Attente conditionnelle d'une variable aléatoire uniforme compte tenu des statistiques d'ordre


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Supposons que X =(X1,...,Xn) ~ U(θ,2θ), où θR+.

Comment calcule-t-on l'espérance conditionnelle de E[X1|X(1),X(n)], où X(1) et X(n) sont les statistiques de commande les plus petites et les plus importantes respectivement?

Ma première pensée serait que, puisque les statistiques de commande limitent la plage, il est simplement (X(1)+X(n))/2, mais je ne sais pas si c'est correct!


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Cet article sur math SE pourrait être utile
kjetil b halvorsen

Réponses:


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Considérons le cas d'un échantillon iid X1,X2,,Xn d'un uniforme(0,1)Distribution. Mise à l'échelle de ces variables parθ et les traduire par θ leur confère un uniforme(θ,2θ)Distribution. Tout ce qui concerne ce problème évolue de la même manière: les statistiques de commande et les attentes conditionnelles. Ainsi, la réponse obtenue dans ce cas particulier sera généralement valable.

Laisser 1<k<n. En émulant le raisonnement sur https://stats.stackexchange.com/a/225990/919 (ou ailleurs), constatez que la distribution conjointe de(X(1),X(k),X(n)) a une fonction de densité

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

Fixation (x,z) et voir cela en fonction de y, c'est reconnaissable comme une bêta(k1,nk) distribution qui a été mise à l'échelle et traduite dans l'intervalle [x,z]. Ainsi, le facteur d'échelle doit être zx et la traduction prend 0 à x.

Depuis l' attente d'une bêta(k1,nk)la distribution est(k1)/(n1), nous constatons que l'attente conditionnelle de X(k) must be the scaled, translated expectation; namely,

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

The cases k=1 and k=n are trivial: their conditional expectations are, respectively, X(1) and X(k).

Let's find the expectation of the sum of all order statistics:

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

The algebra comes down to obtaining the sum

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

Thus

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

Enfin, parce que le Xi sont distribués à l'identique, ils ont tous la même attente, d'où

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)),

avec la solution unique

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


Il convient de noter que ce résultat n'est pas la seule conséquence de la symétrie de la distribution uniforme: il est particulier à la famille uniforme des distributions. Pour une certaine intuition, considérez les données tirées d'une version bêta(a,a) distribution avec a<1. Les probabilités de cette distribution sont concentrées près de 0 et 1(sa densité a une forme en U ou "baignoire"). QuandX(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).


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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
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