10

Совместное распределение. Независимость

[39/74%]
Показать
LaTeX
Задача 10.1

Двумерное распределение пары целочисленных случайных величин ξ\xi и η\eta задаётся с помощью таблицы

η\ξ−101−11/81/127/2415/241/61/8 \begin{array}{c|ccc} {}_\eta \backslash ^\xi & -1 & 0 & 1 \\ \hline -1 & 1/8 & 1/12 & 7/24 \\ 1 & 5/24 & 1/6 & 1/8 \end{array}

где в пересечении столбца ξ=i\xi = i и строки η=j\eta = j находится вероятность P{ξ=i,η=j}\mathbb {P}\left\{ \xi = i, \eta = j\right\}. Выяснить, зависимы или нет случайные величины ξ\xi и η\eta. Найти:

?
(а)

одномерные распределения P{ξ=i}\mathbb {P}\left\{ \xi = i\right\} и P{η=j}\mathbb {P}\left\{ \eta = j\right\};

(б)

условные вероятности P{η=1∣ξ=0}\mathbb {P}\left\{ \eta = 1 \mid \xi = 0\right\} и P{ξ=1∣η=1}\mathbb {P}\left\{ \xi = 1 \mid \eta = 1\right\};

(в)

совместное распределение величин ξ+η\xi + \eta и ξη\xi \eta;

(г)

одномерные распределения величин ξ+η\xi + \eta и ξη\xi \eta;

(д)

совместное распределение величин max⁡(ξ,η)\max (\xi , \eta ) и min⁡(ξ,η)\min (\xi , \eta );

(е)

совместное распределение величин ∣ξ+2η∣\left|\xi + 2\eta \right| и ∣ξ−η∣\left|\xi - \eta \right|.

Задача 10.2

Решить задачу 10.1 для таблицы

η\ξ−20111/61/61/621/61/61/6 \begin{array}{c|ccc} {}_\eta \backslash ^\xi & -2 & 0 & 1 \\ \hline 1 & 1/6 & 1/6 & 1/6 \\ 2 & 1/6 & 1/6 & 1/6 \end{array}
?
(а)
(б)
(в)
(г)
(д)
Задача 10.3

Решить задачу 10.1 для таблицы

η\ξ−101−21/81/127/2401/121/121/1611/81/121/16 \begin{array}{c|ccc} {}_\eta \backslash ^\xi & -1 & 0 & 1 \\ \hline -2 & 1/8 & 1/12 & 7/24 \\ 0 & 1/12 & 1/12 & 1/16 \\ 1 & 1/8 & 1/12 & 1/16 \end{array}
?
(а)
(б)
(в)
(г)
(д)
(е)
Задача 10.4

Число ξ\xi выбирается случайно среди чисел 1, 2 и 3; число η\eta выбирается случайно среди ξ,ξ+1,…,ξ+3\xi , \xi +1, \ldots , \xi +3. Найти:

?
(а)

совместное распределение чисел ξ\xi и η\eta;

(б)

одномерное распределение ξ\xi;

(в)

одномерное распределение η\eta.

Задача 10.5

Пусть случайные величины ξ\xi и η\eta независимы и одинаково распределены, причём P{ξ=1}=p\mathbb {P}\left\{ \xi = 1\right\} = p и P{ξ=0}=1−p\mathbb {P}\left\{ \xi = 0\right\} = 1 - p. Введём новую случайную величину ζ\zeta, положив

ζ={0,если ξ+η чётное число,1,если ξ+η нечётное число. \zeta = \begin{cases} 0, & \text{если } \xi + \eta \text{ чётное число}, \\ 1, & \text{если } \xi + \eta \text{ нечётное число.} \end{cases}

При каких значениях pp случайные величины ξ\xi и ζ\zeta независимы?

?
Задача 10.6

Пусть ξ1\xi_1 и ξ2\xi_2 — независимые случайные величины, принимающие целые значения. При каких условиях события {ξ1 чётно}\left\{ \xi_1 \text{ чётно}\right\} и {ξ1+ξ2 чётно}\left\{ \xi_1 + \xi_2 \text{ чётно}\right\} независимы?

?
Задача 10.7

Пусть независимые случайные величины ξ\xi, η\eta и ζ\zeta имеют одинаковое геометрическое распределение с параметром pp. Найти:

?
(а)

P{ξ=η}\mathbb {P}\left\{ \xi = \eta \right\};

(б)

P{ξ⩾2η}\mathbb {P}\left\{ \xi \geqslant 2\eta \right\};

(в)

P{ξ+η⩽ζ}\mathbb {P}\left\{ \xi + \eta \leqslant \zeta \right\}.

