8.15
Let X have a Gamma distribution with α = 4 and β = θ > 0 .
a. Find the Fisher Information I ( θ ) .
b. If X 1 , X 2 , … , X n is a random sample from this distribution, show that the m.l.e. of θ is an efficient estimator of θ .
8.15.a
Diketahui pdf dari distribusi Gamma dengan α = 4 dan β = θ adalah:
f ( x ; θ ) = Γ ( 4 ) θ 4 1 x 4 − 1 e − x / θ = 6 θ 4 1 x 3 e − x / θ
Fungsi log-likelihood untuk satu pengamatan X adalah:
ln L ( θ ) = ln ( 6 θ 4 1 x 3 e − x / θ ) = ln ( 1 ) − ln ( 6 θ 4 ) + ln ( x 3 ) − θ x = − ln ( 6 ) − 4 ln ( θ ) + 3 ln ( x ) − θ x
Turunan pertama ln L ( ) θ :
∂ θ ∂ l n L = ∂ θ ∂ ( − ln ( 6 ) − 4 ln θ + 3 ln x − θ x ) = − θ 4 + θ 2 x
Turunan kedua ln L ( θ ) :
∂ θ 2 ∂ 2 l n L = ∂ θ ∂ ( − θ 4 + θ 2 x ) = θ 2 4 − θ 3 2 x
Sehingga diperoleh
I ( θ ) = − E [ ∂ θ 2 ∂ 2 ln L ] = − E [ θ 2 4 − θ 3 2 X ] = − ( θ 2 4 − θ 3 2 E [ X ] ) = − θ 2 4 + θ 3 2 ( 4 θ ) = − θ 2 4 + θ 3 8 θ = θ 2 4
8.15.b
Untuk sampel acak ukuran n , log-likelihoodnya adalah:
ln L ( θ ) = ∑ i = 1 n ln f ( x i ; θ ) = ∑ i = 1 n ( − ln 6 − 4 ln θ + 3 ln x i − θ x i ) = − n ln 6 − 4 n ln θ + 3 ∑ i = 1 n ln x i − θ 1 ∑ i = 1 n x i
Sehingga didapati
∂ θ ∂ ln L = − θ 4 n + θ 2 1 i = 1 ∑ n x i = 0 ⟺ θ 2 1 i = 1 ∑ n x i = θ 4 n ⟺ θ ^ = 4 n ∑ X i = 4 X ˉ
Perhatikan bahwa
E [ θ ^ ] = E [ 4 X ˉ ] = 4 1 E [ X ˉ ] = 4 1 E [ X ] = 4 1 ( 4 θ ) = θ .
Artinya, θ ^ adalaha penaksir tak bias untuk θ
Ingat bahwa X ∼ Γ ( 4 , θ ) . Diketahui Var ( X ) = 4 θ 2 . Dapat diperoleh
Va r ( θ ^ ) = Va r ( 4 X ˉ ) = 16 1 Va r ( X ˉ ) = 16 1 n Va r ( X ) = 16 1 n 4 θ 2 = 4 n θ 2
Rao-Cramer Lower Bound untuk penaksir tak bias dari θ adalah:
n I ( θ ) 1 = n ( 4/ θ 2 ) 1 = 4 n θ 2
Karena Var ( θ ^ ) = n I ( θ ) 1 , maka berdasarkan Corollary 6.2.1 Rao-Cramér bound for unbiased estimators , 4 n θ 2 adalah penaksir efisien untuk θ .
