Ekspektasi bersyarat dari variabel acak seragam yang diberikan statistik pesanan


8

Asumsikan X =(X1,...,Xn) ~ U(θ,2θ)dimana θR+.

Bagaimana cara menghitung harapan bersyarat E[X1|X(1),X(n)]dimana X(1) dan X(n) Apakah statistik pesanan terkecil dan terbesar masing-masing?

Pikiran pertama saya adalah bahwa karena statistik pesanan membatasi rentang, itu sederhana (X(1)+X(n))/2, tetapi saya tidak yakin apakah ini benar!


1
Posting ini pada matematika SE bisa membantu
kjetil b halvorsen

Jawaban:


8

Pertimbangkan kasus sampel iid X1,X2,,Xn dari Seragam(0,1)distribusi. Penskalaan variabel-variabel ini denganθ dan menerjemahkannya dengan θ memberi mereka Seragam(θ,2θ)distribusi. Segala sesuatu yang relevan dengan masalah ini berubah dengan cara yang sama: statistik pesanan dan harapan bersyarat. Dengan demikian, jawaban yang diperoleh dalam kasus khusus ini akan berlaku secara umum.

Membiarkan 1<k<n. Dengan meniru alasan di https://stats.stackexchange.com/a/225990/919 (atau di tempat lain), temukan bahwa distribusi gabungan dari(X(1),X(k),X(n)) memiliki fungsi kepadatan

fk;n(x,y,z)=I(0xyz1)(yx)k2(zy)nk1.

Pemasangan (x,z) dan melihat ini sebagai fungsi dari y, ini dikenali sebagai Beta(k1,nk) distribusi yang telah diskalakan dan diterjemahkan ke dalam interval [x,z]. Jadi, faktor skala harus zx dan terjemahan dibutuhkan 0 untuk x.

Karena harapan Beta(k1,nk)distribusi adalah(k1)/(n1), kami menemukan bahwa harapan bersyarat dari X(k)harus menjadi skala, harapan yang diterjemahkan; yaitu,

E(X(k)X(1),X(n))=X(1)+(X(n)X(1))k1n1.

Kasus-kasus k=1 dan k=n sepele: harapan bersyarat mereka, masing-masing, X(1) dan X(k).

Mari temukan ekspektasi jumlah semua statistik pesanan:

E(k=1nX(k))=X(1)+k=2n1(X(1)+(X(n)X(1))k1n1)+X(n).

Aljabar turun untuk mendapatkan jumlah

k=2n1(k1)=(n1)(n2)/2.

Jadi

E(k=1nX(k))=(n1)X(1)+(X(n)X(1))(n1)(n2)2(n1)+X(n)=n2(X(n)+X(1)).

Akhirnya, karena Xi didistribusikan secara identik, mereka semua memiliki harapan yang sama, dari mana

nE(X1X(1),X(n))=E(X1)+E(X2)++E(Xn)=E(X(1))+E(X(2))++E(X(n))=n2(X(n)+X(1)),

dengan solusi unik

E(X1X(1),X(n))=(X(n)+X(1))/2.


It seems worth remarking that this result is not a sole consequence of the symmetry of the uniform distribution: it is particular to the uniform family of distributions. For some intuition, consider data drawn from a Beta(a,a) distribution with a<1. This distribution's probabilities are concentrated near 0 and 1 (its density has a U or "bathtub" shape). When X(n)<1/2, we can be sure most of the data are piled up close to X(1) and therefore will tend to have expectations less than the midpoint (X(1)+X(n))/2; and when X(1)>1/2, the opposite happens and most of the data are likely piled up close to X(n).


1

The following is not a proof but a verification of the desired result once you know that (X(1),X(n)) is a complete statistic for θ :

Joint pdf of X1,X2,,Xn is

fθ(x1,,xn)=1θn1θ<x(1),x(n)<2θ=1θn112x(n)<θ<x(1),θR+

So T=(X(1),X(n)) is a sufficient statistic for θ. It can be shown that T is also a complete statistic by proceeding along these lines.

Then by Lehmann-Scheffe theorem, E[X1T] is the UMVUE of E(X1)=3θ2.

Now, 1θ(Xiθ)i.i.dU(0,1), so that 1θ(X(n)θ)Beta(n,1) and 1θ(X(1)θ)Beta(1,n).

Therefore, E(X(n))=nθn+1+θ=(2n+1)θn+1 and E(X(1))=θn+1+θ=(n+2)θn+1.

Hence,

E[12(X(1)+X(n))]=12(n+1)((n+2)θ+(2n+1)θ)=3θ2

This proves that 12(X(1)+X(n)) is the UMVUE of 3θ2 by Lehmann-Scheffe.

Since UMVUE is unique whenever it exists, it verifies the claim that E[X1T]=12(X(1)+X(n)).


+1 This answer is nice because it reveals a deeper way to understand the exercise and what it can teach us.
whuber
Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.