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一致性のシミュレーション

標本平均の漸近分布

概要

標本平均Xˉ=∑Xi/n\bar{X}=\sum X_i / nを標準化すると

Xˉ−E(Xˉ)Var⁡(Xˉ)=Xˉ−μXσX2/n=n(Xˉ−μX)σX\frac{\bar{X}-\mathrm{E}(\bar{X})}{\sqrt{\operatorname{Var}(\bar{X})}} =\frac{\bar{X}-\mu_X}{\sqrt{\sigma_X^2 / n}} =\frac{\sqrt{n}\left(\bar{X}-\mu_X\right)}{\sigma_X}

これは中心極限定理により

n(Xˉ−μX)σX→dN(0,1)\frac{\sqrt{n}\left(\bar{X}-\mu_X\right)}{\sigma_X} \xrightarrow{d} N(0,1)

となる。式を整理して表現を少し変えると

n(Xˉ−μX)→dN(0,σX2)\sqrt{n}\left(\bar{X}-\mu_X\right) \xrightarrow{d} N\left(0, \sigma_X^2\right)

である。

Xˉ\bar{X}の分布がN(μX,σX2n)N\left(\mu_X, \frac{\sigma_X^2}{n}\right)に近似的に従う

Xˉ∼aN(μX,σX2n)\bar{X} \stackrel{a}{\sim} N\left(\mu_X, \frac{\sigma_X^2}{n}\right)

と表すこともできる。このことを「Xˉ\bar{X}は漸近的に正規分布N(μX,σX2n)N\left(\mu_X, \frac{\sigma_X^2}{n}\right)に従う」という。

シミュレーション

モンテカルロシミュレーションで標準誤差を確かめてみる

標準誤差が推定量σ/n\sigma / \sqrt{n}と近い値になっていることがわかる

Source
<Figure size 640x480 with 1 Axes>

標準化した推定誤差n(Xˉ−μX)\sqrt{n}\left(\bar{X}-\mu_X\right)のシミュレーション結果も出してみる。

こちらはnnについてスケールが整えられており、nnが増えても分散が一定に、つまり

n(Xˉ−μX)→dN(0,σX2)\sqrt{n}\left(\bar{X}-\mu_X\right) \xrightarrow{d} N\left(0, \sigma_X^2\right)

となっていることがわかる。

Source
<Figure size 640x480 with 1 Axes>

二項分布の場合

Source
<Figure size 640x480 with 1 Axes>