Задача 10.8

Точка ω=(ω1,ω2)\omega = (\omega_1, \omega_2) выбрана наудачу в квадрате [0,1]2[0, 1]^2. Найти функцию распределения и плотность случайной величины ξ+η\xi + \eta, если:

?
(а)

ξ(ω)=ω1+ω2\xi (\omega ) = \omega_1 + \omega_2, η(ω)=ω1−ω2\eta (\omega ) = \omega_1 - \omega_2;

(б)

ξ(ω)=ω1\xi (\omega ) = \omega_1, η(ω)=ω2\eta (\omega ) = \omega_2;

(в)

ξ(ω)=1\xi (\omega ) = 1 при ω1=ω2\omega_1 = \omega_2 и ξ(ω)=0\xi (\omega ) = 0 при ω1≠ω2\omega_1 \neq \omega_2; η(ω)=ω1ω2\eta (\omega ) = \omega_1\omega_2.

Задача 10.9

Рассмотрим на плоскости область Ω\Omega, имеющую площадь 1/21/2 и являющуюся объединением четырёхугольника с вершинами (0,0)(0,0), (1,1)(1,1), (0,1/2)(0,1/2), (1/2,1)(1/2,1) и треугольника с вершинами (1/2,0)(1/2,0), (1,0)(1,0), (1,1/2)(1,1/2). Случайная точка (ξ,η)(\xi , \eta ) распределена равномерно в Ω\Omega. Доказать, что:

?
(а)

ξ\xi и η\eta распределены равномерно на [0,1][0, 1];

(б)

сумма ξ+η\xi + \eta имеет такую же плотность, как если бы ξ\xi и η\eta были независимыми.

Задача 10.10

Для данной линии трамвая известна функция F(a,b)F(a, b), равная вероятности того, что пассажир, едущий по этой линии, вошёл в точке x<ax < a и едет до точки y⩽by \leqslant b. Найти вероятность того, что пассажир:

?
(а)

вошёл в трамвай до пункта zz;

(б)

сошёл до пункта zz;

(в)

проезжает через точку zz.

Задача 10.11

Пусть F(x,y)F(x, y) обозначает двумерную функцию распределения. Положим G(x,y)=0G(x, y) = 0 при x<0x < 0 и y<0y < 0; G(x,y)=F(x,y)G(x, y) = F(x, y) во всех других точках. Доказать, что GG — монотонная функция каждой переменной, но GG необязательно является функцией распределения.

?
Задача 10.12

Пусть ξ\xi и η\eta — случайные величины с функциями распределения FF и GG соответственно. Доказать, что если P{ξ⩽η}=1\mathbb {P}\left\{ \xi \leqslant \eta \right\} = 1, то F(x)⩾G(x)F(x) \geqslant G(x) при любом xx.

?
Задача 10.13

На отрезок [0,a][0, a] наудачу независимо брошены две точки. Найти функцию распределения расстояния между ними.

?
Задача 10.14

Пусть p(x,y)p(x, y) — плотность совместного распределения случайных величин ξ\xi и η\eta. Найти:

?
(а)

P{ξ>η}\mathbb {P}\left\{ \xi > \eta \right\};

(б)

P{ξ>∣η∣}\mathbb {P}\left\{ \xi > \left|\eta \right|\right\};

(в)

P{max⁡(ξ,η)<a}\mathbb {P}\left\{ \max (\xi , \eta ) < a\right\};

(г)

P{∣ξ∣>η}\mathbb {P}\left\{ \left|\xi \right| > \eta \right\};

(д)

P{ξ−η>1}\mathbb {P}\left\{ \xi - \eta > 1\right\};

(е)

P{min⁡(ξ,η)<a}\mathbb {P}\left\{ \min (\xi , \eta ) < a\right\}.

Задача 10.15

Пусть случайные величины ξ\xi и η\eta независимы и имеют одинаковую непрерывную функцию распределения. Найти:

?
(а)

P{ξ=η}\mathbb {P}\left\{ \xi = \eta \right\};

(б)

P{ξ<η}\mathbb {P}\left\{ \xi < \eta \right\}.

Задача 10.16

Пусть независимые случайные величины ξ\xi и η\eta показательно распределены с параметрами α\alpha и β\beta соответственно. Найти P{ξ<η}\mathbb {P}\left\{ \xi < \eta \right\}.

