方法与技巧
统计量求期望, 方差等数字特征是数理统计中的基本题型.
另外在后面的有关估计量的无偏性及有效性内容当中也会用到此类计算.
统计量求数字特征时经常用到以下公式, 需熟记:
E(Xˉ)=E(X)( 或 μ),
D(Xˉ)=nD(X)( 或 nσ2),
E(S2)=D(X)(或σ2),
1.17
设总体 X 服从正态分布 N(μ,σ2),X1,X2,⋯,Xn 为其样本, Xˉ 为均值, S2 为样本方差. 试求:
(1) Xˉ 的数学期望与方差.
(2) S2 的数学期望.
分析
本题既可以利用公式 E(Xˉ)=E(X)、D(Xˉ)=nD(X)、E(S2)=D(X) 直接计算,也可利用期望与方差的性质推导,其中在求 S2 的期望时,采用 S2 的另一种表达式,即
S2=n−11(i=1∑nXi2−nXˉ2),
问题就变得简单了.
解
(1)
X1,X2,⋯,Xn 相互独立且与 X 有相同的分布,所以
E(Xi)=E(X),
E(Xˉ)=E(n1i=1∑nXi)=n1i=1∑nE(Xi)=n1nE(X)=E(X).
故 E(Xˉ)=E(X)=μ.
又因为 X1,X2,⋯,Xn 相互独立,而且与 X 分布相同,所以
D(Xi)=D(X)(i=1,2,⋯,n),
D(Xˉ)=D(n1i=1∑nXi)=n21i=1∑nD(Xi)=n21nD(X)=n1D(X).
故 D(Xˉ)=nσ2.
(2)
E(S2)=E[n−11(i=1∑nXi2−nXˉ2)]=n−11[i=1∑nE(Xi2)−nE(Xˉ2)].
因为
E(Xi2)=D(Xi)+[E(Xi)]2(i=1,2,⋯,n),
E(Xˉ2)=D(Xˉ)+[E(Xˉ)]2,
因此
E(Xi2)=D(X)+[E(X)]2(i=1,2,⋯,n),
E(Xˉ2)=n1D(X)+[E(X)]2,
故
E(S2)=n−11{nD(X)+n[E(X)]2−D(X)−n[E(X)]2}=D(X).
所以 E(S2)=σ2.
1.18
设 X1,X2,⋯,Xm 为来自二项分布总体 B(n,p) 的简单随机样本, Xˉ 和 S2 分别为样本均值和样本方差.
记统计量 T=Xˉ−S2, 则 E(T)= ___ .
解
因为 X∼B(n,p),则 EX=np,DX=np(1−p).
则
E(T)=E(Xˉ−S2)=E(Xˉ)−E(S2)=EX−DX=np−np(1−p)=np2.
故应填 np2.
1.19
设 X1,X2,⋯,Xn 为来自总体 N(μ,σ2) 的简单随机样本,记统计量 T=n1i=1∑nXi2, 则 E(T)= ___ .
解
因为 Xi∼N(μ,σ2),所以 EXi=μ,DXi=σ2. 则
E(T)=E(n1i=1∑nXi2)=n1i=1∑nE(Xi2)=n1i=1∑n[DXi+(EXi)2]=n1i=1∑n(σ2+μ2)=σ2+μ2.
1. 20
设总体 X 的概率密度为 f(x)=21e−∣x∣(−∞<x<+∞),X1,X2,⋯,Xn 为总体 X 的简单随机样本,其样本方差为 S2,则 ES2= ___ .
解
因为 E(S2)=DX,而
EX=∫−∞+∞xf(x)dx=0,
E(X2)=∫−∞+∞x2f(x)dx=∫−∞+∞x2⋅21e−∣x∣dx
=∫0+∞x2e−xdx=−x2e−x0+∞+∫0+∞2xe−xdx=2,
DX=E(X2)−(EX)2=2,
则 E(S2)=2.
1.21
设总体 X 服从正态分布 N(μ,σ2)(σ>0). 从该总体中抽取简单随机样本 X1,X2, ⋯,X2n(n≥2).
其样本均值为 Xˉ=2n1i=1∑2nXi,试求统计量
Y=i=1∑n(Xi+Xn+i−2Xˉ)2
的数学期望 E(Y).
解法一
由已知条件 X1,X2,⋯,X2n 均服从 N(μ,σ2) 且相互独立,
所以 (X1+Xn+1),(X2+Xn+2),⋯,(Xn+X2n) 相互独立且服从 N(2μ,2σ2),故
(X1+Xn+1),(X2+Xn+2),⋯,(Xn+X2n)
可作为来自总体 N(2μ,2σ2) 的样本.
其样本均值为
n1i=1∑n(Xi+Xn+i)=n1i=1∑2nXi=2Xˉ,
其样本方差为
n−11i=1∑n(Xi+Xn+i−2Xˉ)2=n−11Y,
因为 E(S2)=σ2,故
E(n−11Y)=2σ2, 得 E(Y)=2(n−1)σ2.
