prime}(X^{\prime}_{0}x)\\[0.7em]
&= \hat{\theta}^{\prime}X^{\prime}x-\hat{\theta}^{\prime}X^{\prime}x-\hat{\theta}_{0}^{\prime}X^{\prime}x-\hat{\theta}_{0}^{\prime}X^{\prime}x
= 0
\end{align}

より

\begin{align}
RSS_{R}-RSS_{UR}
&= \|X\hat{\theta}{-}X\hat{\theta}_{0}\|^{2}
\end{align}

となることに注意すると,$F$統計量は

\begin{align}
F &= \frac{\|X\hat{\theta}-X\hat{\theta}_{0}\|^{2}/4}{\|x-X\hat{\theta}\|^{2}/5}
\end{align}

となる。

$F$統計量の詳しい解説は,どこかのタイミングで別記事で解説します。

(4)

問題文で与えられた非心度の定義より,$F$統計量の分子が従うカイ二乗分布の非心度を求めればよい。帰無仮説$H_{0}$の下では$\bar{\theta}=\theta_{1}=\cdots=\theta_{5}$となるため,代表して$\theta_{1}$などを用いることもできるが,ここでは簡単のため

\begin{align}
\hat{\theta}_{0} &=
\begin{pmatrix}
\bar{\theta}\\
\bar{\theta}\\
\bar{\theta}\\
\bar{\theta}\\
\bar{\theta}
\end{pmatrix}
\end{align}

と表すことにする。測定法(1)について,小問(1)で求めた$X_{(1)}$を用いれば,

\begin{align}
X_{(1)}\hat{\theta}-X_{(1)}\hat{\theta}_{0} &=
\begin{pmatrix}
\hat{\theta}_{1}-\bar{\theta}\\
\hat{\theta}_{1}-\bar{\theta}\\
\hat{\theta}_{2}-\bar{\theta}\\
\hat{\theta}_{2}-\bar{\theta}\\
\hat{\theta}_{3}-\bar{\theta}\\
\hat{\theta}_{3}-\bar{\theta}\\
\hat{\theta}_{4}-\bar{\theta}\\
\hat{\theta}_{4}-\bar{\theta}\\
\hat{\theta}_{5}-\bar{\theta}\\
\hat{\theta}_{5}-\bar{\theta}
\end{pmatrix}
\end{align}

となるため,ノルムは

\begin{align}
\|X_{(1)}\hat{\theta}-X_{(1)}\hat{\theta}_{0}\|^{2}
&= (\hat{\theta}_{1}-\bar{\theta})^{2}+(\hat{\theta}_{1}-\bar{\theta})^{2}+\cdots+(\hat{\theta}_{5}-\bar{\theta})^{2}+(\hat{\theta}_{5}-\bar{\theta})^{2}\label{ノルム_1}
\end{align}

となる。一方,$F$統計量の定義より$\|X\hat{\theta}-X\hat{\theta}_{0}\|^{2}/\sigma^{2}$は自由度$4$の非心カイ二乗分布に従う。非心カイ二乗分布は正規分布に従う確率変数の二乗和が従う確率分布であるという非心カイ二乗分布の定義より,式($\ref{ノルム_1}$)の各項の平方根が従っている正規分布の平均を求めればカイ二乗分布の非心度が求められることが分かる。各項の平方根について,最小二乗推定量は不偏性をもつため,

\begin{align}
E[\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta}] &= E[\hat{\theta}_{i}]-\bar{\theta} = \theta_{i}-\bar{\theta}
\end{align}

となることに注意すれば,

\begin{align}
\frac{\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta}}{\sigma} &\sim \N(\theta_{i}-\bar{\theta}, 1)
\end{align}

となる。したがって,問題文で与えられた非心度の定義より,$F$統計量の分子が従う非心度$\lambda_{(1)}$は

\begin{align}
\lambda_{(1)}
&= (\theta_{1}-\bar{\theta})^{2}+(\theta_{1}-\bar{\theta})^{2}+\cdots+(\theta_{5}-\bar{\theta})^{2}+(\theta_{5}-\bar{\theta})^{2}
= 2\sum_{i=1}^{5}(\theta_{i}-\bar{\theta})^{2}
\end{align}

