4

Порядковые статистики

[29/90%]
Показать
LaTeX
Задача 4.1

Предположим, что XX, YY и ZZ имеют совместную плотность, заданную формулой

f(x,y,z)={e−(x+y+z),приx,y,z>0,0,иначе. f(x,y,z) = \begin{cases} e^{-(x+y+z)}, & \text{при} \quad x,y,z > 0, \\ 0, & \text{иначе.} \end{cases}

Вычислите P(X<Y<Z)\mathbb {P}\left(X < Y < Z\right) и P(X=Y<Z)\mathbb {P}\left(X = Y < Z\right).

?
Задача 4.2

Две точки выбираются равномерно и независимо на окружности круга радиуса 11. Это делит окружность на две части. Определите математическое ожидание длины более короткой части.

?
Задача 4.3

Пусть X1X_1 и X2X_2 — независимые, U(0,1)U(0,1)-распределённые случайные величины, и пусть YY обозначает точку, ближайшую к концу отрезка. Определите распределение YY.

?
Задача 4.4

Статистику Хрюше приходится ждать время T0T_0 на почте в тот момент, когда она очень спешит. Чтобы выяснить, не заставляет ли её случай ждать особенно долго именно тогда, когда она спешит, она проверяет, сколько раз она приходит на почту, пока ей не придётся ждать дольше, чем в первый раз. Формально пусть T1,T2,…T_1, T_2, \ldots — последовательные времена ожидания, а NN — число раз до тех пор, пока не найдётся Tk>T0T_k > T_0, то есть

{N=k}={Tj≤T0, 1≤j<k, Tk>T0}. \left\{ N = k\right\} = \left\{ T_j \leq T_0, \ 1 \leq j < k, \ T_k > T_0\right\} .

Каково распределение NN в предположении, что {Tn,n≥0}\left\{ T_n, n \geq 0\right\} — независимые одинаково распределённые непрерывные случайные величины? Что можно сказать о E[N]\mathbb {E}\left[N\right]?

?
Задача 4.5

Пусть X1,X2,…,XnX_1, X_2, \ldots , X_n — независимые непрерывные случайные величины с общей функцией распределения F(x)F(x), и рассмотрим порядковую статистику (X(1),X(2),…,X(n))(X_{(1)}, X_{(2)}, \ldots , X_{(n)}). Вычислите E[F(X(n))−F(X(1))]\mathbb {E}\left[F(X_{(n)}) - F(X_{(1)})\right].

?
Задача 4.6

Пусть X1X_1, X2X_2, X3X_3 и X4X_4 — независимые, U(0,1)U(0,1)-распределённые случайные величины. Вычислите

?
(a)

P(X(3)+X(4)≤1)\mathbb {P}\left(X_{(3)} + X_{(4)} \leq 1\right),

(b)

P(X3+X4≤1)\mathbb {P}\left(X_3 + X_4 \leq 1\right).

Задача 4.7

Пусть X1X_1, X2X_2, X3X_3 — независимые U(0,1)U(0,1)-распределённые случайные величины, и пусть X(1),X(2),X(3)X_{(1)}, X_{(2)}, X_{(3)} — соответствующие порядковые величины. Вычислите P(X(1)+X(3)≤1)\mathbb {P}\left(X_{(1)} + X_{(3)} \leq 1\right).

?
Задача 4.8

Предположим, что X1,X2,X3,X4X_1, X_2, X_3, X_4 — независимые U(0,1)U(0,1)-распределённые случайные величины, и пусть (X(1),X(2),X(3),X(4))(X_{(1)}, X_{(2)}, X_{(3)}, X_{(4)}) — соответствующая порядковая статистика. Вычислите

?
(a)

P(X(2)+X(3)≤1)\mathbb {P}\left(X_{(2)} + X_{(3)} \leq 1\right),

(b)

P(X(2)≤3X(1))\mathbb {P}\left(X_{(2)} \leq 3 X_{(1)}\right).

