两个均匀的 4 面骰子,其各个面上分别标有 '1'、'2'、'3' 和 '4'。掷出这两个骰子,记它们底面数字的差的绝对值为 XX。

  1. (i)

    求所有可能的 xx 值的 P(X=x)\mathrm{P}(X = x)。

  2. (ii)

    求 E(X)\mathrm{E}(X) 和 Var(X)\mathrm{Var}(X)。

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完整解法

5(i)

1. Tabulate the absolute differences for all possible outcomes of rolling two 4-sided dice.

Let the scores on the two dice be D1D_1 and D2D_2. The possible values for X=∣D1−D2∣X = |D_1 - D_2| are shown in the table:
D1∖D2123410123210123210143210\begin{array}{|c|cccc|} \hline D_1 \setminus D_2 & 1 & 2 & 3 & 4 \\ \hline 1 & 0 & 1 & 2 & 3 \\ 2 & 1 & 0 & 1 & 2 \\ 3 & 2 & 1 & 0 & 1 \\ 4 & 3 & 2 & 1 & 0 \\ \hline \end{array}
There are 4×4=164 \times 4 = 16 equally likely outcomes.

2. Calculate the probability $\mathrm{P}(X=x)$ for each possible value of $X$.

Counting the frequencies of each possible absolute difference:

  • X=0X = 0 appears 44 times: P(X=0)=416=14\mathrm{P}(X=0) = \frac{4}{16} = \frac{1}{4}
  • X=1X = 1 appears 66 times: P(X=1)=616=38\mathrm{P}(X=1) = \frac{6}{16} = \frac{3}{8}
  • X=2X = 2 appears 44 times: P(X=2)=416=14\mathrm{P}(X=2) = \frac{4}{16} = \frac{1}{4}
  • X=3X = 3 appears 22 times: P(X=3)=216=18\mathrm{P}(X=3) = \frac{2}{16} = \frac{1}{8}
答案

P(X=0)=14\mathrm{P}(X=0) = \frac{1}{4}
P(X=1)=38\mathrm{P}(X=1) = \frac{3}{8}
P(X=2)=14\mathrm{P}(X=2) = \frac{1}{4}
P(X=3)=18\mathrm{P}(X=3) = \frac{1}{8}

5(ii)

1. Recall or calculate the probability distribution of $X$ from part (i).

The possible outcomes for two 4-sided dice give a total of 4×4=164 \times 4 = 16 equally likely pairs. The absolute differences XX and their probabilities are:

  • P(X=0)=416=14\mathrm{P}(X=0) = \frac{4}{16} = \frac{1}{4}
  • P(X=1)=616=38\mathrm{P}(X=1) = \frac{6}{16} = \frac{3}{8}
  • P(X=2)=416=14\mathrm{P}(X=2) = \frac{4}{16} = \frac{1}{4}
  • P(X=3)=216=18\mathrm{P}(X=3) = \frac{2}{16} = \frac{1}{8}

2. Calculate the expectation $\mathrm{E}(X)$.

E(X)=∑xP(X=x)=0(14)+1(38)+2(14)+3(18)=0+38+48+38=108=54 (or 1.25)\begin{align*} \mathrm{E}(X) &= \sum x \mathrm{P}(X=x) \\ &= 0\left(\frac{1}{4}\right) + 1\left(\frac{3}{8}\right) + 2\left(\frac{1}{4}\right) + 3\left(\frac{1}{8}\right) \\ &= 0 + \frac{3}{8} + \frac{4}{8} + \frac{3}{8} \\ &= \frac{10}{8} = \frac{5}{4} \text{ (or } 1.25\text{)} \end{align*}

3. Calculate the variance $\mathrm{Var}(X)$.

First, calculate E(X2)\mathrm{E}(X^2):

E(X2)=∑x2P(X=x)=02(14)+12(38)+22(14)+32(18)=0+38+4(28)+98=208=52 \begin{align*} \mathrm{E}(X^2) &= \sum x^2 \mathrm{P}(X=x) \\ &= 0^2\left(\frac{1}{4}\right) + 1^2\left(\frac{3}{8}\right) + 2^2\left(\frac{1}{4}\right) + 3^2\left(\frac{1}{8}\right) \\ &= 0 + \frac{3}{8} + 4\left(\frac{2}{8}\right) + \frac{9}{8} = \frac{20}{8} = \frac{5}{2} \end{align*}

Then, use the variance formula:

Var(X)=E(X2)−[E(X)]2=52−(54)2=4016−2516=1516 (or 0.9375) \begin{align*} \mathrm{Var}(X) &= \mathrm{E}(X^2) - [\mathrm{E}(X)]^2 \\ &= \frac{5}{2} - \left(\frac{5}{4}\right)^2 \\ &= \frac{40}{16} - \frac{25}{16} \\ &= \frac{15}{16} \text{ (or } 0.9375\text{)} \end{align*}
答案

E(X)=54\mathrm{E}(X) = \frac{5}{4}, Var(X)=1516\mathrm{Var}(X) = \frac{15}{16}

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