統計検定2級　2016年11月問8　解説

はじめに

この記事は統計検定2級の取得を目指す方向けに構成されています。

問題の趣旨

3変数の確率変数の期待値と分散と相関係数に関する問題です。2ひねりから3ひねりくらいしていて、かつ2016年以前にこのような問題は出ていないので難しく感じます。
ですが、やっていることは基本の組み合わせです。

前提

標準化された$Xi (i=1,2,3)$とそれらの平均$Y$です。ここから

$$E(Xi) = 0, V(Xi) = 1$$

が成り立ちます。
問は、X1, Yの相関係数を求めます。2変数の相関係数$ρ$は

$$ρ=\frac{cov(X1,Y)}{\sqrt{V(X1)V(Y)}}$$

ここまではたいていの人はたどり着きます。

解説

V(Y)の値を求めます。

$$V(Y)=V(\frac{X1+X2+X3}{3})$$

分散の性質

$$V(kx) = k^2V(x), k=定数$$

より、

$$V(Y)=\frac{1}{9}V(X1+X2+X3)$$

$$V(Y)=\frac{1}{9}(V(X1)+V(X2)+V(X3)+2cov(X1,X2)+2cov(X2,X3)+2cov(X3,X1))$$

 
標準化されていて、かつ$X1,X2,X3$は無相関なので、
 

$$2cov(X1,X2)+2cov(X2,X3)+2cov(X3,X1) = 0$$

 
かつ標準化されているのですべての確率変数は1なので
 

$$V(Y)=\frac{1}{9}*(1+1+1) = \frac{1}{3}$$

 
次にcov(X1,Y)を考えます。公式より、
 

$$cov(X1,Y)=E[(X1-μ_{1})(Y-μ_{Y})]$$

 
標準化されているので、平均μはゼロですね。したがって
 

$$cov(X1,Y)=E(X1Y)$$

$$E(X1Y)=E(X1)*E(Y)$$

$$E(Y)=E(\frac{X1+X2+X3}{3}) = \frac{1}{3}(E(X1)+E(X2)+E(X3))$$

 
以上から$E(X1Y)$は整理すると
 

$$\frac{1}{3}(E(X1^2)+E(X1X2)+E(X1X3))$$

 
ここで、
 

$$E(X1)*E(X1) \neq (E(X1))^2$$

ですので注意です。

$$E(X1)*E(X1) = E(X1^2)$$

こちらが正解です。

 
ここまできて$E(X1^2)$ってどうやって計算するんだ？となった方が多いかと思われます。ここで使うのが、
 

$$V(x) = E(x^2) - (E(x))^2$$

 
この公式です。合格するだけなら、$E(x^2)$がきたらこの公式を用紙に書いておけばいいと思います。
 

前提より、$E(X1)=0$ですので、$(E(X1))^2$もゼロです。したがって

$$V(X1) = E(X1^2)$$

 
$E(X1X2)$や$E(X1X3)$は前提からゼロですね。これらををまとめると右辺は$V(X1)$しか残らないので、$cov(X1,Y)$は、
 

$$cov(X1,Y)=\frac{1}{3}$$

 
これで相関係数を計算する各パーツがそろいました。それぞれ数値を当てはめると、

$$ρ=\frac{cov(X1,Y)}{\sqrt{V(X1)V(Y)}}=\frac{\frac{1}{3}}{\sqrt{\frac{1}{3}}}=\sqrt{\frac{1}{3}}=0.577...$$

 
こちらが答えとなります。