kaoyan1basic 概率论与数理统计 第3题

教材习题

📝 题目

### 【强化篇】第3题(选择题) 3.设总体 $\displaystyle X \sim f(x ; \theta)=\left\{\begin{array}{ll}\frac{x}{\theta} \mathrm{e}^{\frac{x^{2}}{20}}, & x>0, \\ 0, & x \leqslant 0,\end{array} \theta>0\right.$ 未知,$X_{1}, X_{2}, \cdots, X_{n}$ 为来自总体 $X$ 的简单随机样本,记 $\hat{\theta}_{M}$ 与 $\hat{\theta}_{L}$ 分别是 $\theta$ 的矩估计量和最大似然估计量,则()。 (A)$\displaystyle \hat{\theta}_{M}=\frac{2}{\pi} \bar{X}^{2}, E\left(\hat{\theta}_{M}\right)=\theta$ (B)$\displaystyle \hat{\theta}_{M}=\frac{1}{\pi} \bar{X}^{2}, E\left(\hat{\theta}_{M}\right)=\theta$ (C)$\displaystyle \hat{\theta}_{L}=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} X_{i}^{2}, E\left(\hat{\theta}_{L}\right)=\theta$ (D)$\displaystyle \hat{\theta}_{L}=\frac{1}{2 n} \sum_{i=1}^{n} X_{i}^{2}, E\left(\hat{\theta}_{L}\right)=\theta$

💡 答案解析

**答案**:D **解析**:步骤1:计算总体矩。$\displaystyle E(X)=\int_0^{+\infty} x \cdot \frac{x}{\theta} e^{-\frac{x^2}{2\theta}} dx = \int_0^{+\infty} \frac{x^2}{\theta} e^{-\frac{x^2}{2\theta}} dx$,令$\displaystyle t=\frac{x^2}{2\theta}$,则$x=\sqrt{2\theta t}$,$\displaystyle dx=\frac{\sqrt{2\theta}}{2\sqrt{t}}dt$,$\displaystyle E(X)=\int_0^{+\infty} \frac{2\theta t}{\theta} e^{-t} \cdot \frac{\sqrt{2\theta}}{2\sqrt{t}} dt = \sqrt{2\theta} \int_0^{+\infty} t^{\frac{1}{2}} e^{-t} dt = \sqrt{2\theta} \Gamma(\frac{3}{2}) = \sqrt{2\theta} \cdot \frac{\sqrt{\pi}}{2} = \sqrt{\frac{\pi\theta}{2}}$。由矩估计法,$\displaystyle \bar{X} = \sqrt{\frac{\pi\hat{\theta}_M}{2}}$,解得$\displaystyle \hat{\theta}_M = \frac{2}{\pi}\bar{X}^2$。$\displaystyle E(\hat{\theta}_M) = \frac{2}{\pi} E(\bar{X}^2) = \frac{2}{\pi} [D(\bar{X}) + (E(\bar{X}))^2] = \frac{2}{\pi} [\frac{D(X)}{n} + \frac{\pi\theta}{2}] \neq \theta$,故A、B错误。 步骤2:求最大似然估计。似然函数$\displaystyle L(\theta)=\prod_{i=1}^n \frac{x_i}{\theta} e^{-\frac{x_i^2}{2\theta}} = \frac{\prod x_i}{\theta^n} e^{-\frac{\sum x_i^2}{2\theta}}$,取对数得$\displaystyle \ln L = \sum \ln x_i - n\ln\theta - \frac{\sum x_i^2}{2\theta}$,对$\theta$求导并令其为0:$\displaystyle \frac{d\ln L}{d\theta} = -\frac{n}{\theta} + \frac{\sum x_i^2}{2\theta^2}=0$,解得$\displaystyle \hat{\theta}_L = \frac{1}{2n}\sum_{i=1}^n X_i^2$。$\displaystyle E(\hat{\theta}_L) = \frac{1}{2n} \sum E(X_i^2) = \frac{1}{2} E(X^2)$。计算$\displaystyle E(X^2)=\int_0^{+\infty} x^2 \cdot \frac{x}{\theta} e^{-\frac{x^2}{2\theta}} dx = \int_0^{+\infty} \frac{x^3}{\theta} e^{-\frac{x^2}{2\theta}} dx$,令$\displaystyle t=\frac{x^2}{2\theta}$,则$x^2=2\theta t$,$x dx = \theta dt$,$\displaystyle E(X^2)=\int_0^{+\infty} \frac{2\theta t}{\theta} e^{-t} \cdot \theta dt = 2\theta \int_0^{+\infty} t e^{-t} dt = 2\theta \Gamma(2)=2\theta$,故$\displaystyle E(\hat{\theta}_L)=\frac{1}{2} \cdot 2\theta = \theta$。 **难度**:★★★☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:计算总体期望 E(X) 以进行矩估计
由总体密度函数,计算 E(X) = ∫_0^+∞ x * (x/θ) e^{-x^2/(2θ)} dx = ∫_0^+∞ (x^2/θ) e^{-x^2/(2θ)} dx。令 t = x^2/(2θ),则 x = √(2θt),dx = √(2θ)/(2√t) dt,代入得 E(X) = √(2θ) ∫_0^+∞ t^{1/2} e^{-t} dt = √(2θ) Γ(3/2) = √(2θ) * √π/2 = √(πθ/2)。
公式:E(X) = √(πθ/2)
提示:注意换元积分和Gamma函数的性质:Γ(3/2)=√π/2。
步骤 2/4
目标:解出矩估计量并判断期望
由矩估计法,令样本均值 X̄ = E(X) = √(πθ̂_M/2),解得 θ̂_M = (2/π) X̄²。计算 E(θ̂_M) = (2/π) E(X̄²) = (2/π)[D(X̄) + (E(X̄))²] = (2/π)[D(X)/n + (πθ/2)] ≠ θ,故A、B错误。
公式:θ̂_M = (2/π) X̄²
提示:矩估计量不一定无偏,需验证期望。
步骤 3/4
目标:写出似然函数并求最大似然估计
似然函数 L(θ) = ∏ (x_i/θ) e^{-x_i^2/(2θ)} = (∏ x_i)/θ^n e^{-∑ x_i^2/(2θ)},取对数 ln L = ∑ ln x_i - n ln θ - (∑ x_i^2)/(2θ)。对θ求导并令为0:d ln L/dθ = -n/θ + (∑ x_i^2)/(2θ²)=0,解得 θ̂_L = (1/(2n)) ∑ X_i²。
公式:θ̂_L = (1/(2n)) ∑ X_i²
提示:注意似然函数中x_i>0,对数求导时需小心。
步骤 4/4
目标:计算 E(X²) 并验证无偏性
计算 E(X²) = ∫_0^+∞ x² * (x/θ) e^{-x^2/(2θ)} dx = ∫_0^+∞ (x³/θ) e^{-x^2/(2θ)} dx。令 t = x²/(2θ),则 x²=2θt,x dx = θ dt,代入得 E(X²) = ∫_0^+∞ (2θt/θ) e^{-t} * θ dt = 2θ ∫_0^+∞ t e^{-t} dt = 2θ Γ(2)=2θ。故 E(θ̂_L) = (1/(2n)) ∑ E(X_i²) = (1/2) E(X²)=θ,无偏。
公式:E(X²)=2θ
提示:Gamma函数Γ(2)=1。

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