2.6
设两个相互独立的随机变量 X 和 Y 的方差分别为 4 和 2,
则随机变量 3X−2Y 的方差是 ( ).
(A) 8 (B) 16 (C) 28 (D) 44
解
由方差的性质知
D(3X−2Y)=D(3X)+D(−2Y)=32D(X)+(−2)2D(Y)=36+8=44.
故应选(D).
2.7
设连续型随机变量 X1 与 X2 相互独立且方差均存在, X1 与 X2 的概率密度分别为
f1(x) 与 f2(x),随机变量 Y1 的概率密度为
fY1(y)=21[f1(y)+f2(y)],
随机变量 Y2=21(X1+X2),则_____.
(A) EY1>EY2,DY1>DY2 (B) EY1=EY2,DY1=DY2
(C) EY1=EY2,DY1<DY2 (D) EY1=EY2,DY1>DY2
解
EY1=∫−∞+∞yfY1(y)dy=21[∫−∞+∞yf1(y)dy+∫−∞+∞yf2(y)dy]
=21(EX1+EX2),
EY2=21E(X1+X2)=21(EX1+EX2),故 EY1=EY2.
DY1=E(Y12)−(EY1)2,DY2=E(Y22)−(EY2)2,
则 DY1−DY2=E(Y12)−E(Y22)
=21[∫−∞+∞y2f1(y)dy+∫−∞+∞y2f2(y)dy]−E[41(X1+X2)2]
=21E(X12)+21E(X22)−41E[(X1+X2)2]
=41E(X12+X22−2X1X2)
=41E[(X1−X2)2]>0,
即 DY1>DY2.
故应选(D).
2.8
设 X 的均值、方差都存在,且 D(X)=0,令
Y=D(X)X−E(X)
则 E(Y)= _____, D(Y)= _____.
解
E(Y)=E(D(X)X−E(X))=D(X)1E(X−E(X))=D(X)1[E(X)−E(X)]=0,
D(Y)=D(D(X)X−E(X))=D(X)1D(X−E(X))=D(X)1[D(X)+D(−E(X))]
=D(X)D(X)=1.
2.9
设 X 为随机变量, C 是常数,证明
D(X)<E{(X−C)2}, 对于 C=E(X).
(由于 D(X)=E[X−E(X)]2,上式表明 E{(X−C)2} 当 C=E(X) 时取到最小值.
证法一
E{(X−C)2}=E(X2−2CX+C2)=E(X2)−2CE(X)+C2
=E(X2)−[E(X)]2+[E(X)]2−2CE(X)+C2
=D(X)+[E(X)−C]2>D(X), 当 E(X)=C.
故当 C=E(X) 时, E(X−C)2 取到最小值 DX.
证法二
DX=E(X−EX)2=E[(X−C)+(C−EX)]2
=E(X−C)2+E(C−EX)2+2E[(X−C)(C−EX)]
=E(X−C)2−(C−EX)2<E(X−C)2.
2.10
设 X1,X2,⋯,Xn 是 n 个独立同分布的随机变量, E(Xi)=μ,D(Xi)=σ2,i=1, 2,⋯,n. 设 Xˉ=n1i=1∑nXi,求 E(Xˉ) 和 D(Xˉ).
解
E(Xˉ) =E[ n1(X1+X2+⋯ +Xn)] =n1(EX1+EX2+⋯ +EXn)=n1⋅ nμ=μ.
D(Xˉ) =D[ n1(X1+X2+⋯ +Xn)] =n21(DX1+DX2+⋯ +DXn)=n21nσ2=nσ2.(by independence)
2.11
一台设备由三大部件构成,在设备运转中各部件需要调整的概率相应为 0.10,0.20 和 0.30,假设各部件的状态相互独立,以 X 表示同时需要调整的部件数,试求 X 的数学期望 EX 和方差 DX.
解法一
先求 X 的分布律,根据分布律再求期望.
根据 X 的意义,显然有 X=0,1,2,3,事件 Ai 表示第 i 件需要调整, i=1,2,3,并注意到事件之间的独立性.
P{X=0}=P(Aˉ1Aˉ2Aˉ3)=0.9×0.8×0.7=0.504,
P{X=1}=P(A1Aˉ2Aˉ3)+P(Aˉ1A2Aˉ3)+P(Aˉ1Aˉ2A3)
=P(A1)P(Aˉ2)P(Aˉ3)+P(Aˉ1)P(A2)P(Aˉ3)+P(Aˉ1)P(Aˉ2)P(A3)
=0.1×0.8×0.7+0.9×0.2×0.7+0.9×0.8×0.3=0.398,
P{X=2}=P(A1A2Aˉ3)+P(A1Aˉ2A3)+P(Aˉ1A2A3)
=P(A1)P(A2)P(Aˉ3)+P(A1)P(Aˉ2)P(A3)+P(Aˉ1)P(A2)P(A3)
=0.1×0.2×0.7+0.1×0.8×0.3+0.9×0.2×0.3=0.092,
P{X=3}=P(A1A2A3)=P(A1)P(A2)P(A3)=0.1×0.2×0.3=0.006,
所以
X | 0 | 1 | 2 | 3 |
---|
P | 43 | 449 | 2209 | 2201 |
E(X)=0×0.504+1×0.398+2×0.092+3×0.006=0.6, | | | | |
D(X)=E(X2)−[E(X)]2=12×0.398+22×0.092+32×0.006−(0.6)2=0.46.
解法二
不求 X 的分布律,引进新的随机变量,利用期望、方差的运算性质求出 X 的期望 E(X),方差 D(X).
现引进新随机变量 Xi,定义如下:
Xi={1,0, 第 i 个部件要调整,即 第 i 个部件不要调整
由此就有
X=i=1∑3Xi
而
Xi∼(0−1)分布E(Xi)=P{Xi=1}=P(Ai)
所以 E(X)=i=1∑3P(Ai)=P(A1)+P(A2)+P(A3)=0.1+0.2+0.3=0.6
D(Xi)=P{Xi=1}P{Xi=0}=P(Ai)P(Aˉi),Xi 之间相互独立
所以
D(X)=i=1∑3D(Xi)=i=1∑3P(Ai)P(Aˉi)=0.1×0.9+0.2×0.8+0.3×0.7=0.46.
点评
本题中解法二比解法一简单得多,这就是利用性质求 EX 和 DX 的好处,但如何引进新随机变量是问题的一个难点. 一般地,总是引入 Xi∼(0−1) 分布,用 ∑Xi 来解决问题.