概率论习题
在长为L的线段上独立地任取两点,求两点间距离的数学期望和方差。解:假设X,Y是线段上的两点,X与Y的距离∣X−Y∣记作Z假设X,Y是线段上的两点, X与Y的距离|X-Y|记作Z假设X,Y是线段上的两点,X与Y的距离∣X−Y∣记作Z在线段上任取一点,每一点被取到的概率都相等,X和Y服从均匀分布:在线段上任取一点,每一点被取到的概率都相等,X和Y服从均匀分布:在线段上任取一点,每一点被取到的概率都相等
在长为L
的线段上独立地任取两点,求两点间距离的数学期望和方差。
解:
假 设 X , Y 是 线 段 上 的 两 点 , X 与 Y 的 距 离 ∣ X − Y ∣ 记 作 Z 假设X,Y是线段上的两点, X与Y的距离|X-Y|记作Z 假设X,Y是线段上的两点,X与Y的距离∣X−Y∣记作Z
在 线 段 上 任 取 一 点 , 每 一 点 被 取 到 的 概 率 都 相 等 , X 和 Y 服 从 均 匀 分 布 : 在线段上任取一点,每一点被取到的概率都相等,X和Y服从均匀分布: 在线段上任取一点,每一点被取到的概率都相等,X和Y服从均匀分布:
X ∼ U ( 0 , L ) , Y ∼ U ( 0 , L ) X \sim U(0,L) ,\quad Y \sim U(0,L) X∼U(0,L),Y∼U(0,L)
f X ( x ) = 1 L = f Y ( y ) f_X(x)=\frac{1}{L}=f_Y(y) fX(x)=L1=fY(y)
∵ X 与 Y 独 立 ∵X与Y独立 ∵X与Y独立
∴ f ( x y ) = f X ( x ) × f Y ( y ) = 1 L 2 ∴f(xy)=f_X(x)×f_Y(y)=\frac{1}{L^2} ∴f(xy)=fX(x)×fY(y)=L21
E ( Z ) = E ( ∣ X − Y ∣ ) E(Z)=E(|X-Y|) E(Z)=E(∣X−Y∣)
当 X > Y 时 , E ( ∣ X − Y ∣ ) = ∫ 0 L d x ∫ 0 X ( x − y ) 1 L 2 d y = 1 L 2 ∫ 0 L ( x y − 1 2 y 2 ) ∣ 0 x d x = 1 L 2 ∫ 0 L 1 2 x 2 d x = 1 6 L 2 x 3 ∣ 0 L = 1 6 L (1) \begin{aligned} 当X>Y时,E(|X-Y|) =& ∫_0^Ldx∫_0^X(x-y)\frac{1}{L^2} \quad dy \tag{1}\\ =& \frac{1}{L^2}∫_0^L(xy-\frac{1}{2}y^2)|_0^x \quad dx \\ =& \frac{1}{L^2}∫_0^L \frac{1}{2}x^2 \quad dx \\ =& \frac{1}{6L^2}x^3|_0^L \\ =& \frac{1}{6}L \end{aligned} 当X>Y时,E(∣X−Y∣)=====∫0Ldx∫0X(x−y)L21dyL21∫0L(xy−21y2)∣0xdxL21∫0L21x2dx6L21x3∣0L61L(1)
当 Y > X 时 , E ( ∣ X − Y ∣ ) = 1 L 2 ∫ 0 L d x ∫ x L ( y − x ) d y = 1 L 2 ∫ 0 L ( 1 2 y 2 − x y ) ∣ X L d x = 1 L 2 ∫ 0 L 1 2 L 2 − L x − ( 1 2 x 2 − x 2 ) d x = 1 L 2 ∫ 0 L 1 2 x 2 − L x + 1 2 L 2 d x = 1 L 2 × ( 1 6 x 3 − 1 2 L x 2 + 1 2 L 2 x ) ∣ 0 L = 1 6 L (2) \begin{aligned} 当Y>X时,E(|X-Y|) =& \frac{1}{L^2} ∫_0^Ldx∫_x^L(y-x) \quad dy \\ =& \frac{1}{L^2} ∫_0^L (\frac{1}{2}y^2-xy)|_X^L \quad dx \\ =& \frac{1}{L^2} ∫_0^L \frac{1}{2}L^2 -Lx - (\frac{1}{2}x^2-x^2) \quad dx \\ =& \frac{1}{L^2} ∫_0^L \frac{1}{2}x^2 -Lx+ \frac{1}{2}L^2 \quad dx \\ =& \frac{1}{L^2}×(\frac{1}{6}x^3-\frac{1}{2}Lx^2+\frac{1}{2}L^2x)|_0^L \\ =& \frac{1}{6}L \tag{2} \end{aligned} 当Y>X时,E(∣X−Y∣)======L21∫0Ldx∫xL(y−x)dyL21∫0L(21y2−xy)∣XLdxL21∫0L21L2−Lx−(21x2−x2)dxL21∫0L21x2−Lx+21L2dxL21×(61x3−21Lx2+21L2x)∣0L61L(2)
由 ( 1 ) ( 2 ) 可 得 : E ( Z ) = 1 3 L 由(1)(2)可得:\quad E(Z)=\frac{1}{3}L 由(1)(2)可得:E(Z)=31L
- Note
当 Y > X 时 , 还 可 以 先 积 x 后 积 y : ∫ 0 L d y ∫ 0 y ( y − x ) 1 L 2 d x 当Y>X时,还可以先积x后积y: \quad ∫_0^Ldy \quad ∫_0^y(y-x)\frac{1}{L^2} \quad dx 当Y>X时,还可以先积x后积y:∫0Ldy∫0y(y−x)L21dx
D ( Z ) = E ( Z 2 ) − ( E Z ) 2 D(Z)=E(Z^2)-(EZ)^2 D(Z)=E(Z2)−(EZ)2
E ( Z 2 ) = 1 L 2 ∫ 0 L d x ∫ 0 L ( x − y ) 2 d y = 1 L 2 ∫ 0 L − 1 3 ( x − y ) 3 ∣ 0 L d x = 1 L 2 ∫ 0 L − 1 3 ( x − L ) 3 + 1 3 x 3 d x = 1 L 2 × [ ( − 1 12 ( x − L ) 4 ) + 1 12 x 4 ] ∣ 0 L = 1 6 L 2 \begin{aligned} E(Z^2) =& \frac{1}{L^2} ∫_0^L dx ∫_0^L (x-y)^2 dy \\ =& \frac{1}{L^2} ∫_0^L -\frac{1}{3}(x-y)^3|_0^L \quad dx \\ =& \frac{1}{L^2} ∫_0^L -\frac{1}{3}(x-L)^3 + \frac{1}{3}x^3 \quad dx \\ =& \frac{1}{L^2} ×[(-\frac{1}{12}(x-L)^4) + \frac{1}{12}x^4 ]|_0^L \\ =& \frac{1}{6}L^2 \end{aligned} E(Z2)=====L21∫0Ldx∫0L(x−y)2dyL21∫0L−31(x−y)3∣0LdxL21∫0L−31(x−L)3+31x3dxL21×[(−121(x−L)4)+121x4]∣0L61L2
∴ D ( Z ) = 1 6 L 2 − ( L 3 ) 2 = L 2 ( 1 6 − 1 9 ) = L 2 18 \begin{aligned} ∴D(Z) =& \frac{1}{6}L^2 - (\frac{L}{3})^2 \\ =& L^2(\frac{1}{6}-\frac{1}{9}) \\ =& \frac{L^2}{18} \end{aligned} ∴D(Z)===61L2−(3L)2L2(61−91)18L2
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