題目54
令X,Y和Z是獨立的N(0,σ2).隨機變量Θ,Φ和R是(X,Y,Z)的球形座標:
xyz0≤ϕ=rsinϕcosθ=rsinϕsinθ=rcosϕ≤π,0≤θ≤2π
計算Θ,Φ和R的聯合密度和邊際密度.(提示:dxdydz=r2sinϕdrdθdϕ)
解題思路
根據球形座標的轉換提示,我們直接求聯合密度:
fR,Φ,Θ(r,ϕ,θ)=fX,Y,Z(rsinϕcosθ,rsinϕsinθ,rcosϕ)r2sinϕ=2πσ1e−2σ2(rsinϕcosθ)2⋅2πσ1e−2σ2(,rsinϕsinθ)2⋅2πσ1e−2σ2(rcosϕ)2r2sinϕ=(2π)−23⋅σ−3⋅e−2σ2r2sin2ϕcos2θ+r2sin2ϕsin2θ+r2cos2ϕr2sinϕ=sinϕ⋅2π1⋅2π1⋅σ31⋅r2⋅e−2σ2r2
求邊際密度
fr(r)=∫0π∫02πfR,Φ,Θ(r,ϕ,θ)dθdϕ=2π1⋅2π1⋅σ31∫0π∫02πsinϕ⋅r2⋅e−2σ2r2dθdϕ=2π1⋅2π1⋅σ31∫0πsinϕdϕ⋅∫02πdθ⋅r2e−2σ2r2=2π1⋅2π1⋅σ31⋅2⋅2π⋅r2e−2σ2r2=πσ32r2e−2σ2r2
fΦ(ϕ)=∫0∞∫02πfR,Φ,Θ(r,ϕ,θ)dθdr=2π1⋅2π1⋅σ31∫0∞∫02πsinϕ⋅r2⋅e−2σ2r2dθdr=2π1⋅2π1⋅σ31⋅sinϕ⋅∫02πdθ∫0∞r2e−2σ2r2dr=2π1⋅2π1⋅σ31⋅sinϕ⋅2π⋅2πσ3=2sinϕ
fΘ(θ)=∫0∞∫0πfR,Φ,Θ(r,ϕ,θ)dϕdr=2π1⋅2π1⋅σ31∫0πsinϕdϕ⋅∫0∞r2⋅e−2σ2r2dr=2π1⋅2π1⋅σ31⋅2⋅2πσ3=2π1
fR,Φ,Θ(r,ϕ,θ)=fr(r)fΦ(ϕ)fΘ(θ)三個變量轉換爲球形座標後也是獨立的。
計算上邊三個邊際密度時,有一個關鍵積分公式:
∫0∞x2ne−α2x2dx=πn!(2n)!(2α)2n+1
題目55
從單位元內部按如下規則生成一點:半徑R是[0,1]上的均勻隨機變量,角度Θ是[0,2π]上我均勻隨機變量,並且與R獨立
a.計算X=Rcosθ,Y=Rsinθ的隨便密度
b.計算X和Y的邊際密度
c.密度是圓盤上的均勻分佈嗎?如果不是修正該方法是密度是均勻分佈
解題思路
a.
fXY(x,y)R∼U[0,1]Θ∼U[0,2π](X=RcosΘ,Y=RsinΘ)⇒(R=X2+Y2,Θ=tan−1XY)∣J∣=∥∥∥∥∥∂x∂r∂x∂θ∂y∂r∂y∂θ∥∥∥∥∥=x2+y21=fRΘ(x2+y2,tan−1xy)⋅x2+y21=2π1⋅x2+y21x2+y2≤1
b.計算X和Y的邊際密度
fX(x)同樣道理:fY(y)==∫−1−x21−x2fXY(x,y)dy=∫−1−x21−x22π1⋅x2+y21dy=π1∫01−x2x2+y21dy=π1[ln(y+x2+y2)]∣∣∣∣∣01−x2=π1ln(∣x∣1−x2+1)−1≤x≤1π1ln(∣y∣1−y2+1)−1≤y≤1
c.密度是圓盤上的均勻分佈嗎?如果不是修正該方法是密度是均勻分佈
fR(r)=1⇒FR(r)=r
如果要在圓盤上均勻分佈,則應該按面積進行均勻分佈如果整個圓是1 ,則:
FR(r)=2π2πr2=r2很明顯r!=r2,不是均勻分佈
FR(r)=r2⇒fR(r)=2r
fRΘ(r,θ)=2r⋅2π1=πr
題目56
如果X和Y是獨立的隨機變量,計算點(X,Y)的極座標R和Θ的聯合分佈,R和Θ獨立嗎?
