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Percorso della pagina
  1. Science
  2. Bachelor Degree
  3. Matematica [E3502Q - E3501Q]
  4. Courses
  5. A.A. 2026-2027
  6. 3rd year
  1. Mathematical Statistics
  2. Summary
Insegnamento Course full name
Mathematical Statistics
Course ID number
2627-3-E3501Q062
Course summary SYLLABUS

Course Syllabus

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Obiettivi

Conoscenza e capacità di comprensione
Lo studente acquisirà una solida conoscenza dei principali concetti della statistica inferenziale, con particolare attenzione alla teoria degli stimatori, all'informazione di Fisher, agli intervalli di confidenza e ai test di ipotesi. Verranno approfonditi i modelli statistici formali e i fondamenti teorici alla base della stima e dell'inferenza, sviluppando una comprensione rigorosa dei metodi statistici dal punto di vista matematico.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente sarà in grado di applicare in modo critico le tecniche statistiche a problemi concreti, selezionando modelli adeguati e utilizzando strumenti computazionali (in particolare il software R) per l’analisi di dati reali o simulati. Sarà inoltre in grado di valutare l’efficienza e le proprietà degli stimatori all’interno di modelli specifici.

Autonomia di giudizio
Lo studente svilupperà la capacità di analizzare in modo autonomo problemi inferenziali, valutando criticamente le assunzioni dei modelli e le implicazioni delle scelte metodologiche. Saprà confrontare diversi metodi inferenziali e motivare le scelte operate in contesti teorici e applicati.

Abilità comunicative
Lo studente sarà in grado di esporre con chiarezza e rigore argomenti teorici e applicativi della statistica matematica, utilizzando un linguaggio tecnico appropriato. Saprà redigere relazioni sull’analisi statistica dei dati e presentare i risultati ottenuti sia a interlocutori specialisti che non specialisti.

Capacità di apprendimento
Lo studente svilupperà le competenze necessarie per affrontare in modo autonomo lo studio di testi avanzati di statistica e per approfondire in maniera indipendente aspetti teorici e applicativi del campo, anche in vista di un eventuale percorso di studi magistrale o attività di ricerca.

Contenuti sintetici

Il corso inizia con brevi richiami di calcolo delle probabilità relativi a variabili aleatorie, distribuzioni principali, momenti e vettori gaussiani. Il nucleo del programma si sviluppa poi sulla statistica matematica: la teoria dei campioni e le statistiche sufficienti; la stima puntuale tramite i concetti di consistenza, errore quadratico medio e metodo dei momenti; e la teoria degli intervalli di confidenza. Infine, viene trattata la teoria dei test di ipotesi sia in contesti esatti tramite il rapporto di verosimiglianza, sia in ottica asintotica per grandi campioni sfruttando le proprietà degli stimatori di massima verosimiglianza, inclusi i test di Wald e LRT asintotici.

Programma esteso

Il programma è uguale per frequentanti e non frequentanti.

Richiami di Calcolo delle Probabilità
● Variabili aleatorie discrete e assolutamente continue, con relative densità.
● Analisi dettagliata delle distribuzioni discrete notevoli: Bernoulli, Binomiale, Geometrica, Poisson e Uniforme discreta.
● Analisi delle distribuzioni continue notevoli: Uniforme, Esponenziale, Gamma e Normale (Gaussiana).
● Calcolo dei momenti di ordine n, del valore atteso, della varianza e introduzione
alle funzioni caratteristiche.
● Studio dei vettori gaussiani: definizione tramite combinazioni lineari, vettore delle medie, matrice di covarianza e proprietà di indipendenza stocastica legata all'incorrelazione.

Teoria del Campionamento e Statistiche Sufficienti
● Definizione di campione statistico estratto da una popolazione e formalizzazione di variabili aleatorie indipendenti e identicamente distribuite (i.i.d.).
● Struttura probabilistica del campione: densità congiunta.
● Studio delle statistiche campionarie fondamentali: media campionaria e varianza
campionaria, con verifica analitica delle loro proprietà e dei rispettivi valori attesi.
● Definizione formale di statistica sufficiente per un parametro incognito e applicazione del criterio di fattorizzazione per l'identificazione della sufficienza.

Teoria della Stima Puntuale
● Definizione di stimatore puntuale e studio sistematico della proprietà di consistenza
● Richiami operativi sulla Legge Debole dei Grandi Numeri (LDGN) e sui principali concetti di convergenza (in probabilità e in legge).
● Errore Quadratico Medio (MSE) come misura di accuratezza: scomposizione in varianza e distorsione (bias) dello stimatore.
● Criteri di ottimalità nella stima: ricerca di stimatori non distorti a varianza minima (Best Unbiased Estimators - BUE).
● Metodologie classiche per la costruzione degli stimatori puntuali: approfondimento sul metodo dei momenti.

