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統計的推測(検定)

仮説検定の基本概念、検定統計量の分布、有意水準と検出力、多重比較など統計検定準1級レベルの検定理論

尤度比検定統計量の計算 レベル1

正規分布$N(\mu, 1)$に従う標本$X_1, X_2, X_3 = 2, 3, 4$が得られた。仮説$H_0: \mu = 2$対$H_1: \mu = 3$の尤度比検定において、尤度比統計量$\Lambda = \frac{L(\mu_0)}{L(\mu_1)}$を計算せよ。答えは$e^{-a}$の形で表し、指数$a$の値を求めよ。

解説

尤度比検定統計量の計算

正規分布$N(\mu, 1)$における尤度比検定統計量を段階的に計算します。

尤度関数の構築

Step 1: 正規分布の尤度関数

標本$(X_1, X_2, X_3) = (2, 3, 4)$に対する尤度関数:

$L(\mu) = \prod_{i=1}^3 \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \exp\left(-\frac{(x_i - \mu)^2}{2}\right)$
$= \frac{1}{(2\pi)^{3/2}} \exp\left(-\frac{1}{2}\sum_{i=1}^3 (x_i - \mu)^2\right)$

Step 2: 各仮説での尤度計算

帰無仮説$H_0: \mu = 2$の場合:

$\sum_{i=1}^3 (x_i - 2)^2 = (2-2)^2 + (3-2)^2 + (4-2)^2 = 0 + 1 + 4 = 5$
$L(\mu_0 = 2) = \frac{1}{(2\pi)^{3/2}} \exp\left(-\frac{5}{2}\right)$

対立仮説$H_1: \mu = 3$の場合:

$\sum_{i=1}^3 (x_i - 3)^2 = (2-3)^2 + (3-3)^2 + (4-3)^2 = 1 + 0 + 1 = 2$
$L(\mu_1 = 3) = \frac{1}{(2\pi)^{3/2}} \exp\left(-\frac{2}{2}\right) = \frac{1}{(2\pi)^{3/2}} \exp(-1)$

尤度比統計量の計算

Step 3: 尤度比の導出

$\Lambda = \frac{L(\mu_0)}{L(\mu_1)} = \frac{\frac{1}{(2\pi)^{3/2}} \exp\left(-\frac{5}{2}\right)}{\frac{1}{(2\pi)^{3/2}} \exp(-1)}$
$= \frac{\exp\left(-\frac{5}{2}\right)}{\exp(-1)} = \exp\left(-\frac{5}{2} + 1\right) = \exp\left(-\frac{5}{2} + \frac{2}{2}\right)$
$= \exp\left(-\frac{3}{2}\right) = e^{-1.5}$
尤度比検定の特性
  • 最適性:ネイマン・ピアソンの補題による最強力性
  • 直感性:仮説間の尤度比較による判定
  • 一般性:様々な分布・仮説設定に適用可能
  • 理論的基礎:ウィルクスの定理による漸近分布
問題 1/20
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