应用多元统计分析课后习题答案高惠璇.ppt
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1、应用多元统计分析,第二章部分习题解答,2,第二章 多元正态分布及参数的估计,2-1 设3维随机向量XN3(,2I3),已知,试求Y=AX+d的分布.,解:利用性质2,即得二维随机向量YN2(y,y),其中:,3,第二章 多元正态分布及参数的估计,2-2 设X=(X1,X2)N2(,),其中,(1)试证明X1+X2 和X1-X2相互独立.(2)试求X1+X2 和X1-X2的分布.,解:(1)记Y1 X1+X2(1,1)X,Y2 X1-X2(1,-1)X,利用性质2可知Y1,Y2 为正态随机变量。又,故X1+X2 和X1-X2相互独立.,4,第二章 多元正态分布及参数的估计,或者记,由定理2.3.
2、1可知X1+X2 和X1-X2相互独立.,5,第二章 多元正态分布及参数的估计,(2)因,6,第二章 多元正态分布及参数的估计,2-3 设X(1)和X(2)均为p维随机向量,已知,其中(i)(i1,2)为p维向量,i(i1,2)为p阶矩阵,(1)试证明X(1)+X(2)和X(1)-X(2)相互独立.(2)试求X(1)+X(2)和X(1)-X(2)的分布.,解:(1)令,7,第二章 多元正态分布及参数的估计,由定理2.3.1可知X(1)+X(2)和X(1)-X(2)相互独立.,8,第二章 多元正态分布及参数的估计,(2)因,所以,注意:由D(X)0,可知(1-2)0.,9,第二章 多元正态分布及
3、参数的估计,2-11 已知X=(X1,X2)的密度函数为,试求X的均值和协方差阵.,解一:求边缘分布及Cov(X1,X2)=12,10,第二章 多元正态分布及参数的估计,类似地有,11,第二章 多元正态分布及参数的估计,0,12,第二章 多元正态分布及参数的估计,所以,故X=(X1,X2)为二元正态分布.,13,第二章 多元正态分布及参数的估计,解二:比较系数法 设,比较上下式相应的系数,可得:,14,第二章 多元正态分布及参数的估计,故X=(X1,X2)为二元正态随机向量.且,解三:两次配方法,15,第二章 多元正态分布及参数的估计,即,设函数 是随机向量Y的密度函数.,16,第二章 多元正
4、态分布及参数的估计,(4)由于,故,(3)随机向量,17,第二章 多元正态分布及参数的估计,2-12 设X1 N(0,1),令,证明X2 N(0,1);证明(X1,X2)不是二元正态分布.,证明(1):任给x,当x-1时,当x1时,18,第二章 多元正态分布及参数的估计,当-1x1时,(2)考虑随机变量Y=X1-X2,显然有,19,第二章 多元正态分布及参数的估计,若(X1,X2)是二元正态分布,则由性质4可知,它的任意线性组合必为一元正态.但Y=X1-X2 不是正态分布,故(X1,X2)不是二元正态分布.,20,第二章 多元正态分布及参数的估计,2-17 设XNp(,),0,X的密度函数记为
5、f(x;,).(1)任给a0,试证明概率密度等高面 f(x;,)=a是一个椭球面.(2)当p=2且(0)时,,概率密度等高面就是平面上的一个椭圆,试求该椭圆的方程式,长轴和短轴.,证明(1):任给a0,记,21,第二章 多元正态分布及参数的估计,令,则概率密度等高面为,(见附录5 P390),22,第二章 多元正态分布及参数的估计,故概率密度等高面 f(x;,)=a是一个椭球面.,(2)当p=2且(0)时,由,可得的特征值,23,第二章 多元正态分布及参数的估计,i(i=1,2)对应的特征向量为,由(1)可得椭圆方程为,长轴半径为 方向沿着l1方向(b0);,短轴半径为 方向沿着l2方向.,2
6、4,第二章 多元正态分布及参数的估计,2-19 为了了解某种橡胶的性能,今抽了十个样品,每个测量了三项指标:硬度、变形和弹性,其数据见表。试计算样本均值,样本离差阵,样本协差阵和样本相关阵.,解:,25,第二章 多元正态分布及参数的估计,应用多元统计分析,第三章习题解答,27,第三章 多元正态总体参数的假设检验,3-1 设XNn(,2In),A为对称幂等阵,且rk(A)=r(rn),证明,证明 因A为对称幂等阵,而对称幂等阵的特征值非0即1,且只有r个非0特征值,即存在正交阵(其列向量ri为相应特征向量),使,28,第三章 多元正态总体参数的检验,29,其中非中心参数为,第三章 多元正态总体参
