7.2 习题课讲解

例 7.2.1 X,Y为两个随机变量,其对应的概率密度函数分别为fX(x)fY(y),求X+YXY的概率密度函数。

Z:=X+Y,依“概率不变原则”可得(1)dP=fX,Z(x,z)dμ(x,z)=fX,Y(x,y)dμ(x,y) 因此(2)fX,Z(x,z)=fX,Y(x,y)|det(x,y)(x,z)|=fX(x)fY(zx) 因此(3)fZ(z)=+fX(x)fY(zx)dx=(fXfY)(z) 其中fXfY表示fXfY的卷积。同理可得(4)fXY(z)=+fX(x)fY(xz)dx

例 7.2.2 在正方形[0,1]2内独立均匀随机地取两个点,求这两点之间的距离的期望。

设两个点的坐标分别为(X1,Y1)(X2,Y2),依题意可得(5)d=[0,1]4(x1x2)2+(y1y2)2dx1dy1dx2dy2 这是一个很难计算的四重积分。为此我们需要换一种思路。

X:=X1X2Y=Y1Y2。以X为例(Y同理),由于X1,X2[0,1]均匀分布,则X为三角分布,其概率分布为(6)fX(x)=+fX1(x1)fX2(x1x)dx1={1+x,x[1,0]1x,x[0,1] 再设U=|X|,则U的分布列为(7)fU(u)=fX(u)+fX(u)={2(1u),u[0,1]0,otherwise 同理可设V=|Y|,则V的分布列为(8)fV(v)={2(1v),v[0,1]0,otherwise 因此距离的期望为(9)d=[0,1]2u2+v2dP(u,v)=[0,1]2u2+v2fU(u)fV(v)dudv=801du01uu2+v2(1u)(1v)dv 利用极坐标换元(u,v)=(rcosθ,rsinθ)可得(10)d=80π/4dθ0secθ(1rcosθ)(1rsinθ)r2dr=80π/4[sec3θ3sec4θ4cosθsec4θ4sinθ+sec5θ5sinθcosθ]dθ=8[1120π/4sec3θdθ1202/21dtt4]=2+2+5ln(2+1)15

例 7.2.3 Xi(iN)为服从[0,1]均匀分布的独立随机变量,NN满足(11)i=1N1Xic<i=1NXi N的期望。

Sn=i=1nXi,依据题意可得(12)P(Snc)=|D|,D={(x1,,xn)x1++xnc}[0,1]nN的分布列为(13)P(N=n)={0,ncP(Sn1c)P(Snc),n>c

我们首先证明:(14)|Dn|=cnn!,Dn={(x1,,xn)x1++xnc}[0,+)n1mn,记Dm={(x1,,xm)x1++xmc}[0,+)n,定义(15)I(n,m):=Dm(ci=1mxi)nm(nm)!dx1dxm|Dn|=I(n,n)。记A=ci=1m1xi,注意到(16)I(n,m)=Dm1dx1dxm10A(Axm)nm(nm)!dxm=Dm1Anm+1(nm+1)!dx1dxm1=I(n,m1) 因此(17)|Dn|=Dndx1dxn=I(n,n)=I(n,0)=cnn!

c1时,D=Dn,此时有P(Snc)=cnn!。当c>1时,定义(18)Ei:={(x1,,xn) | xi>1, x1,,xi1,xi+1,,xn0, i=1nxic} 显然有EiD=,且(19)D=Dni=1nEi 根据容斥原理可得(20)|i=1nEi|=i=1n|Ei|1i<jn|EiEj|++(1)n1|E1En|=k=1min{c,n}(1)k11i1<<ikn|Ei1Eik|=k=1min{c,n}(1)k11i1<<ikn(ck)nn!=k=1min{c,n}(1)k1(nk)(ck)nn! 其中(21)j=1kEij={(x1,,xn) | xi1,,xik>1, x1,,xn0, i=1nxic}={(x1,,xn) | xi1,,xik>0, x1,,xn0, i=1nxick}|j=1kEij|=(ck)nn! 因此(22)P(Snc)=|D|=|Dn||i=1nEi|=1n!k=0min{c,n}(1)k(nk)(ck)n