Задача 4.9

Предположим, что X1,X2,X3,X4X_1, X_2, X_3, X_4 — независимые U(0,1)U(0,1)-распределённые случайные величины, и пусть (X(1),X(2),X(3),X(4))(X_{(1)}, X_{(2)}, X_{(3)}, X_{(4)}) — соответствующая порядковая статистика. Найдите распределение

?
(a)

X(3)−X(1)X_{(3)} - X_{(1)},

(b)

X(4)−X(2)X_{(4)} - X_{(2)}.

Задача 4.10

Предположим, что X1,X2,X3X_1, X_2, X_3 — независимые U(0,1)U(0,1)-распределённые случайные величины, и пусть (X(1),X(2),X(3))(X_{(1)}, X_{(2)}, X_{(3)}) — соответствующая порядковая статистика. Вычислите P(X(1)+X(2)>X(3))\mathbb {P}\left(X_{(1)} + X_{(2)} > X_{(3)}\right).

?
Примечание.
?

Конкретный пример выглядит так: возьмите 3 палочки длины 11, разломите каждую из них в случайной равномерной точке и выберите по одному кусочку от каждой палочки. Найдите вероятность того, что из 3 выбранных кусочков можно построить треугольник.

Задача 4.11

Предположим, что X1,X2,X3X_1, X_2, X_3 — независимые U(0,1)U(0,1)-распределённые случайные величины, и пусть (X(1),X(2),X(3))(X_{(1)}, X_{(2)}, X_{(3)}) — соответствующая порядковая статистика. Разумеется, тривиально, что всегда X(3)≥X(1)X_{(3)} \geq X_{(1)}. Однако,

?
(a)

Вычислите P(X(3)>2X(1))\mathbb {P}\left(X_{(3)} > 2 X_{(1)}\right).

(b)

Определите aa так, чтобы P(X(3)>aX(1))=1/2\mathbb {P}\left(X_{(3)} > a X_{(1)}\right) = 1/2.

Задача 4.12

Пусть X1,X2,X3X_1, X_2, X_3 — независимые U(0,1)U(0,1)-распределённые случайные величины, и пусть X(1),X(2),X(3)X_{(1)}, X_{(2)}, X_{(3)} — упорядоченная выборка. Пусть 0≤a<b≤10 \leq a < b \leq 1. Вычислите

E[X(2)∣X(1)=a,X(3)=b]. \mathbb {E}\left[X_{(2)} \mid X_{(1)} = a, X_{(3)} = b\right].
?
Задача 4.13

Пусть X1,X2,…,X8X_1, X_2, \ldots , X_8 — независимые Exp(1)Exp(1)-распределённые случайные величины с порядковой статистикой (X(1),X(2),…,X(8))(X_{(1)}, X_{(2)}, \ldots , X_{(8)}). Найдите

E[X(7)∣X(5)=10]. \mathbb {E}\left[X_{(7)} \mid X_{(5)} = 10\right].
?
Задача 4.14

Пусть X1,X2,X3X_1, X_2, X_3 — независимые U(0,1)U(0,1)-распределённые случайные величины, и пусть X(1),X(2),X(3)X_{(1)}, X_{(2)}, X_{(3)} — порядковая статистика. Докажите интуитивно разумный результат о том, что X(1)X_{(1)} и X(3)X_{(3)} условно независимы при заданном X(2)X_{(2)}, и определите это (условное) распределение.

?
Примечание.
?

Таким образом, задача состоит в том, чтобы определить распределение (X(1),X(3))∣X(2)=x(X_{(1)}, X_{(3)}) \mid X_{(2)} = x.

Задача 4.15

Случайные величины X1X_1, X2X_2 и X3X_3 независимы и Exp(1)Exp(1)-распределены. Вычислите коэффициент корреляции ρX(1),X(3)\rho_{X_{(1)}, X_{(3)}}.

?
Задача 4.16

Пусть X1X_1 и X2X_2 — независимые, Exp(a)Exp(a)-распределённые случайные величины.

  1. Покажите, что X(1)X_{(1)} и X(2)−X(1)X_{(2)} - X_{(1)} независимы, и определите их распределения.