7、数的检验,30,3-2 设XNn(,2In),A,B为n阶对称阵.若AB 0,证明XAX与XBX相互独立.,证明的思路:记rk(A)=r.因A为n阶对称阵,存在正交阵,使得 A=diag(1,r 0,.,0)令YX,则YNn(,2In),第三章 多元正态总体参数的检验,且,31,又因为 XBX=YB Y=YHY其中H=B。如果能够证明XBX可表示为Yr+1,,Yn的函数,即H只是右下子块为非0的矩阵。则XAX 与XBX相互独立。,第三章 多元正态总体参数的检验,32,证明 记rk(A)=r.若r=n,由ABO,知B Onn,于是XAX与XBX独立;若r=0时,则A0,则两个二次型也是独立的.以
8、下设0rn.因A为n阶对称阵,存在正交阵,使得,第三章 多元正态总体参数的检验,33,其中i0为A的特征值(i=1,r).于是,令,r,第三章 多元正态总体参数的检验,由ABO可得DrH11O,DrH12O.因Dr为满秩阵,故有H11Orr,H12Or(n-r).由于H为对称阵,所以H21O(n-r)r.于是,34,由于Y1,,Yr,Yr+1,Yn相互独立,故XAX与XBX相互独立.,第三章 多元正态总体参数的检验,令YX,则Y Nn(,2In),且,35,设XNp(,),0,A和B为p阶对称阵,试证明(X-)A(X-)与(X-)B(X-)相互独立 AB0pp.,第三章 多元正态总体参数的检验
9、,3-3,36,由“1.结论6”知与相互独立,第三章 多元正态总体参数的检验,37,性质4 分块Wishart矩阵的分布:设X()Np(0,)(1,n)相互独立,其中,又已知随机矩阵,则,第三章 多元正态总体参数的检验,试证明Wishart分布的性质(4)和T2分布的性质(5).,3-4,38,第三章 多元正态总体参数的检验,证明:设,记,则,即,39,第三章 多元正态总体参数的检验,当12=O 时,对1,2,n,相互 独立.故有W11与W22相互独立.,由定义3.1.4可知,40,性质5 在非退化的线性变换下,T2统计量保持不变.证明:设X()(1,n)是来自p元总体Np(,)的随机样本,X
10、和Ax分别表示正态总体X的样本均值向量和离差阵,则由性质1有,第三章 多元正态总体参数的检验,令,其中C是pp非退化常数矩阵,d是p1常向量。则,41,第三章 多元正态总体参数的检验,所以,42,第三章 多元正态总体参数的检验,3-5,对单个p维正态总体Np(,)均值向量的检验问题,试用似然比原理导出检验H0:=0(=0已知)的似然比统计量及分布.,解:总体XNp(,0)(00),设X()(=1,n)(np)为来自p维正态总体X的样本.似然比统计量为,P66当=0已知的检验,43,第三章 多元正态总体参数的检验,44,第三章 多元正态总体参数的检验,45,第三章 多元正态总体参数的检验,因,所
11、以由3“一2.的结论1”可知,46,第三章 多元正态总体参数的检验,3-6(均值向量各分量间结构关系的检验)设总体XNp(,)(0),X()(1,n)(np)为来自p维正态总体X的样本,记(1,p).C为kp常数(kp),rank(C)=k,r为已知k维向量.试给出检验H0:Cr的检验统计量及分布.,解:令,则Y()(1,n)为来自k维正态总体Y的样本,且,47,第三章 多元正态总体参数的检验,检验,这是单个k维正态总体均值向量的检验问题.利用3.2当y=CC未知时均值向量的检验给出的结论,取检验统计量:,48,第三章 多元正态总体参数的检验,3-7 设总体XNp(,)(0),X()(1,n)