解題思路
未找到答案
題目57
假設Y1和Y2服從二元正態分佈,具有參數μY1=μY2=0,σY12=1,σY22=2,且ρ=1/2.線性變換 x1=a11y1+a12y2,x2=a21y1+a22y2 使得x1和x2是獨立的標準的正態分佈?
解題思路
幾個關鍵公式
1.二元正態分佈密度函數
f(y1,y2)=2πσY1σy21−ρ21exp[−2(1−ρ2)1(σy12(y1−μY1)2−σY1σY22ρ(y1−μY1)(y2−μY2)+σy22(y2−μY2)2)]
2.設(Y1,Y2)∼N(μY1,μY2,σY12,σY22,ρ)則Y1與Y2的線性組合仍然服從正態分佈,且aY1+bY2∼N(aμY1+bμY2,a2σY12+b2σY22+2abρσY1σY2)
步驟1.求出(X1,X2)的聯合密度函數
J(y1,y2)=∥∥∥∥∥∂y1∂x1∂y1∂x2∂y2∂x1∂y2∂x2∥∥∥∥∥=∥∥∥∥a11a21a12a22∥∥∥∥=a11a22−a12a21
y1y2fX1X2(x1,x2)把題目的中參數代=a12a21−a22a11a12x2−a22x1=a22a11−a21a12a11x2−a21x1=J−1(y1,y2)⋅fY1Y2(a12a21−a22a11a12x2−a22x1,a22a11−a21a12a11x2−a21x1)入:=a11a22−a12a211⋅2π1exp[−(1(y1)2−12221y1y2+2(y2)2)]=a11a22−a12a211⋅2π1exp[−((a12a21−a22a11a12x2−a22x1)2−(a12a21−a22a11a12x2−a22x1)(a22a11−a21a12a11x2−a21x1)+2(a22a11−a21a12a11x2−a21x1)2)]
步驟2.求fX1(x1)和fX2(x2)
fX1fX2fX1fX2=2πa112σY12+a122σY22+2a11a12ρσY1σY21exp[−2(a112σY12+a122σY22+2a11a12ρσY1σY2)x1−(a11μY1+a12μY2)]=2πa112+2a122+2a11a121exp[−2(a112+a122⋅2+2a11a12)x1]=2πa212σY12+a222σY22+2a21a22ρσY1σY21exp[−2(a212σY12+a222σY22+2a21a22ρσY1σY2)x2−(a21μY1+a22μY2)]=2πa212+2a222+2a21a221exp[−2(a212+a222⋅2+2a21a22)x2]=2πa112+2a122+2a11a12a212+2a222+2a21a221exp[−2(a112+a122⋅2+2a11a12)x1−2(a212+a222⋅2+2a21a22)x2]
根據題意要求,即標準的獨立的二元正太分佈,則標準差爲1,ρ=0,整理後得到如下等式:
a11a22−a12a21=1a112+2a122+2a11a12=1a212+2a222+2a21a22=12a12a22+a12a21+a11a22+a11a21=0
a11=1,a12=0,a21=−1,a22=1
當然這並不是的解。解可有很多,滿足上邊4個等式即可
題目58
如果X1和X2的聯合分佈是二元正態的,則Y1=a1X1+b1,Y2=a2X2+b2的聯合分佈也是二元正態的
解題思路
根據線性變換的雅可比行列式進行轉換
J(x1,x2)=∥∥∥∥∥∂x1∂y1∂x1∂y2∂x2∂y1∂x2∂y2∥∥∥∥∥=∥∥∥∥a100a2∥∥∥∥=a1a2
x1=a1y1−b1,x2=a2y2−b2
fX1X2(x1,x2)=2πσX1σX21−ρ21exp[−2(1−ρ2)1(σX12(x1−μX1)2−σX1σX22ρ(x1−μX1)(x2−μX2)+σX22(x2−μX2)2)]
