4.7

Функции случайных величин

[27/100%]
Показать
LaTeX
Задача 4.7.1

Пусть X,YX, Y и ZZ — независимые случайные величины, равномерно распределённые на [0,1][0,1]. Найдите совместную плотность распределения XYX Y и Z2Z^{2}, и покажите, что P(XY<Z2)=59\mathbb {P}\left(X Y < Z^{2}\right) = \frac{5}{9}.

?
Задача 4.7.2

Пусть XX и YY — независимые экспоненциальные случайные величины с параметром 1. Найдите совместную плотность распределения U=X+YU = X+Y и V=X/(X+Y)V = X /(X+Y), и выведите отсюда, что VV равномерно распределена на [0,1][0,1].

?
Задача 4.7.3

Пусть XX равномерно распределена на [0,12π]\left[0, \frac{1}{2} \pi \right]. Найдите плотность распределения Y=sin⁡XY = \sin X.

?
Задача 4.7.4

Найдите плотность распределения Y=sin⁡−1XY = \sin^{-1} X, если:

?
(a)

XX равномерно распределена на [0,1][0,1],

(b)

XX равномерно распределена на [−1,1][-1,1].

Задача 4.7.5

Пусть XX и YY имеют двумерную нормальную плотность распределения

f(x,y)=12π1−ρ2exp⁡{−12(1−ρ2)(x2−2ρxy+y2)} f(x, y) = \frac{1}{2 \pi \sqrt{1-\rho ^{2}}} \exp \left\{ -\frac{1}{2\left(1-\rho ^{2}\right)}\left(x^{2}-2 \rho x y+y^{2}\right)\right\}

Покажите, что XX и Z=(Y−ρX)/1−ρ2Z = (Y-\rho X) / \sqrt{1-\rho^{2}} — независимые случайные величины N(0,1)N(0,1), и выведите отсюда, что

P(X>0,Y>0)=14+12πsin⁡−1ρ \mathbb {P}\left(X > 0, Y > 0\right) = \frac{1}{4}+\frac{1}{2 \pi } \sin ^{-1} \rho
?
Задача 4.7.6

Пусть XX и YY имеют стандартную двумерную нормальную плотность распределения из Упражнения (4.7.5), и пусть Z=max⁡{X,Y}Z = \max \left\{ X, Y\right\}. Покажите, что E[Z]=(1−ρ)/π\mathbb {E}\left[Z\right] = \sqrt{(1-\rho ) / \pi }, и E[Z2]=1\mathbb {E}\left[Z^{2}\right] = 1.

?
Задача 4.7.7

Пусть XX и YY — независимые экспоненциальные случайные величины с параметрами λ\lambda и μ\mu. Покажите, что Z=min⁡{X,Y}Z = \min \left\{ X, Y\right\} независима от события {X<Y}\left\{ X < Y\right\}. Найдите:

?
(a)

P(X=Z)\mathbb {P}\left(X = Z\right),

(b)

распределения U=max⁡{X−Y,0}U = \max \left\{ X-Y, 0\right\}, обозначаемого (X−Y)+(X-Y)^{+}, и V=max⁡{X,Y}−min⁡{X,Y}V = \max \left\{ X, Y\right\} -\min \left\{ X, Y\right\},

(c)

P(X≤t<X+Y)\mathbb {P}\left(X \leq t < X+Y\right), где t>0t > 0.

Задача 4.7.8

Точка (X,Y)(X, Y) выбирается случайно и равномерно в единичном круге. Найдите совместную плотность распределения RR и XX, где R2=X2+Y2R^{2} = X^{2}+Y^{2}.

?
Задача 4.7.9

Точка (X,Y,Z)(X, Y, Z) выбирается равномерно случайно внутри единичного шара в R3\mathbb {R}^{3}. Найдите совместную плотность распределения ZZ и RR, где R2=X2+Y2+Z2R^{2} = X^{2}+Y^{2}+Z^{2}.

?
Задача 4.7.10

Пусть XX и YY — независимые случайные величины с экспоненциальным распределением с параметрами λ\lambda и μ\mu. Найдите совместное распределение S=X+YS = X+Y и R=X/(X+Y)R = X /(X+Y). Какова плотность распределения RR?

?
Задача 4.7.11

Найдите плотность распределения Y=a/(1+X2)Y = a /\left(1+X^{2}\right), где XX имеет распределение Коши.