?
Задача 10.17

Совместное распределение случайных величин ξ\xi и η\eta имеет плотность

p(x,y)={c(x+y)при 0⩽x⩽1, 0⩽y⩽1,0иначе. p(x, y) = \begin{cases} c(x+y) & \text{при } 0 \leqslant x \leqslant 1,\ 0 \leqslant y \leqslant 1, \\ 0 & \text{иначе.} \end{cases}

Найти:

?
(а)

постоянную cc;

(б)

плотность распределения ξ\xi;

(в)

плотность распределения η\eta;

(г)

плотность распределения max⁡(ξ,η)\max (\xi , \eta );

(д)

плотность распределения min⁡(ξ,η)\min (\xi , \eta ).

Задача 10.18

Случайная величина ξ\xi имеет плотность распределения p(x)p(x). Найти совместную функцию распределения случайного вектора (ξ,ξ2)(\xi , \xi^2).

?
Задача 10.19

Совместное распределение случайных величин ξ\xi и η\eta имеет плотность

p(x,y)={1,если x,y⩾0 и x+2y⩽2,0иначе. p(x, y) = \begin{cases} 1, & \text{если } x, y \geqslant 0 \text{ и } x + 2y \leqslant 2, \\ 0 & \text{иначе.} \end{cases}

Найти плотность распределения случайной величины ξ\xi.

?
Задача 10.20

Совместное распределение случайных величин ξ\xi и η\eta имеет плотность

p(x,y)=c1+x2+x2y2+y2. p(x, y) = \frac{c}{1 + x^2 + x^2y^2 + y^2}.

Установить, зависимы или нет случайные величины ξ\xi и η\eta. Найти:

?
(а)

постоянную cc;

(б)

плотность распределения ξ\xi;

(в)

плотность распределения η\eta;

(г)

вероятность P{∣ξ∣⩽1,∣η∣⩽1}\mathbb {P}\left\{ \left|\xi \right| \leqslant 1, \left|\eta \right| \leqslant 1\right\}.

Задача 10.21

Случайная точка (ξ,η)(\xi , \eta ) распределена равномерно внутри квадрата {(x,y):∣x∣+∣y∣⩽1}\left\{ (x, y) : \left|x\right| + \left|y\right| \leqslant 1\right\}. Установить, зависимы или нет случайные величины ξ\xi и η\eta. Найти:

?
(а)

плотность распределения ξ\xi;

(б)

плотность распределения η\eta;

(в)

вероятность P{ξ>η}\mathbb {P}\left\{ \xi > \eta \right\}.

Задача 10.22

Совместное распределение случайных величин ξ\xi и η\eta имеет плотность

p(x,y)={2π(x2+y2)3при x2+y2⩾1,0иначе. p(x, y) = \begin{cases} \dfrac {2}{\pi (x^2+y^2)^3} & \text{при } x^2 + y^2 \geqslant 1, \\ 0 & \text{иначе.} \end{cases}

Найти плотность распределения ξ2+η2\sqrt{\xi^2 + \eta^2}.

?
Задача 10.23

Случайная точка (ξ,η)(\xi , \eta ) распределена на плоскости по нормальному закону с плотностью

pξη(x,y)=12π2e−(2(x−1)2+(y+1)2)/4. p_{\xi \eta }(x, y) = \frac{1}{2\pi \sqrt{2}} e^{-(2(x-1)^2 + (y+1)^2)/4}.

Найти вероятность попадания случайной точки (ξ,η)(\xi , \eta ) в область, ограниченную эллипсом

(x−1)2+(y+1)22=1. \frac{(x-1)^2 + (y+1)^2}{2} = 1.
?
Задача 10.24

Случайные величины ξ\xi и η\eta независимы и имеют стандартное нормальное распределение. Найти вероятность попадания случайной точки (ξ,η)(\xi , \eta )

?
(а)

в кольцо {(x,y):2⩽x2+y2⩽3}\left\{ (x, y) : 2 \leqslant \sqrt{x^2+y^2} \leqslant 3\right\};

(б)

в квадрат {(x,y):∣x∣+∣y∣⩽2}\left\{ (x, y) : \left|x\right| + \left|y\right| \leqslant \sqrt{2}\right\}.

Задача 10.25

Случайная точка (ξ,η)(\xi , \eta ) имеет равномерное распределение в круге {(x,y):x2+y2<1}\left\{ (x, y) : x^2 + y^2 < 1\right\}.

?
(а)

Найти вероятность P{∣ξ∣<1/2,∣η∣<1/2}\mathbb {P}\left\{ \left|\xi \right| < 1/\sqrt{2}, \left|\eta \right| < 1/\sqrt{2}\right\}.