解法二
记 Xˉ′=n1i=1∑nXi,Xˉ′′=n1i=1∑nXn+i,
显然有 2Xˉ=Xˉ′+Xˉ′′. 因此
E(Y)=E[i=1∑n(Xi+Xn+i−2Xˉ)2]=E{i=1∑n[(Xi−Xˉ′)+(Xn+i−Xˉ′′)]2}=E{i=1∑n[(Xi−Xˉ′)2+2(Xi−Xˉ′)(Xn+i−Xˉ′′)+(Xn+i−Xˉ′′)2]}=E[i=1∑n(Xi−Xˉ′)2]+0+E[i=1∑n(Xn+i−Xˉ′′)2]=(n−1)σ2+(n−1)σ2=2(n−1)σ2.
解法三
Y=i=1∑n(Xi+Xn+i−2Xˉ)2=i=1∑n(Xi2+Xn+i2+2XiXn+i−4XˉXi−4XˉXn+i+4Xˉ2)=i=1∑2nXi2+2i=1∑nXiXn+i−4Xˉi=1∑2nXi+4nXˉ2=i=1∑2nXi2+2i=1∑nXiXn+i−4nXˉ2.
又由 DXˉ=E(Xˉ2)−(EXˉ)2 可得, E(Xˉ2)=2nσ2+μ2.
同理 EXi2=μ2+σ2.
因此
E(Y)=i=1∑2nEXi2+2i=1∑nEXiEXn+i−4nE(Xˉ2)=2n(σ2+μ2)+2nμ2−4n(2nσ2+μ2)=2(n−1)σ2.
点评
本题方法一和方法二都用到了 E(S2)=σ2 这个结论,非常方便.
1.22
设总体 X 服从参数 λ(λ>0) 的泊松分布, X1,X2,⋯,Xn(n≥2) 为来自总体的简单随机样本,则对于统计量 T1=n1i=1∑nXi,T2=n−11i=1∑n−1Xi+n1Xn 有_____.
(A) ET1>ET2,DT1>DT2 (B) ET1>ET2,DT1<DT2
(C) ET1<ET2,DT1>DT2 (D) ET1<ET2,DT1<DT2
解
由 X1,⋯,Xn∼P(λ) 知
EXi=λ,DXi=λ,i=1,2,⋯,n.
从而 ET1=E(n1i=1∑nXi)=λ,
ET2=n−11i=1∑n−1EXi+n1EXn=λ+nλ,
故 ET1<ET2,
DT1=n21D(i=1∑nXi)=n2nλ=nλ,
DT2=(n−1)21i=1∑n−1DXi+n21DXn
=n−1λ+n2λ>nλ=DT1.
故应选(D).
1.23
设 X1,X2,⋯,Xn 是取自 N(0,σ2) 的简单样本, Xˉk=k1i=1∑kXi,1≤k≤n,则 Cov(Xˉk,Xˉk+1)= ( ).
(A) σ2 (B) kσ2 (C) k+1σ2 (D) k(k+1)σ2
解
Cov(Xˉk,Xˉk+1)=k(k+1)1Cov(i=1∑kXi,i=1∑kXi+Xk+1)
=k(k+1)1Cov(i=1∑kXi,i=1∑kXi)=k(k+1)1D(i=1∑kXi)
=k(k+1)1⋅kσ2=k+1σ2.
故应选(C).
1.24
设 X1,X2,⋯,Xn 是来自总体 N(μ,σ2) 的样本,记 Y=n1i=1∑n∣Xi−μ∣,试证:
E(Y)=π2σ,D(Y)=(1−π2)nσ2.
分析
Yi=Xi−μ∼N(0,σ2),E(∣Yi∣)=2πσ2∫0+∞ye2σ2y2dy.
证 记 Yi=Xi−μ,得 Yi∼N(0,σ2),i=1,2,⋯,n.
E(∣Xi−μ∣)=E(∣Yi∣)=2πσ1∫−∞+∞∣y∣e−2σ2y2dy=2πσ2∫0+∞ye−2σ2y2dy
=−2π2σe−2σ2y20+∞=π2σ.
D(∣Xi−μ∣)=D(∣Yi∣)=E(Yi2)−[E(∣Yi∣)]2
=D(Yi)+(EYi)2−(π2σ)2
=σ2+0−π2σ2=(1−π2)σ2.
所以 E(Y)=E(n1i=1∑n∣Xi−μ∣)=n1i=1∑nE(∣Xi−μ∣)
=n1⋅nπ2σ=π2σ,
D(Y)=D(n1i=1∑n∣Xi−μ∣)=n21i=1∑nD(∣Xi−μ∣)
=(1−π2)nσ2.