第3講 統計的推定

順序統計量

一様分布に従う確率変数の順序統計量の分布

X1,X2,,Xn が独立に一様分布 U(0,1) に従うとき, これらを大きい順に並び替えたとき,k 番目の確率変数を X(k) と書くと,

X(1)<X(2)<<X(k)<<X(n)
である.このとき,X(k) はベータ分布に従う.
X(k)Be(k,nk+1)
※証明は後述

順序統計量の分布

X1,,Xn を分布 FX(x) と確率密度関数 fX(x) を持つ連続型分布からの標本とする. X(1),,X(n) を順序統計量としたとき,X(k) の分布関数と確率密度関数は次のようになる.

FX(k)(x)=i=knnCiFX(x)i(1FX(x))ni
fX(k)(x)=n!(k1)!(nk)!fX(x)FX(x)k1(1FX(x))nk

[証明]

FX(k)(x)=P(X(k)x)=i=knP(X(1)x,,X(i)x,X(i+1)>x,,X(n)>x)=i=knP(X(1)x)P(X(i)x)P(X(i+1)>x)P(X(n)>x)=i=knnCiFX(x)i(1FX(x))ni
ここで,p=FX(x) とし,p(k,n)Bin(n,p) の確率関数とする.
p(k,n)=n!k!(nk)!pk(1p)nk
p(k1,n1)=(n1)!(k1)!(nk)!pk1(1p)nk
p(k,n1)=(n1)!k!(nk1)!pk(1p)nk1
p(n,n1)=0
F(x)x で微分して密度関数 f(x) を求めてみる.
fX(k)(x)=ddpFX(k)(x)=ddpi=knnCipi(1p)ni=i=kn{n!(i1)!(ni)!pi1(1p)nifX(x)n!i!(ni1)!pi(1p)ni1fX(x)}=nfX(x)i=kn{p(i1,n1)p(i,n1)}=nfX(x){p(k1,n1)p(k,n1)+p(k,n1)p(k+1,n1)++p(n1,n1)p(n,n1)}=nfX(x){p(k1,n1)p(n,n1)}=nfX(x)p(k1,n1)=nfX(x)(n1)!(k1)!(nk)!FX(x)k1(1FX(x))nk=n!(k1)!(nk)!fX(x)FX(x)k1(1FX(x))nk
ここで,母集団分布 FX(x) が一様分布 U[0,1] ならば,FX(x)=x,  fX(x)=1 であるので,
fX(k)(x)=n!(k1)!(nk)!xk1(1x)nk=Γ(n+1)Γ(k)Γ(nk+1)xk1(1x)nk=1B(k, nk+1)xk1(1x)nk
となり,
X(k)Be(k,nk+1)
となることがわかる.

順序統計量の性質

確率変数 X(n)=maxXi に関しては,

FmaxX(i)(x)=P(maxXix)=F(x)n
fmaxX(i)(x)=nf(x)F(x)n1
確率変数 X(1)=minXi に関しては,
FminX(i)(x)=P(minXix)=1(1F(x))n
fminX(i)(x)=nf(x)(1F(x))n1

順序統計量の同時確率密度関数 (1)

i<j として,X(i)X(j) の同時密度関数は次のようになる.

fX(i),X(j)(x,y)=n!(i1)!(ji1)!(nj)!f(x)f(y)F(x)i1(F(y)F(x))ji1(1F(y))nj

順序統計量の同時確率密度関数 (2)

X1,,Xn を分布 FX(x) と確率密度関数 fX(x) を持つ連続型分布からの標本とする. X(1),,X(n) を順序統計量としたとき,(X(1),,X(n)) の同時確率密度関数は次のようになる.

fX(1),,X(n)(x1,,xn)=n!fX(x1)fX(xn)