Seminar 3 in Applied Statistics
Прямоугольный стол имеет неизвестные длины сторон \(a>0\) и \(b>0\). Его истинные площадь и периметр равны
\[ S=ab, \qquad P=2(a+b). \]
Для измерения площади помощник независимо измеряет обе стороны стола. Каждый раз прибор допускает независимые гауссовские ошибки:
\[ \varepsilon_i,\eta_i \overset{\mathrm{i.i.d.}}{\sim} \mathcal N(0,\sigma^2), \]
где значение \(\sigma^2\) известно.
Поэтому при \(i\)-м измерении прибор получает длины
\[ X_i=a+\varepsilon_i, \qquad Y_i=b+\eta_i, \]
а в качестве результата записывается произведение измеренных сторон:
\[ S_i = X_iY_i = (a+\varepsilon_i)(b+\eta_i). \]
После \(n\) независимых повторений наблюдается выборка
\[ S_1,\ldots,S_n. \]
Что можно сказать о периметре \(P\), если \(\sigma^2=0\)?
Покажите, что при \(\sigma^2>0\) периметр \(P\) идентифицируем по распределению \(S_i\).
Постройте состоятельную оценку периметра на основе выборки
\[ S_1,\ldots,S_n. \]
- Предложите способ построения приближённого \(95\%\) доверительного интервала для \(P\) с помощью бутстрэпа.
0.1 Подсказка
Исследуйте математическое ожидание и дисперсию случайной величины
\[ S_i=(a+\varepsilon_i)(b+\eta_i). \]
В частности, полезно найти
\[ \mathbb E[S_i] \qquad\text{и}\qquad \operatorname{Var}(S_i). \]
Пусть \(X_1,\ldots,X_n\) — случайная выборка из неизвестного абсолютно непрерывного распределения с математическим ожиданием \(m\), дисперсией \(\sigma^2>0\) и конечным четвёртым моментом.
Для математического ожидания \(m\) рассматривается стандартный асимптотический двусторонний доверительный интервал
\[ I_n= \left[ \overline X-q_{\alpha/2}\sqrt{\frac{\widehat{\sigma}^2}{n}}, \; \overline X+q_{\alpha/2}\sqrt{\frac{\widehat{\sigma}^2}{n}} \right], \]
где \(\widehat{\sigma}^2\) — состоятельная оценка дисперсии, а \(q_{\alpha/2}\) — соответствующий квантиль стандартного нормального распределения.
- Определите порядок ошибки покрытия этого доверительного интервала, то есть найдите порядок величины
\[ \mathbb P\{m\in I_n\}-(1-\alpha). \]
Объясните, почему для двустороннего доверительного интервала первый член поправки в разложении Эджворта может сократиться.
Что изменится, если исходное распределение не является абсолютно непрерывным и, в частности, может быть дискретным?
0.2 Подсказки
Стандартизуйте выборочное среднее (с учётом оценки дисперсии) и обозначьте соответствующую статистику через \(S_n\).
Вероятность покрытия двустороннего интервала можно представить в виде
\[ \mathbb P\{-q_{\alpha/2}\leq S_n\leq q_{\alpha/2}\}. \]
Таким образом, необходимо исследовать функцию распределения \(S_n\) одновременно в точках \(q_{\alpha/2}\) и \(-q_{\alpha/2}\).
Используйте разложение Эджворта:
\[ \mathbb P(S_n\leq x) = \Phi(x) + n^{-1/2}p_1(x)\phi(x) + n^{-1}p_2(x)\phi(x) + O(n^{-3/2}), \]
где \(\Phi\) и \(\phi\) — функция распределения и плотность стандартного нормального распределения.
Обратите особое внимание на симметрию точек \(\pm q_{\alpha/2}\) и чётность/нечётность полиномов \(p_1,p_2\). Именно здесь возникает сокращение члена порядка \(n^{-1/2}\).
После сокращения первого поправочного члена определите, какой член становится главным в ошибке покрытия.
Для пункта 3 подумайте, какие условия необходимы для применения обычного разложения Эджворта. В дискретном случае у функции распределения появляются скачки, поэтому такое разложение в приведённой форме может быть неприменимо.
Если разложение Эджворта использовать нельзя, вспомните универсальную оценку скорости сходимости в центральной предельной теореме — неравенство Берри–Эссеена. Сравните получаемый из него порядок ошибки с результатом для абсолютно непрерывного распределения.