What to hand in: answers to Q1–Q3
Please write the day and time of your tutorial class on your homework.
There is no need to hand in an answer to Q4, but it is very important to do it, as R plays a large part in the course.
For reference:
X ~ Exponential(λ) has PDF f ( x ) = { λ e x p ( − λ x ) x ≥ 0 , 0 otherwise. f(x)= \begin{cases} λ \space exp(-λx) & x \geq 0, \\ 0& \text{otherwise.} \end{cases} f ( x ) = { λ e x p ( − λ x ) 0 x ≥ 0 , otherwise.
f ( x ) = { λ x e x p ( − λ ) x ! x ∈ { 0 , 1 , 2 , . . . } , 0 otherwise. f(x)= \begin{cases} \frac{λ^x \space exp(-λ)}{x!} & x \in \{0, 1, 2, ...\}, \\ 0 & \text{otherwise.} \end{cases} f ( x ) = { x ! λ x e x p ( − λ ) 0 x ∈ { 0 , 1 , 2 , ... } , otherwise.
X ~ Binomial(n, p) has PMF f ( x ) = { ( x n ) p x ( 1 − p ) n − x x ∈ { 0 , 1 , . . . , n } , 0 otherwise. f(x)= \begin{cases} (^n_x)p^x(1-p)^{n-x} & x \in \{0, 1,...,n\}, \\ 0 & \text{otherwise.} \end{cases} f ( x ) = { ( x n ) p x ( 1 − p ) n − x 0 x ∈ { 0 , 1 , ... , n } , otherwise.
X ~ Normal(μ, σ2) has PDF f ( x ) = 1 2 π σ 2 e x p − 1 2 σ 2 ( x − μ ) 2 , x ∈ R f(x)= \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}}exp{-\frac{1}{2\sigma^2}(x-\mu)^2}, x \in R f ( x ) = 2 π σ 2 1 e x p − 2 σ 2 1 ( x − μ ) 2 , x ∈ R
X ~ Uniform(a, b) has PDF f x ( x ) = { 1 b − a x ∈ [ a , b ] , 0 otherwise. f_x(x)= \begin{cases} \frac{1}{b-a} & x \in [a, b], \\ 0 & \text{otherwise.} \end{cases} f x ( x ) = { b − a 1 0 x ∈ [ a , b ] , otherwise.
Suppose that X 1 X_1 X 1 , X 2 X_2 X 2 , X 3 X_3 X 3 ∼ iid \stackrel{\text{iid}}{\sim} ∼ iid Exponential(λ) represent the lifetimes of three lightbulbs in my living room. I installed them 2.5 years ago, and one has just blown (the others are still working). Show that the likelihood function corresponding to this is L ( λ ; 2.5 ) ∝ λ e x p ( − 7.5 λ ) . L(λ; 2.5) ∝ λ exp(−7.5λ). L ( λ ; 2.5 ) ∝ λ e x p ( − 7.5 λ ) .
Hint: consider the random variable Y = m i n { X 1 , X 2 , X 3 } Y = min \{X_1, X_2, X_3\} Y = min { X 1 , X 2 , X 3 } and start by trying to deduce its CDF.
zh Solution
zh
以下是你给出的英文段落的中文翻译:
提交内容:Q1-Q3的答案
请在作业上注明你的辅导课的日期和时间。
无需提交Q4的答案,但做它非常重要,因为R在这门课中占有很大的部分。
参考:
X ~ Exponential(λ) 的概率密度函数(PDF)为 f ( x ) = { λ e x p ( − λ x ) x ≥ 0 , 0 否则. f(x)= \begin{cases} λ \space exp(-λx) & x \geq 0, \\ 0& \text{否则.} \end{cases} f ( x ) = { λ e x p ( − λ x ) 0 x ≥ 0 , 否则 .
