数学物理学报, 2026, 46(6): 2317-2328

基于均方误差最小准则下总体均值估计的 4×4 最优排序集抽样设计及其性质

符梦娟, 陈望学,*, 王得吉, 曹潜

吉首大学数学与统计学院 湖南吉首 416000

4×4 Optimal Ranked Set Sampling Design for Estimation of Population Mean and its Properties under the Criterion of Minimum Mean Squared Error

Fu Mengjuan, Chen Wangxue,*, Wang Deji, Cao Qian

College of Mathematics and Statistics, Jishou University, Hunan Jishou 416000

通讯作者: 陈望学, E-mail: chenwangxue2015@163.com

收稿日期: 2025-07-28   修回日期: 2026-01-23  

基金资助: 国家自然科学基金(12261036)
国家自然科学基金(11901236)

Received: 2025-07-28   Revised: 2026-01-23  

Fund supported: NSFC(12261036)
NSFC(11901236)

摘要

平衡排序集抽样 (RSS) 适用于总体分布完全未知时的统计推断, 但如果已有总体分布的某些信息时, 使用某些准则就可以进一步提高统计推断的效率. 已有文献在均方误差 (MSE )最小准则下, 针对正态分布、均匀分布和指数分布找到了总体均值估计的 3×3 最优 RSS 设计. 该文给出了 4×4 RSS 设计下总体均值估计的 MSE 及其 35 种设计. 基于 MSE 最小准则下,给出了寻找 4×4 最优 RSS 设计的一般结论. 为了提高估计的精度, 进一步研究了可循环 4×4 最优 RSS 设计下总体均值估计的 MSE. 针对正态分布、均匀分布和指数分布, 基于 MSE 最小准则下, 给出了这些分布的 4×4 最优 RSS 设计. 进一步研究了这些分布在可循环 4×4 最优 RSS 设计下总体均值估计的 MSE, 研究结果表明在可循环 4×4 最优 RSS 设计下这些分布中总体均值估计的 MSE 随着循环的增大不断减小.

关键词: 排序集抽样; 均方误差; 最优排序集抽样设计

Abstract

Balanced ranked set sampling (RSS) is suitable for statistical inference when the population distribution is completely unknown, but if some information about the population distribution is available, the efficiency of statistical inference can be further improved by using certain criteria. Under the criterion of minimum mean square error (MSE), existing literature has found the 3×3 optimal RSS designs for the normal distribution, uniform distribution, and exponential distribution. This paper presents the MSE of estimation of population mean under 4×4 RSS designs and its 35 designs. Based on the criterion of minimum MSE, general conclusions for finding the 4×4 optimal RSS design is given. To improve the accuracy of estimation, the MSE of estimation of population mean under the cyclic 4×4 optimal RSS design is further studied. For the normal distribution, uniform distribution, and exponential distribution, the 4×4 optimal RSS designs under the criterion of minimum MSE are derived. By further studying the MSE of estimation of population mean under the cyclic 4×4 optimal RSS design for these distributions, the research results show that the MSE of estimation of population mean for these distributions under the cyclic 4×4 optimal RSS design continuously decreases with the increase of cycles.

Keywords: ranked set sampling; mean squared error; optimal ranked set sampling design

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本文引用格式

符梦娟, 陈望学, 王得吉, 曹潜. 基于均方误差最小准则下总体均值估计的 4×4 最优排序集抽样设计及其性质[J]. 数学物理学报, 2026, 46(6): 2317-2328

Fu Mengjuan, Chen Wangxue, Wang Deji, Cao Qian. 4×4 Optimal Ranked Set Sampling Design for Estimation of Population Mean and its Properties under the Criterion of Minimum Mean Squared Error[J]. Acta Mathematica Scientia, 2026, 46(6): 2317-2328

1 引言

排序集抽样 (Ranked set sampling, RSS )是一种试图用来提高抽样效率的方法, 由澳大利亚农业学家 McIntyre[1] 在估计农场牧草产量均值时提出, 近年来已得到了广泛的研究和应用, 见文献[2-6]. RSS 适用于那些对所研究的变量进行精确测量既困难又耗时漫长, 但是在一个相对小的集合中可以通过非精确测量手段进行排序的场合.

RSS 的具体抽样过程如下:

(1 )从总体中随机抽取集合大小为 $m$ 个个体的 $n$ 个集合;

(2 )对每个集合中的个体进行不涉及具体测量的排序;

(3 )从排好次序的每个集合中选取一个个体进行测量. 令 ${r_i}$ 表示次序为 $i$ 的测量个体总数, 将有 $\sum\limits_{i = 1}^m {{r_i}}$ 个个体被测量, 其中 $i = 1,2, \cdots,m$.${r_i}$ 相等时, 称为平衡 RSS; 反之, 称为非平衡 RSS.

Takahasi 和 Wakimoto[7] 建立了 RSS 的数学理论基础, 并证明了平衡 RSS 下用样本均值作为总体均值的估计比简单随机抽样 (Simple Ranked Set Sampling, SRS )用样本均值作为总体均值的估计更有效.

因为排序不经过测量, 所以合理选择 RSS 的集合大小 $m$ 至关重要, 而 Chen 等[8]指出集合大小 $m$ 的选取通常介于 2-7 之间.

平衡 RSS 适用于总体分布完全未知时的统计推断, 但如果已有总体分布的某些信息时, 使用某些准则就可以进一步提高统计推断的效率, 见文献[9-13].

Al-Saleh[14] 在均方误差 (MSE )最小准则下, 针对正态分布、均匀分布和指数分布找到了总体均值估计的 3×3 最优 RSS 设计.

