7.2 习题课讲解
例 7.2.1
设为两个随机变量,其对应的概率密度函数分别为、,求、的概率密度函数。
解
设,依“概率不变原则”可得
因此
因此
其中表示和的卷积。同理可得
例 7.2.2
在正方形内独立均匀随机地取两个点,求这两点之间的距离的期望。
解
设两个点的坐标分别为和,依题意可得
这是一个很难计算的四重积分。为此我们需要换一种思路。
设、。以为例(同理),由于为均匀分布,则为三角分布,其概率分布为
再设,则的分布列为
同理可设,则的分布列为
因此距离的期望为
利用极坐标换元可得
例 7.2.3
设为服从均匀分布的独立随机变量,满足
求的期望。
解
记,依据题意可得
则的分布列为
我们首先证明:
设,记,定义
则。记,注意到
因此
当时,,此时有。当时,定义
显然有,且
根据容斥原理可得
其中
因此
当时,显然有
上式为一个关于的多项式,其在时恒为,故有
因此的数学期望为
借助式,可对使用数学归纳法证明
因此
另解
的特征函数为
记,则的特征函数为
因此的概率密度函数为
注意到
结合Fourier变换的卷积性质
利用数学归纳法逐次卷积可得
当时,显然有
上式为一个关于的多项式,其在时恒为,故有
借助可得
后续解题步骤与前述解法相同。
例 7.2.4
(例13)设,计算:
解
由Green公式可得
例 7.2.5
(例14)证明:
证明
令,则,,故
但这个做法有问题:原本不是瑕点,如此换元后反倒成为瑕点,因为Jacobi行列式不为,为此我们需要将原点单独拿出来讨论。取,则有
因此
故有