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第3章 多维随机变量及其分布

基础部分​

  1. 设随机变量和相互独立且均服从分布,则下列随机变量服从二项分布的是( ) A. B. C. D.
查看答案与解析

答案:按题面所给四个选项,均不服从通常定义下的二项分布。

解析:二项分布的取值应为。

由可知:

  • ;
  • ;
  • ;
  • 。

因此按当前题面,四个随机变量都不是标准二项分布。原题选项很可能存在排版或录入错误;这里保留原题并按现有文字作答。

  1. 设随机变量与相互独立,且,,则( ) A. 0 B. C. D.
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答案:D,。

解析:,故

当时,必满足;当时,需要。由独立性及标准正态分布的对称性,

  1. 设随机变量与相互独立,且服从二项分布,服从指数分布,则( ) A. B. C. D.
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答案:C,。

解析:按取值分类。

当时,由知恒成立;当时,需要。因此

又,故,从而

  1. 设随机变量服从区间上的均匀分布,令,,则_____。
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答案:。

解析:要求异号。

由定义可知,只有

时有。因此

  1. 设两个相互独立的随机变量和均服从二项分布,则_____。
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答案:。

解析:事件只可能在时发生,故

所以

  1. 设离散型随机变量和独立同分布:,,则_____。
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答案:。

解析:事件可写为两两互斥事件之并:

由独立,

故

  1. 设随机变量与相互独立,且均服从正态分布。记随机变量的概率密度为,则( ) A. B. C. D.
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答案:D。

解析:由于独立且均服从,所以

令,则。对,

而时密度为0,故选D。

  1. 设随机变量在区间上随机取值,当观察到时,随机变量在区间上随机取值。求: (1) 的概率密度; (2) 。
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答案:

(1)

(2)

解析:,故

在条件下,,所以

因此联合密度为

(1) 当时,

(2) 条件与同时成立时,需有

故

令,计算可得

  1. 某系统由两个相互独立工作的元件串联而成,只要有一个元件不工作,系统就不工作,设第个元件的工作寿命为,已知,,。 (1) 求该系统的工作寿命的概率密度; (2) 证明:对任意的,有。
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答案:

(1)

(2) 等式成立。

解析:串联系统的寿命为

由独立性,对,

因此,从而得到(1)中的密度。

又对,

而

故结论成立。这正是指数分布的无记忆性。

  1. 已知二维随机变量在以点为顶点的三角形区域上服从均匀分布。 (1) 求边缘概率密度及条件概率密度,并判断与是否相互独立; (2) 计算概率,。
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答案:三角形区域为

面积为1,因此联合密度()。

(1)

不相互独立。

(2)

解析:(1) 对,固定后的取值长度为,故

固定后,有,所以

条件密度由

直接得到。

联合密度的支撑区域为三角形,并不是两个一维支撑区间的直积,因此不独立。

(2) 由于区域关于轴对称,。同时

所以

又

  1. 已知二维随机变量的概率密度为,求的分布函数。
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答案:

解析:由定义

当或时,支撑区域与事件无交集,因此。

当时,积分区域为,,故

当时,条件自动满足,因此

  1. 设二维随机变量在矩形区域上服从均匀分布,求的概率密度。
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答案:

解析:矩形面积为2,因此

对,令。要使,需有,故

其余处密度为0。

  1. 设随机变量与相互独立,且服从二项分布,的概率密度为,。 (1) ; (2) 的概率密度。
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答案:

(1)

(2)

解析:,故

(1) 条件意味着,所以

又(),因此

(2) 按分类,

代入即得答案中的分段密度。

  1. 设随机变量相互独立,且的概率密度为,的概率密度为。 (1) 求的值; (2) 若,求的概率密度。
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答案:

(1)

(2)

解析:(1) 概率密度积分为1,因此且

故。

(2) 此时。令,则,密度为;令,则

于是。

当时,

当时,必须有,故

当时密度为0。

强化部分​

  1. 设独立同分布,,,则( ) A. B. C. D.
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答案:C,。

解析:先由概率和为1确定:

故。

由于独立同分布,

而

所以

  1. 设随机变量相互独立,且,,则( ) A. B. C. D.
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答案:B,。

解析:当时,,概率为;当时,,概率为。故

  1. 设二维随机变量的概率密度为,则二次型正定的概率为( ) A. B. C. D.
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答案:按题面计算,

约为,与所列四个选项均不一致。

解析:二次型矩阵为

由顺序主子式判别法,正定要求

以及

因,第二个条件恒成立,第三个条件化为

故

因此按当前题面没有对应选项,原题数据或选项可能存在录入错误。

  1. 设随机变量在上服从均匀分布,服从参数为的指数分布,且相互独立,则关于的方程有实根的概率为_____(答案用标准正态分布的分布函数表示)。
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答案:

解析:方程有实根当且仅当

对给定,因,

再对积分:

由

即得结论。

  1. 设二维正态随机变量的概率密度为,已知条件概率密度和。求: (1) 常数和; (2) 边缘概率密度和; (3) 。
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答案:

(1)

(2)

即均服从。

(3)

解析:由条件密度指数项

与正态密度标准形式比较,条件方差为,故

二维正态条件均值给出

因此且。又条件方差满足

故。由条件均值无常数项知边缘均值均为0,所以。

将代入二维标准正态联合密度公式即可得到(3)。

  1. 设二维随机变量在以点为顶点的四边形区域上服从均匀分布,令,。 (1) 求的分布律; (2) 求和的相关系数; (3) 求的边缘概率密度。
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答案:区域满足

面积为4,故联合密度为。

(1)

(2)

(3)