X ~ Poisson(λ) 的概率质量函数(PMF)为 f ( x ) = { λ x e x p ( − λ ) x ! x ∈ { 0 , 1 , 2 , . . . } , 0 否则. f(x)= \begin{cases} \frac{λ^x \space exp(-λ)}{x!} & x \in \{0, 1, 2, ...\}, \\ 0 & \text{否则.} \end{cases} f ( x ) = { x ! λ x e x p ( − λ ) 0 x ∈ { 0 , 1 , 2 , ... } , 否则 .
X ~ Binomial(n, p) 的概率质量函数(PMF)为 f ( x ) = { ( x n ) p x ( 1 − p ) n − x x ∈ { 0 , 1 , . . . , n } , 0 否则. f(x)= \begin{cases} (^n_x)p^x(1-p)^{n-x} & x \in \{0, 1,...,n\}, \\ 0 & \text{否则.} \end{cases} f ( x ) = { ( x n ) p x ( 1 − p ) n − x 0 x ∈ { 0 , 1 , ... , n } , 否则 .
X ~ Normal(μ, σ2) 的概率密度函数(PDF)为 f ( x ) = 1 2 π σ 2 e x p − 1 2 σ 2 ( x − μ ) 2 , x ∈ R f(x)= \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}}exp{-\frac{1}{2\sigma^2}(x-\mu)^2}, x \in R f ( x ) = 2 π σ 2 1 e x p − 2 σ 2 1 ( x − μ ) 2 , x ∈ R
X ~ Uniform(a, b) 的概率密度函数(PDF)为 f x ( x ) = { 1 b − a x ∈ [ a , b ] , 0 否则. f_x(x)= \begin{cases} \frac{1}{b-a} & x \in [a, b], \\ 0 & \text{否则.} \end{cases} f x ( x ) = { b − a 1 0 x ∈ [ a , b ] , 否则 .
假设(X 1 X_1 X 1 ), (X 2 X_2 X 2 ), (X 3 X_3 X 3 ) 独立且同分布于Exponential(λ),代表我客厅中三个灯泡的寿命。我 2.5 年前安装了它们,其中一个刚刚熄灭(其他的还在工作)。证明相应的似然函数为
L ( λ ; 2.5 ) ∝ λ e x p ( − 7.5 λ ) L(λ; 2.5) ∝ λ exp(−7.5λ) L ( λ ; 2.5 ) ∝ λ e x p ( − 7.5 λ )
提示:考虑随机变量 (Y = m i n { X 1 , X 2 , X 3 } Y = min \{X_1, X_2, X_3\} Y = min { X 1 , X 2 , X 3 } ) 并首先尝试推导其累积分布函数(CDF)。
Solution
首先,题目中描述了三个灯泡的生命周期X 1 X_1 X 1 , X 2 X_2 X 2 , X 3 X_3 X 3 都服从参数为λ的指数分布。给定情境是三个灯泡中有一个在 2.5 年后熄灭,其他两个仍在工作。
对于指数分布,其累积分布函数(CDF)定义如下:
F ( x ) = 1 − e x p ( − λ x ) F(x) = 1 - exp(-\lambda x) F ( x ) = 1 − e x p ( − λ x ) ,对于 x ≥ 0 x \geq 0 x ≥ 0
考虑到随机变量 Y = m i n { X 1 , X 2 , X 3 } Y = min \{X_1, X_2, X_3\} Y = min { X 1 , X 2 , X 3 } ,我们可以推导出 Y 的 CDF。
首先,Y > y Y > y Y > y 的概率等于所有三个 X i X_i X i 都大于 y y y 的概率。
P ( Y > y ) = P ( X 1 > y , X 2 > y , X 3 > y ) P(Y > y) = P(X_1 > y, X_2 > y, X_3 > y) P ( Y > y ) = P ( X 1 > y , X 2 > y , X 3 > y )
因为 X 1 , X 2 , X 3 X_1, X_2, X_3 X 1 , X 2 , X 3 是独立同分布的,所以:
P ( Y > y ) = [ P ( X 1 > y ) ] 3 = [ 1 − F ( y ) ] 3 P(Y > y) = [P(X_1 > y)]^3 = [1 - F(y)]^3 P ( Y > y ) = [ P ( X 1 > y ) ] 3 = [ 1 − F ( y ) ] 3