Stima per Intervalli (Intervalli di Confidenza)
● Inquadramento del problema della stima intervallare: definizione di coppia di statistiche per delimitare il parametro d'interesse.
● Definizione formale del livello di confidenza e del coefficiente di confidenza minimale.
● Metodi costruttivi per intervalli di confidenza esatti ed esempi applicativi su modelli notevoli (es. stima della frequenza in modelli Bernoulliani o parametri di modelli Gamma).

Test di Ipotesi Statistiche (Teoria Esatta)
● Formulazione logico-matematica delle ipotesi statistiche: partizione dello spazio dei
parametri in ipotesi nulla (H0) e ipotesi alternativa (H1).
● Definizione della regione di rifiuto e formalizzazione degli errori decisionali: Errore di Prima Specie (rifiutare H0 quando è vera) ed Errore di Seconda Specie (accettare H0 quando è falsa).
● Definizione e studio della funzione di potenza del test statistico e ampiezza del test.
● Struttura del test del rapporto di verosimiglianza (Likelihood Ratio Test - LRT) in contesti esatti e ruolo delle statistiche sufficienti nella riduzione dello spazio campionario.

Teoria Asintotica e Grandi Campioni
● Analisi del comportamento delle famiglie di stimatori al tendere dell'ampiezza campionaria all'infinito: proprietà di consistenza e normalità asintotica.
● La teoria della Massima Verosimiglianza: definizione della funzione di log-verosimiglianza e costruzione degli Stimatori di Massima Verosimiglianza (MV).
● Studio dell'Informazione di Fisher (attesa e osservata) e legame con l'efficienza asintotica degli stimatori di massima verosimiglianza.
● Proprietà di consistenza locale e globale del punto di massimo della log-verosimiglianza sotto opportune condizioni di regolarità.

Test Asintotici
● Costruzione di test statistici basati su approssimazioni per grandi campioni.
● Comportamento asintotico della statistica del rapporto di verosimiglianza: il Teorema sulla convergenza della statistica -2 log(λ) a una distribuzione Chi-quadro sotto l'ipotesi nulla.
● Il Test di Wald basato sull’asintotica normalità dgli stimatori di MV.

Introduzione a R

Prerequisiti

Analisi matematica I e II, in particolare calcolo integrale.

Probabilità di base: leggi di variabili aleatorie discrete e continue. Valore atteso e varianza. Legge di funzioni di variabili aleatorie. Indipendenza. Convergenza di successioni di variabili aleatorie.

Modalità didattica

Si utilizza un approccio didattico ibrido che combina didattica frontale (DE) e didattica interattiva (DI). La DE sarà largamente maggioriitaria (80 %) include la presentazione e spiegazione dettagliata dei contenuti teorici. La DI prevede interventi attivi degli studenti tramite esercizi e problemi, brevi interventi, discussioni collettive e lavori di gruppo o individuali anche utilizzando software statistico (es. R).

Le lezioni (48 ore 6 cfu) si svolgono in presenza e sono tenute in italiano. Su richiesta e previo accordo tra docente e studenti sarà possibile l'utilizzo della lingua inglese.
Compatibilmente con gli strumenti di registrazione a disposizione le lezioni saranno registrate e messe a disposizione sul sito di e-learning.

Materiale didattico

Dispense del Docente
Statistical inference / George Casella, Roger L. Berger. https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&opi=89978449&url=https://pages.stat.wisc.edu/~shao/stat610/Casella_Berger_Statistical_Inference.pdf&ved=2ahUKEwjJjq7Bk4yVAxUp1wIHHQmmCQYQFnoECA4QAQ&usg=AOvVaw3vA7hSUPxpugJ-ZDtidArd

Introduzione alla statistica di A.M.Mood, F.A.Graybill, D.C.Boes, 1991, McGraw-Hill Italia,ISBN: 9788838606618
An Introduction to Mathematica Statistics: F. Bijma, M. Jonker, A. van der Vart, Amsterdam University Press

Altro materiale: slide delle lezioni e degli esercizi su elearning.unimib.it

Periodo di erogazione dell'insegnamento

Secondo semestre

Modalità di verifica del profitto e valutazione

L'esame si compone di due parti (Scritto obbligatorio e Orale opzionale)
Lo scritto è obbligatorio, ed è superato solo se si ottiene una valutazione maggiore o uguale a 16.
L'orale è obbligatorio se si desidera una valutazione superiore a 28 o se si è conseguita alla scritto una valutazione inferiore a 20.
L'orale può comunque sempre essere richiesto sia dal docente che dallo studente e deve essere sostenuto nella stessa sessione dello scritto.

