二つの正規測定の並行測定${\mathsf M}_{L^\infty (({\mathbb R} \times {\mathbb R}_+) \times ({\mathbb R} \times {\mathbb R}_+))}$
$({\mathsf O}_G^n \otimes {\mathsf O}_G^m= ({\mathbb R}^n \times {\mathbb R}^m \ , {\mathcal B}_{\mathbb R}^n \boxtimes {\mathcal B}_{\mathbb R}^m, {{{G}}^n}
\otimes {{{G}}^m}) ,$
$S_{[(\mu_1, \sigma_1, \mu_2 , \sigma_2)]})$
(in $L^\infty(({\mathbb R} \times {\mathbb R}_+) \times ({\mathbb R} \times {\mathbb R}_+))$)
を考えよう.
$\sigma_1$と$\sigma_2$は固定されているとする.したがって,
この並行測定
を,$L^\infty({\mathbb R} \times {\mathbb R} )$内の
${\mathsf M}_{L^\infty ({\mathbb R} \times{\mathbb R} )}$
$({\mathsf O}_{G_{\sigma_1}}^n \otimes {\mathsf O}_{G_{\sigma_1}}^m= ({\mathbb R}^n \times {\mathbb R}^m \ , {\mathcal B}_{\mathbb R}^n \boxtimes {\mathcal B}_{\mathbb R}^m, {{{G_{\sigma_1}}}^n}
\otimes {{{G_{\sigma_2}}}^m}) ,$
$S_{[(\mu_1, \mu_2 )]})$と見なして議論を進める.
ここで,${\mathsf O}_{\sigma} =({\mathbb R}, {\mathcal B}_{{\mathbb R}},
G_\sigma)$は次で定まる.
\begin{align}
&
\small{
[{{{G_\sigma}}}({\Xi})] ({} {}{\mu} {})
=
\frac{1}{{\sqrt{2 \pi }\sigma{}}}
\int_{{\Xi}} \exp[{}- \frac{({}{}{x} - {}{\mu} {})^2 }{2 \sigma^2} {}] d {}{x}
\quad
({}\forall {\Xi} \in {\cal B}_{{\mathbb R}{}}\mbox{(=Borel field in ${\mathbb R}$))},
\quad
\forall \mu \in {\mathbb R}).
}
\\
&
\tag{6.65}
\end{align}
したがって,,状態空間を
$\Omega ={\mathbb R}^2
=
\{
\omega=(\mu_1, \mu_2) \;:\; \mu_1,\mu_2
\in {\mathbb R}
\}$とする.
さて,第二状態空間$\Theta$を$\Theta={\mathbb R}$として,
距離 $d_\Theta^{(1)} ( \theta_1, \theta_2 )= |\theta_1-\theta_2|$を持つとする.
システム量 $\pi:{\mathbb R}^2(=\Omega) \to
{\mathbb R}(=\Theta) $
を
\begin{align}
\pi (\mu_1, \mu_2)= \mu_1-\mu_2
\tag{6.66}
\end{align}
として,
推定量 $E: \widehat{X}(=X \times Y =
{{\mathbb R}^n \times {\mathbb R}^m})
\to \Theta(={\mathbb R})$を
を次のように定める.
\begin{align}
E(x_1, \ldots, x_n,y_1, \ldots, y_m)
=
\frac{\sum_{k=1}^n x_k}{n}
-
\frac{\sum_{k=1}^m y_k}{m}
\tag{6.67}
\end{align}
任意の状態
$ \omega=(\mu_1, \mu_2 ) ({}\in \Omega=
{\mathbb R} \times {\mathbb R} )$に対して,
正数
$\eta^\alpha_{\omega}$
$({}> 0)$
を次のように定める.
\begin{align}
\eta^\alpha_{\omega}
=
\inf
\{
\eta > 0:
[F ({}E^{-1} ({}
{{\rm Ball}^c_{d_\Theta^{(1)}}}(\pi(\omega) ; \eta{}))](\omega )
\ge \alpha
\}
\nonumber
\end{align}
ここに,
${{\rm Ball}^c_{d_\Theta^{(1)} }}(\pi(\omega) ; \eta)$
$=
(-\infty, \mu_1 - \mu_2 - \eta]
\cup
[ \mu_1 - \mu_2 + \eta , \infty)$であった.
