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Wie kann ich das zeigen? Vielen Dank!

Seien \( X_{i, j} \sim \mathcal{N}\left(\mu_{i}, \sigma^{2}\right), i=1, \ldots, n, j=1,2 \) unabhängig, wobei \( \mu_{i} \in \mathbb{R}, \sigma^{2}>0 \). Man zeige, dass die ML-Schätzer für \( \mu_{i}, i=1, \ldots, n \), und \( \sigma^{2} \) gegeben sind durch

\( \hat{\mu}_{i}=\frac{1}{2}\left(X_{i, 1}+X_{i, 2}\right), \hat{\sigma}_{n}^{2}=\frac{1}{2 n} \sum \limits_{i=1}^{n}\left(X_{i, 1}-\hat{\mu}_{i}\right)^{2}+\left(X_{i, 2}-\hat{\mu}_{i}\right)^{2} \)
und \( \hat{\sigma}_{n}^{2} \stackrel{P}{\rightarrow} \frac{\sigma^{2}}{2} \) (also ist der ML-Schätzer nicht konsistent).


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(1) Nur die \( X_{i,1} \) und \( X_{i,2} \) haben den gleichen Erwartungswert. Deshalb lautet die Likelihood Funktion

$$ L(\mu_i) = \frac{1}{ \sqrt{2 \pi } \sigma } e^{ -\frac{1}{2} \left( \frac{x_{i,1} - \mu_i } { \sigma} \right)^2 } \frac{1}{ \sqrt{2 \pi } \sigma } e^{ -\frac{1}{2} \left( \frac{x_{i,2} - \mu_i } { \sigma} \right)^2 } $$ und daraus folgt

$$ l(\mu_i) = \ln(L(\mu_i)) = \ln \left(  \frac{1}{ \sqrt{2 \pi} \sigma} \right)^2 - \frac{1}{2} \left( \frac{x_{i,1} - \mu_i } { \sigma} \right)^2 - \frac{1}{2} \left( \frac{x_{i,2} - \mu_i } { \sigma} \right)^2 $$ und daraus

$$ \frac{\partial}{\partial \mu_i} l(\mu_i) = \frac{x_{i,1} - \mu_i } { \sigma} + \frac{x_{i,2} - \mu_i } { \sigma} \overset{!}{=} 0 $$ Also

$$ \hat \mu_i = \frac{1}{2} ( x_{i,1} + x_{i,2} )$$

(2) Alle \( X_{i,j} \) haben dieselbe Varianz \( \sigma^2 \), deshalb tragen alle \( X_{i,j} \) zur Schätzung von \( \sigma^2 \) bei. Die Likelihood Funktion ist deshalb

$$ L(\sigma) = \prod_{i=1}^n \frac{1}{ \sqrt{2 \pi } \sigma } e^{ -\frac{1}{2} \left( \frac{x_{i,1} - \hat \mu_i } { \sigma} \right)^2 } \prod_{i=1}^n \frac{1}{ \sqrt{2 \pi } \sigma } e^{ -\frac{1}{2} \left( \frac{x_{i,2} - \hat \mu_i } { \sigma} \right)^2 }  = \\ \left(\frac{1}{ \sqrt{2 \pi } \sigma } \right)^{2n}  e^{ -\frac{1}{2} \sum_{i=1}^n \left( \frac{x_{i,1} - \hat \mu_i } { \sigma} \right)^2 } e^{ -\frac{1}{2} \sum_{i=1}^n \left( \frac{x_{i,2} - \hat \mu_i } { \sigma} \right)^2 } $$ Daraus folgt

$$ l(\sigma) = \ln(L(\sigma)) = -2n \ln(\sqrt{2\pi}) -2n \ln(\sigma) -\frac {1}{2} \sum_{i=1}^n \left( \frac{x_{i,1} - \hat \mu_i } { \sigma} \right)^2  -\frac {1}{2} \sum_{i=1}^n \left( \frac{x_{i,2} - \hat \mu_i } { \sigma} \right)^2 $$

Und deshalb

$$ \frac{\partial}{\partial \sigma} l(\sigma) =  -\frac{2n}{\sigma} + \frac{1}{\sigma^3} \sum_{i=1}^n \left( x_{i,1} - \hat \mu_i \right)^2 + \frac{1}{\sigma^3} \sum_{i=1}^n \left( x_{i,2} - \hat \mu_i \right)^2 \overset{!}{=} 0 $$

Daraus folgt $$ \hat \sigma^2 = \frac{\sum_{i=1}^n \left( x_{i,1} - \hat \mu_i \right)^2 + \sum_{i=1}^n \left( x_{i,2} - \hat \mu_i \right)^2}{2n} $$

(3) $$ (a) \quad \sum_{i=1}^n (x_{i,1} - \hat \mu_i)^2 = \sum_{i=1}^n \left[ (x_{i,1} - \mu_i) - (\hat \mu_i - \mu_i) \right]^2 = \\ \sum_{i=1}^n (x_{i,1} - \mu_i)^2 - 2 \sum_{i=1}^n (x_{i,1}-\mu_i)(\hat\mu_i- \mu_i) + \sum_{i=1}^n (\hat\mu_i - \mu_1)^2 $$ und

$$ (b) \quad \sum_{i=1}^n (x_{i,2} - \hat \mu_i)^2 = \sum_{i=1}^n \left[ (x_{i,2} - \mu_i) - (\hat \mu_i - \mu_i) \right]^2 = \\ \sum_{i=1}^n (x_{i,2} - \mu_i)^2 - 2 \sum_{i=1}^n (x_{i,2}-\mu_i)(\hat\mu_i- \mu_i) + \sum_{i=1}^n (\hat\mu_i - \mu_1)^2 $$

Erwartungswertbildung führt bei (a) zu $$ n \sigma^2 - 2 \sum_{i=1}^n \mathbb{E} \left[ (x_{i,1}-\mu_i)(\hat\mu_i- \mu_i) \right]+\frac{n}{2}\sigma^2  $$ und bei (b) zu

$$ n \sigma^2 - 2 \sum_{i=1}^n \mathbb{E} \left [ (x_{i,2}-\mu_i)(\hat\mu_i- \mu_i) \right]+\frac{n}{2}\sigma^2$$

Addition der letzten beiden Gleichungen führt zu

$$ \mathbb{E} \left[ \sum_{i=1}^n (x_{i,1} - \hat \mu_i)^2 + \sum_{i=1}^n (x_{i,2} - \hat \mu_i)^2\right] = \\ 3n \sigma^3 - 2 \sum_{i=1}^n \mathbb{E} \left[ (x_{i,1}-\mu_i)(\hat\mu_i- \mu_i) \right] - 2 \sum_{i=1}^n \mathbb{E} \left[ (x_{i,2}-\mu_i)(\hat\mu_i- \mu_i) \right] = \\3n \sigma^2 - 4 \sum_{i=1}^n \mathbb{E} ( \hat \mu_i - \mu_i)^2 = 3n \sigma^2 - 4 \frac{n}{2} \sigma^2 = n \sigma^2 $$ und damit schlussendlich

$$ \mathbb{E} (\hat \sigma^2) = \mathbb{E} \left[ \frac{ \sum_{i=1}^n (x_{i,1} - \hat \mu_i)^2 + \sum_{i=1}^n (x_{i,2} - \hat \mu_i)^2  } {2n} \right]= \frac{\sigma^2}{2}$$

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