?
Задача 4.7.12

Пусть (X,Y)(X, Y) имеет двумерную нормальную плотность распределения из Упражнения (4.7.5) с 0≤ρ<10 \leq \rho < 1. Покажите, что

[1−Φ(a)][1−Φ(c)]≤P(X>a,Y>b)≤[1−Φ(a)][1−Φ(c)]+ρϕ(b)[1−Φ(d)]ϕ(a) [1-\Phi (a)][1-\Phi (c)] \leq \mathbb {P}\left(X > a, Y > b\right) \leq [1-\Phi (a)][1-\Phi (c)]+\frac{\rho \phi (b)[1-\Phi (d)]}{\phi (a)}

где c=(b−ρa)/1−ρ2,d=(a−ρb)/1−ρ2c = (b-\rho a) / \sqrt{1-\rho^{2}}, d = (a-\rho b) / \sqrt{1-\rho^{2}}, а ϕ\phi и Φ\Phi — плотность распределения и функция распределения N(0,1)N(0,1).

?
Задача 4.7.13

Пусть XX имеет распределение Коши. Покажите, что Y=X−1Y = X^{-1} также имеет распределение Коши. Найдите ещё одно нетривиальное распределение, обладающее этим свойством инвариантности.

?
Задача 4.7.14

Пусть XX и YY — независимые случайные величины с гамма-распределением Γ(λ,α),Γ(λ,β)\Gamma (\lambda , \alpha ), \Gamma (\lambda , \beta ) соответственно.

?
(a)

Покажите, что W=X+YW = X+Y и Z=X/(X+Y)Z = X /(X+Y) независимы, и что ZZ имеет бета-распределение с параметрами α,β\alpha , \beta.

(b)

Покажите, что R=X/YR = X / Y имеет бета-распределение второго рода (см. Упражнение (4.4.14)).

Задача 4.7.15

Пусть X,YX, Y — независимые положительные непрерывные случайные величины, такие что 1−FY(y)=(1−FX(y))λ1-F_{Y}(y) = \left(1-F_{X}(y)\right)^{\lambda } при y>0y > 0. Положительный параметр λ\lambda можно назвать хрупкостью или пропорциональной интенсивностью риска. В более общих моделях λ\lambda сама может быть случайной величиной.

Покажите, что

P(X>Y)=λP(Y>X)=λ1+λ \mathbb {P}\left(X > Y\right) = \lambda \mathbb {P}\left(Y > X\right) = \frac{\lambda }{1+\lambda }
?
Задача 4.7.16

Пусть XX и YY — независимые случайные величины, где XX имеет распределение арксинуса, а YY — распределение Рэлея:

fX(x)=1π1−x2,∣x∣<1,fY(y)=ye−12y2,y>0 f_{X}(x) = \frac{1}{\pi \sqrt{1-x^{2}}}, \quad \left|x\right| < 1, \quad f_{Y}(y) = y e^{-\frac{1}{2} y^{2}}, \quad y > 0

Запишите совместную плотность распределения пары (Y,XY)(Y, X Y), и выведите отсюда, что XYX Y имеет стандартное нормальное распределение.

?
Задача 4.7.17

Пусть UU равномерно распределена на интервале (0,1)(0,1).

?
(a)

Пусть SS — (измеримое) подмножество (0,1)(0,1) со строго положительной мерой (длиной). Покажите, что условное распределение UU при условии U∈SU \in S равномерно на SS.

(b)

Пусть V=UV = \sqrt{U}, и запишем двоичные разложения UU и VV в виде U=∑r=1∞Ur2−rU = \sum_{r = 1}^{\infty } U_{r} 2^{-r} и V=∑r=1∞Vr2−rV = \sum_{r = 1}^{\infty } V_{r} 2^{-r}. Покажите, что UrU_{r} и UsU_{s} независимы при r≠sr \neq s, тогда как Cov⁡[V1,V2]=−132\operatorname {Cov}\left[V_{1}, V_{2}\right] = -\frac{1}{32}. Докажите, что lim⁡n→∞P(Vr=1)=12\lim_{n \rightarrow \infty } \mathbb {P}\left(V_{r} = 1\right) = \frac{1}{2}.

Задача 4.7.18

Пусть (X,Y)(X, Y) имеет стандартное двумерное нормальное распределение с корреляцией ρ\rho.

?
(a)

Пусть ρ=0\rho = 0. Переходя от декартовых координат к полярным или иным способом, покажите, что Z=Y/XZ = Y / X имеет распределение Коши.

