乐湖华研题库
学生教师

例 6.3.4

medium一级题目发布者: ai-batch

题干

对正态总体 N(μ,σ2)N(\mu, \sigma^2)N(μ,σ2),θ=(μ,σ2)\theta = (\mu, \sigma^2)θ=(μ,σ2) 是二维参数,设有样本 x1,x2,⋯ ,xnx_1, x_2, \cdots, x_nx1​,x2​,⋯,xn​,求 μ\muμ 和 σ2\sigma^2σ2 的最大似然估计。

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解析

似然函数及其对数分别为

L(μ,σ2)=∏i=1n(12πσexp⁡{−(xi−μ)22σ2})=(2πσ2)−n/2exp⁡{−12σ2∑i=1n(xi−μ)2},L(\mu, \sigma^2) = \prod_{i=1}^{n}\left(\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}\exp\left\{-\frac{(x_i-\mu)^2}{2\sigma^2}\right\}\right) = (2\pi\sigma^2)^{-n/2}\exp\left\{-\frac{1}{2\sigma^2}\sum_{i=1}^{n}(x_i-\mu)^2\right\},L(μ,σ2)=i=1∏n​(2π​σ1​exp{−2σ2(xi​−μ)2​})=(2πσ2)−n/2exp{−2σ21​i=1∑n​(xi​−μ)2}, ln⁡L(μ,σ2)=−12σ2∑i=1n(xi−μ)2−n2ln⁡σ2−n2ln⁡(2π),\ln L(\mu, \sigma^2) = -\frac{1}{2\sigma^2}\sum_{i=1}^{n}(x_i-\mu)^2 - \frac{n}{2}\ln\sigma^2 - \frac{n}{2}\ln(2\pi),lnL(μ,σ2)=−2σ21​i=1∑n​(xi​−μ)2−2n​lnσ2−2n​ln(2π),

将 ln⁡L(μ,σ2)\ln L(\mu, \sigma^2)lnL(μ,σ2) 分别关于两个分量求偏导并令其为 0 即得到似然方程组

∂ln⁡L(μ,σ2)∂μ∣(μ^,σ^2)=1σ^2∑i=1n(xi−μ^)=0,(6.3.6)\left.\frac{\partial \ln L(\mu, \sigma^2)}{\partial \mu}\right|_{(\hat{\mu},\hat{\sigma}^2)} = \frac{1}{\hat{\sigma}^2}\sum_{i=1}^{n}(x_i - \hat{\mu}) = 0, \tag{6.3.6}∂μ∂lnL(μ,σ2)​​(μ^​,σ^2)​=σ^21​i=1∑n​(xi​−μ^​)=0,(6.3.6) ∂ln⁡L(μ,σ2)∂σ2∣(μ^,σ^2)=12σ^4∑i=1n(xi−μ^)2−n2σ^2=0.(6.3.7)\left.\frac{\partial \ln L(\mu, \sigma^2)}{\partial \sigma^2}\right|_{(\hat{\mu},\hat{\sigma}^2)} = \frac{1}{2\hat{\sigma}^4}\sum_{i=1}^{n}(x_i - \hat{\mu})^2 - \frac{n}{2\hat{\sigma}^2} = 0. \tag{6.3.7}∂σ2∂lnL(μ,σ2)​​(μ^​,σ^2)​=2σ^41​i=1∑n​(xi​−μ^​)2−2σ^2n​=0.(6.3.7)

解此方程组,由 (6.3.6) 式可得 μ\muμ 的最大似然估计为

μ^=1n∑i=1nxi=xˉ,\hat{\mu} = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}x_i = \bar{x},μ^​=n1​i=1∑n​xi​=xˉ,

将之代入 (6.3.7) 式给出 σ2\sigma^2σ2 的最大似然估计

σ^2=1n∑i=1n(xi−xˉ)2=sn2,\hat{\sigma}^2 = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}(x_i - \bar{x})^2 = s_n^2,σ^2=n1​i=1∑n​(xi​−xˉ)2=sn2​,

利用二阶导数矩阵的非正定性可以说明上述估计使得似然函数取极大值。

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