= [ 1 − ( 1 − e x p ( − λ y ) ) ] 3 = [1 - (1 - exp(-\lambda y))]^3 = [ 1 − ( 1 − e x p ( − λ y )) ] 3
= [ e x p ( − λ y ) ] 3 = [exp(-\lambda y)]^3 = [ e x p ( − λ y ) ] 3
= e x p ( − 3 λ y ) = exp(-3\lambda y) = e x p ( − 3 λ y )
于是,Y 的 CDF 为:
F Y ( y ) = 1 − e x p ( − 3 λ y ) F_Y(y) = 1 - exp(-3\lambda y) F Y ( y ) = 1 − e x p ( − 3 λ y )
接下来,根据题意,第一个灯泡在2.5年熄灭(即 Y = 2.5 Y = 2.5 Y = 2.5 ),另外两个灯泡在 2.5 年后仍在工作。所以似然函数是:
L ( λ ) = f Y ( 2.5 ) × e x p ( − λ × 2.5 ) × e x p ( − λ × 2.5 ) L(\lambda) = f_Y(2.5) \times exp(-\lambda \times 2.5) \times exp(-\lambda \times 2.5) L ( λ ) = f Y ( 2.5 ) × e x p ( − λ × 2.5 ) × e x p ( − λ × 2.5 )
其中,[f Y ( y ) f_Y(y) f Y ( y ) ]是 Y 的概率密度函数(PDF),我们可以从 CDF 中得到它:
f Y ( y ) = d d y F Y ( y ) = 3 λ e x p ( − 3 λ y ) f_Y(y) = \frac{d}{dy} F_Y(y) = 3\lambda exp(-3\lambda y) f Y ( y ) = d y d F Y ( y ) = 3 λ e x p ( − 3 λ y )
将 y = 2.5 y = 2.5 y = 2.5 带入得:
f Y ( 2.5 ) = 3 λ e x p ( − 7.5 λ ) f_Y(2.5) = 3\lambda exp(-7.5\lambda) f Y ( 2.5 ) = 3 λ e x p ( − 7.5 λ )
所以似然函数是:
L ( λ ) = 3 λ e x p ( − 7.5 λ ) × e x p ( − 2.5 λ ) × e x p ( − 2.5 λ ) L(\lambda) = 3\lambda exp(-7.5\lambda) \times exp(-2.5\lambda) \times exp(-2.5\lambda) L ( λ ) = 3 λ e x p ( − 7.5 λ ) × e x p ( − 2.5 λ ) × e x p ( − 2.5 λ )
L ( λ ) = 3 λ e x p ( − 12.5 λ ) L(\lambda) = 3\lambda exp(-12.5\lambda) L ( λ ) = 3 λ e x p ( − 12.5 λ )
这里我们只对 λ 有兴趣,所以只要考虑与 λ 有关的部分,可以得到与题目要求一致的形式:
L ( λ ; 2.5 ) ∝ λ e x p ( − 7.5 λ ) L(λ; 2.5) ∝ λ exp(−7.5λ) L ( λ ; 2.5 ) ∝ λ e x p ( − 7.5 λ )
Zero-inflated Poisson (ZIP) . Suppose I construct a random variable X in the following way. First, I toss a biased coin with probability of heads p. If it comes up heads, then X = 0, otherwise X ~ Poisson(λ). We call this the zero-inflated Poisson distribution, and write X ~ ZIP(p, λ). Derive the probability mass function for X and the likelihood function for a realization x of X ∼ iid Z I P ( p , λ ) X \stackrel{\text{iid}}{\sim} ZIP(p, λ) X ∼ iid Z I P ( p , λ ) .Hint: think about expressing X in terms of two other random quantities.