本文在文献[14] 的基础上, 基于 MSE 最小准则下, 针对正态分布、均匀分布和指数分布找到了总体均值估计的 4×4 最优 RSS 设计. 为了进一步提高估计的精度, 本文研究了这些分布在可循环 4×4 最优 RSS 设计下总体均值估计的 MSE, 研究结果表明在可循环 4×4 最优 RSS 设计下这些分布中总体均值估计的 MSE 随着循环的增大不断减小.

本文的结构安排如下: 第 2 节给出了 4×4 RSS 设计下总体均值估计的 MSE 及其 35 种设计; 第 3 节给出了可循环 4×4 最优 RSS 设计下总体均值的估计及其 MSE; 第 4 节计算了基于 MSE 最小准则下正态分布、均匀分布和指数分布中总体均值估计的 4×4 最优 RSS 设计; 第 5 节计算了可循环 4×4 最优 RSS 设计下这些分布中总体均值估计的 MSE; 第 6 节给出了本文的结语.

2 4×4 RSS 设计下总体均值估计的 MSE 及其 35 种设计

本节从理论上给出了 4×4 RSS 设计下总体均值估计的 MSE, 并列出了 4×4 RSS 设计下的 35 种设计.

2.1 4×4 RSS 设计下总体均值估计的 MSE

4×4 RSS 过程如下:

(1)从总体中随机抽取集合大小为 4 个个体的 4 个集合;

(2)对每个集合中的个体进行不涉及具体测量的排序;

(3)从排好次序的 4 个集合中分别选取一个个体进行测量. 令 ${r_i}$ 表示次序为 $i$ 的测量个体总数, 则有 $4 = \sum\limits_{i = 1}^4 {{r_i}}$ 个个体被测量, 其中 ${{\rm{r}}_i}{\rm{ = 0, 1, 2, 3, 4,i = 1, 2, 3, 4}}$.${r_i}$ 相等时, 称为平衡 RSS; 反之, 称为非平衡 RSS.

设随机变量 $X$ 服从分布函数 $F(x)$, 对应的密度函数 (pdf )为 $f(x)$, 其总体均值和总体方差分别为 $\mu $${\sigma ^2}$.$\left\{ {\bigcup\limits_{j = 1}^{{r_1}} {{X_{(1:4)j}}} \bigcup\limits_{j = 1}^{{r_2}} {{X_{(2:4)j}}} \bigcup\limits_{j = 1}^{{r_3}} {{X_{(3:4)j}}} \bigcup\limits_{j = 1}^{{r_4}} {{X_{(4:4)j}}} } \right\}$ 是来自于 $X$ 容量为 4 的 RSS 样本, 其中 ${X_{(i:4)j}}$ 表示集合大小为 4 的次序为 $i$ 的第 $j$ 个测量个体. 例如 $({r_1},{r_2},{r_3},{r_4}) = (2,2,0,0)$ 表示从集合大小为 4 的 4 个集合中次序为 1 的个体抽取两个并测量, 次序为 2 的个体抽取两个并测量, 因为通常的 RSS 每个集合中仅抽取一个个体进行测量, 所以此时次序为 3 和 4 的个体无需抽取, 即 $r_{3}=r_{4}=0$.

${\mu _{(i:m)}}$$\sigma _{(i:m)}^2$ 分别表示第 $i$ 个次序统计量的均值和方差, 则 ${X_{(1:4)j}},{X_{(2:4)j}},{X_{(3:4)j}}$${X_{(4:4)j}}$ 的 pdfs 为

$\begin{equation} {f_{(1:4)}}(x) = 4{\left[ {1 - F(x)} \right]^3}f(x), \end{equation}$
$\begin{equation} {f_{(2:4)}}(x) = 12\left[ {F(x)} \right]{\left[ {1 - F(x)} \right]^2}f(x), \end{equation}$
$\begin{equation} {f_{(3:4)}}(x) = 12{\left[ {F(x)} \right]^2}\left[ {1 - F(x)} \right]f(x) \end{equation}$

$\begin{equation} {f_{(4:4)}}(x) = 4{\left[ {F(x)} \right]^3}f(x). \end{equation}$

基于这组 RSS 样本构造的总体均值的估计量为

$ {{\bar X}_{RSS}} = \frac{1}{4}(\sum\limits_{j = 1}^{{r_1}} {{X_{(1:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{{r_2}} {{X_{(2:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{{r_3}} {{X_{(3:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{{r_4}} {{X_{(4:4)j}}} ). $

接着, 我们给出 ${\bar X_{RSS}}$ 的 MSE 如定理 2.1 所示.

定理 2.1 对于 4×4 RSS 样本, ${\bar X_{RSS}}$ 的 MSE 为

$\begin{equation} \begin{aligned} \mathrm{MSE}{({{\bar X}_{RSS}})^{({r_1},{r_2},{r_3},{r_4})}} &= \frac{1}{{16}}({r_1}\sigma _{(1:4)}^2 + {r_2}\sigma _{(2:4)}^2 + {r_3}\sigma _{(3:4)}^2 + {r_4}\sigma _{(4:4)}^2)\\ & + {\left[ {\frac{1}{4}({r_1}{\mu _{(1:4)}} + {r_2}{\mu _{(2:4)}} + {r_3}{\mu _{(3:4)}} + {r_4}{\mu _{(4:4)}}) - \mu } \right]^2}. \end{aligned} \end{equation}$