さて, この$\eta^\alpha_{\omega}$を以下のように計算しよう.
\begin{align}
&
E^{-1}({{\rm Ball}^c_{d_\Theta^{(1)} }}(\pi(\omega) ; \eta ))
=
E^{-1}(
(-\infty, \mu_1 - \mu_2 - \eta]
\cup
[ \mu_1 - \mu_2 + \eta , \infty)
)
\nonumber
\\
=
&
\{
(x_1, \ldots , x_n, y_1, \ldots, y_m )
\in {\mathbb R}^n \times {\mathbb R}^m
\;:
\;
|
\frac{\sum_{k=1}^n x_k}{n}
-
\frac{\sum_{k=1}^m y_k}{m}
-(\mu_1 - \mu_2)|
\ge \eta
\}
\nonumber
\\
=
&
\{
(x_1, \ldots , x_n, y_1, \ldots, y_m )
\in {\mathbb R}^n \times {\mathbb R}^m
\;:
\;
|
\frac{\sum_{k=1}^n (x_k - \mu_1)}{n}
-
\frac{\sum_{k=1}^m (y_k- \mu_2)}{m}
|
\ge \eta
\}
\\
&
\tag{6.68}
\end{align}
したがって,
\begin{align}
&
[
({{{G_{\sigma_1}}}}^n
\otimes
{{{G_{\sigma_2}}}}^m
)
(E^{-1}({{\rm Ball}^c_{d_\Theta^{(1)} }}(\pi(\omega) ; \eta ))]
({}\omega{})
\nonumber
\\
=
&
\frac{1}{({{\sqrt{2 \pi }\sigma_1{}}})^n({{\sqrt{2 \pi }\sigma_2{}}})^m}
\nonumber
\\
&
\small{
{{{{\times}}}}
\!\!\!\!\!\!
\underset{{
|
\frac{\sum_{k=1}^n( x_k - \mu_1)}{n}
-
\frac{\sum_{k=1}^m (y_k- \mu_2)}{m}
|
\ge \eta
}}{\int \cdots \int}
\exp[
{}- \frac{\sum_{k=1}^n ({}{}{x_k} - {}{\mu_1} {})^2
}
{2 \sigma_1^2}
{}- \frac{\sum_{k=1}^m ({}{}{y_k} - {}{\mu_2} {})^2
}
{2 \sigma_2^2}
] d {}{x_1} d {}{x_2}\cdots dx_nd {}{y_1} d {}{y_2}\cdots dy_m
}
\nonumber
\\
=
&
\small{
\frac{1}{({{\sqrt{2 \pi }\sigma_1{}}})^n({{\sqrt{2 \pi }\sigma_2{}}})^m}
\underset{{
|
\frac{\sum_{k=1}^n x_k }{n}
-
\frac{\sum_{k=1}^m y_k}{m}
|
\ge \eta
}}{\int \cdots \int}
\exp[
- \frac{
\sum_{k=1}^n {x_k}^2
}
{2 \sigma_1^2}
- \frac{
\sum_{k=1}^m {y_k}^2
}
{2 \sigma_2^2}
] d {}{x_1} d {}{x_2}\cdots dx_nd {}{y_1} d {}{y_2}\cdots dy_m
}
\nonumber
\\
=
&
1-
\frac{1}{{\sqrt{2 \pi }(\frac{\sigma_1^2}{n}+\frac{\sigma_2^2}{m})^{1/2}{}}}
\int_{{- \eta}}^{\eta} \exp[{}- \frac{{x}^2 }{2 (\frac{\sigma_1^2}{n}+\frac{\sigma_2^2}{m})}] d {x}
\\
&
\tag{6.69}
\end{align}
ここで,$z(\alpha/2)$を使って,
次を得る.