8.16
Let X be N ( 0 , θ ) , 0 < θ < ∞
8.16.a
Diketahui pdf dari distribusi normal N ( 0 , θ ) adalah
f ( X ; θ ) = σ 2 π 1 exp ( − 2 σ 2 ( X − μ ) 2 ) = θ 2 π 1 exp ( − 2 θ 2 x 2 )
Dapat diperoleh
ln f ( X ; θ ) = ln [ θ 2 π 1 exp ( − 2 θ 2 x 2 ) ] = ln ( θ 2 π 1 ) + ln [ exp ( − 2 θ 2 x 2 ) ] = ln ( 1 ) − ln ( θ ) − ln ( 2 π ) − 2 θ 2 x 2 = − ln θ − 2 1 ln ( 2 π ) − 2 θ 2 x 2
Fisher information untuk n sampel adalah:
I n ( θ ) = n I ( θ ) = − n E [ ∂ θ 2 ∂ 2 ln f ( X ; θ ) ] = − n E [ ∂ θ 2 ∂ 2 ( − ln θ − 2 θ 2 x 2 ) ] = − n E [ ∂ θ ∂ ( − θ 1 + θ 3 x 2 ) ] = − n E [ θ 2 1 − θ 4 3 x 2 ] = − n [ θ 2 1 − θ 4 3 E ( X 2 ) ] = − n [ θ 2 1 − θ 4 3 θ 2 ] = − n [ θ 2 1 − θ 2 3 ] = θ 2 2 n
8.16.b
Dari 8.16.a diperoleh
ln f ( X ; θ ) = − ln θ − 2 1 ln ( 2 π ) − 2 θ 2 x 2
Perhatikan bahwa
d θ d ln f ( X ; θ ) = d θ d ( − ln θ − 2 1 ln ( 2 π ) − 2 θ 2 x 2 ) = − θ 1 − 0 − 2 x 2 ⋅ d θ d ( θ − 2 ) = − θ 1 − 2 x 2 ⋅ ( − 2 θ − 3 ) = − θ 1 + θ 3 x 2
Untuk sampel X 1 , X 2 , … , X n , log-likelihood adalah:
ln L ( θ ) = i = 1 ∑ n ln f ( X i ; θ ) = − n ln θ − 2 n ln ( 2 π ) − 2 θ 2 1 i = 1 ∑ n X i 2
Turunan pertama terhadap θ :
d θ d ln L ( θ ) 0 θ n n θ 2 θ 2 = − θ n + θ 3 1 i = 1 ∑ n X i 2 = − θ n + θ 3 1 i = 1 ∑ n X i 2 = θ 3 1 i = 1 ∑ n X i 2 = i = 1 ∑ n X i 2 = n 1 i = 1 ∑ n X i 2
Berdasarkan definisi MLE untuk θ adalah
θ ^ = n 1 i = 1 ∑ n X i 2
Variansi dari statistik Y = θ ^ adalah
Var ( Y ) = Var ( n 1 i = 1 ∑ n X i 2 ) = 2 n θ 2
Andaikan berlaku asumsi regularitas dan asumsi regularitas tambahan 1 berlaku, maka Rao-Cramer Lower Bound adalah
CRLB = I n ( θ ) 1 = 2 n θ 2
Karena Var ( θ ^ ) = CRLB , maka θ ^ adalah efficient estimator dari θ .
8.27
If X 1 , X 2 , … , X n is a random sample from a distribution with p.d.f. f ( x ; θ ) = 3 θ 3 ( x + θ ) − 4 , 0 < x < θ , zero elsewhere, where 0 < θ , show that Y = 2 X is an unbiased estimator of θ and determine its efficiency .