${\bar X_{RSS}}$ 的 MSE 为

$ \begin{align*} & \mathrm{MSE}{({{\bar X}_{RSS}})^{({r_1},{r_2},{r_3},{r_4})}}= {Var({{\bar X}_{RSS}})^{({r_1},{r_2},{r_3},{r_4})}} + {\left[ {E{({{\bar X}_{RSS}})^{({r_1},{r_2},{r_3},{r_4})}} - \mu } \right]^2}\\ &= Var\left[ {\frac{1}{4}(\sum\limits_{j = 1}^{{r_1}} {{X_{(1:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{{r_2}} {{X_{(2:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{{r_3}} {{X_{(3:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{{r_4}} {{X_{(4:4)j}}} )} \right]\\ & + {\left[ {E\left[ {\frac{1}{4}(\sum\limits_{j = 1}^{{r_1}} {{X_{(1:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{{r_2}} {{X_{(2:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{{r_3}} {{X_{(3:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{{r_4}} {{X_{(4:4)j}}} )} \right] - \mu } \right]^2}\\ &= \frac{1}{{16}}\left( {\sum\limits_{j = 1}^{{r_1}} {Var({X_{(1:4)j}})} + \sum\limits_{j = 1}^{{r_2}} {Var({X_{(2:4)j}})} + \sum\limits_{j = 1}^{{r_3}} {Var({X_{(3:4)j}})} + \sum\limits_{j = 1}^{{r_4}} {Var({X_{(4:4)j}})} } \right)\\ & + {\left[ {\frac{1}{4}\left( {\sum\limits_{j = 1}^{{r_1}} {E({X_{(1:4)j}})} + \sum\limits_{j = 1}^{{r_2}} {E({X_{(2:4)j}})} + \sum\limits_{j = 1}^{{r_3}} {E({X_{(3:4)j}})} + \sum\limits_{j = 1}^{{r_4}} {E({X_{(4:4)j}})} } \right) - \mu } \right]^2}\\ &= \frac{1}{{16}}({r_1}\sigma _{(1:4)}^2 + {r_2}\sigma _{(2:4)}^2 + {r_3}\sigma _{(3:4)}^2 + {r_4}\sigma _{(4:4)}^2)\\ & + {\left[ {\frac{1}{4}({r_1}{\mu _{(1:4)}} + {r_2}{\mu _{(2:4)}} + {r_3}{\mu _{(3:4)}} + {r_4}{\mu _{(4:4)}}) - \mu } \right]^2}. \end{align*} $

定理 2.1 证毕.

注意, 定理 2.1 表明 ${\bar X_{RSS}}$ 的 MSE 仅依赖于 ${r_i}$, ${\mu _{(i:4)}}$$\sigma _{(i:4)}^2$. 这个特性具有重要的使用价值, 将在本文第 4 节和第 5 节中得到充分体现.

2.2 35 种 RSS 设计

根据 4×4 RSS 过程:从排好次序的 4 个集合中分别选取 1 个个体进行测量, 则共有 $4^4$ 种 RSS 设计来构造总体均值估计. 由定理 2.1 知, 估计量 ${\bar X_{RSS}}$ 的 MSE 仅依赖于 ${r_i}$, ${\mu _{(i:4)}}$$\sigma _{(i:4)}^2$, 其重点是每个集合中选取样本的次序及测量个体数目, 而不是集合本身的顺序, 所以当每个次序测量个体总数 ${r_i}$ 相等时, 即使来自不同集合, 其 MSE 是相等的. 因此, 可以将 256 种 RSS 设计构造总体均值估计简化为根据每个次序的测量个体总数 ${r_i}$ 构造共 35 种 4×4 RSS 设计如表1所示.

表1   基于4×4的35种RSS设计

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根据定理 2.1 和表1, 使得 $\mathrm{MSE}{({{\bar X}_{RSS}})^{({r_1},{r_2},{r_3},{r_4})}}$ 达到最小的 $({r_1},{r_2},{r_3},{r_4}) = (r_{_1}^*,r_{_2}^*,r_{_3}^*, r_{_4}^*)$ 为 4×4 最优 RSS 设计.

3 可循环 4×4 最优 RSS 设计下总体均值的估计及其 MSE

为进一步提高估计的精度, 本节基于第 2 节的 4×4 最优 RSS 设计构造可循环 4×4 最优 RSS 设计下总体均值的估计, 并研究了该估计的 MSE.

$\left\{ {\bigcup\limits_{k = 1}^r {\left( {\bigcup\limits_{j = 1}^{r_{_1}^*} {{X_{k(1:4)j}}} \bigcup\limits_{j = 1}^{r_{_2}^*} {{X_{k(2:4)j}}} \bigcup\limits_{j = 1}^{r_{_3}^*} {{X_{k(3:4)j}}} \bigcup\limits_{j = 1}^{r_{_4}^*} {{X_{k(4:4)j}}} } \right)} } \right\}$ 是来自于 $X$ 容量为 $4r$ 可循环的 RSS 样本, 其中 ${X_{k(i:4)j}}$ 表示第 $k$$(k = 1, 2,..., r)$ 次循环下集合大小为 4 的次序为 $i$ 的第 $j$ 个测量个体, 则 ${X_{k(1:4)j}},{X_{k(2:4)j}},{X_{k(3:4)j}}$${X_{k(4:4)j}}$ 的 pdfs 为(2.1)-(2.4)式所示.

基于这组 RSS 样本构造的总体均值的估计量为

$ {{\bar X}_{RS{S_r}}}= \frac{1}{{4r}}\sum\limits_{k = 1}^r {\left( {\sum\limits_{j = 1}^{r_{_1}^*} {{X_{k(1:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{r_2^*} {{X_{k(2:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{r_3^*} {{X_{k(3:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{r_{_4}^*} {{X_{k(4:4)j}}} } \right)}. $

接着, 我们给出 ${{\bar X}_{RS{S_r}}}$ 的 MSE 如定理 3.1 所示.

