Esercizi autovalutazione settimana #06



Statistiche per problemi a due popolazioni, metodi di simulazione, sufficienza

Come si definisce una variabile casuale con distribuzione F di Fisher con \(m\) e \(n\) gradi di libertà, indicata con \(F(m, n)\)?

La variabile \(F(m,n)\) è definita come il rapporto tra due variabili chi-quadrato indipendenti, ciascuna divisa per i propri gradi di libertà: \[W = \frac{U/m}{V/n}, \quad U \sim \chi^2(m),\; V \sim \chi^2(n),\; U \perp V.\] Ha supporto \((0, +\infty)\) ed è usata principalmente per il confronto tra varianze. Da notare la relazione con la \(t\) di Student: se \(T \sim t(k)\), allora \(T^2 \sim F(1, k)\). L’opzione 2 mantiene la formula corretta ma rimuove l’indipendenza, che è una condizione necessaria della definizione. L’opzione 3 omette la divisione per i gradi di libertà: il rapporto \(U/V\) non ha distribuzione \(F\) perché non normalizza le due chi-quadrato. L’opzione 4 applica la radice quadrata al rapporto: quella trasformazione è legata alla distribuzione \(t\), non alla \(F\).

  • False
  • False
  • True
  • False

Siano \(X_{1,1},\ldots,X_{1,n_1}\) i.i.d. da \(\mathcal{N}(\mu_1,\sigma^2)\) e \(X_{2,1},\ldots,X_{2,n_2}\) i.i.d. da \(\mathcal{N}(\mu_2,\sigma^2)\), con i due campioni indipendenti e \(\sigma^2\) incognita ma uguale nelle due popolazioni. Qual è la statistica pivot per il confronto tra \(\mu_1\) e \(\mu_2\) e la sua distribuzione esatta?

Quando le varianze delle due popolazioni sono uguali ma incognite, si stima la varianza comune con la varianza pooled: \[S_p^2 = \frac{(n_1-1)S_1^2 + (n_2-1)S_2^2}{n_1+n_2-2},\] che combina le informazioni di entrambi i campioni. La statistica pivot risultante segue una \(t\) con \(n_1+n_2-2\) gradi di libertà, perché si perdono 2 gradi di libertà stimando le due medie \(\mu_1\) e \(\mu_2\). L’opzione 2 usa le varianze campionarie separate invece della pooled: è la statistica di Welch, valida quando le varianze sono diverse tra le popolazioni, e la cui distribuzione non è esattamente \(t(n_1+n_2-2)\). L’opzione 3 usa \(\sigma\) noto, ma per ipotesi \(\sigma^2\) è incognita. L’opzione 4 riporta la statistica corretta ma con \(n_1+n_2\) gradi di libertà: mancano i 2 sottratti per la stima delle medie.

  • False
  • False
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Siano \(S_1^2\) e \(S_2^2\) le varianze campionarie corrette di due campioni i.i.d. indipendenti da \(\mathcal{N}(\mu_1, \sigma_1^2)\) e \(\mathcal{N}(\mu_2, \sigma_2^2)\) rispettivamente, con \(n_1\) e \(n_2\) osservazioni e medie incognite. Qual è la distribuzione esatta della statistica per il confronto tra \(\sigma_1^2\) e \(\sigma_2^2\)?

Poiché le medie sono incognite, le varianze campionarie corrette soddisfano \((n_i-1)S_i^2/\sigma_i^2 \sim \chi^2(n_i-1)\), con \(n_i - 1\) gradi di libertà. Il rapporto delle due quantità, divise per i rispettivi gradi di libertà, è: \[F_n = \frac{S_1^2/\sigma_1^2}{S_2^2/\sigma_2^2} = \frac{(n_1-1)S_1^2/\sigma_1^2\;/\;(n_1-1)}{(n_2-1)S_2^2/\sigma_2^2\;/\;(n_2-1)} \sim F(n_1-1,\, n_2-1).\] L’opzione 2 usa \(n_1\) e \(n_2\) gradi di libertà: sarebbero corretti se le medie fossero note, nel qual caso si userebbero le varianze non corrette con divisore \(n_i\). L’opzione 3 omette la correzione per \(\sigma_1^2\) e \(\sigma_2^2\): il rapporto \(S_1^2/S_2^2\) è distribuito \(F(n_1-1,n_2-1)\) solo sotto \(H_0: \sigma_1^2 = \sigma_2^2\); in generale va normalizzato. L’opzione 4 attribuisce una distribuzione chi-quadrato al rapporto di due chi-quadrato: il rapporto di due chi-quadrato (normalizzate) è una \(F\), non una chi-quadrato.