Jawab
Perhatikan bahwa
E ( X ) = ∫ 0 ∞ x ⋅ 3 θ 3 ( x + θ ) − 4 d x = 3 θ 3 ∫ θ ∞ ( u − θ ) u − 4 d u = 3 θ 3 ∫ θ ∞ ( u − 3 − θ u − 4 ) d u = 3 θ 3 [ − 2 u − 2 + 3 θ u − 3 ] θ ∞ = 3 θ 3 ( 2 θ 2 1 − 3 θ 2 1 ) = 2 θ
sehingga
E ( Y ) = E ( 2 X ) = 2 E ( X ) = 2 ⋅ 2 θ = θ
sehingga terbukti bahwa Y adalah penaksir tak bias untuk θ
Selanjutnya, akan dicari efisiensi dari Y . Pertama, akan dicari variansi Y :
E [ X 2 ] Var ( X ) Var ( Y ) = ∫ 0 ∞ x 2 ⋅ 3 θ 3 ( x + θ ) − 4 d x = 3 θ 3 ∫ θ ∞ ( u − θ ) 2 u − 4 d u = 3 θ 3 ∫ θ ∞ ( u − 2 − 2 θ u − 3 + θ 2 u − 4 ) d u = θ 2 = E [ X 2 ] − ( E [ X ] ) 2 = θ 2 − ( θ /2 ) 2 = 4 3 θ 2 = Var ( 2 X ˉ ) = 4 Var ( X ˉ ) = n 4 Var ( X ) = n 3 θ 2
Informasi Fisher I ( θ ) :
ln f ( x ; θ ) = ln 3 + 3 ln θ − 4 ln ( x + θ ) ⟹ ∂ θ 2 ∂ 2 l n f = − θ 2 3 + ( x + θ ) 2 4
I ( θ ) = − E [ − θ 2 3 + ( X + θ ) 2 4 ] = θ 2 3 − 4 E [ ( X + θ ) 2 1 ]
E [ ( X + θ ) 2 1 ] = ∫ 0 ∞ ( x + θ ) 6 3 θ 3 d x = 5 θ 2 3
I ( θ ) = θ 2 3 − 5 θ 2 12 = 5 θ 2 3
Var ( Y ) [ k ′ ( θ ) ] 2 / n I ( θ ) = 3 θ 2 / n 1/ n ⋅ 5 θ 2 3 ( k ′ ( θ ) = 1 karena Y tak bias ) = 9 5
8.29
If X 1 , X 2 , … , X n is a random sample from N ( θ , 1 ) , find a lower bound of the variance of an estimator of k ( θ ) = θ 2 . Determine an unbiased minimum variance estimator of θ 2 and then compute its efficiency .
Jawab
Untuk N ( θ , 1 ) , diketahui I ( θ ) = 1 . Batas bawah Cramer-Rao untuk k ( θ ) = θ 2 adalah:
n I ( θ ) [ k ′ ( θ ) ] 2 = n ( 1 ) ( 2 θ ) 2 = n 4 θ 2
Diketahui X ˉ ∼ N ( θ , 1/ n ) adalah statistik cukup yang komplit untuk θ
Perhatikan bahwa
E [ X ˉ 2 ] = Var ( X ˉ ) + ( E [ X ˉ ] ) 2 = n 1 + θ 2
Sehingga, E [ X ˉ 2 − 1/ n ] = θ 2 . Artinya, T = X ˉ 2 − 1/ n adalah penaksir tak bias untuk θ 2 . Berdasarkan teorema Lehmann Scheffe , T adalah MVUE untuk θ 2 .
Selanjutnya, akan dicari variansi dari T :
Var ( T ) = Var ( X ˉ 2 − 1/ n ) = Var ( X ˉ 2 )
Misal Z = n ( X ˉ − θ ) ∼ N ( 0 , 1 ) , maka X ˉ = Z / n + θ . Sehingga
X ˉ 2 = ( n Z + θ ) 2 = n Z 2 + n 2 θZ + θ 2
Dan variansinya adalah
Var ( X ˉ 2 ) = Var ( n Z 2 + n 2 θZ + θ 2 ) = Var ( n Z 2 + n 2 θZ ) = n 2 1 Var ( Z 2 ) + n 4 θ 2 Var ( Z ) + n n 4 θ Cov ( Z 2 , Z )
Untuk Z ∼ N ( 0 , 1 ) , diketahui Var ( Z ) = 1 , Var ( Z 2 ) = 2 , dan Cov ( Z 2 , Z ) = 0 . Maka:
Var ( T ) = n 2 2 + n 4 θ 2 − 2 ⋅ 0
Efisiensi dari T adalah perbandingan antara batas bawah cramer (CRLB) dan variansi T :
Efisiensi = Var ( T ) CRLB = 2/ n 2 + 4 θ 2 / n 4 θ 2 / n = ( 2 + 4 n θ 2 ) / n 2 4 θ 2 / n = 2 + 4 n θ 2 4 n θ 2 = 1 + 2 n θ 2 2 n θ 2