定理3.1 对于可循环 4×4 最优 RSS 设计 $({r_1},{r_2},{r_3},{r_4}) = (rr_{_1}^*,rr_{_2}^*,rr_{_3}^*,rr_{_4}^*)$, ${{\bar X}_{RS{S_r}}}$ 的MSE 为

$\begin{equation} \begin{aligned} \mathrm{MSE}{({{\bar X}_{RS{S_r}}})^{({r_1},{r_2},{r_3},{r_4})}} &= \frac{1}{{16r}}\left( {r_1^*\sigma _{(1:4)}^2 + r_2^*\sigma _{(2:4)}^2 + r_3^*\sigma _{(3:4)}^2 + r_4^*\sigma _{(4:4)}^2} \right)\\ & + {\left[ {\frac{1}{4}\left( {r_{_1}^*{\mu _{(1:4)}} + r_{_2}^*{\mu _{(2:4)}} + r_{_3}^*{\mu _{(3:4)}} + r_{_4}^*{\mu _{(4:4)}}} \right) - \mu } \right]^2}. \end{aligned} \end{equation}$

${{\bar X}_{RS{S_r}}}$ 的 MSE 为

$ \begin{align*} & \mathrm{MSE}{({{\bar X}_{RS{S_r}}})^{({r_1},{r_2},{r_3},{r_4})}}\\ &= \mathrm{MSE}\left( {\frac{1}{{4r}}\sum\limits_{k = 1}^r {\left( {\sum\limits_{j = 1}^{r_{_1}^*} {{X_{k(1:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{r_2^*} {{X_{k(2:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{r_3^*} {{X_{k(3:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{r_{_4}^*} {{X_{k(4:4)j}}} } \right)} } \right)\\ &= \mathrm{Var}\left( {\frac{1}{{4r}}\sum\limits_{k = 1}^r {\left( {\sum\limits_{j = 1}^{r_{_1}^*} {{X_{k(1:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{r_2^*} {{X_{k(2:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{r_3^*} {{X_{k(3:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{r_{_4}^*} {{X_{k(4:4)j}}} } \right)} } \right)\\ & + {\left[ {E\left( {\frac{1}{{4r}}\sum\limits_{k = 1}^r {\left( {\sum\limits_{j = 1}^{r_{_1}^*} {{X_{k(1:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{r_2^*} {{X_{k(2:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{r_3^*} {{X_{k(3:4)j}}} + \sum\limits_{j = 1}^{r_{_4}^*} {{X_{k(4:4)j}}} } \right)} } \right) - \mu } \right]^2}\\ &= \frac{1}{{16{r^2}}}\sum\limits_{k = 1}^r {\left( {\sum\limits_{j = 1}^{r_{_1}^*} {Var\left( {{X_{k(1:4)j}}} \right)} + \sum\limits_{j = 1}^{r_2^*} {Var\left( {{X_{k(2:4)j}}} \right)} + \sum\limits_{j = 1}^{r_3^*} {Var\left( {{X_{k(3:4)j}}} \right)} + \sum\limits_{j = 1}^{r_{_4}^*} {Var\left( {{X_{k(4:4)j}}} \right)} } \right)} \\ & + {\left[ {\frac{1}{{4r}}\sum\limits_{k = 1}^r {\left( {\sum\limits_{j = 1}^{r_{_1}^*} {E\left( {{X_{k(1:4)j}}} \right)} + \sum\limits_{j = 1}^{r_2^*} {E\left( {{X_{k(2:4)j}}} \right)} + \sum\limits_{j = 1}^{r_3^*} {E\left( {{X_{k(3:4)j}}} \right)} + \sum\limits_{j = 1}^{r_{_4}^*} {E\left( {{X_{k(4:4)j}}} \right)} } \right)} - \mu } \right]^2}\\ &= \frac{1}{{16{r^2}}}\sum\limits_{k = 1}^r {\left( {r_1^*\sigma _{(1:4)}^2 + r_2^*\sigma _{(2:4)}^2 + r_3^*\sigma _{(3:4)}^2 + r_4^*\sigma _{(4:4)}^2} \right)} \\ & + {\left[ {\frac{1}{{4r}}\sum\limits_{k = 1}^r {\left( {r_{_1}^*{\mu _{(1:4)}} + r_{_2}^*{\mu _{(2:4)}} + r_{_3}^*{\mu _{(3:4)}} + r_{_4}^*{\mu _{(4:4)}}} \right)} - \mu } \right]^2}\\ &= \frac{1}{{16r}}\left( {r_1^*\sigma _{(1:4)}^2 + r_2^*\sigma _{(2:4)}^2 + r_3^*\sigma _{(3:4)}^2 + r_4^*\sigma _{(4:4)}^2} \right)\\ & + {\left[ {\frac{1}{4}\left( {r_{_1}^*{\mu _{(1:4)}} + r_{_2}^*{\mu _{(2:4)}} + r_{_3}^*{\mu _{(3:4)}} + r_{_4}^*{\mu _{(4:4)}}} \right) - \mu } \right]^2}. \end{align*} $

定理 3.1 证毕.

4 基于 MSE 最小准则下一些分布中总体均值估计的 4×4 最优 RSS 设计

本节在表 1 给定的 4×4 RSS 设计下, 基于 MSE 最小准则找到了正态分布, 均匀分布和指数分布的 4×4 最优 RSS 设计.

例 4.1 基于 MSE 最小准则下, 寻找伴随 $\mu = 0$${\sigma ^2} = 1$ 的正态分布 $N(0,1)$ 中总体均值估计的 4×4 最优 RSS 设计.

