复旦大学经济学院 ECON130001
习题2-2、2-4、2-5 · 共10题
| 教材题号 | 内容 | 跳转 |
|---|---|---|
| P45 · 2-2 第4题 | 使用中的供水设备数 | 第4页 |
| P45 · 2-2 第6题 | 遇到红灯次数的分布律 | 第7页 |
| P45 · 2-2 第7题 | 一周内的事故次数 | 第9页 |
| P45 · 2-2 第9题 | 泊松近似 | 第11页 |
| P58 · 2-4 第3题 | 含绝对值的密度 | 第14页 |
| P58 · 2-4 第6题 | 随机系数方程的实根 | 第19页 |
| P58 · 2-4 第8题 | 正态概率与分位点 | 第21页 |
| P63 · 2-5 第3题 | 指数与对数变换 | 第29页 |
| P63 · 2-5 第5题 | 绝对值变换 | 第33页 |
| P63 · 2-5 第7题 | 递减变换与已知概率 | 第35页 |
| 题目特征 | 采用的方法 | 需核对的条件 |
|---|---|---|
| 固定次数的两种结果试验 | $X\sim B(n,p)$ | 次数固定;各次独立;成功概率相同 |
| 题设已指定计数服从泊松分布 | $X\sim\mathrm{Poisson}(\lambda)$ | $\lambda$ 对应题目指定的时段 |
| 独立、同概率试验次数多,单次事件概率小 | $B(n,p)\approx\mathrm{Poisson}(np)$ | 近似结果应使用 $\approx$ |
| 给定概率密度函数 | $\int f=1$;$F(x)=\int_{-\infty}^{x}f(t)\,dt$ | 非负性、取值范围、积分上下限 |
| 正态变量 | $Z=(X-\mu)/\sigma$ | 记号中第二个参数是 $\sigma^2$ |
| 已知 $X$,求 $Y=g(X)$ 的分布 | $F_Y(y)=P(g(X)\le y)$ | 先确定 $Y$ 的取值范围,再改写事件 |
概率应在 $[0,1]$ 内;分布律的概率之和为1;密度的总积分为1。使用公式前,应先确认模型条件成立。
一栋大楼有5个同类型供水设备,每个设备在同一时刻被使用的概率为0.1。求同一时刻:
令 $X$ 表示正在使用的设备数,$X$ 可取 $0,1,2,3,4,5$。
以下假设各设备的使用状态相互独立,于是 $X\sim B(5,0.1)$。仅知道每个设备的使用概率,尚不足以确定同一时刻使用中的设备数的分布。
恰有 $k$ 个设备使用时,先计算指定的 $k$ 个设备使用、其余设备不使用的概率,再乘以设备组合的数量。
$$P(X=k)=\binom5k(0.1)^k(0.9)^{5-k},\quad k=0,\ldots,5$$「至少3个」包括 $3,4,5$ 三种情况:
$$\begin{aligned}P(X\ge3)&=P(X=3)+P(X=4)+P(X=5)\\&=0.0081+0.00045+0.00001=\boxed{0.00856}.\end{aligned}$$对立事件是 $X\ge4$,即4个或5个设备被使用:
$$P(X\le3)=1-P(X=4)-P(X=5)=1-0.00045-0.00001=\boxed{0.99954}$$| $k$ | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| $P(X=k)$ | 0.59049 | 0.32805 | 0.07290 | 0.00810 | 0.00045 | 0.00001 |
$\{X\ge3\}$ 与 $\{X\le3\}$ 都包含 $X=3$,因此它们不是对立事件。
$$P(X\ge3)=1-P(X\le2),\qquad P(X\le3)=1-P(X\ge4).$$表中6项概率之和为1;将各问对应的概率相加,可核对三问的结果。
从学校到火车站途经3个交通岗。在各交通岗遇到红灯的事件相互独立,概率均为 $2/5$。设 $X$ 为途中遇到红灯的次数,求 $X$ 的分布律。
共有3次独立试验;将「遇到红灯」作为计数的事件,其概率为 $p=2/5$,未遇到红灯的概率为 $3/5$。