  • False
  • False
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  • False

Siano \(F_{n_1}\) e \(F_{n_2}\) le frequenze relative di successo in due campioni i.i.d. indipendenti di dimensione \(n_1\) e \(n_2\) da due DGP bernoulliani con parametri \(\pi_1\) e \(\pi_2\). Sotto l’ipotesi \(\pi_1 = \pi_2 = \pi\), quale statistica si usa per il confronto tra le due proporzioni e qual è la sua distribuzione approssimata per \(n_1, n_2\) grandi?

Sotto \(H_0: \pi_1 = \pi_2 = \pi\), il parametro comune \(\pi\) viene stimato con la proporzione pooled \(\hat{\pi} = (n_1 F_{n_1} + n_2 F_{n_2})/(n_1+n_2)\). La statistica standardizzata, per il teorema del limite centrale applicato a entrambi i campioni, converge in distribuzione a \(\mathcal{N}(0,1)\). L’opzione 2 usa le varianze campionarie separate di ciascun gruppo invece della varianza pooled: è appropriata quando non si assume \(\pi_1 = \pi_2\) (stima separata), ma sotto \(H_0\) è meno efficiente del pooled. L’opzione 3 assegna una distribuzione \(t\) alla statistica: l’approssimazione normale è corretta per \(n_1, n_2\) grandi (via TCL), senza necessità di ricorrere alla \(t\). L’opzione 4 è la forma quadratica della statistica \(Z_n^2\): per il legame \(Z^2 \sim \chi^2(1)\) è asintoticamente equivalente, ma non è la forma standard della statistica per il confronto tra proporzioni.

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Qual è il principio su cui si basa il metodo Monte Carlo per la determinazione della distribuzione campionaria di una statistica \(T_n\)?

Il metodo Monte Carlo sfrutta la conoscenza (o l’ipotesi) del DGP: si simulano \(B\) campioni indipendenti di taglia \(n\) direttamente dalla distribuzione assunta, si calcola \(T_n\) su ciascuno, e la distribuzione empirica dei \(B\) valori \(\{t_n^{(1)},\ldots,t_n^{(B)}\}\) converge alla vera distribuzione campionaria di \(T_n\) al crescere di \(B\). Il metodo richiede che il DGP (o almeno il parametro) sia specificato. L’opzione 2 descrive il bootstrap: a differenza del Monte Carlo, il bootstrap non richiede la conoscenza del DGP e ricampiona dal campione osservato. L’opzione 3 descrive l’approssimazione analitica tramite TCL: è un metodo teorico, non basato su simulazione. L’opzione 4 descrive un approccio basato sulla verosimiglianza, che non ha legame diretto con la simulazione della distribuzione campionaria.

  • True
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  • False
  • False

Qual è la caratteristica distintiva del metodo bootstrap rispetto al metodo Monte Carlo per l’approssimazione della distribuzione campionaria di una statistica?

Il punto centrale del bootstrap è che non richiede la conoscenza del DGP: al suo posto usa la distribuzione empirica del campione osservato. Si generano \(B\) campioni bootstrap di taglia \(n\) ricampionando con reimmissione dal campione osservato \((x_1,\ldots,x_n)\); la distribuzione empirica della statistica sui campioni bootstrap approssima la distribuzione campionaria di \(T_n\). La reimmissione è essenziale: senza di essa ogni campione bootstrap sarebbe una permutazione dell’originale, con variabilità artificialmente ridotta. L’opzione 2 descrive un ricampionamento senza reimmissione: produrrebbe sempre permutazioni del campione originale, perdendo la variabilità che il bootstrap vuole catturare. L’opzione 3 descrive il Monte Carlo, non il bootstrap. L’opzione 4 descrive un metodo analitico di approssimazione (delta method), non il bootstrap.