因为 $N(0,1)$ 的分布函数和 pdf 分别为

$\begin{equation} \begin{aligned} F(x) = \int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} \end{aligned} \end{equation}$

$\begin{equation} \begin{aligned} f(x) = \frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{x^2}}}{2}}}, \end{aligned} \end{equation}$

接着, 把(4.1)和(4.2)式代入(2.1)-(2.4)式可得

$\begin{equation} \begin{aligned} {f_{(1:4)}}(x) = \frac{4}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{x^2}}}{2}}}{\left( {1 - \int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right)^3}, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} {f_{(2:4)}}(x) = \frac{{12}}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{x^2}}}{2}}}\left( {\int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right){\left( {1 - \int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right)^2}, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} {f_{(3:4)}}(x) = \frac{{12}}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{x^2}}}{2}}}{\left( {\int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right)^2}\left( {1 - \int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right) \end{aligned} \end{equation}$

$\begin{equation} \begin{aligned} {f_{(4:4)}}(x) = \frac{4}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{x^2}}}{2}}}{\left( {\int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right)^3}. \end{aligned} \end{equation}$

接着, 从(4.3)-(4.6)式可得

$\begin{equation} \begin{aligned} {\mu _{(1:4)}} = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\frac{{4x}}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{x^2}}}{2}}}{{\left( {1 - \int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right)}^3}} \mathrm{d}x = - 1.029375, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} \sigma _{(1:4)}^2 = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\frac{{4{x^2}}}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{x^2}}}{2}}}{{\left( {1 - \int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right)}^3}} - \mu _{(1:4)}^2\mathrm{d}x = 0.491716109, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} {\mu _{(2:4)}} &= \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\frac{{12x}}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{x^2}}}{2}}}\left( {\int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right){{\left( {1 - \int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right)}^2}\mathrm{d}x}\\ &= - 0.2970114, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} \sigma _{(2:4)}^2 &= \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\frac{{12{x^2}}}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{x^2}}}{2}}}\left( {\int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right){{\left( {1 - \int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right)}^2}} - \mu _{(2:4)}^2\mathrm{d}x\\ &= 0.360455328, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} {\mu _{(3:4)}} &= \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\frac{{12x}}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{x^2}}}{2}}}{{\left( {\int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right)}^2}\left( {1 - \int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right)\mathrm{d}x}\\ &= 0.2970114, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} \sigma _{(3:4)}^2 &= \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\frac{{12{x^2}}}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{x^2}}}{2}}}{{\left( {\int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right)}^2}\left( {1 - \int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right)} - \mu _{(3:4)}^2\mathrm{d}x\\ &= 0.360455328, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} {\mu _{(4:4)}} = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\frac{{4x}}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{x^2}}}{2}}}{{\left( {\int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right)}^3}\mathrm{d}x} = 1.029375 \end{aligned} \end{equation}$

$\begin{equation} \begin{aligned} \sigma _{(4:4)}^2 = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\frac{{4{x^2}}}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{x^2}}}{2}}}{{\left( {\int_{ - \infty }^x {\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}{\mathrm{e}^{ - \frac{{{y^2}}}{2}}}\mathrm{d}y} } \right)}^3}} - \mu _{(4:4)}^2\mathrm{d}x = 0.491716109. \end{aligned} \end{equation}$

$({r_1},{r_{_2}},{r_3},{r_4}) = (2,2,0,0)$ 时, 根据定理 2.1, 把(4.7)-(4.14)式代入(2.5)式可得

$\begin{equation} \begin{aligned} \mathrm{MSE}{({{\bar X}_{RSS}})^{(2,2,0,0)}} &= \frac{1}{{16}}(2 \times \sigma _{(1:4)}^2 + 2 \times \sigma _{(2:4)}^2) + {\left[ {\frac{1}{4}(2 \times {\mu _{(1:4)}} + 2 \times {\mu _{(2:4)}}) - 0} \right]^2}\\\notag &= 0.546346650.\notag \end{aligned} \end{equation}$

接着, 其它 RSS 设计依次由定理 2.1 计算可得 MSE 数值结果如表2 所示.

表2   $N(0,1)$ 4×4 RSS设计的MSE数值结果

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因此, 由表2 可知基于 MSE 最小准则下, $N(0,1)$ 的 4×4 最优 RSS 设计为

$\begin{equation} \begin{aligned} ({r_1},{r_2},{r_3},{r_4}) = (0,2,2,0).\notag \end{aligned} \end{equation}$

例 4.2 基于 MSE 最小准则下, 寻找伴随 $\mu = \frac{1}{2}$${\sigma ^2} = \frac{1}{{12}}$ 的均匀分布 $U(0,1)$ 中总体均值估计的 4×4 最优 RSS 设计.

因为 $U(0,1)$ 的分布函数和 pdf 分别为 $F(x)=x$$f(x)=1$, 代入(2.1)-(2.4)式可得

$\begin{equation} \begin{aligned} {f_{(1:4)}}(x) = 4{(1 - x)^3}, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} {f_{(2:4)}}(x) = 12x{(1 - x)^2}, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} {f_{(3:4)}}(x) = 12{x^2}(1 - x) \end{aligned} \end{equation}$

$\begin{equation} \begin{aligned} {f_{(4:4)}}(x) = 4{x^3}. \end{aligned} \end{equation}$

接着, 从(4.15)-(4.18)式可得

$\begin{equation} \begin{aligned} {\mu _{(1:4)}} = \int_0^1 {4x{{(1 - x)}^3}} \mathrm{d}x = 0.2, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} \sigma _{(1:4)}^2 = \int_0^1 {4{x^2}{{(1 - x)}^3}} - \mu _{(1:4)}^2\mathrm{d}x = 0.026666667, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} {\mu _{(2:4)}} = \int_0^1 {12{x^2}{{(1 - x)}^2}} \mathrm{d}x = 0.4, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} \sigma _{(2:4)}^2 = \int_0^1 {12{x^3}{{(1 - x)}^2}} - \mu _{(2:4)}^2\mathrm{d}x = 0.04, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} {\mu _{(3:4)}} = \int_0^1 {12{x^3}(1 - x)} \mathrm{d}x = 0.6, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} \sigma _{(3:4)}^2 = \int_0^1 {12{x^4}(1 - x)} - \mu _{(3:4)}^2\mathrm{d}x = 0.04, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} {\mu _{(4:4)}} = \int_0^1 {4{x^4}} \mathrm{d}x = 0.8 \end{aligned} \end{equation}$