\begin{align}
\eta^\alpha_{\omega} =
(\frac{\sigma_1^2}{n}+\frac{\sigma_2^2}{m})^{1/2}
z(\frac{\alpha}{2})
\tag{6.70}
\end{align}
ここで,
\begin{align*}
\overline{\mu}(x)=\frac{\sum_{k=1}^n x_k }{n},
\quad
\overline{\mu}(y)
=
\frac{\sum_{k=1}^m y_k}{m}
\end{align*}
としておく。
問題:
$x_1, x_2, .... x_n $を正規分布$N(\mu_1, \sigma_1 )$
(母平均$\mu_1$は未知、母分散$\sigma_1$は既知)から得られたデータとする。
$y_1 , y_2, .... y_m $を正規分布$N(\mu_2, \sigma_2 )$
(母平均$\mu_2$は未知、母分散$\sigma_2$は既知)から得られたデータとする。
このとき、我々の問題は
である。
この問題を量子言語に翻訳すると、以下のようになる。
$\sigma_1$と$\sigma_2$は固定されているとして, $L^\infty({\mathbb R} \times {\mathbb R} )$内の 並行測定 ${\mathsf M}_{L^\infty ({\mathbb R} \times{\mathbb R} )}$ $({\mathsf O}_{G_{\sigma_1}}^n \otimes {\mathsf O}_{G_{\sigma_1}}^m= ({\mathbb R}^n \times {\mathbb R}^m \ , {\mathcal B}_{\mathbb R}^n \boxtimes {\mathcal B}_{\mathbb R}^m, {{{G_{\sigma_1}}}^n} \otimes {{{G_{\sigma_2}}}^m}) ,$ $S_{[(\mu_1, \mu_2 )]})$ を考える. この測定値を $\widehat{x}$ $=$ $(x,y)$ $=(x_1,\ldots, x_n,y_1,\ldots, y_m)$ $({}\in {\mathbb R}^n\times {\mathbb R}^m)$ とする. $0 < \alpha \ll 1$とする. このとき,次を満たす${D}_{(x,y)}^{1- \alpha; \Theta}( \subseteq \Theta)$で,「出来るだけ小さいもの($\sigma_1$と$\sigma_2$に依存してもよい)」を見つけよ
$\bullet$ | 「$\mu_1 - \mu_2 \in {D}_{(x,y)}^{1- \alpha; \Theta}$」である確率が,$1-\alpha$以上である. |
このとき, 次の信頼区間 $D_{\widehat{x}}^{1- \alpha, \Theta}$ ( $({}1- \alpha {})$-信頼区間 of ${\widehat x}$ ) を得る.
\begin{align} D_{\widehat{x}}^{1- \alpha, \Theta} & = \{ \pi(\omega) \in \Theta : d_\Theta ({}E(\widehat{x}), \pi(\omega)) \le \eta^{1-\alpha }_{\omega } \} \nonumber \\ & = \{ \mu_1-\mu_2 \in {\mathbb R} \;:\; | \frac{\sum_{k=1}^n x_k }{n} - \frac{\sum_{k=1}^m y_k}{m} -(\mu_1 - \mu_2 )| \le (\frac{\sigma_1^2}{n}+\frac{\sigma_2^2}{m})^{1/2} z(\frac{\alpha}{2}) \} \\ & \tag{6.71} \end{align}6.5.3 仮説検定 [棄却域: 帰無仮説$H_N=\{\mu_0\} \subseteq \Theta = {\mathbb R}$]
問題: $x_1, x_2, .... x_n $を正規分布$N(\mu_1, \sigma_1 )$ (母平均$\mu_1$は未知、母分散$\sigma_1$は既知)から得られたデータとする。
$y_1 , y_2, .... y_m $を正規分布$N(\mu_2, \sigma_2 )$ (母平均$\mu_2$は未知、母分散$\sigma_2$は既知)から得られたデータとする。 このとき、我々の問題は
- $\mu_1 - \mu_2 = \theta_0$と仮定したとき、 「$| \frac{\sum_{k=1}^n x_k }{n} -\frac{\sum_{k=1}^m y_k }{m} -\theta_0 | \ge \delta |$」ということは滅多に起きないような、最小の$\delta$をもとめよ
この問題を量子言語に翻訳すると、以下のようになる。
$\sigma_1$と$\sigma_2$は固定されているとして, $L^\infty({\mathbb R} \times {\mathbb R} )$内の 並行測定 ${\mathsf M}_{L^\infty ({\mathbb R} \times{\mathbb R} )}$ $({\mathsf O}_{G_{\sigma_1}}^n \otimes {\mathsf O}_{G_{\sigma_1}}^m= ({\mathbb R}^n \times {\mathbb R}^m \ , {\mathcal B}_{\mathbb R}^n \boxtimes {\mathcal B}_{\mathbb R}^m, {{{G_{\sigma_1}}}^n} \otimes {{{G_{\sigma_2}}}^m}) ,$ $S_{[(\mu_1, \mu_2 )]})$ を考える. \begin{align*} \pi(\mu_1, \mu_2 ) =\mu_1 - \mu_2 =\theta_0 \in \Theta ={\mathbb R} \end{align*} と仮定する. すなわち,帰無仮説を$H_N=\{ \theta_0 \}$ $(\subseteq \Theta= {\mathbb R} ) )$ と仮定する.$0 < \alpha \ll 1$とする. このとき,次を満たす${\widehat R}_{{H_N}}^{\alpha; \Theta}( \subseteq \Theta)$で,「出来るだけ大きいもの($\sigma_1$. $\sigma_2$に依存してもよい)」を見つけよ