解析:(1) 左侧区域是面积为的小三角形,所以

上方区域同样面积为,所以

且时区域最高点不超过,故

由此得到联合分布律。

(2)

且

因此

又

故

(3) 固定时,横截面长度为,所以

  1. 设一组两台机器同时启动开始制作产品,其独立工作时间均服从参数为1的指数分布,表示两台机器较早出现故障的时间,且收益。 (1) 求; (2) 若有组机器承接制作产品的任务,收益大于0的组数记为,记,在的条件下,,求的概率分布。
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答案:

(1)

(2)

即

解析:两台机器较早故障时间为

由于独立且均服从,所以

(1) 当且仅当,故

(2) 在条件下,。又

由泊松分布的稀疏化性质,若泊松总数中的每一个对象独立地以概率被选中,则选中数仍服从泊松分布,参数变为原参数乘。因此

强化部分-多维随机变量函数的分布​

  1. 设是来自标准正态总体的简单随机样本,则的概率密度( ) A. B. C. D.
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答案:A。

解析:相互独立且均服从,两个独立标准正态随机变量之比服从标准柯西分布,因此

  1. 设相互独立,,,,则的分布函数为( ) A. B. C. D.
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答案:D,。

解析:

当时,;当时,。两种情况概率均为。

由于标准正态分布关于0对称,与同分布,所以无论取何值,都服从。因此

  1. 设独立同分布于参数为的指数分布,令,则与同分布的是( ) A. B. C. D.
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答案:B,。

解析:对,

故

再看选项B。因为,而

且二者独立。两个不同参数指数变量之和的密度为

与相同,故选B。

  1. 设随机变量独立同分布于,其中,为的分布函数,则与同分布的是( ) A. B. C. D.
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答案:D。

解析:由于为连续型随机变量,概率积分变换给出

另一方面,独立同分布于。令

对,由变换

可知。因此与同分布,选D。

  1. 设是来自总体的简单随机样本,,已知的概率密度为,则_____。
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答案:

解析:因为几乎处处,所以

几乎处处。于是

等价于。因此

  1. 设,在给定的条件下,。 (1) 求的概率密度; (2) 若表示不超过的最大整数,求的分布函数。
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答案:

(1)

(2)

解析:(1) 条件密度为

所以

支撑区域为。

(2) 因,所以除零概率边界外,

给定时,在上对称,因此,且该概率与无关。

当时,只可能来自支路:

而(),故

当时,所有情形均满足,再加上且:

其余区间显然得到0或1。

  1. 设二维随机变量在区域上服从均匀分布,令。 (1) 写出的概率密度; (2) 与是否相互独立?说明理由; (3) 求的分布函数。
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答案:

(1)

(2) 与不相互独立。

(3)

解析:(1) 区域面积为

故均匀分布联合密度为。

(2) 对给定,有,所以

该值随变化,因此与不独立。

(3) 当时,只能在时发生,即且。因此

当时,所有的样本都满足,其概率为

对于,还需,即,故

计算得

  1. 设是来自总体的简单随机样本,,已知的概率密度为。 (1) 求的分布函数; (2) 求。
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答案:

(1)

(2)

解析:令

则。

(1) 对,

又

故得到答案。

(2) 因

所求事件为两个因子异号:

由于与独立,

又

所以

整理即得

  1. 设二维随机变量在区域上服从均匀分布,令,。求: (1) 与的概率密度与; (2) 与的协方差和相关系数。
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答案:

(1)

事实上相互独立,且均服从。

(2)

解析:菱形区域的面积为2,所以

在内成立。

作变换

反变换为

且雅可比绝对值

同时

即。因此

在正方形内成立。这可分解为

故独立且均服从。独立即有协方差为0,从而相关系数也为0。

  1. 设随机变量和随机变量,且与相互独立。令,记的分布函数为。求: (1) 的分布函数; (2) 的值,已知。
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答案:

(1)

(2)

解析:,故

于是

由于与同服从,所以可看成:以概率取标准正态变量,以概率取常数0。

(1) 当时,原点处的概率质量尚未计入,故

当时,还需加上,故

特别地,

(2) 由全概率公式,按取值分类:

当时,,事件等价于;

当时,,只需;

当时,,仍只需。

因此

由标准正态分布对称性,

所以

代入,得

  1. 设独立同分布于标准正态分布,记。 (1) 证明服从标准正态分布; (2) 是否服从二维正态分布?说明理由。
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答案:

(1)

(2) 不服从二维正态分布。

解析:(1) 由于,几乎处处可写成

因为独立,所以与独立;又标准正态分布关于0对称,

因此等于:以概率取,以概率取。这恰好恢复了标准正态分布的对称结构。

也可直接验证:对,

对同理可得。故。

(2) 注意到几乎处处有

即只可能落在第一、第三象限,而第二、第四象限的概率均为0。

另一方面,与都服从非退化标准正态分布,且它们并不存在形如的几乎处处线性关系。因此若是二维正态分布,它应为非退化二维正态分布,从而其联合密度在整个平面上为正,不可能使两个象限概率为0。故不服从二维正态分布。

  1. 设某商品每天的供应量的概率密度为,若每天的供应量相互独立,求: (1) 3天总供应量的概率密度; (2) 连续3天中最大供应量的概率密度。
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答案:设三天供应量为,相互独立同分布。

(1) 若

则

(2) 若

则

解析:单日供应量密度

是形状参数为2、率参数为1的伽马分布,即。

(1) 独立同率参数伽马随机变量之和仍为伽马分布,形状参数相加,因此

故

(2) 先求单日供应量的分布函数。对,

因此最大值的分布函数为

求导得

。