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均匀分布$U(\theta, \theta+1)$位置参数的最短长度置信区间构造及枢轴量$X_{(1)}-\theta$的验证

均匀分布$U(\theta, \theta+1)$位置参数的最短长度置信区间构造及枢轴量$X_{(1)}-\theta$的验证

咱们来一步步验证$X_{(1)} - \theta$是枢轴量哈,先明确前提:$X_i$是独立同分布的随机变量,服从均匀分布$U(\theta, \theta+1)$,其中$\theta \in \mathbb{R}$。

首先得回忆下枢轴量的核心定义:它是样本和未知参数的函数,其概率分布完全不依赖任何未知参数。所以我们的目标就是证明$X_{(1)} - \theta$的分布和$\theta$没关系。

步骤1:求样本最小值$X_{(1)}$的CDF

顺序统计量里样本最小值的CDF有个通用公式:
$$F_{X_{(1)}}(x) = 1 - \prod_{i=1}^n (1 - F_{X_i}(x))$$
这里的$F_{X_i}(x)$是单个$X_i$的CDF。对于$U(\theta, \theta+1)$来说,单个样本的CDF是:
$$F_{X_i}(x) = \begin{cases}
0, & x \leq \theta \
x - \theta, & \theta < x < \theta+1 \
1, & x \geq \theta+1
\end{cases}$$

把它代入到$X_{(1)}$的CDF公式里,就能得到:
$$F_{X_{(1)}}(x) = 1 - (1 - (x - \theta))^n \quad \text{当} \ \theta < x < \theta+1$$

步骤2:构造$Y = X_{(1)} - \theta$并求其CDF

我们令$Y = X_{(1)} - \theta$,接下来计算它的CDF:
$$F_Y(y) = P(Y \leq y) = P(X_{(1)} - \theta \leq y) = P(X_{(1)} \leq \theta + y)$$

把$\theta + y$代入刚才得到的$X_{(1)}$的CDF表达式,就能简化成:
$$F_Y(y) = 1 - (1 - y)^n \quad \text{当} \ 0 < y < 1$$

步骤3:求$Y$的PDF并验证与$\theta$无关

对$F_Y(y)$关于$y$求导,就能得到$Y$的概率密度函数:
$$f_Y(y) = n(1 - y)^{n-1} \quad \text{当} \ 0 < y < 1$$

你看这个PDF里完全没有$\theta$的身影,说明$Y = X_{(1)} - \theta$的分布不依赖于未知参数$\theta$,完全符合枢轴量的定义,所以它确实是一个有效的枢轴量。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Maale Faustus

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