$\bullet$ | ${\mathsf M}_{L^\infty ({\mathbb R} \times{\mathbb R} )}$ $({\mathsf O}_{G_{\sigma_1}}^n \otimes {\mathsf O}_{G_{\sigma_1}}^m= ({\mathbb R}^n \times {\mathbb R}^m \ , {\mathcal B}_{\mathbb R}^n \boxtimes {\mathcal B}_{\mathbb R}^m, {{{G_{\sigma_1}}}^n} \otimes {{{G_{\sigma_2}}}^m}) ,$ $S_{[(\mu_1, \mu_2 )]})$ の測定値$(x,y) (\in{\mathbb R}^n\times {\mathbb R}^m )$が, \begin{align*} E(x,y)=\frac{x_1+x_2+ \cdots + x_n }{n}-\frac{y_1+y_2+ \cdots + y_m }{m} \in {\widehat R}_{{H_N}}^{\alpha; \Theta} \end{align*} を満たす確率は,$\alpha$以下である. |
したがって,
棄却域${\widehat R}_{\widehat{x}}^{\alpha}$
(
$({}\alpha{})$-棄却域
of
$H_N =\{\theta_0\}( \subseteq \Theta)$
)
は,次のようになる
\begin{align}
{\widehat R}_{H_N}^{\alpha,\Theta}
&
=
\bigcap_{\omega =(\mu_1, \mu_2 ) \in \Omega (={\mathbb R}^2 ) \mbox{ such that }
\pi(\omega)= \mu_1-\mu_2 \in {H_N}(=\{\theta_0 \} )}
\{
E(\widehat{x})
(\in
\Theta)
:
d_\Theta^{(1)} ({}E(\widehat{x}),
\pi(\omega))
\ge
\eta^\alpha_{\omega }
\}
\nonumber
\\
&
=
\{ \overline{\mu}(x)-\overline{\mu}(y) \in \Theta (={\mathbb R})
\;:\;
|
\overline{\mu}(x)-\overline{\mu}(y)
-\theta_0|
\ge
(\frac{\sigma_1^2}{n}+\frac{\sigma_2^2}{m})^{1/2}
z(\frac{\alpha}{2})
\}
\tag{6.72}
\end{align}
または,
\begin{align}
{\widehat R}_{H_N}^{\alpha, X}
&
=
\bigcap_{\omega =(\mu_1, \mu_2 ) \in \Omega (={\mathbb R}^2 ) \mbox{ such that }
\pi(\omega)= \mu_1-\mu_2 \in {H_N}(=\{\theta_0 \} )}
\{
\widehat{x}
(\in
{\mathbb R}^n \times {\mathbb R}^m)
:
d_\Theta^{(1)} ({}E(\widehat{x}),
\pi(\omega))
\ge
\eta^\alpha_{\omega }
\}
\nonumber
\\
&
=
\{
\widehat{x}
(\in
{\mathbb R}^n \times {\mathbb R}^m)
\;:\;
|
\overline{\mu}(x)-\overline{\mu}(y)
-\theta_0|
\ge
(\frac{\sigma_1^2}{n}+\frac{\sigma_2^2}{m})^{1/2}
z(\frac{\alpha}{2})
\}
\tag{6.73}
\end{align}
6.5.4 仮説検定 [棄却域: 帰無仮説$H_N=(- \infty , \theta_0] \subseteq \Theta = {\mathbb R}$]
問題: $x_1, x_2, .... x_n $を正規分布$N(\mu_1, \sigma_1 )$ (母平均$\mu_1$は未知、母分散$\sigma_1$は既知)から得られたデータとする。
$y_1 , y_2, .... y_m $を正規分布$N(\mu_2, \sigma_2 )$ (母平均$\mu_2$は未知、母分散$\sigma_2$は既知)から得られたデータとする。 このとき、我々の問題は
- $\mu_1 - \mu_2 \le \theta_0$と仮定したとき、 「$ \frac{\sum_{k=1}^n x_k }{n} -\frac{\sum_{k=1}^m y_k }{m} \ge \theta_0 + \delta $」ということは滅多に起きないような、最小の$\delta$をもとめよ
この問題を量子言語に翻訳すると、以下のようになる。