$\begin{equation} \begin{aligned} \sigma _{(4:4)}^2 = \int_0^1 {4{x^5}} - \mu _{(4:4)}^2\mathrm{d}x = 0.026666667. \end{aligned} \end{equation}$

$({r_1},{r_{_2}},{r_3},{r_4}) = (3,0,1,0)$ 时, 根据定理 2.1, 把(4.19)-(4.26)式代入(2.5)式可得

$\begin{equation} \begin{aligned} \mathrm{MSE}{({{\bar X}_{RSS}})^{(3,0,1,0)}} &= \frac{1}{{16}}(3 \times \sigma _{(1:4)}^2 + 1 \times \sigma _{(3:4)}^2) + {\left[ {\frac{1}{4}(3 \times {\mu _{(1:4)}} + 1 \times {\mu _{(3:4)}}) - \frac{1}{2}} \right]^2} \\ &= 0.0475.\notag \end{aligned} \end{equation}$

接着, 其它 RSS 设计依次由定理 2.1 计算可得 MSE 数值结果如表3 所示.

表3   $U(0,1)$ 4×4 RSS 设计的 MSE 数值结果

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因此, 由表3 可知基于 MSE 最小准则下, $U(0,1)$ 的 4×4 最优 RSS 设计为

$\begin{equation} \begin{aligned} ({r_1},{r_2},{r_3},{r_4}) = (2,0,0,2).\notag \end{aligned} \end{equation}$

例 4.3 基于 MSE 最小准则下, 寻找伴随 $\mu = 1$${\sigma ^2} = 1$ 的指数分布 Exp$(1)$ 中总体均值估计的 4×4 最优 RSS 设计.

因为 $\mathrm{Exp}(1)$ 的分布函数和 pdf 分别为 $F(x) = 1 - {\mathrm{e}^{ - x}}$$f(x) = {\mathrm{e}^{ - x}}$, 代入(2.1)-(2.4)式可得

$\begin{equation} \begin{aligned} {f_{(1:4)}}(x) = 4{\mathrm{e}^{ - 4x}}, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} {f_{(2:4)}}(x) = 12(1 - {\mathrm{e}^{ - x}}){\mathrm{e}^{ - 3x}}, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} {f_{(3:4)}}(x) = 12{(1 - {\mathrm{e}^{ - x}})^2}{\mathrm{e}^{ - 2x}} \end{aligned} \end{equation}$

$\begin{equation} \begin{aligned} {f_{(4:4)}}(x) = 4{(1 - {\mathrm{e}^{ - x}})^3}{\mathrm{e}^{ - x}}. \end{aligned} \end{equation}$

接着, 从(4.27)-(4.30)式可得

$\begin{equation} \begin{aligned} {\mu _{(1:4)}} = \int_0^{ + \infty } {4x{\mathrm{e}^{ - 4x}}} \mathrm{d}x = 0.25, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} \sigma _{(1:4)}^2 = \int_0^{ + \infty } {4{x^2}{\mathrm{e}^{ - 4x}}} - \mu _{(1:4)}^2\mathrm{d}x = 0.0625, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} {\mu _{(2:4)}} = \int_0^{ + \infty } {12x(1 - {\mathrm{e}^{ - x}}){\mathrm{e}^{ - 3x}}} \mathrm{d}x = 0.583333333, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} \sigma _{(2:4)}^2 = \int_0^{ + \infty } {12{x^2}(1 - {\mathrm{e}^{ - x}}){\mathrm{e}^{ - 3x}}} - \mu _{(2:4)}^2\mathrm{d}x = 0.173611161, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} {\mu _{(3:4)}} = \int_0^{ + \infty } {12x{{(1 - {\mathrm{e}^{ - x}})}^2}{\mathrm{e}^{ - 2x}}} \mathrm{d}x = 1.083333333, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} \sigma _{(3:4)}^2 = \int_0^{ + \infty } {12{x^2}{{(1 - {\mathrm{e}^{ - x}})}^2}{\mathrm{e}^{ - 2x}}} - \mu _{(3:4)}^2\mathrm{d}x = 0.423611611, \end{aligned} \end{equation}$
$\begin{equation} \begin{aligned} {\mu _{(4:4)}} = \int_0^{ + \infty } {4x{{(1 - {\mathrm{e}^{ - x}})}^3}{\mathrm{e}^{ - x}}} \mathrm{d}x = 2.083333333 \end{aligned} \end{equation}$

$\begin{equation} \begin{aligned} \sigma _{(4:4)}^2 = \int_0^{ + \infty } {4{x^2}{{(1 - {\mathrm{e}^{ - x}})}^3}{\mathrm{e}^{ - x}}} - \mu _{(4:4)}^2\mathrm{d}x = 1.423612611. \end{aligned} \end{equation}$

$({r_1},{r_{_2}},{r_3},{r_4}) = (2,1,1,0)$ 时, 根据定理 2.1, 把(4.31)-(4.38)式代入(2.5)式可得

$\begin{equation} \begin{aligned} \mathrm{MSE}{({{\bar X}_{RSS}})^{(2,1,1,0)}} &= \frac{1}{{16}}(2 \times \sigma _{(1:4)}^2 + 1 \times \sigma _{(2:4)}^2 + 1 \times \sigma _{(3:4)}^2)\\ & + {\left[ {\frac{1}{4}(2 \times {\mu _{(1:4)}} + 1 \times {\mu _{(2:4)}} + 1 \times {\mu _{(3:4)}}) - 1} \right]^2}\\ &= 0.255208452.\notag \end{aligned} \end{equation}$

接着, 其它 RSS 设计依次由定理 2.1 计算可得 MSE 数值结果如表4所示.

