CBMS-2024A-11
题目来源:Question 11
日期:2024-08-01
题目主题:Math-概率论-连续分布与顺序统计量
题目背景
令 Xi (i=1,…,n;n≥2) 为 n 个独立的非负实值随机变量,它们具有相同的概率密度函数 f(x)=e−x。
1. Compute the mean and variance of Xi
For the exponential distribution f(x)=e−x, we can calculate the mean and variance as follows:
Mean
E[Xi]=∫0∞xf(x)dx=∫0∞xe−xdx=[−xe−x]0∞+∫0∞e−xdx=0+[−e−x]0∞=1
Variance
Var(Xi)=E[Xi2]−(E[Xi])2=∫0∞x2e−xdx−12=[−x2e−x]0∞+2∫0∞xe−xdx−1=0+2−1=1
Therefore, E[Xi]=1 and Var(Xi)=1.
2. Compute probability P(Xi≤Xk∣Xi=xi)
Given Xi=xi, the distribution of Xk remains f(x)=e−x. Thus:
P(Xi≤Xk∣Xi=xi)=P(xi≤Xk)=1−P(Xk<xi)=1−∫0xie−xdx=1−[−e−x]0xi=1−(1−e−xi)=e−xi
3. Compute probability P(Xi≤Xk)
We need to integrate over xi:
P(Xi≤Xk)=∫0∞P(Xi≤Xk∣Xi=x)f(x)dx=∫0∞e−x⋅e−xdx=∫0∞e−2xdx=[−21e−2x]0∞=21
4. Compute probability P(x≤Xmin)
The probability that Xmin is greater than or equal to x is equal to the probability that all Xi are greater than or equal to x:
P(x≤Xmin)=P(i=1⋂n{x≤Xi})=i=1∏nP(x≤Xi)(since Xi are independent)=(P(x≤X1))n=(1−P(X1<x))n=(1−∫0xe−tdt)n=(1−(1−e−x))n=e−nx
5. Compute probability P(Zi≤Zk∣Xi=xi)
Given Xi=xi, we have:
P(Zi≤Zk∣Xi=xi)=P(λixi≤λkXk)=P(Xk≥λiλkxi)=∫λiλkxi∞e−xdx=[−e−x]λiλkxi∞=e−λiλkxi
6. Compute probability P(⋂k=1,…,n;k=i{Zi≤Zk}∣Xi=xi)
This probability is the product of all P(Zi≤Zk∣Xi=xi) for k=i:
Pk=1,…,n;k=i⋂{Zi≤Zk}∣Xi=xi=k=1,…,n;k=i∏P(Zi≤Zk∣Xi=xi)=k=1,…,n;k=i∏e−λiλkxi=exp−k=1,…,n;k=i∑λiλkxi=exp−λixik=1,…,n;k=i∑λk
7. Compute the probability distribution P(I=i)
To calculate P(I=i), we need to integrate over xi:
P(I=i)=∫0∞Pk=1,…,n;k=i⋂{Zi≤Zk}∣Xi=xif(xi)dxi=∫0∞exp−λixik=1,…,n;k=i∑λke−xidxi=∫0∞exp−xiλi1k=1,…,n;k=i∑λk+1dxi=−λi1∑k=1,…,n;k=iλk+11exp−xiλi1k=1,…,n;k=i∑λk+10∞=λi1∑k=1,…,n;k=iλk+11=∑k=1nλkλi
Therefore, P(I=i)=∑k=1nλkλi.
知识点
概率论指数分布条件概率顺序统计量
难点思路
这道题的难点在于处理条件概率和多个随机变量的最小值。特别是在第 6 和第 7 问中,需要仔细处理多个条件的交集概率。
解题技巧和信息
- 对于指数分布,要熟悉其基本性质,如均值、方差、累积分布函数等。
- 在处理多个独立随机变量时,要善于利用独立性质简化计算。
- 在计算条件概率时,要清楚地区分给定条件下的随机变量和非随机变量。
- 在处理最小值问题时,可以转化为所有变量都大于某个值的概率。
- 在积分计算中,要善于使用指数函数的性质,如 ∫eaxdx=a1eax+C。
重点词汇
- Probability density function: 概率密度函数
- Exponential distribution: 指数分布
- Conditional probability: 条件概率
- Minimum value: 最小值
- Order statistics: 顺序统计量
- Independent random variables: 独立随机变量