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Statistics · real student question

連續型隨機變數 X 的密度函數為:0 < x ≤ 1 時 f(x) = x,1 ≤ x < 2 時 f(x) = 2 − x,其餘為 0。求 E(X) 與 Var(X)。

Question

連續型隨機變數 XX 的機率密度函數為

f(x)={x,0<x≤12−x,1≤x<20,otherwisef(x)=\begin{cases}x,&0<x\le 1\\ 2-x,&1\le x<2\\ 0,&\text{otherwise}\end{cases}

求 E(X)E(X) 與 D(X)=Var⁡(X)D(X)=\operatorname{Var}(X)。

Step-by-step solution

  1. 先確認 ff 真的是密度函數。 合法的機率密度函數必須非負且積分為 11:

    ∫01x dx+∫12(2−x) dx=12+[2x−x22]12=12+(2−32)=12+12=1\int_0^1x\,dx+\int_1^2(2-x)\,dx=\frac12+\left[2x-\frac{x^2}{2}\right]_1^2=\frac12+\left(2-\frac32\right)=\frac12+\frac12=1

    從幾何上看,這是底為 22、高為 11 的三角形,面積 12⋅2⋅1=1\frac12\cdot2\cdot1=1。先做這個確認,是防止抄錯某一段的廉價保險。

  2. 分段計算 E(X)E(X)。 因為密度分成兩段定義,期望值的積分要在 x=1x=1 處拆開:

    E(X)=∫01x⋅x dx+∫12x(2−x) dx=∫01x2dx+∫12(2x−x2)dxE(X)=\int_0^1x\cdot x\,dx+\int_1^2x(2-x)\,dx=\int_0^1x^{2}dx+\int_1^2\left(2x-x^{2}\right)dx

    =13+[x2−x33]12=13+(43−23)=13+23=1=\frac13+\left[x^{2}-\frac{x^{3}}{3}\right]_1^2=\frac13+\left(\frac43-\frac23\right)=\frac13+\frac23=1

  3. 注意本來可以走的捷徑。 這個三角形對 x=1x=1 對稱:對 0≤u≤10\le u\le1 有 f(1−u)=1−uf(1-u)=1-u 且 f(1+u)=1−uf(1+u)=1-u。任何對某點對稱的密度,平均數就是那一點,所以完全不用積分就知道 E(X)=1E(X)=1。上面的積分於是只是一次驗算。

  4. 計算 E(X2)E(X^{2}),這是對稱性給不了的。

    E(X2)=∫01x3dx+∫12x2(2−x) dx=14+[2x33−x44]12E(X^{2})=\int_0^1x^{3}dx+\int_1^2x^{2}(2-x)\,dx=\frac14+\left[\frac{2x^{3}}{3}-\frac{x^{4}}{4}\right]_1^2

    中括號在 22 處的值為 163−4=43\frac{16}{3}-4=\frac43,在 11 處為 23−14=512\frac23-\frac14=\frac{5}{12}。所以第二個積分是 43−512=1112\frac43-\frac{5}{12}=\frac{11}{12},於是

    E(X2)=14+1112=312+1112=1412=76E(X^{2})=\frac14+\frac{11}{12}=\frac{3}{12}+\frac{11}{12}=\frac{14}{12}=\frac{7}{6}

  5. 套用變異數的簡便公式。

    D(X)=E(X2)−[E(X)]2=76−12=76−66=16≈0.1667D(X)=E(X^{2})-\left[E(X)\right]^{2}=\frac76-1^{2}=\frac{7}{6}-\frac{6}{6}=\frac16\approx0.1667

    標準差為 1/6=0.408\sqrt{1/6}=0.408。

  6. 檢查答案是否合理。 所有機率都集中在長度為 22 的區間 (0,2)(0,2) 上,所以標準差必然遠小於 11;0.4080.408 很合理。它也小於 (0,2)(0,2) 上均勻分布的 0.5770.577,這完全正確 —— 三角形密度把質量集中在中央,而不是平均攤開。

Answer

E(X)=1,D(X)=16E(X)=1,\qquad D(X)=\frac{1}{6}

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