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Quali sono i due problemi fondamentali dell’inferenza statistica e in cosa differiscono?

I due problemi fondamentali dell’inferenza sono distinti per obiettivo: la stima (puntuale o per intervallo) mira a produrre un valore numerico o un insieme di valori plausibili per un parametro ignoto \(\theta\), sfruttando l’informazione contenuta nel campione. La verifica delle ipotesi (o test) mira invece a prendere una decisione binaria: i dati sono compatibili con un’ipotesi \(H_0\) sul parametro, oppure vi è evidenza sufficiente per rifiutarla in favore dell’alternativa \(H_1\)? Entrambi i problemi usano le stesse statistiche campionarie e la stessa teoria delle distribuzioni campionarie, ma hanno obiettivi e formalismi diversi. L’opzione 2 confonde la distinzione stima/ipotesi con quella disegno/analisi. L’opzione 3 riduce artificialmente il campo di applicazione di ciascun problema. L’opzione 4 è errata: entrambi i problemi esistono sia nell’approccio frequentista sia in quello bayesiano.

  • False
  • True
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  • False

Quale delle seguenti affermazioni definisce correttamente una statistica sufficiente per il parametro \(\theta\)?

Una statistica \(T_n\) è sufficiente per \(\theta\) se, condizionatamente al valore di \(T_n\), la distribuzione del campione non porta ulteriori informazioni su \(\theta\): tutto ciò che il campione sa sul parametro è catturato da \(T_n\). Formalmente: \(P(X_1=x_1,\ldots,X_n=x_n \mid T_n = t;\, \theta)\) non dipende da \(\theta\). Questo implica che, conoscendo \(T_n\), non si perde nulla di rilevante scartando i dati grezzi. L’opzione 2 confonde la sufficienza con la proprietà MV: lo stimatore MV è spesso funzione di una statistica sufficiente (per il teorema di Rao-Blackwell), ma non coincide con essa per definizione. L’opzione 3 confonde la sufficienza con la non distorsione: sono proprietà distinte e indipendenti. L’opzione 4 descrive una proprietà opposta: una statistica sufficiente porta tutta l’informazione su \(\theta\), non la elimina dalla propria distribuzione.

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Il criterio di fattorizzazione di Neyman fornisce una condizione necessaria e sufficiente per la sufficienza. Qual è la sua formulazione corretta?

Il criterio di fattorizzazione di Neyman afferma che \(T_n\) è sufficiente per \(\theta\) se e solo se la verosimiglianza ammette la fattorizzazione: \[L(\theta;\mathbf{x}) = g(T_n(\mathbf{x}),\,\theta) \cdot h(\mathbf{x}),\] dove il fattore \(g\) dipende dai dati solo tramite \(T_n\) (e può dipendere da \(\theta\)), mentre \(h\) dipende dai dati ma non da \(\theta\). Questa fattorizzazione è equivalente alla definizione condizionale di sufficienza ed è in pratica molto più agevole da verificare. L’opzione 2 permette che anche \(h\) dipenda da \(\theta\): in quel caso la fattorizzazione non garantisce la sufficienza, perché \(h\) porterebbe informazione aggiuntiva su \(\theta\) non catturata da \(T_n\). L’opzione 3 separa completamente dati e parametro nei due fattori: questa struttura implicherebbe che la verosimiglianza non dipende dai dati se non tramite \(T_n\), condizione più forte della sufficienza e in genere non verificata. L’opzione 4 descrive la proprietà della famiglia esponenziale, che è un caso particolare in cui la sufficienza vale, ma non è la formulazione del criterio di Neyman.

  • False
  • False
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  • False

Per un campione i.i.d. \((X_1,\ldots,X_n)\) da un DGP \(\text{Bernoulli}(\pi)\), quale statistica è sufficiente per \(\pi\) e come lo si verifica tramite il criterio di fattorizzazione di Neyman?

