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高考申論題 106年 [統計] 抽樣方法

第 一 題

📖 題組:
甲工廠共有 15 部機器專門生產A產品,每部機器每天生產A產品的數量分別如下: 120、90、270、300、450、150、180、100、310、260、220、190、160、250、140。 品管部經理想要了解工廠每天生產出多少不良的A產品,欲自 15 部機器中抽出 3 部機器,再進行全面檢查。由於每部機器生產不良品的數量與每部機器的產能有高度的相關。因此,品管人員依照各機器的產能,採用依大小成比例的機率抽樣法(sampling with probabilities proportional to size, PPS)抽樣。 (一)請在使用亂數表隨機取得的數字為 2981、0607 及 2215 的情況下,詳細說明如何運用 PPS 抽樣法抽出 3 部機器為集群樣本。(10 分) (二)若抽出的機器分別為第 6、7 及 11 部,全面檢查後得知,其中不良品的個數分別如下:6、9 及 18。請估計工廠每天產出不良A產品的總數,並求其變異數。(8 分) (三)如(二)所述,請估計工廠每天產出不良 A 產品的比例,並求其 95%的誤差界限。(7 分)
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

請在使用亂數表隨機取得的數字為 2981、0607 及 2215 的情況下,詳細說明如何運用 PPS 抽樣法抽出 3 部機器為集群樣本。(10 分)

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看到 PPS(依大小成比例)抽樣法,解題核心在於「累加機器的產量」,藉此分配每部機器被抽中的機率區間。只需計算出 15 部機器的累積產量並劃分亂數區間,再將題目提供的亂數代入比對,即可得知抽出的樣本。

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【解題關鍵】建立各機器產量的累積總數區間,並依隨機亂數落入的區間決定抽出的樣本,使被抽中的機率與產量成正比。 【解答】 計算:

小題 (二)

若抽出的機器分別為第 6、7 及 11 部,全面檢查後得知,其中不良品的個數分別如下:6、9 及 18。請估計工廠每天產出不良A產品的總數,並求其變異數。(8 分)

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看到本題為 PPS(依大小成比例機率)抽樣,應立即聯想到使用 Hansen-Hurwitz 估計量。首先需計算所有機器的總產能 M0,進而求出抽出機器的入選機率(pi = Mi/M0);接著代入總數估計量公式與變異數估計量公式即可得解。

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【解題關鍵】使用 PPS 抽樣法之 Hansen-Hurwitz 總數估計量公式 $\hat{Y}{pps} = \frac{1}{n} \sum \frac{y_i}{p_i}$ 與變異數估計量公式 $\hat{V}(\hat{Y}{pps}) = \frac{1}{n(n-1)} \sum \left( \frac{y_i}{p_i} - \hat{Y}_{pps} \right)^2$。 【解答】 計算:Step 1→2→3 逐步推導

小題 (三)

如(二)所述,請估計工廠每天產出不良 A 產品的比例,並求其 95%的誤差界限。(7 分)

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本題為 PPS(依大小成比例機率)抽樣下的母體比例估計。由於被抽中的機率已與產能成正比,母體不良率的估計量即為各抽出機器之不良率的算術平均(Hansen-Hurwitz 估計法)。接著求出其變異數估計,並利用標準常態臨界值與標準誤求出 95% 誤差界限。

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【解題關鍵】PPS 抽樣中,母體比例的不偏估計量為各抽出樣本比例的算術平均 $\hat{p} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} p_i$,其變異數估計為 $\hat{V}(\hat{p}) = \frac{1}{n(n-1)} \sum_{i=1}^{n} (p_i - \hat{p})^2$。 【解答】 已知母體資料,抽出之樣本大小 $n=3$,分別為第 6、7、11 部機器。

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