Lo scritto consiste di
2. domande a risposta aperta (sui concetti teorici descritti nel corso, ivi comprese le richieste di enunciare una definizione e/o enunciare e dimostrare teoremi)
2. esercizi scritti: applicazione dei concetti teorici e di tecniche analoghe agli esercizi proposti a lezione e per casa.
presentazione
Durante lo scritto non è consentito tenere materiale didattico,eccetto un formulario fonito su moodle

L'orale è a richiesta del docente e/o dello studente ed è un colloquio sullo scritto, sugli argomenti svolti a lezione e sulla relazione. Nell'orale sono valutate le stesse qualità delle risposte che sono valutate nello scritto.

Orario di ricevimento

Su appuntamento

Sustainable Development Goals

ISTRUZIONE DI QUALITÁ
Export

Aims

Knowledge and understanding
The student will acquire a solid understanding of the main concepts of inferential statistics, with particular focus on estimator theory, Fisher information, confidence intervals, and hypothesis testing. The course will deepen the formal framework of statistical models and the theoretical foundations of estimation and inference, promoting a rigorous mathematical comprehension of statistical methods.

Applying knowledge and understanding
The student will be able to apply statistical techniques critically to real-world problems, selecting appropriate models and using computational tools (especially the R software) for data analysis. They will also be able to evaluate the efficiency and properties of estimators within specific models.

Making judgements
The student will develop the ability to autonomously analyze inferential problems, critically assessing model assumptions and the implications of methodological choices. They will be able to compare different inferential methods and justify their decisions in both theoretical and applied contexts.

Communication skills
The student will be able to clearly and rigorously present theoretical and applied topics in mathematical statistics, using appropriate technical language. They will be able to write reports on statistical data analysis and effectively communicate results to both specialists and non-specialists.

Learning skills
The student will develop the skills necessary for independent study of advanced texts in statistics and for deepening theoretical and applied aspects of the field, also in view of pursuing graduate studies or engaging in research activities.

Contents

The course begins with brief reviews of probability theory covering random variables, main distributions, moments, and Gaussian vectors. The core syllabus then focuses on mathematical statistics: sampling theory and sufficient statistics; point estimation through consistency, mean squared error, and the method of moments; and interval estimation via confidence intervals. Finally, the theory of hypothesis testing is developed, including both exact tests based on the likelihood ratio and asymptotic tests for large samples using the properties of maximum likelihood estimators, such as the Wald and asymptotic LRT tests.

Detailed program

Review of Probability
● Discrete and absolutely continuous random variables, with their respective densities.
● Detailed analysis of notable discrete distributions: Bernoulli, Binomial, Geometric, Poisson, and Discrete Uniform.
● Analysis of notable continuous distributions: Uniform, Exponential, Gamma, and Normal (Gaussian).
● Calculation of n-th order moments, expected value, variance, and introduction to characteristic functions.
● Study of Gaussian vectors: definition via linear combinations, mean vector, covariance matrix, and properties of stochastic independence related to uncorrelation.

Sampling Theory and Sufficient Statistics
● Definition of a statistical sample extracted from a population and formalization of independent and identically distributed (i.i.d.) random variables.
● Probabilistic structure of the sample: joint density.
● Study of fundamental sample statistics: sample mean and sample variance, with analytical verification of their properties and respective expected values.
● Formal definition of a sufficient statistic for an unknown parameter and application of the factorization criterion for identifying sufficiency.
Point Estimation Theory
● Definition of a point estimator and systematic study of the property of consistency.
● Operational reviews of the Weak Law of Large Numbers (WLLN) and the main concepts of convergence (in probability and in distribution).
● Mean Squared Error (MSE) as a measure of accuracy: decomposition into variance and bias of the estimator.
● Optimality criteria in estimation: search for Minimum Variance Unbiased Estimators (MVUE / BUE).
● Classical methodologies for the construction of point estimators: in-depth study of the method of moments.

Interval Estimation (Confidence Intervals)
● Framing the interval estimation problem: definition of a pair of statistics to delimit the parameter of interest.
● Formal definition of the confidence level and the minimal confidence coefficient.
● Constructive methods for exact confidence intervals and application examples on notable models (e.g., estimation of frequency in Bernoulli models or parameters of Gamma models).

