XX 是一个均值为 1、方差为 1 的正态随机变量,并且 YY 也是一个均值为 μ\mu、方差为 2 的正态随机变量。

  1. (a)

    已知 P(0≤X+Y<3)>0.44P(0 \le X + Y < 3) > 0.44,求 μ\mu 的所有可能值的范围。

  2. (b)

    若改为已知 μ=10\mu = 10,且 nn 个独立的 XX 观测值之和超过 2Y2Y 至少 10 的概率小于 0.03,求 nn 的最大可能值。

  3. (c)

    说明上述计算有效所需的一个假设条件。

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完整解法

7(a)

1. Find the distribution of the sum $X + Y$.

Assuming XX and YY are independent (as will be stated in part (c)),
E(X+Y)=E(X)+E(Y)=1+μE(X + Y) = E(X) + E(Y) = 1 + \mu
Var(X+Y)=Var(X)+Var(Y)=1+2=3\text{Var}(X + Y) = \text{Var}(X) + \text{Var}(Y) = 1 + 2 = 3
Let W=X+YW = X + Y, then W∼N(1+μ,3)W \sim N(1 + \mu, 3).

2. Set up the inequality for the given probability.

We are given that P(0≤X+Y<3)>0.44P(0 \le X + Y < 3) > 0.44, which means:
P(0≤W<3)>0.44P(0 \le W < 3) > 0.44

3. Solve the inequality for $\mu$ using a graphing calculator.

Using a graphing calculator to plot the probability function Y1=normalcdf(0,3,1+X,3)Y_1 = \text{normalcdf}(0, 3, 1+X, \sqrt{3}) against μ\mu, and the line Y2=0.44Y_2 = 0.44.
Finding the points of intersection:
μ≈−1.1012andμ≈2.1012\mu \approx -1.1012 \quad \text{and} \quad \mu \approx 2.1012
From the graph, the probability Y1Y_1 is strictly greater than 0.440.44 when μ\mu is between these two values.
−1.10<μ<2.10 (to 3 s.f.)-1.10 < \mu < 2.10 \text{ (to 3 s.f.)}

答案

−1.10<μ<2.10-1.10 < \mu < 2.10

7(b)

1. Formulate the normal distribution for the sum of $n$ independent observations of $X$.

Let W=X1+X2+⋯+XnW = X_1 + X_2 + \dots + X_n.
Since each Xi∼N(1,1)X_i \sim \mathrm{N}(1, 1) independently:
E(W)=n×1=n\mathrm{E}(W) = n \times 1 = n
Var(W)=n×1=n\mathrm{Var}(W) = n \times 1 = n
So W∼N(n,n)W \sim \mathrm{N}(n, n).

2. Find the distribution of the difference between $W$ and $2Y$.

Given Y∼N(10,2)Y \sim \mathrm{N}(10, 2), let V=W−2YV = W - 2Y.
E(V)=E(W)−2E(Y)=n−2(10)=n−20\mathrm{E}(V) = \mathrm{E}(W) - 2\mathrm{E}(Y) = n - 2(10) = n - 20
Var(V)=Var(W)+22Var(Y)=n+4(2)=n+8\mathrm{Var}(V) = \mathrm{Var}(W) + 2^2\mathrm{Var}(Y) = n + 4(2) = n + 8
So V∼N(n−20,n+8)V \sim \mathrm{N}(n - 20, n + 8).

3. Standardise the variable and set up an inequality using the given probability.

We are given P(W>2Y+10)<0.03\mathrm{P}(W > 2Y + 10) < 0.03, which means P(V≥10)<0.03\mathrm{P}(V \ge 10) < 0.03.
Standardising the normal variable:
P(Z≥10−(n−20)n+8)<0.03\mathrm{P}\left(Z \ge \frac{10 - (n - 20)}{\sqrt{n + 8}}\right) < 0.03
P(Z≥30−nn+8)<0.03\mathrm{P}\left(Z \ge \frac{30 - n}{\sqrt{n + 8}}\right) < 0.03
From the standard normal distribution, if P(Z≥z)=0.03\mathrm{P}(Z \ge z) = 0.03, then z≈1.8808z \approx 1.8808.
For the probability to be strictly less than 0.030.03, the zz-value must be strictly greater than this critical value:
30−nn+8>1.8808\frac{30 - n}{\sqrt{n + 8}} > 1.8808

4. Solve the inequality to find the largest possible integer value of $n$.

We can test values of nn or solve the equation algebraically.
If n=20n = 20:
30−2020+8=1028≈1.8898>1.8808\frac{30 - 20}{\sqrt{20 + 8}} = \frac{10}{\sqrt{28}} \approx 1.8898 > 1.8808
If n=21n = 21:
30−2121+8=929≈1.6713<1.8808\frac{30 - 21}{\sqrt{21 + 8}} = \frac{9}{\sqrt{29}} \approx 1.6713 < 1.8808
Alternatively, solving the quadratic equation (30−n)2=1.88082(n+8)(30 - n)^2 = 1.8808^2(n + 8) yields n≈20.04n \approx 20.04.
Since we need 30−nn+8>1.8808\frac{30-n}{\sqrt{n+8}} > 1.8808, we must have n≤20.04n \le 20.04.
Thus, the largest possible integer nn is 2020.

答案

2020

7(c)

1. State the assumption necessary for the calculation of the variance of linear combinations such as $X+Y$ and $\sum X_i - 2Y$.

XX and YY are independent.

答案

XX and YY are independent.

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