  2. Вычислите E[X(2)∣X(1)=y]\mathbb {E}\left[X_{(2)} \mid X_{(1)} = y\right] и E[X(1)∣X(2)=x]\mathbb {E}\left[X_{(1)} \mid X_{(2)} = x\right].

?
Задача 4.17

Пусть X1X_1, X2X_2 и X3X_3 — независимые, U(0,1)U(0,1)-распределённые случайные величины. Вычислите P(X(3)>1/2∣X(1)=x)\mathbb {P}\left(X_{(3)} > 1/2 \mid X_{(1)} = x\right).

?
Задача 4.18

Предположим, что X∈U(0,1)X \in U(0,1). Пусть X(1),X(2),…,X(n)X_{(1)}, X_{(2)}, \ldots , X_{(n)} — порядковые величины, соответствующие выборке из nn независимых наблюдений XX, и положим

Vi=X(i)X(i+1),i=1,2,⋯ ,n−1,иVn=X(n). V_i = \frac{X_{(i)}}{X_{(i+1)}}, \quad i = 1, 2, \cdots , n-1, \quad \text{и} \quad V_n = X_{(n)}.

Покажите, что

?
(a)

V1,V2,…,VnV_1, V_2, \ldots , V_n независимы,

(b)

Vii∈U(0,1)V_i^i \in U(0,1) при i=1,2,…,ni = 1, 2, \ldots , n.

Задача 4.19

Случайные величины X1,X2,…,Xn,Y1,Y2,…,YnX_1, X_2, \ldots , X_n, Y_1, Y_2, \ldots , Y_n независимы и имеют распределение U(0,a)U(0,a). Найти распределение

Zn=n⋅log⁡(max⁡{X(n),Y(n)}min⁡{X(n),Y(n)}). Z_n = n \cdot \log \left(\frac{\max \left\{ X_{(n)}, Y_{(n)}\right\} }{\min \left\{ X_{(n)}, Y_{(n)}\right\} }\right).
?
Задача 4.20

Пусть X1,X2,…,XnX_1, X_2, \ldots , X_n — независимые случайные величины с распределением Exp(a)Exp(a), и положим

Y1=X(1)иYk=X(k)−X(k−1),при2≤k≤n. Y_1 = X_{(1)} \quad \text{и} \quad Y_k = X_{(k)} - X_{(k-1)}, \quad \text{при} \quad 2 \leq k \leq n.
?
(a)

Показать, что Y1,Y2,…,YnY_1, Y_2, \ldots , Y_n независимы, и найти их распределения.

(b)

Найти E[X(n)]\mathbb {E}\left[X_{(n)}\right] и Var⁡[X(n)]\operatorname {Var}\left[X_{(n)}\right].

Задача 4.21

Цель этой задачи — дать вероятностное доказательство соотношения

∫0∞nx(1−e−x)n−1e−x dx=1+12+13+⋯+1n. \int _0^\infty nx(1 - e^{-x})^{n-1} e^{-x} \, dx = 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \cdots + \frac{1}{n}.

Пусть X1,X2,…,XnX_1, X_2, \ldots , X_n — независимые случайные величины с распределением Exp(1)Exp(1). Рассмотрим обычные порядковые величины X(1),X(2),…,X(n)X_{(1)}, X_{(2)}, \ldots , X_{(n)} и положим

Y1=X(1)иYk=X(k)−X(k−1),k=2,3,…,n. Y_1 = X_{(1)} \quad \text{и} \quad Y_k = X_{(k)} - X_{(k-1)}, \quad k = 2, 3, \ldots , n.
?
(a)

Показать, что Y1,Y2,…,YnY_1, Y_2, \ldots , Y_n независимы, и найти их распределения.

(b)

Используя (а) и тот факт, что X(n)=Y1+Y2+⋯+YnX_{(n)} = Y_1 + Y_2 + \cdots + Y_n, доказать искомую формулу.

Примечание.
?

Замечание 1. Независимость Y1,Y2,…,YnY_1, Y_2, \ldots , Y_n не требуется для доказательства формулы.

Замечание 2. Доказательство с использованием свойств пуассоновского процесса см. в подразделе 8.5.4.

