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高考申論題 105年 [工業工程] 工程統計學與品質管制

第 一 題

📖 題組:
假設某標榜快速服務的修車廠對於進廠進行例行保養汽車的服務時間服從指數分配(exponential distribution),平均是 40 分鐘。(每小題 10 分,共 20 分)
📝 此題為申論題,共 6 小題

小題 (一)

請問對任一進行例行保養的汽車而言,服務時間超過 60 分鐘的機率為何(e ≈ 2.7183)?

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看到題目指明「指數分配」與「平均數」,首要任務是定義機率變數 X 並求出率參數 λ(λ = 1/μ)。接著,利用指數分配的存活函數(Survival Function)P(X > x) = e^(-λx) 特性,直接代入數值與給定的 e 近似值求解即可。

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【解題關鍵】明確定義指數分配之機率變數與率參數 λ,並利用其存活函數(Survival Function)或累積分配函數(CDF)推導目標機率。 【解答】 Step 1 定義機率變數與參數:

小題 (二)

某日共有 100 部進行例行保養的汽車(假設車子之間的服務時間彼此獨立),請問至少有 20 部車的服務時間超過 60 分鐘的機率為何(請使用常態分配逼近求算近似機率值)?

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本題結合了『指數分配的機率計算』與『常態逼近二項分配』兩大考點。首先需計算出單部車服務時間超過 60 分鐘的機率 p,接著定義 100 部車中超過 60 分鐘的車數服從二項分配 B(100, p),最後利用常態逼近並加入連續性修正(Continuity Correction)來求得最終的近似機率。

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【解題關鍵】先由指數分配求出單次事件機率,再將問題轉化為二項分配,最後利用常態分配搭配連續性修正求出近似機率。 【解答】 Step 1:計算單部汽車服務時間超過 60 分鐘的機率 $p$

小題 (三)

上一小題使用了中央極限定理,本小題是考你中央極限定理的定義。中央極限定理是當 n 無限大時,___的分配趨近標準常態。(請將應填在空白處的答案作答於試卷上)

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看到中央極限定理(CLT)的定義題,應立即聯想到「樣本平均數」在經過「標準化」處理後,其極限分配會趨近於標準常態分配。作答時除了寫出中文敘述外,務必附上精確的數學符號表達以展現專業度。

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應填入:標準化後的樣本平均數(或數學式 $\frac{\bar{X} - \mu_X}{\sigma_X / \sqrt{n}}$)。 依據中央極限定理(Central Limit Theorem, CLT)之嚴格定義:若 $X_1, X_2, \dots, X_n$ 為一組獨立且同分配(i.i.d.)的隨機變數,其期望值為 $\mu_X$ 且變異數為 $\sigma_X^2 < \infty$。當樣本數 $n \to \infty$ 時,樣本平均數 $\bar{X}$ 會漸近服從常態分配 $N(\mu_X, \sigma_X^2/n)$。為使極限分配為標準常態分配 $N(0, 1)$,必須將 $\bar{X}$ 進行標準化轉換,故正確答案應填入標準化後的隨機變數 $Z = \frac{\bar{X} - \mu_X}{\sigma_X / \sqrt{n}}$。

小題 (四)

σˆ12是否為 σ2X 的不偏估計量?

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看到「是否為不偏估計量」,直覺反應是去計算該估計量的期望值 E(σˆ1²),並檢查其結果是否等於母體參數 σ²X。解題核心在於將離差平方和 ∑(Xi - X̄)² 展開並引入母體平均數 μX,利用 Var(Xi) 與 Var(X̄) 的性質進行期望值推導。

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【解題思路】計算估計量 σˆ1² 的期望值,若等於 σ²X,則為不偏估計量。 【詳解】 已知:

小題 (五)

3 個 σ2X 之估計量中何者 mse 最小?

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計算變異數估計量的均方誤差(MSE),核心公式為 MSE = 變異數 + (偏誤)^2。在未特別說明的情況下,實務上通常假設母體服從常態分配,利用樣本變異數與卡方分配的轉換關係,推導出一般化估計量 cS² 的 MSE 函數,再透過微分求極值即可找出最佳解。

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【解題思路】假設母體為常態分配,利用 $(n-1)S^2/\sigma_X^2 \sim \chi^2_{n-1}$ 之性質,建構一般估計量 $c S^2$ 的均方誤差(MSE)函數並微分求極小值。 【詳解】 已知:

小題 (六)

如果 X 服從常態分配且 μX 未知,則 σ2X 的最大概似估計量(maximum likelihood estimator, MLE)為何?

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看到求最大概似估計量(MLE),應立即寫出常態分配的聯合機率密度函數(概似函數 Likelihood function)並取自然對數(Log-likelihood)。接著對未知參數 $\mu_X$ 與 $\sigma_X^2$ 分別求偏導數並令其為零,解聯立方程式即可求得 MLE,最後再對應題目給定的估計量選項。

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【解題思路】建構常態分配樣本的對數概似函數,並利用微積分求極值的方法推導 $\mu_X$ 與 $\sigma_X^2$ 的最大概似估計量。 【詳解】 已知:

📜 參考法條

附表一 標準常態分配表

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