cn时,显然有(23)P(Snc)=1n!k=0n(1)k(nk)(ck)n=1,cn 上式为一个关于c的多项式,其在cn时恒为1,故有(24)k=0n(1)k(nk)(ck)nn!,cR 因此N的数学期望为(25)E[N]=n=c+1+nP(N=n)=n=c+1+n[P(Sn1c)P(Snc)]=n=c+1+[(n1)P(Sn1c)nP(Snc)]+n=c+1+P(Sn1c)=c+1+n=c+1+1n!k=0c(1)k(nk)(ck)n=c+1+k=0c(1)kk!(ck)k[eckm=0ck(ck)mm!]=k=0c(1)kk!(ck)keck+c+1k=0cm=0ck(1)k(ck)k+mk!m! 借助(24)式,可对n使用数学归纳法证明(26)k=0nm=0nk(1)k(ck)k+mk!m!=n+1,nN, cR, cn 因此(27)E[N]=k=0c(1)kk!(ck)keck

另解 Xi的特征函数为(28)φXi(t)=01eitxdx=eit1itSn=i=1nXi,则Sn的特征函数为(29)φSn(t)=i=1nφXi(t)=(eit1it)n 因此Sn的概率密度函数为(30)fSn(s)=12π+(eit1it)neistdt=F1[(eit1it)n](s) 注意到(31)F1[(eit1)n](s)=k=0n(nk)(1)nkF1[eikt](s)=k=0n(nk)(1)nkδ(sk)F1[1it]=12πPV+eistitdt=+sinst2πtdt=12sgns 结合Fourier变换的卷积性质(32)F[fg](t)=F[f](t)F[g](t) 利用数学归纳法逐次卷积可得(33)fSn(s)=12(n1)!k=0n(1)k(nk)(sk)n1sgn(sk)sn时,显然有(34)fSn(s)=12(n1)!k=0n(1)k(nk)(sk)n1=0,sn 上式为一个关于s的多项式,其在sn时恒为0,故有(35)k=0n(1)k(nk)(sk)n10,sR 借助(35)可得(36)P(Snc)=0cfSn(s)ds=1(n1)!k=0n(1)k(nk)0c(sk)n1[θ(sk)12]ds=1(n1)!k=0min{c,n}(1)k(nk)0c(sk)n112(n1)!0c0ds=1n!k=0min{c,n}(1)k(nk)(ck)n,0cn 后续解题步骤与前述解法相同。

例 7.2.4 (例13)设D={(x,y)x2+y2R2},计算:(37)I:=D1x2+y2(yfxxfy)dxdy

由Green公式可得(38)I=D[x(x2+y2fy)y(x2+y2fx)]dxdy=Dx2+y2(fxdx+fydy)=RDdf=0

例 7.2.5 (例14)证明:(39)[0,1]2(xy)xydxdy=01ttdt

证明(u,v)=(xy,y),则0uv1dudv=ydxdy,故(40)[0,1]2(xy)xydxdy=01uuduu11vdv=01uudu 但这个做法有问题:原本(x,y)=(0,0)不是瑕点,如此换元后(u,v)=(0,0)反倒成为瑕点,因为Jacobi行列式不为0,为此我们需要将原点单独拿出来讨论。取ε(0,1),则有(41)I=[0,1]2(xy)xydxdy=0xy<ε(xy)xydxdy+εxyy1(xy)xydxdy=ξξ0xy<εdxdy+ε1uuduu11vdv=ξξ(εεlnε)+ε1[eulnu(eulnu)]du=01uudu+ξξ(εεlnε)ηηε(1εε) 因此(42)|I01uudu|2εεlnε+1εε0,ε0 故有(43)I=01uudu