Задача 4.22

Пусть X1,X2,…,XnX_1, X_2, \ldots , X_n — независимые случайные величины с распределением Exp(1)Exp(1), и положим

Zn=nX(1)+(n−1)X(2)+⋯+2X(n−1)+X(n) . Z_n = n X_{(1)} + (n-1) X_{(2)} + \cdots + 2 X_{(n-1)} + X_{(n)} \, .

Вычислить E[Zn]\mathbb {E}\left[Z_n\right] и Var⁡[Zn]\operatorname {Var}\left[Z_n\right].

?
Задача 4.23

Случайные величины X1,X2,…,XnX_1, X_2, \ldots , X_n независимы и имеют распределение Exp(1)Exp(1). Положим

Vn=X(n)иWn=X1+12X2+13X3+⋯+1nXn. V_n = X_{(n)} \quad \text{и} \quad W_n = X_1 + \frac{1}{2} X_2 + \frac{1}{3} X_3 + \cdots + \frac{1}{n} X_n.

Показать, что Vn=dWnV_n \overset {d}{=} W_n.

?
Задача 4.24

Пусть X1,X2,…,XnX_1, X_2, \ldots , X_n — независимые случайные величины с распределением Exp(a)Exp(a). Найти распределение ∑k=1nX(k)\sum_{k=1}^{n} X_{(k)}.

?
Задача 4.25

Пусть X1,X2,…,XnX_1, X_2, \ldots , X_n — независимые одинаково распределённые случайные величины, и пусть X(1),X(2),…,X(n)X_{(1)}, X_{(2)}, \ldots , X_{(n)} — порядковые величины. Найти

E[X1∣X(1),X(2),…,X(n)]. \mathbb {E}\left[X_1 \mid X_{(1)}, X_{(2)}, \ldots , X_{(n)}\right].
?
Задача 4.26

Число особей NN в племени имеет распределение Fs(p)Fs(p). Времена жизни особей племени независимы и имеют распределение Exp(1/a)Exp(1/a), которое, кроме того, не зависит от NN. Найти распределение наименьшего времени жизни.

?
Задача 4.27

Пусть X1,X2,…X_1, X_2, \ldots — независимые случайные величины с распределением U(0,1)U(0,1), и пусть N∈Po(λ)N \in Po(\lambda ) не зависит от X1,X2,…X_1, X_2, \ldots. Положим

V=max⁡{X1,X2,…,XN} V = \max \left\{ X_1, X_2, \ldots , X_N\right\}

(V=0V = 0, когда N=0N = 0). Найти распределение VV и вычислить E[V]\mathbb {E}\left[V\right].

?
Задача 4.28

Пусть X1,X2,…X_1, X_2, \ldots — случайные величины с распределением Exp(θ)Exp(\theta ), пусть N∈Po(λ)N \in Po(\lambda ), и предположим, что все случайные величины независимы. Положим

Y=max⁡{X1,X2,…,XN}сY=0 при N=0. Y = \max \left\{ X_1, X_2, \ldots , X_N\right\} \quad \text{с} \quad Y = 0 \text{ при } N = 0.

Показать, что Y=dmax⁡{0,V}Y \overset {d}{=} \max \left\{ 0, V\right\}, где VV имеет распределение гумбелевского типа.

?
Примечание.
?

Замечание. Функция распределения стандартного распределения Гумбеля равна

Λ(x)=e−e−x,−∞<x<∞. \Lambda (x) = e^{-e^{-x}}, \quad -\infty < x < \infty .
Задача 4.29

Предположим, что случайные величины X1,X2,…X_1, X_2, \ldots независимы и имеют общую функцию распределения F(x)F(x). Предположим далее, что NN — положительная целочисленная случайная величина с производящей функцией g(t)g(t). Наконец, предположим, что NN и X1,X2,…X_1, X_2, \ldots независимы. Положим

Y=max⁡{X1,X2,…,XN}. Y = \max \left\{ X_1, X_2, \ldots , X_N\right\} .

Показать, что

FY(y)=g(F(y)). F_Y(y) = g\left(F(y)\right).
?