表4   $Exp(1)$ 4×4 RSS 设计的 MSE 数值结果

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因此, 由表4 可知基于 MSE 最小准则下, $Exp(1)$ 的 4×4 最优 RSS 设计为

$\begin{equation} \begin{aligned} ({r_1},{r_2},{r_3},{r_4}) = (0,1,3,0).\notag \end{aligned} \end{equation}$

5 可循环 4×4 最优 RSS 设计下一些分布中 ${{\bar X}_{RS{S_r}}}$ 的 MSE

本节根据第 4 节中正态分布, 均匀分布和指数分布找到的 4×4 最优 RSS 设计, 基于第 3 节的理论, 计算了 ${{\bar X}_{RS{S_r}}}$ 的 MSE.

例 5.1 在可循环 4×4 最优 RSS 设计 $(r_1,r_2,r_3,r_4) = (0,2r,2r,0)$ 下, 计算 $N(0,1)$ 估计量 ${{\bar X}_{RS{S_r}}}$ 的 MSE.

由(3.1)式和(4.9)-(4.12)式可得

$\begin{equation} \begin{aligned} \mathrm{MSE}{({{\bar X}_{RS{S_r}}})^{(0,2r,2r,0)}} &= \frac{1}{{16r}}\left( {2\sigma _{(2:4)}^2 + 2\sigma _{(3:4)}^2} \right) + {\left[ {\frac{1}{4}\left( {2{\mu _{(2:4)}} + 2{\mu _{(3:4)}}} \right) - 0} \right]^2}\\ &= \frac{{0.090113832}}{r}. \end{aligned} \end{equation}$

由(5.1)式知, 随着 $r$ 的增大, 估计量 ${{\bar X}_{RS{S_r}}}$ 的 MSE 不断减小.

例 5.2 在可循环 4×4 最优 RSS 设计 $(r_1,r_2,r_3,r_4) = (2r,0,0,2r)$ 下, 计算 $U(0,1)$ 估计量 ${{\bar X}_{RS{S_r}}}$ 的 MSE.

把(4.19), (4.20), (4.25), (4.260式代入(3.1)式可得

$\begin{equation} \begin{aligned} \mathrm{MSE}{({{\bar X}_{RS{S_r}}})^{(2r,0,0,2r)}} &= \frac{1}{{16r}}\left( {2\sigma _{(1:4)}^2 + 2\sigma _{(4:4)}^2} \right) + {\left[ {\frac{1}{4}\left( {2{\mu _{(1:4)}} + 2{\mu _{(4:4)}}} \right) - \frac{1}{2}} \right]^2}\\ &= \frac{{0.006666667}}{r}. \end{aligned} \end{equation}$

由(5.2)式知, 随着 $r$ 的增大, 估计量 ${{\bar X}_{RS{S_r}}}$ 的 MSE 不断减小.

例 5.3 在可循环 4×4 最优 RSS 设计 $(r_1,r_2,r_3,r_4) = (0,r,3r,0)$ 下, 计算 Exp$(1)$ 估计量 ${{\bar X}_{RS{S_r}}}$ 的 MSE.

由(3.1)式和(4.33)至(4.36)式可得

$\begin{equation} \begin{aligned} \mathrm{MSE}{({{\bar X}_{RS{S_r}}})^{(0,r,3r,0)}} &= \frac{1}{{16r}}\left( {\sigma _{(2:4)}^2 + 3\sigma _{(3:4)}^2} \right) + {\left[ {\frac{1}{4}\left( {{\mu _{(2:4)}} + 3{\mu _{(3:4)}}} \right) - 1} \right]^2}\\ &= \frac{{0.090277875}}{r} + 0.001736133. \end{aligned} \end{equation}$

由(5.3)式知, 随着 $r$ 的增大, 估计量 ${{\bar X}_{RS{S_r}}}$ 的 MSE 不断减小.

6 结语

本文给出了 4×4 RSS 设计下总体均值估计的 MSE 及其 35 种设计. 基于 MSE 最小准则下, 给出了寻找总体均值估计的 4×4 最优 RSS 设计的一般结论, 然后研究了可循环 4×4 最优 RSS 设计下 ${{\bar X}_{RS{S_r}}}$ 的 MSE.

针对正态分布, 均匀分布和指数分布, 本文基于 MSE 最小准则下, 找到了这三个分布总体均值估计的 4×4 最优 RSS 设计, 并进一步研究了这三个分布在可循环 4×4 最优 RSS 设计下 ${{\bar X}_{RS{S_r}}}$ 的 MSE. 理论结果表明, ${{\bar X}_{RS{S_r}}}$ 的估计精度随着循环的增大不断提高.

有如下问题值得进一步的研究. 第一, 本文考虑了 MSE 最小准则下总体均值估计的 4×4 最优 RSS 设计及其性质, 如何在 MSE 最小准则下, 获得总体均值估计的 $S$×$S$$(S=5,6,7)$ 最优RSS设计及其性质将是一个有趣的问题. 第二, 本文仅考虑了完美排序 4×4 最优 RSS 设计下总体均值估计的性质, 如何考虑非完美排序对 4×4 最优 RSS 设计下总体均值估计的影响将是一个很值得研究的问题. 第三, 本文仅给出了4×4 最优 RSS 设计下总体均值估计的 MSE, 然而并未对这种最优设计下该估计的 MSE 的估计问题展开研究. 因此未来也可以研究 (非) 完美4×4最优RSS设计下总体均值估计的 MSE 的估计问题.

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Bilal 分布中参数的修正极大似然估计及其抽样性质

系统科学与数学, 2025, 45(2): 639-650

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Bilal分布作为寿命模型, 在生存分析中起着重要作用.文章分别在简单随机抽样(SRS)和排序集抽样(RSS)下研究了Bilal分布中参数$\theta$的修正极大似然估计(MLE),获得了该修正MLE的有限样本性质和大样本性质. 数值结果表明,同等样本容量下的RSS修正MLE比SRS修正MLE有效.数值模拟也显示同种抽样下MLE 的均方误差和修正MLE的方差是非常接近的,但具有显性解的修正MLE在实际中使用更方便.