fY1Y2(y1,y2)=fX1X2(a1y1−b1,a2y2−b2)⋅∣J∣−1=a1a212πσX1σX21−ρ21exp[−2(1−ρ2)1(σX12(a1y1−b1−μX1)2−σX1σX22ρ(a1y1−b1−μX1)(a2y2−b2−μX2)+σX22(a2y2−b2−μX2)2)]=2πa1σX1a2σX21−ρ21exp[−2(1−ρ2)1((a1σX1)2(y1−(b1+a1μX1))2−a1σX1a2σX22ρ(y1−(b1+a1μX1))(y2−(b2+a2μX2))+(a2σX2)2(y2+(b2+a2μX2))2)]
令,μY1=b1+a1μX1,μY2=b2+a2μX2,σY1=a1σX1,σY2=a2σX2則:
(Y1,Y2)∼N(μY1,μY2,σX22,σX22,ρ)
題目59
如果X1和X2是獨立的標準正態隨機變量,證明:Y1和Y2的聯合分佈是二元正態的
Y1=a11X1+a12X2+b1Y2=a21X1+a22X2+b2
解題思路
令:
Z1=a11X1+a12X2Z2=a21X1+a22X2
則有:
Y1=Z1+b1Y2=Z2+b2
如果X_1和X_2是標準正態隨機變量則他們的聯合分佈是二元正態的即:
(X1,X2)∼N(0,0,1,1,0)
二元正態隨機變量的線性組合依然是二元正態的即:
(Z1,Z2)是二元正態的
再根據58題的結果即可以證明(Y1,Y2)也是二元正態的(線性變換)
題目60
利用上一題的結果,描述構造由獨立僞隨機均勻變量生成具有二元正態分佈的僞隨機變量的方法
解題思路
step1.採用Box Muller方法由兩個均勻分佈(u,v),得到兩個獨立的正態分佈:
z1=−2logucos2πvz2=−2logusin2π
step2.利用59題的結果將得到的兩個正態分佈樣本進行變量生成的(y1,y2)即滿足二元正態分佈。
題目61
令X和Y是具有聯合分佈的連續隨機變量,求U=a+bX和V=c+dY的聯合分佈密度的表達式
解:
令(X,Y)的聯合密度爲fXY(x,y)
利用雅可比行列式fUV(u,v)=J(x,y)1fXY(U−1,V−1)
J(x,y)=∥∥∥∥∥∂x∂u∂x∂v∂y∂u∂y∂v∥∥∥∥∥=∥∥∥∥b00d∥∥∥∥=bd
所以答案:
fUV(u,v)=bd1fXY(bu−a,dv−c)
題目62
令X和Y是獨立標準正態隨機變量,求P(X2+Y2≤1)
解:
轉化爲極座標:
fRΘ(r,θ)=rfXY(rcosθ,rsinθ)=2π1re−2r2
根據條件X2+Y2≤1,即極座標下r≤1
P(X2+Y2≤1)令u=2r2=P(r≤1)=∫02π∫012π1re−2r2drdθ=∫02πdθ∫012π1re−2r2dr=2π⋅2π1∫01re−2r2dr=∫01e−2r2d2r2=∫021e−udu=1−e−21
題目63
令X和Y是具有聯合分佈的連續隨機變量
a.討論X+Y和X−Y的聯合密度表達式
b.討論XY和X/Y的聯合密度表達式
c.在X和Y獨立的情況下,特殊表示a和b中的表達式
解:
a.令
U=X+Y,V=X−YX=2U+V,Y=2U−VJ(x,y)=∥∥∥∥∥∂x∂u∂x∂v∂y∂u∂y∂v∥∥∥∥∥=∥∥∥∥111−1∥∥∥∥=2fUV=21fXY(2u+v,2u−v)
b.令
U=XY,V=X/YX=(UV)21Y=(VU)21J(x,y)=∥∥∥∥∥∂x∂u∂x∂v∂y∂u∂y∂v∥∥∥∥∥=∥∥∥∥y−x21xx1∥∥∥∥=2yxfUV=2∣yx∣fXY((xy)21,(yx)21)
題目64
計算X+Y和X/Y的聯合密度,其中X和Y是參數爲λ的獨立指數隨機變量,證明X+Y和X/Y獨立的
解:
令U=X+Y,V=X/Y⇒X=V+1UV,Y=V+1U
證明是獨立需要證明:fU(u)⋅fV(v)=fUV(u,v)
有:
J(x,y)∣J(x,y)∣−1=∥∥∥∥∥∥∂x∂u∂x∂v∂y∂u∂y∂v∥∥∥∥∥∥=∥∥∥∥1y11−y2x∥∥∥∥=−y2x−y=x+yy2=(v+1)2u
fUV(u,v)=∣J(x,y)∣−1fXY(v+1uv,v+1u)=(v+1)2u⋅λe−λv+1uv⋅λe−λv+1u=(v+1)2uλ2e−λu
接下來,分別求 fU(u)和fV(v)