Statistical Hypothesis Testing (Exact Theory)
● Logical-mathematical formulation of statistical hypotheses: partition of the parameter space into null hypothesis (H0) and alternative hypothesis (H1).
● Definition of the rejection region and formalization of decision errors: Type I Error (rejecting H0 when it is true) and Type II Error (accepting H0 when it is false).
● Definition and study of the power function of the statistical test and size of the test.
● Structure of the Likelihood Ratio Test (LRT) in exact contexts and the role of sufficient statistics in the reduction of the sample space.

Asymptotic Theory and Large Samples
● Analysis of the behavior of families of estimators as the sample size tends to infinity: properties of consistency and asymptotic normality.
● Maximum Likelihood Theory: definition of the log-likelihood function and construction of Maximum Likelihood Estimators (MLE).
● Study of Fisher Information (expected and observed) and its link to the asymptotic efficiency of maximum likelihood estimators.
● Properties of local and global consistency of the maximum point of the log-likelihood under appropriate regularity conditions.

Asymptotic Tests
● Construction of statistical tests based on approximations for large samples.
● Asymptotic behavior of the likelihood ratio statistic: the theorem on the convergence of the statistic -2 log(λ) to a Chi-squared distribution under the null hypothesis.
● The Wald Test based on the asymptotic normality of MLE estimators.

Introduction to R

Prerequisites

Mathematical Analysis I and II, with a focus on integral calculus.

Basic Probability: laws of discrete and continuous random variables. Expected value and variance. Law of functions of random variables. Independence. Convergence of sequences of random variables.

Teaching form

A hybrid teaching approach is used, that combines lecture-based teaching (DE) and interactive teaching (DI). DE (80%) involves detailed presentation and explanation of theoretical content. DI includes active student participation through exercises and problems, short presentations, group discussions, and group or individual work.
The lessons (48 hours, 6 ECTS) are conducted in person and are held in Italian. Upon request and by mutual agreement between the instructor and students, it will be possible to use the English language.
Depending on the availability of recording equipment, the lessons will be recorded and made available on the e-learning website.

Textbook and teaching resource

Lecture notes

Statistical inference / George Casella, Roger L. Berger. https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&opi=89978449&url=https://pages.stat.wisc.edu/~shao/stat610/Casella_Berger_Statistical_Inference.pdf&ved=2ahUKEwjJjq7Bk4yVAxUp1wIHHQmmCQYQFnoECA4QAQ&usg=AOvVaw3vA7hSUPxpugJ-ZDtidArd

Introduction to Statistics by A.M. Mood, F.A. Graybill, D.C. Boes, 1991, McGraw-Hill Italia, ISBN: 9788838606618

An Introduction to Mathematical Statistics: F. Bijma, M. Jonker, A. van der Vaart, Amsterdam University Press

Other materials: Lecture slides and exercise materials on elearning.unimib.it

Semester

Second semester

Assessment method

Exam Structure and Rules
The exam consists of two parts: a mandatory written exam and an optional oral exam.

The Written Exam
Requirement: It is mandatory. You must score 16 or higher to pass.

Format: The written test consists of:

Open-ended questions: Focusing on the theoretical concepts covered throughout the course, including stating definitions and/or stating and proving theorems.

Written exercises: Applying theoretical concepts and techniques similar to the exercises covered in class and assigned as homework.

Allowed Materials: During the written exam, you are not permitted to use teaching materials, with the exception of a specific formula sheet provided on Moodle.

The Oral Exam
It is mandatory: * If you wish to achieve a final grade higher than 28 and if you scored lower than 20 on the written exam.

General rule: Both the professor and the student reserve the right to request an oral exam, regardless of the written test score. The oral exam must take place within the same examination session.

Content: It is a discussion based on your written exam, the topics covered during lectures, and the course report.

Evaluation: The oral exam assesses the exact same qualities in your answers as those evaluated in the written exam.

Office hours

By appointment

Sustainable Development Goals

QUALITY EDUCATION
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Key information

Field of research
MAT/06
ECTS
6
Term
Second semester
Activity type
Mandatory to be chosen
Course Length (Hours)
48
Degree Course Type
Bachelor Degree
Language
Italian

Staff

    Teacher

  • Gianmario Tessitore
    Gianmario Tessitore

Students' opinion

View previous A.Y. opinion

Bibliography

Find the books for this course in the Library

Enrolment methods

Manual enrolments

Sustainable Development Goals

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