Wang H, Chen W X.

Modified maximum likelihood estimator and sampling properties of estimator for Bilal distribution

Journal of Systems Science and Mathematical Sciences, 2025, 45(2): 639-650

DOI:10.12341/jssms23681     

Bilal distribution is the most exploited distribution for life-time data analysis. In this paper, we study the modified maximum likelihood estimator (MLE) of the parameter $\theta$ for Bilal distribution under simple random sampling (SRS) and ranked set sampling (RSS) and obtain finite sample properties and large sample properties of the modified MLE. Numerical results show that modified MLE under RSS can be real competitors against the ones based on SRS, when the sample size is used. Numerical results also show that the mean square error of classical MLE is very close to the variance of modified MLE under the same sampling, but modified MLE with explicit solution is more convenient to use in practice.

姜杰, 陈望学, 汪寒.

不同类型排序集抽样设计下 Topp-Leone 分布中参数的极大似然估计及其性质

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DOI:10.20142/j.cnki.amas.202401043      [本文引用: 1]

在统计推断里, 参数估计的好坏很大程度上依赖于抽样设计, 所以有效的抽样设计将是一项重要的研究课题. 本文分别在排序集抽样(RSS), 非均等最大值排序集抽样(MaxRSSU)和非均等最小值排序集抽样(MinRSSU)下研究了Topp-Leone分布中参数的极大似然估计(MLE)及其性质. 上述MLE渐近效率的理论结果表明MaxRSSU估计和简单随机抽样估计一样有效, RSS估计和MinRSSU估计都比简单随机抽样估计有效.

Jiang J, Chen W X, Wang H.

Maximum likelihood estimator of the parameter of Topp-Leone distribution and its properties under different types of ranked set sampling

Acta Mathematicae Applicatae Sinica, 2025, 48(2): 294-304

DOI:10.20142/j.cnki.amas.202401043      [本文引用: 1]

In statistical parameter estimation problems, how well the parameters are estimated largely depends on the sampling design used. In this article, we consider maximum likelihood estimator(MLE) of the parameter of Topp-Leone distribution and its properties under ranked set sampling(RSS), maximum ranked set sampling with unequal samples(MaxRSSU) and minimum ranked set sampling with unequal samples(MinRSSU). Theoretical results of asymptotic efficiencies of the above MLE show that the MaxRSSU estimator and the simple random sampling estimator have the same efficiency, the RSS estimator and the MinRSSU estimator are more efficient than the simple random sampling estimator.

Takahasi K, Wakimoto K.

On unbiased estimates of the population mean based on the sample stratified by means of ordering

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最优排序集抽样下正态分布中总体方差的优良估计及其性质

系统科学与数学, 2026, 46(6): 2048-2063

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文章在平衡排序集抽样 (RSS) 设计下研究了 $N(\mu,{\sigma ^2})$ 分布中 $\mu$ 已知时, 总体方差 ${\sigma ^2}$ 的优良估计及其性质. 理论结果表明, 总体方差的平衡 RSS 估计比简单随机抽样 (SRS) 估计有效. 为进一步提高统计推断的效率, 文章提出了适用于该模型的 Fisher 信息量最大化 RSS 设计和拟充分完全统计量 RSS 设计, 并在这两种设计下研究了该模型中总体方差的优良估计及其性质. 研究结果表明, 总体方差的 Fisher 信息量最大化 RSS 估计和拟充分完全统计量 RSS 估计都比平衡 RSS 估计有效. 总体方差的拟充分完全统计量 RSS 估计比 Fisher 信息量最大化 RSS 估计有效. 另外,文章在平衡 RSS 下研究了 $N(\mu,{\sigma ^2})$ 分布中 $\mu$ 未知时, 总体方差 ${\sigma ^2}$ 的优良估计及其性质. 研究结果表明, $\mu$ 未知时总体方差的平衡 RSS 估计比 SRS 估计有效. 实际数据分析进一步验证了这个研究结果.

Zhang P, Chen W X.

Some properties of optimal estimation of population variance for normal distribution under optimal ranked set sampling

Journal of Systems Science and Mathematical Sciences, 2026, 46(6): 2048-2063

DOI:10.12341/jssms240884     

This paper explores the characteristics of optimal estimation for the population variance $\sigma ^2$ in a normal distribution $N(\mu,{\sigma ^2})$, where $\mu$ is known, utilizing balanced ranked set sampling (RSS). The theoretical findings indicate that the balanced RSS estimation of population variance exhibits greater efficiency compared to the estimation derived from simple random sampling (SRS). To enhance the efficiency of statistical inference, we propose a Fisher information maximization approach and a quasi-sufficient complete statistic framework for the RSS design. Furthermore, we investigate the optimal estimation of population variance and analyze its characteristics under these two methodologies. The numerical findings indicate that the RSS estimation of population variance utilizing Fisher information maximization, as well as the RSS estimation based on quasi-sufficient complete statistics, exhibit superior efficiency compared to the balanced RSS estimation. Furthermore, the quasi-sufficient complete statistic RSS estimation for population variance demonstrates greater efficiency than that derived from Fisher information maximization. Furthermore, this paper explores the characteristics of optimal estimation for the population variance $\sigma ^2$ in a normal distribution $N(\mu,{\sigma ^2})$, where $\mu$ is unknown, utilizing balanced RSS. The numerical findings indicate that the balanced RSS estimation of population variance exhibits greater efficiency compared to the estimation derived from SRS when $\mu$ is unknown. The real data analysis is provided to illustrate the numerical findings.

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