$\sigma_1$と$\sigma_2$は固定されているとして, $L^\infty({\mathbb R} \times {\mathbb R} )$内の 並行測定 ${\mathsf M}_{L^\infty ({\mathbb R} \times{\mathbb R} )}$ $({\mathsf O}_{G_{\sigma_1}}^n \otimes {\mathsf O}_{G_{\sigma_1}}^m= ({\mathbb R}^n \times {\mathbb R}^m \ , {\mathcal B}_{\mathbb R}^n \boxtimes {\mathcal B}_{\mathbb R}^m, {{{G_{\sigma_1}}}^n} \otimes {{{G_{\sigma_2}}}^m}) ,$ $S_{[(\mu_1, \mu_2 )]})$ を考える. \begin{align*} \pi(\mu_1, \mu_2 ) =\mu_1 - \mu_2 =(- \infty, \theta_0] \in \Theta ={\mathbb R} \end{align*} と仮定する. すなわち,帰無仮説を$H_N=(^\infty, \theta_0]$ $(\subseteq \Theta= {\mathbb R} ) )$ と仮定する.$0 < \alpha \ll 1$とする. このとき,次を満たす${\widehat R}_{{H_N}}^{\alpha; \Theta}( \subseteq \Theta)$で,「出来るだけ大きいもの($\sigma_1$. $\sigma_2$に依存してもよい)」を見つけよ
$\bullet$ | ${\mathsf M}_{L^\infty ({\mathbb R} \times{\mathbb R} )}$ $({\mathsf O}_{G_{\sigma_1}}^n \otimes {\mathsf O}_{G_{\sigma_1}}^m= ({\mathbb R}^n \times {\mathbb R}^m \ , {\mathcal B}_{\mathbb R}^n \boxtimes {\mathcal B}_{\mathbb R}^m, {{{G_{\sigma_1}}}^n} \otimes {{{G_{\sigma_2}}}^m}) ,$ $S_{[(\mu_1, \mu_2 )]})$ の測定値$(x,y) (\in{\mathbb R}^n\times {\mathbb R}^m )$が, \begin{align*} E(x,y)=\frac{x_1+x_2+ \cdots + x_n }{n}-\frac{y_1+y_2+ \cdots + y_m }{m} \in {\widehat R}_{{H_N}}^{\alpha; \Theta} \end{align*} を満たす確率は,$\alpha$以下である. |
さて,第二状態空間$\Theta$の半距離を次のように定める. \begin{align} d_\Theta^{(2)} (\theta_1, \theta_2) = \begin{cases} |\theta_1-\theta_2| \; & ( \forall \theta_1, \theta_2 \in \Theta={\mathbb R} \mbox{ : } \theta_0 \le \theta_1, \theta_2 ) \\ \max \{ \theta_1, \theta_2 \} - \theta_0 \quad & ( \forall \theta_1, \theta_2 \in \Theta={\mathbb R} \mbox{ : } \min \{ \theta_1, \theta_2 \} \le \theta_0 \le \max \{ \theta_1, \theta_2 \} ) \\ 0 & ( \forall \theta_1, \theta_2 \in \Theta={\mathbb R} \mbox{ : } \theta_1, \theta_2 \le \theta_0 ) \end{cases} \\ & \tag{6.74} \end{align} よって,次を得る. \begin{align} {\widehat R}_{H_N}^{\alpha,\Theta} & = \bigcap_{\omega =(\mu_1, \mu_2 ) \in \Omega (={\mathbb R}^2 ) \mbox{ such that } \pi(\omega)= \mu_1-\mu_2 \in {H_N}(=(- \infty, \theta_0] )} \{ E(\widehat{x}) (\in \Theta) : d_\Theta^{(2)} ({}E(\widehat{x}), \pi(\omega)) \ge \eta^\alpha_{\omega } \} \nonumber \\ & = \{ \overline{\mu}(x)-\overline{\mu}(y) \in {\mathbb R} \;:\; \overline{\mu}(x)-\overline{\mu}(y) -\theta_0 \ge (\frac{\sigma_1^2}{n}+\frac{\sigma_2^2}{m})^{1/2} z({\alpha}{}) \} \tag{6.75} \end{align} または, \begin{align*} {\widehat R}_{H_N}^{\alpha,{\widehat X}} & \small{ = \bigcap_{\omega =(\mu_1, \mu_2 ) \in \Omega (={\mathbb R}^2 ) \mbox{ such that } \pi(\omega)= \mu_1-\mu_2 \in {H_N}(=(- \infty, \theta_0] )} \{ \widehat{x}=(x,y) (\in {\widehat X}) : d_\Theta^{(2)} ({}E(\widehat{x}), \pi(\omega)) \ge \eta^\alpha_{\omega } \} } \\ & = \{ \widehat{x}=(x,y) (\in {\widehat X}) \;:\; \overline{\mu}(x)-\overline{\mu}(y) -\theta_0 \ge (\frac{\sigma_1^2}{n}+\frac{\sigma_2^2}{m})^{1/2} z({\alpha}{}) \} \end{align*}