首先,我们可以把随机变量 (X) 的构造描述成两个不同的随机事件。一个是掷硬币得到正面,其概率是 (p),如果这个事件发生,那么 (X = 0)。另一个是掷硬币得到反面,其概率是 (1-p),然后 (X) 遵循 Poisson(λ) 分布。
所以,(X) 的概率质量函数(PMF)可以写成如下:
当 (x = 0) 时: (P ( X = 0 ) P(X = 0) P ( X = 0 ) ) 是掷硬币得到正面的概率与掷硬币得到反面后 (X) 遵循 Poisson 分布取值为 0 的概率的和,即:
P ( X = 0 ) = p + ( 1 − p ) ⋅ λ 0 e x p ( − λ ) 0 ! = p + ( 1 − p ) ⋅ e x p ( − λ ) P(X = 0) = p + (1-p) \cdot \frac{\lambda^0 \space exp(-λ)}{0!} = p + (1-p) \cdot exp(-λ) P ( X = 0 ) = p + ( 1 − p ) ⋅ 0 ! λ 0 e x p ( − λ ) = p + ( 1 − p ) ⋅ e x p ( − λ )
当 (x > 0) 时: (P ( X = x ) P(X = x) P ( X = x ) ) 只能是掷硬币得到反面后 (X) 遵循 Poisson 分布取到 (x) 的概率,即:
P ( X = x ) = ( 1 − p ) ⋅ λ x e x p ( − λ ) x ! P(X = x) = (1-p) \cdot \frac{\lambda^x \space exp(-λ)}{x!} P ( X = x ) = ( 1 − p ) ⋅ x ! λ x e x p ( − λ )
将这些结合起来,我们得到 (X) 的概率质量函数为:
f ( x ) = { p + ( 1 − p ) ⋅ e x p ( − λ ) x = 0 ( 1 − p ) ⋅ λ x e x p ( − λ ) x ! x ∈ { 1 , 2 , . . . } 0 otherwise f(x) = \begin{cases} p + (1-p) \cdot exp(-λ) & x = 0 \\ (1-p) \cdot \frac{\lambda^x \space exp(-λ)}{x!} & x \in \{1, 2, ...\} \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases} f ( x ) = ⎩ ⎨ ⎧ p + ( 1 − p ) ⋅ e x p ( − λ ) ( 1 − p ) ⋅ x ! λ x e x p ( − λ ) 0 x = 0 x ∈ { 1 , 2 , ... } otherwise
对于似然函数,对于给定的数据集中的观察值 (x 1 , x 2 , . . . , x n x_1, x_2, ..., x_n x 1 , x 2 , ... , x n )(其中 (n) 是观察数),似然函数 (L) 为:
L ( p , λ ∣ x ) = ∏ i = 1 n f ( x i ) L(p, \lambda | x) = \prod_{i=1}^{n} f(x_i) L ( p , λ ∣ x ) = ∏ i = 1 n f ( x i )
其中 (f ( x i ) f(x_i) f ( x i ) ) 是在 (x i x_i x i ) 处的 PMF 值。
这就是零膨胀泊松分布(ZIP)的概率质量函数和似然函数。
详情 $\binom{n}{x}$
在描述 Binomial PMF 的时候,使用了 (^n_x)
,这在数学表示中是不准确的。应该用组合符号来表示,即 C(n,x)
或者 \binom{n}{x}
。
对于标准正态分布的 PDF,你可能想写的是对所有的 (x) 在实数集 (R) 内都适用。在此情况下,您可以使用 (x ∈ R x \in \mathbb{R} x ∈ R ) 而不是 (x ∈ R x \in R x ∈ R )。
对于似然函数,给定的数据集中的观察值 (x_1, x_2, ..., x_n),确实,似然函数 (L) 是这些观察值的 PMF 的乘积。但如果您想进一步明确化这个定义,您可以写出这个乘积的完整形式。
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