(б)

Являются ли случайные величины ξ\xi и η\eta независимыми?

Задача 10.26

Случайный вектор (ξ,η,ζ)(\xi , \eta , \zeta ) имеет плотность распределения

p(x,y,z)={6(1+x+y+z)4при x>0, y>0, z>0,0иначе. p(x, y, z) = \begin{cases} \dfrac {6}{(1+x+y+z)^4} & \text{при } x > 0,\ y > 0,\ z > 0, \\ 0 & \text{иначе.} \end{cases}

Найти распределение величины ξ+η+ζ\xi + \eta + \zeta.

?
Задача 10.27

Две точки выбираются случайно и независимо на отрезке [0,1][0, 1]; третья точка выбирается случайно между первыми двумя. Доказать, что распределение координаты третьей точки абсолютно непрерывно. Найти его плотность.

?
Задача 10.28

Показать, что если ξ1,ξ2,…\xi_1, \xi_2, \ldots — независимые случайные величины, то обе случайные величины lim inf⁡n→∞ξn\liminf_{n \to \infty } \xi_n и lim sup⁡n→∞ξn\limsup_{n \to \infty } \xi_n вырождены.

?
Задача 10.29

Пусть случайные величины ξ\xi и η\eta таковы, что выполняется P{ξ>0}=P{η>0}=3/4\mathbb {P}\left\{ \xi > 0\right\} = \mathbb {P}\left\{ \eta > 0\right\} = 3/4 и P{ξ+η>0}=1/2\mathbb {P}\left\{ \xi + \eta > 0\right\} = 1/2. Доказать, что ξ\xi и η\eta зависимы.

?
Задача 10.30

Пусть ξ\xi имеет стандартное нормальное распределение, а η=1\eta = 1 при ξ>0\xi > 0 и η=0\eta = 0 при ξ⩽0\xi \leqslant 0. Доказать, что случайные величины ∣ξ∣\left|\xi \right| и η\eta независимы.

?
Задача 10.31

Пусть независимые случайные величины ξ\xi и η\eta имеют функции распределения F(x)F(x) и G(x)G(x) соответственно. Найти функции распределения следующих величин:

?
(а)

max⁡(ξ,η)\max (\xi , \eta );

(б)

min⁡(ξ,η)\min (\xi , \eta );

(в)

max⁡(3ξ,η)\max (3\xi , \eta );

(г)

min⁡(ξ,η3)\min (\xi , \eta^3).

Задача 10.32

К переговорному пункту с двумя кабинами подошли три клиента: первый и второй клиенты заняли соответственно кабины №1 и 2, а третий клиент остался ждать. Предполагая, что времена τ1\tau_1, τ2\tau_2 и τ3\tau_3 разговоров клиентов независимы и распределены показательно с параметром α\alpha, найти:

?
(а)

вероятность того, что третий клиент попадёт в кабину №1;

(б)

плотность распределения времени ожидания третьего клиента;

(в)

вероятность, что третий клиент закончит разговор раньше первого или второго клиента (т.е. раньше одного из них).

Задача 10.33

Когда случайная величина ξ\xi не зависит сама от себя?

?
Задача 10.34

При каких условиях на ξ\xi случайные величины ξ\xi и sin⁡ξ\sin \xi независимы?

?
Задача 10.35

Доказать, что если случайные величины ξ\xi и f(ξ)f(\xi ) (ff — борелевская функция) независимы, то f(ξ)f(\xi ) равно некоторой константе с вероятностью 1.

?
Задача 10.36

Доказать, что если случайные величины ξ\xi и η\eta, а также ξ\xi и ξ−η\xi - \eta независимы, то ξ\xi равно некоторой константе с вероятностью 1.

?
Задача 10.37

Пусть ξ\xi и η\eta — случайные величины. Обязаны ли они быть независимыми, если случайные величины ξ2\xi^2 и η2\eta^2 независимы?

?
Задача 10.38

Пусть независимые случайные величины ξ\xi, η\eta и ζ\zeta принимают лишь значения 0,1,2,…0, 1, 2, \ldots, причём каждое с положительной вероятностью. Доказать, что не существует целого n⩾2n \geqslant 2, для которого равенство ξn+ηn=ζn\xi^n + \eta^n = \zeta^n выполнялось бы с вероятностью 1.

?
Задача 10.39

Пусть ξ\xi и η\eta — независимые случайные величины, причём ξ+η\xi + \eta принимает значения 0, 1 и 2 с вероятностями 1/31/3 каждое. Доказать, что одна из величин ξ\xi или η\eta имеет вырожденное распределение.

?