$$X\sim B\left(3,\frac25\right),\qquad X\in\{0,1,2,3\}.$$每一种红灯位置组合的概率为 $(2/5)^k(3/5)^{3-k}$;从3个位置中选出 $k$ 个红灯位置,共有 $\binom3k$ 种选择。
$$P(X=k)=\binom3k\left(\frac25\right)^k\left(\frac35\right)^{3-k},\quad k=0,1,2,3.$$| $k$ | 计算 | 概率 |
|---|---|---|
| 0 | $(3/5)^3$ | $27/125=0.216$ |
| 1 | $3(2/5)(3/5)^2$ | $54/125=0.432$ |
| 2 | $3(2/5)^2(3/5)$ | $36/125=0.288$ |
| 3 | $(2/5)^3$ | $8/125=0.064$ |
某城市一周内发生交通事故的次数服从参数为0.3的泊松分布。求:(1)恰好发生2次的概率;(2)至少发生1次的概率。
令 $X$ 表示一周内交通事故的次数,则
$$X\sim\mathrm{Poisson}(0.3),\qquad P(X=k)=e^{-0.3}\frac{0.3^k}{k!},\quad k=0,1,\ldots$$$\boxed{P(X=2)\approx0.03334}$。
对立事件是 $X=0$:
$$P(X\ge1)=1-P(X=0)=1-e^{-0.3}$$$\boxed{P(X\ge1)\approx0.25918}$。
一名工人照看800个纱锭。每个纱锭在某段短时间内发生断头的概率为0.005,且每个纱锭在该时段内至多断头一次。利用泊松定理,求总断头次数超过2的概率。
假设各纱锭的断头事件相互独立。令 $X$ 为总断头次数,则
$$X\sim B(800,0.005),\qquad \lambda=np=800\times0.005=4.$$试验次数较多、单次断头概率较小,可用参数为4的泊松分布近似该二项分布。
$X$ 为整数,因此 $X>2$ 等价于 $X\ge3$。其对立事件是 $X\le2$,包括 $0,1,2$ 三项。
泊松近似值与二项分布计算值的差约为0.00073。
用泊松分布近似二项分布时,应使用「≈」。「超过2次」不包含2次,其对立事件包含0次、1次和2次。
| 常见错误或检查项 | 核对方法 |
|---|---|
| 仅凭试验次数固定就采用二项分布 | 还需确认每次只有两种结果、各次独立且成功概率相同 |
| 「至少 $m$」的对立事件 | $X\le m-1$,不是 $X\le m$ |
| 「至多 $m$」的对立事件 | $X\ge m+1$ |
| 混淆近似关系与精确等式 | 泊松近似使用 $\approx$,并区分二项模型的精确结果 |
检查所有可能取值是否列全、各项是否非负,以及概率之和是否为1。
求:(1)系数 $A$;(2)$P(0<X<1)$;(3)$X$ 的分布函数。
先由总积分为1确定 $A$,再求区间概率和分布函数。
当 $x<0$ 时,$-|x|=x$。不能在整个实数轴上都写成 $Ae^{-x}$。
也可利用对称性写成 $1=2A\int_0^\infty e^{-x}\,dx=2A$。积分须包含正、负半轴上的全部面积。
此时 $f(x)=\frac12e^{-x}$,因此
$$\begin{aligned}P(0<X<1)&=\int_0^1\frac12e^{-x}\,dx\\&=\frac12[-e^{-x}]_0^1\\&=\boxed{\frac{1-e^{-1}}2}\approx0.31606.\end{aligned}$$将积分分为负半轴与0到 $x$ 两部分,负半轴上的累计概率也须计入:
$$\begin{aligned}F_X(x)&=\int_{-\infty}^{0}\frac12e^t\,dt+\int_0^x\frac12e^{-t}\,dt\\&=\frac12+\frac12(1-e^{-x})=\boxed{1-\frac12e^{-x}}.\end{aligned}$$在0处,左右极限与函数值均为 $1/2$,因此 $F_X$ 连续。