La funzione di probabilità congiunta del campione bernoulliano è \(L(\pi;\mathbf{x}) = \pi^s(1-\pi)^{n-s}\), dove \(s = \sum_{i=1}^n x_i\). Questa espressione dipende dai dati solo tramite \(s\): applicando il criterio di Neyman con \(g(s,\pi) = \pi^s(1-\pi)^{n-s}\) e \(h(\mathbf{x}) = 1\) (costante, indipendente da \(\pi\)), si conclude che \(S_n = \sum X_i\) è sufficiente per \(\pi\). L’opzione 2 è parzialmente corretta: \(\bar{X}_n = S_n/n\) è una trasformazione biunivoca di \(S_n\), quindi è anch’essa sufficiente; ma l’affermazione che \(S_n\) non lo sia è errata. L’opzione 3 nega la sufficienza di qualsiasi statistica, mentre invece la fattorizzazione mostra chiaramente che \(S_n\) è sufficiente. L’opzione 4 condiziona la sufficienza alla dimensione campionaria: la sufficienza è una proprietà esatta, valida per ogni \(n\).

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  • False
  • False
  • True

Per un campione i.i.d. da \(\mathcal{N}(\mu,\sigma^2)\) con entrambi i parametri incogniti, quale statistica è sufficiente per \((\mu, \sigma^2)\)?

Applicando il criterio di Neyman alla verosimiglianza normale: \[L(\mu,\sigma^2;\mathbf{x}) \propto (\sigma^2)^{-n/2} \exp\!\left[-\frac{1}{2\sigma^2}\sum_{i=1}^n(x_i-\mu)^2\right],\] e scomponendo \(\sum(x_i-\mu)^2 = \sum(x_i-\bar{x})^2 + n(\bar{x}-\mu)^2\), si vede che la verosimiglianza dipende dai dati solo tramite \(\bar{x}_n\) e \(\sum(x_i-\bar{x}_n)^2\) (equivalente a \(S^2_n\)): la coppia \((\bar{X}_n, S^2_n)\) è quindi congiuntamente sufficiente per \((\mu,\sigma^2)\). L’opzione 2 propone solo \(\bar{X}_n\): è sufficiente per \(\mu\) quando \(\sigma^2\) è nota, ma non porta informazione sulla varianza quando entrambi i parametri sono incogniti. L’opzione 3 condiziona la sufficienza alla dimensione campionaria: è una proprietà esatta, non asintotica. L’opzione 4 è vera nel senso che le statistiche d’ordine sono sempre sufficienti (anzi minimali sufficienti per molti modelli non parametrici), ma nel caso normale \((\bar{X}_n, S^2_n)\) costituisce una riduzione ulteriore, anch’essa sufficiente e più parsimoniosa.

  • True
  • False
  • False
  • False

Quale delle seguenti affermazioni descrive correttamente il concetto di statistica sufficiente minimale?

Una statistica sufficiente è minimale se realizza la massima riduzione possibile dei dati compatibile con il non perdere informazione su \(\theta\): \(T_n\) è minimale sufficiente se è sufficiente e se è funzione di ogni altra statistica sufficiente \(U_n\) (ovvero \(T_n = f(U_n)\) per qualche funzione \(f\)). In altri termini, non esiste alcuna statistica sufficiente che sia una riduzione più spinta di \(T_n\). Per esempio, nel modello di Bernoulli \(S_n = \sum X_i\) è minimale sufficiente per \(\pi\), mentre l’intero campione \((X_1,\ldots,X_n)\) è sufficiente ma non minimale. L’opzione 2 confonde la minimalità con la dimensione scalare: una statistica minimale sufficiente può essere multivariata (come la coppia \((\bar{X}_n, S^2_n)\) per la normale con due parametri). L’opzione 3 confonde la minimalità con il MV: benché lo stimatore MV sia spesso funzione di una statistica sufficiente minimale, le due nozioni non coincidono in generale. L’opzione 4 inverte il concetto: una statistica sufficiente minimale porta la massima informazione su \(\theta\) compatibile con la riduzione dei dati, non la elimina.

  • True
  • False
  • False
  • False