(b)

Пусть ρ>0\rho > 0. Покажите, что Z=Y/XZ = Y / X имеет плотность распределения

f(z)=1−ρ2π(1−2ρz+z2),z∈R f(z) = \frac{\sqrt{1-\rho ^{2}}}{\pi \left(1-2 \rho z+z^{2}\right)}, \quad z \in \mathbb {R}
Задача 4.7.19

Пусть (X,Y)(X, Y) имеет стандартное двумерное нормальное распределение с корреляцией ρ\rho. Покажите, что

E[Y∣X>x]=ρϕ(x)Φ(−x) \mathbb {E}\left[Y \mid X > x\right] = \rho \frac{\phi (x)}{\Phi (-x)}

где ϕ\phi и Φ\Phi — плотность распределения и функция распределения N(0,1)N(0,1).

?
Задача 4.7.20

Пусть (X,Y)(X, Y) имеет стандартное двумерное нормальное распределение с плотностью распределения ff и корреляцией ρ\rho. Покажите, что вероятность того, что (X,Y)(X, Y) лежит внутри эллипса f(x,y)=kf(x, y) = k, равна 1−exp⁡{−A/(2π1−ρ2)}1-\exp \left\{ -A /\left(2 \pi \sqrt{1-\rho^{2}}\right)\right\}, где AA — площадь этого эллипса.

?
Задача 4.7.21

Пусть R=X/YR = X / Y, где X,YX, Y независимы и равномерно распределены на (0,1)(0,1). Найдите вероятность того, что ближайшее к RR целое число нечётно.

?
Задача 4.7.22

Пусть (X,Y)(X, Y) имеет стандартное двумерное нормальное распределение с корреляцией ρ\rho и плотностью распределения ff. Покажите, что f(X,Y)f(X, Y) равномерно распределена на интервале (0,ζ)(0, \zeta ), где ζ=1/{2π1−ρ2}\zeta = 1 /\left\{ 2 \pi \sqrt{1-\rho^{2}}\right\}.

?
Задача 4.7.23

nn друзей независимо и равномерно случайно посещают кофейню Old Slaughter's во время своего обеденного перерыва с полудня до часу дня. Каждый уходит через δ\delta часов (или в час дня, если это раньше), где δ<1/(n−1)\delta < 1 /(n-1). Покажите, что вероятность того, что никто из них не встретится внутри, равна (1−(n−1)δ)n(1-(n-1) \delta )^{n}.

?
Задача 4.7.24

Пусть XX и YY — независимые случайные величины с равномерным распределением на (0,1)(0,1). Найдите совместную плотность распределения W=XYW = X Y и Z=Y/XZ = Y / X, и выведите отсюда их маргинальные плотности распределения.

?
Задача 4.7.25
?
(a)

Пусть XX имеет распределение N(μ,σ2)N\left(\mu , \sigma^{2}\right) с σ2>0\sigma^{2} > 0. Покажите, что для подходящей функции g:R→Rg: \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R}

E[g(X)(X−E[X])]=Var⁡[X]E[g′(X)] \mathbb {E}\left[g(X)(X-\mathbb {E}\left[X\right])\right] = \operatorname {Var}\left[X\right] \mathbb {E}\left[g^{\prime }(X)\right]

когда обе части существуют.

(b)

В более общем случае, если XX и YY имеют двумерное нормальное распределение, покажите, что

Cov⁡[g(X),Y]=E[g′(X)]Cov⁡[X,Y] \operatorname {Cov}\left[g(X), Y\right] = \mathbb {E}\left[g^{\prime }(X)\right] \operatorname {Cov}\left[X, Y\right]
(c)

Пусть XX — случайная величина, такая что E[Xg(X])=E[g′(X)]\mathbb {E}\left[X g(X\right]) = \mathbb {E}\left[g^{\prime }(X)\right] для всех подходящих гладких функций gg, удовлетворяющих g(x)e−12x2→0g(x) e^{-\frac{1}{2} x^{2}} \rightarrow 0 при x→−∞x \rightarrow -\infty. Покажите, что XX имеет распределение N(0,1)N(0,1).

Задача 4.7.26

Пусть XX имеет распределение N(0,1)N(0,1), и пусть GG — функция с производной gg. Покажите, что

E[g(X)]2≤Var⁡[G(X)]≤E[g(X)2] \mathbb {E}\left[g(X)\right]^{2} \leq \operatorname {Var}\left[G(X)\right] \leq \mathbb {E}\left[g(X)^{2}\right]
?
Задача 4.7.27

Совместная плотность распределения пары (X,Y)(X, Y) равна

f(x,y)=23(x+y)e−x,x∈(0,∞),y∈(0,1) f(x, y) = \frac{2}{3}(x+y) e^{-x}, \quad x \in (0, \infty ), y \in (0,1)

Найдите совместную плотность распределения пары U=XU = X и V=X+YV = X+Y, и выведите отсюда плотность распределения VV.

?