となる。同様に,測定法(2)について,小問(1)で求めた$X_{(2)}$を用いれば,

\begin{align}
X_{(2)}\hat{\theta}-X_{(2)}\hat{\theta}_{0} &=
\begin{pmatrix}
(\hat{\theta}_{1}+\hat{\theta}_{2})-(\bar{\theta}+\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{1}+\hat{\theta}_{3})-(\bar{\theta}+\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{1}+\hat{\theta}_{4})-(\bar{\theta}+\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{1}+\hat{\theta}_{5})-(\bar{\theta}+\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{2}+\hat{\theta}_{2})-(\bar{\theta}+\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{2}+\hat{\theta}_{4})-(\bar{\theta}+\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{2}+\hat{\theta}_{5})-(\bar{\theta}+\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{3}+\hat{\theta}_{4})-(\bar{\theta}+\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{3}+\hat{\theta}_{5})-(\bar{\theta}+\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{4}+\hat{\theta}_{5})-(\bar{\theta}+\bar{\theta})
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
(\hat{\theta}_{1}-\bar{\theta})+(\hat{\theta}_{2}-\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{1}-\bar{\theta})+(\hat{\theta}_{3}-\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{1}-\bar{\theta})+(\hat{\theta}_{4}-\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{1}-\bar{\theta})+(\hat{\theta}_{5}-\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{2}-\bar{\theta})+(\hat{\theta}_{3}-\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{2}-\bar{\theta})+(\hat{\theta}_{4}-\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{2}-\bar{\theta})+(\hat{\theta}_{5}-\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{3}-\bar{\theta})+(\hat{\theta}_{4}-\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{3}-\bar{\theta})+(\hat{\theta}_{5}-\bar{\theta})\\
(\hat{\theta}_{4}-\bar{\theta})+(\hat{\theta}_{5}-\bar{\theta})
\end{pmatrix}
\end{align}

となるため,ノルムは

\begin{align}
\|X_{(2)}\hat{\theta}-X_{(2)}\hat{\theta}_{0}\|^{2}
&= 4\sum_{i=1}^{5}(\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta})^{2}
+2\sum_{i=1}^{4}\sum_{j=i+1}^{5}(\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta})(\hat{\theta}_{j}-\bar{\theta})\\[0.7em]
&= 4\sum_{i=1}^{5}(\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta})^{2}
+\left\{\sum_{i=1}^{5}(\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta})\sum_{j=1}^{5}(\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta})
-\sum_{i=1}^{5}(\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta})^{2}\right\}\\[0.7em]
&= 4\sum_{i=1}^{5}(\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta})^{2}
+\left\{\sum_{i=1}^{5}(\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta})\left(\sum_{j=1}^{5}\hat{\theta}_{i}-5\bar{\theta}\right)
-\sum_{i=1}^{5}(\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta})^{2}\right\}\\[0.7em]
&= 4\sum_{i=1}^{5}(\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta})^{2}
+\left\{\sum_{i=1}^{5}(\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta})\left(5\bar{\theta}-5\bar{\theta}\right)
-\sum_{i=1}^{5}(\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta})^{2}\right\}\\[0.7em]
&= 4\sum_{i=1}^{5}(\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta})^{2} - \sum_{i=1}^{5}(\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta})^{2}
= 3\sum_{i=1}^{5}(\hat{\theta}_{i}-\bar{\theta})^{2}
\end{align}

となる。測定法(1)との対称性に注意すれば,$F$統計量の分子が従う非心度$\lambda_{(2)}$は

\begin{align}
\lambda_{(2)} &= 3\sum_{i=1}^{5}(\theta_{i}-\bar{\theta})^{2}
\end{align}

となる。

非心分布の解説も併せてご参照ください。

(5)

小問(2)の結果より,測定法(2)の方が測定法(1)と比べて推定量の分散が小さいため有効であり,小問(4)の結果より,測定法(2)の方が測定法(1)と比べて$F$統計量の非心度が大きいため効率的である。なお,$F$統計量の非心度が大きいと,対立仮説が真の場合に$F$統計量の分子が大きくなるため検出力が大きくなることを利用した。

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