12、(np)为来自p维正态总体X的样本,样本均值为X,样本离差阵为A.记(1,p).为检验H0:1=2=p,H1:1,2,p至少有一对不相等.令,则上面的假设等价于H0:C=0p-1,H1:C 0p-1试求检验H0 的似然比统计量和分布.,解:,至少有一对不相等.,49,第三章 多元正态总体参数的检验,利用3-6的结果知,检验H0的似然比统计量及分布为:,其中,(注意:3-6中的k在这里为p-1),50,第三章 多元正态总体参数的检验,3-8 假定人体尺寸有这样的一般规律:身高(X1),胸围(X2)和上半臂围(X3)的平均尺寸比例是641.假设X()(1,n)为来自总体X=(X1,X2,X3)的随
13、机样本.并设XN3(,),试利用表3.5中男婴这一组数据检验三个尺寸(变量)是否符合这一规律(写出假设H0,并导出检验统计量).,解:检验三个尺寸(变量)是否符合这一规律的问题可提成假设检验问题.因为,其中,注意:,51,第三章 多元正态总体参数的检验,检验的假设H0为,利用3-6的结论,取检验统计量为:,由男婴测量数据(p=3,n=6)计算可得 T2=47.1434,F=18.8574,p值=0.009195=0.05,故否定H0,即认为这组数据与人类的一般规律不一致.,52,第三章 多元正态总体参数的检验,3-9,对单个p维正态总体Np(,)协差阵的检验问题,试用似然比原理导出检验H0:=
14、0的似然比统计量及分布.,解:总体XNp(,),设X()(=1,n)为来自p维正态总体X的样本.似然比统计量为,53,第三章 多元正态总体参数的检验,54,第三章 多元正态总体参数的检验,由定理3.2.1,当n充分大时,有,55,第三章 多元正态总体参数的检验,3-10,对两个p维正态总体Np(1),)和Np(2),)均值向量的检验问题,试用似然比原理导出检验H0:(1)=(2)的似然比统计量及分布.,解:设(1,ni)为来自总体XNp(i),)的随机样本(i=1,2),且相互独立,0未知.检验H0似然比统计量为,记,其中,56,第三章 多元正态总体参数的检验,其中 A=A1+A2称为组内离差
15、阵.B称为组间离差阵.,57,第三章 多元正态总体参数的检验,因为,似然比统计量,58,第三章 多元正态总体参数的检验,所以,59,第三章 多元正态总体参数的检验,由定义3.1.5可知,由,或,由于,60,第三章 多元正态总体参数的检验,可取检验统计量为,检验假设H0的否定域为,61,第三章 多元正态总体参数的检验,3-11,表3.5给出15名2周岁婴儿的身高(X1),胸围(X2)和上半臂围(X3)的测量数据.假设男婴的测量数据X()(1,6)为来自总体N3(1),)的随机样本.女婴的测量数据Y()(1,9)为来自总体N3(2),)的随机样本.试利用表3.5中的数据检验H0:(1)=(2)(=
16、0.05).,解:这是两总体均值向量的检验问题.检验统计量取为(p=3,n=6,m=9):,62,第三章 多元正态总体参数的检验,其中,故检验统计量为,用观测数据代入计算可得:,故H0相容.,显著性概率值,63,第三章 多元正态总体参数的检验,3-12 在地质勘探中,在A、B、C三个地区采集了一些岩石,测其部分化学成分见表3.6.假定这三个地区岩石的成分遵从N3(i),i)(i1,2,3)(=0.05).(1)检验H0:123;H1:1,2,3不全等;(2)检验H0:(1)(2),H1:(1)(2);(3)检验H0:(1)(2)(3),H1:存在ij,使(i)(j);(4)检验三种化学成分相互
17、独立.,解:(4)设来自三个总体的样本为(p=3,k=3),检验H0的似然比统计量为,64,第三章 多元正态总体参数的检验,似然比统计量的分子为,65,第三章 多元正态总体参数的检验,称为合并组内离差阵.,66,第三章 多元正态总体参数的检验,67,第三章 多元正态总体参数的检验,似然比统计量的分母为,68,第三章 多元正态总体参数的检验,检验H0的似然比统计量可化为:,69,第三章 多元正态总体参数的检验,Box证明了,在H0成立下当n时,=-blnV2(f),其中,V=0.7253,=-blnV=3.2650,因 p=0.35250.05.故H0相容,即随机向量的三个分量(三种化学成分)相
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