核验:$F_X(-\infty)=0$、$F_X(+\infty)=1$,且各段不减;$F_X(1)-F_X(0)=(1-e^{-1})/2$,与第(2)问一致。
$K$ 在区间 $(1,6)$ 上服从均匀分布,求方程
$$x^2+Kx+1=0$$有实根的概率。
在 $(1,6)$ 上,密度为 $1/(6-1)=1/5$。
$$P(\text{有实根})=P(2\le K<6)$$$$=\int_2^6\frac15\,dk=\frac{6-2}{6-1}=\boxed{\frac45}.$$$K=2$ 时有重根,仍属于「有实根」;由于 $P(K=2)=0$,是否计入这一端点不影响结果。
设 $X\sim N(3,2^2)$。
记 $\Phi(z)=P(Z\le z)$ 为标准正态分布函数。第二个参数为 $\sigma^2=4$,标准化时分母是 $\sigma=2$。
正态分布关于均值3对称,均值两侧的概率各为一半。
两部分互斥,因此概率相加。
本题不能写成 $2P(X>2)$。也可利用对立事件: $1-P(-2\le X\le2)$,但两个端点都必须标准化。
标准正态分布函数严格递增,因此
$$\frac{c-3}{2}=0\quad\Longrightarrow\quad\boxed{c=3}. $$$d$ 增大时,密度曲线在 $X>d$ 区域下的面积减小。要使右侧概率至少为0.9,$d$ 应不超过右侧概率恰为0.9时的临界值。
取满足 $\Phi(z_{0.1})=0.1$ 的点,即标准正态分布左侧概率为0.1的位置。用 $\Phi^{-1}$ 表示反函数:
$$z_{0.1}=\Phi^{-1}(0.1)\approx-1.2815516.$$数值计算给出 $d_*\approx0.4368969$。
本题求 $d$ 的最大允许值。例如 $d=0.43$ 时右侧概率约0.90060,符合条件;$d=0.44$ 时约0.89973,不符合。判定是否满足条件时,应使用精确上界,不能将上界向上舍入。
| 问题 | 正确处理 |
|---|---|
| 混淆密度取值与概率 | 区间概率由密度的积分计算;单点概率 $P(X=x)=0$ |
| 求 $F(x)$ 时从0开始积分 | 从 $-\infty$ 积分,或在分段积分时补全此前的累计概率 |
| 含绝对值而不分段 | 先按符号区间写出 $e^{-|x|}$ 的表达式 |
| 误将 $\sigma^2$ 作为标准差 | 标准化分母为 $\sigma$ |
| 绝对值概率直接乘2 | 先检查分布是否关于0对称 |
| 求阈值时误判不等号方向 | 先写为分布函数不等式,再利用分布函数的单调性 |
本组题均涉及连续型随机变量,单点概率为0,因此区间端点是否包含在内不影响概率。
| 变换 | 事件改写时的重点 |
|---|---|
| $Y=e^X$ | 单调递增,取对数后不等号同向 |
| $Y=-2\ln X$ 或 $Y=1-X$ | 单调递减,解不等式时方向反转 |
| $Y=|X|$ | 当 $y$ 为正数时,须同时考虑 $X=y$ 与 $X=-y$ |
密度要非负、积分为1。使用反函数法求密度时,除代入反函数外,还须乘以反函数导数的绝对值。
$X$ 在 $(0,1)$ 上服从均匀分布,求:(1) $Y=e^X$ 的概率密度;(2) $Y=-2\ln X$ 的概率密度。
因为 $0<X<1$,所以 $1<Y<e$。当 $1<y<e$ 时:
$$F_Y(y)=P(e^X\le y)=P(X\le\ln y)=\ln y.$$最后一步使用 $X\sim U(0,1)$,且此时 $0<\ln y<1$。
反函数核验:$x=\ln y$,$|dx/dy|=1/y$,故 $f_Y(y)=f_X(\ln y)|dx/dy|=1/y$。
$0<X<1$,所以 $\ln X<0$,从而 $Y=-2\ln X>0$。
上述等价变形中,除以负数−2时,不等号方向反转。
这里 $e^{-y/2}\in(0,1)$,所求概率是该阈值右侧的区间长度。$y\le0$ 时 $F_Y(y)=0$。
这是参数为 $\lambda=1/2$ 的指数分布。