fU(u)fV(v)令a=−λ(1+v),則積分下限爲0,上限爲∞=∫−∞∞fX(x)fY(u−x)dx=λ2ue−λu=∫−∞∞∣x∣fX(x)fY(xv)dx=λ2∫−∞∞xe−λx(1+v)dx=λ2∫0∞xeaxdx=λ2a21(ax−1)eax∣∣∣∣0∞=1+v21
所以fU(u)⋅fV(v)=fUV(u,v)是成立的,U和V是獨立的。
題目65
假定系統元件串聯在一起,且元件的壽命爲參數爲λi獨立指數隨機變量,證明系統壽命服從參數是∑λi的指數分佈。
解:
參考書中例題
令V代表系統整體壽命,根據書中公式有
fV(v)其中F(v)=1−e−λv=nf(v)[1−F(v)]n−1=nλe−λv(e−λv)n−1=nλe−nλv
題目66
下圖系統中的每一個元件壽命都獨立的服從參數爲λ的指數分佈,計算系統壽命的cdf和密度
圖不畫了,解釋一下,6個元件分成3組,組內兩個元件串連,3組並聯
解:
令串聯部分的壽命分佈爲FV(t)
FV(t)=1−[1−e−λt]2=1−e−2λt
令整體系統壽命分佈爲FU(t)
FU(t)=[FV(v)]3=(1−e−2λt)3
求上式求導
f(t)=6λe−2λt(1−e−2λt)2
題目67
卡片含有n個芯片和一個糾錯元件,這樣如果只有一個芯片失效,卡片仍能正常工作;如果有兩個或兩個以上的芯片失效,卡片將不能正常工作。如果每個芯片的壽命服從參數爲 λ的指數分佈,計算卡片壽命的密度函數。
解:
令
FA(t)系統的壽命分佈
F0(t)所有芯片都沒有失效的概率分佈
F1(t)只有一個芯片失效的概率分佈
F(t)單一的一個芯片失效的概率分佈
則有:
FA(t)=1−F0(t)−F(t)=1−(1−F(t))n−nF(t)(1−F(t))n−1=1−(1−(1−e−λt))n−n(1−e−λt)(1−(1−e−λt))n−1=1−e−nλt−n(1−e−λt)e−(n−1)λt=1−e−nλt−ne−(n−1)λt+ne−nλt
對上式求導則爲密度函數
fA(t)=FA′(t)=−e−nλt⋅−nλ−ne−(n−1)λt⋅−(n−1)λ+ne−nλt⋅−nλ=nλe−nλt+n(n−1)λe−(n−1)λt−n⋅nλe−nλt=n(n−1)λe−(n−1)λt+n(1−n)λe−nλt=n(n−1)λ(e−(n−1)λt−e−nλt)
題目68
令U1、U2和U3是獨立的均勻隨機變量
a.計算U(1)、U(2)和U(3)的聯合密度
b.在一英里的高速公路上,獨立且隨機地建造三個加油站,任意兩個加油站之間的距離不小於31英里的概率是多少
解:
a.模擬對最水值和最小值聯合密度的計算方法
令U=U(1),V=U(2),W=U(3)
f(u,v,w)代入n=3,f(u)=f(v)=f(w)=1f(u,v,w)=1!1!1!n!f(u)f(v)f(w)=6,u≤v≤w
b.在一英里的高速公路上,獨立且隨機地建造三個加油站,任意兩個加油站之間的距離不小於31英里的概率是多少
我們可以認爲3個加油站的位置服從U(0,1),令X爲第1個加油站的位置,Y爲第二個加油站的位置Z爲第三個加油站的位置,則X,Y,Z是3個均勻分佈的順序統計量,則fXYZ(x,y,z)=6(根據a問題的結果)
任意兩個加油站之間的距離大於31則必須有Y−X>31並且Z−Y>31
P(Y−X>31且Z−Y>31)=∫031∫x+3132∫y+311f(x,y,z)dzdydx=∫031∫x+31324−6ydy=∫03131−2x−3x2dx=271
積分上下限是結合0<x<y<z<1且y−x>31且z−t>31得出
題目69
計算n個獨立威布爾隨機變量最小值的密度,每個變量具有密度:
f(t)=βα−βt−β−1e−(t/α)β,t≥0
解:
令V代表n個獨立威布爾變量的最小值隨機變量
根據3.7節中的公式
fV(v)=nf(v)[1−F(v)]n−1
其中:
f(v)=βα−βv−β−1e−(v/α)β
F(v)=1−e−(v/α)β
代入上式經計算結果如下:
fV(v)=nβα−βvβ−1e−n(v/α)β