$x=e^{-y/2}$,故 $|dx/dy|=\frac12e^{-y/2}$。在变换对应的区间内乘以原密度 $f_X(x)=1$,所得 $f_Y(y)$ 与求导结果一致。
设 $X\sim N(0,1)$,求 $Y=|X|$ 的概率密度。
$Y\ge0$,因此 $y<0$ 时 $F_Y(y)=0$。当 $y\ge0$ 时:
$$\begin{aligned}F_Y(y)&=P(|X|\le y)\\&=P(-y\le X\le y)\\&=\Phi(y)-\Phi(-y)\\&=2\Phi(y)-1.\end{aligned}$$其中 $\Phi$ 为标准正态分布函数。
标准正态密度为 $\phi(y)=\frac1{\sqrt{2\pi}}e^{-y^2/2}$,因此
$$\boxed{f_Y(y)=\begin{cases}\sqrt{\dfrac2\pi}e^{-y^2/2},&y>0,\\[3pt]0,&y\le0.\end{cases}}$$这里 $f_Y(y)=2\phi(y)=\phi(y)+\phi(-y)$;同一绝对值对应原变量的 $y,-y$ 两种取值,两处的密度须相加。
本题的原分布关于0对称,两处密度相等。第23页习题2-4第8题的分布关于3对称,正、负阈值两侧的概率不相等。
$X$ 是在 $[0,1]$ 上取值的连续型随机变量,且 $P(X\le0.29)=0.75$。若 $Y=1-X$,确定 $k$,使 $P(Y\le k)=0.25$。
变换单调递减;$Y$ 不超过给定阈值,对应 $X$ 不小于变换后的阈值。
由于单点概率为0,上式中「小于」与「小于等于」对应的概率相等。
已知 $F_X(0.29)=0.75$,所以可令 $1-k=0.29$,得到
$$\boxed{k=0.71\ \text{是一个满足条件的值}}.$$| 易错做法 | 正确做法 |
|---|---|
| 使用公式前未确定取值范围 | 先确定 $Y$ 的取值范围,再分段写出分布函数与密度 |
| 忽略递减变换中的不等号方向 | 完整写出 $g(X)\le y$ 的等价事件 |
| 代入反函数后遗漏导数因子 | 若用反函数法,乘以 $|dx/dy|$ |
| 绝对值变换仅考虑正值一侧 | 按 $-y\le X\le y$ 计算,须包含整个区间 |
| 仅凭取值区间就假设均匀分布 | 只使用题设已给出的分布或概率信息 |
| 误认为连续分布函数必严格递增 | 分布函数连续时仍可能在某一区间保持不变,需另行判断解的唯一性 |
写明非零区间,检查非负性与总积分。单个端点处的密度取值不影响概率。
| 题号 | 结果 |
|---|---|
| 4 | 在独立使用假设下:$P(X=2)=0.0729$;$P(X\ge3)=0.00856$;$P(X\le3)=0.99954$ |
| 6 | $X\sim B(3,2/5)$;$k=0,1,2,3$ 的概率依次为 $27/125,54/125,36/125,8/125$ |
| 7 | $P(X=2)=0.045e^{-0.3}\approx0.03334$;$P(X\ge1)=1-e^{-0.3}\approx0.25918$ |
| 9 | 在独立断头假设下,泊松近似为:$P(X>2)\approx1-13e^{-4}\approx0.76190$ |
$A=1/2$;$P(0<X<1)=(1-e^{-1})/2\approx0.31606$。
$$F_X(x)=\begin{cases}\frac12e^x,&x<0,\\1-\frac12e^{-x},&x\ge0.\end{cases}$$(1)三个概率依次为 $0.5328$、$0.6977$、$0.5$;(2)$c=3$。
(3)$d\le3+2\Phi^{-1}(0.1)$,该上界的近似值为 $0.4368969$。
| 题号 | 密度或阈值 |
|---|---|
| 3(1) | $f_Y(y)=1/y$,$1<y<e$;其余为0 |
| 3(2) | $f_Y(y)=\frac12e^{-y/2}$,$y>0$;其余为0 |
| 5 | $f_Y(y)=\sqrt{2/\pi}\,e^{-y^2/2}$,$y>0$;其余为0 |
| 7 | 可取 $k=0.71$,且 $P(Y\le0.71)=0.25$ |