B部分:概率与统计 [60 分] 离散随机变量 XX 具有以下概率分布:
P(X=x)=k(x2+x) for x=1, 2, 3, 4, 5, where k is a constant.\mathrm{P}(X = x) = k(x^2 + x) \text{ for } x = 1, \ 2, \ 3, \ 4, \ 5, \text{ where } k \text{ is a constant.}

  1. (a)

    证明 k=170k = \frac{1}{70}。

  2. (b)

    求 E(X)\mathrm{E}(X) 和 Var⁡(X)\operatorname{Var}(X) 的精确值。

  3. (c)

    对 XX 进行两次独立的观测,得到 X1X_1 和 X2X_2。求这两次观测值之差至少为 3 的概率。

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完整解法

5(a)

1. State the condition that the sum of all probabilities in a probability distribution equals 1.

∑x=15P(X=x)=1\sum_{x=1}^{5} \mathrm{P}(X=x) = 1

2. Substitute the given function for each value of $x$ and solve for $k$.

k(12+1)+k(22+2)+k(32+3)+k(42+4)+k(52+5)=1k(1^2 + 1) + k(2^2 + 2) + k(3^2 + 3) + k(4^2 + 4) + k(5^2 + 5) = 1
k(2+6+12+20+30)=1k(2 + 6 + 12 + 20 + 30) = 1
70k=170k = 1
k=170 (shown)k = \frac{1}{70} \text{ (shown)}

答案

Shown that k=170k = \frac{1}{70}.

5(b)

1. Calculate the expected value $\mathrm{E}(X)$ using the definition $\sum x \mathrm{P}(X=x)$.

E(X)=∑x=15x⋅P(X=x)=170(1(12+1)+2(22+2)+3(32+3)+4(42+4)+5(52+5))=170(1(2)+2(6)+3(12)+4(20)+5(30))=170(2+12+36+80+150)=28070=4\begin{aligned} \mathrm{E}(X) &= \sum_{x=1}^{5} x \cdot \mathrm{P}(X=x) \\ &= \frac{1}{70} \left( 1(1^2+1) + 2(2^2+2) + 3(3^2+3) + 4(4^2+4) + 5(5^2+5) \right) \\ &= \frac{1}{70} (1(2) + 2(6) + 3(12) + 4(20) + 5(30)) \\ &= \frac{1}{70} (2 + 12 + 36 + 80 + 150) \\ &= \frac{280}{70} \\ &= 4 \end{aligned}

2. Calculate $\mathrm{E}(X^2)$ as an intermediate step for the variance.

E(X2)=∑x=15x2⋅P(X=x)=170(12(2)+22(6)+32(12)+42(20)+52(30))=170(2+24+108+320+750)=120470=865or 17.2\begin{aligned} \mathrm{E}(X^2) &= \sum_{x=1}^{5} x^2 \cdot \mathrm{P}(X=x) \\ &= \frac{1}{70} \left( 1^2(2) + 2^2(6) + 3^2(12) + 4^2(20) + 5^2(30) \right) \\ &= \frac{1}{70} (2 + 24 + 108 + 320 + 750) \\ &= \frac{1204}{70} \\ &= \frac{86}{5} \quad \text{or } 17.2 \end{aligned}

3. Calculate the variance $\operatorname{Var}(X)$ using the formula $\operatorname{Var}(X) = \mathrm{E}(X^2) - [\mathrm{E}(X)]^2$.

Var⁡(X)=E(X2)−[E(X)]2=865−42=17.2−16=1.2or 65\begin{aligned} \operatorname{Var}(X) &= \mathrm{E}(X^2) - [\mathrm{E}(X)]^2 \\ &= \frac{86}{5} - 4^2 \\ &= 17.2 - 16 \\ &= 1.2 \quad \text{or } \frac{6}{5} \end{aligned}

答案

E(X)=4\mathrm{E}(X) = 4, Var⁡(X)=65\operatorname{Var}(X) = \frac{6}{5}

5(c)

1. Calculate the relevant individual probabilities for $X$.

Using P(X=x)=170(x2+x)\mathrm{P}(X = x) = \frac{1}{70}(x^2 + x):
P(X=1)=270\mathrm{P}(X=1) = \frac{2}{70}
P(X=2)=670\mathrm{P}(X=2) = \frac{6}{70}
P(X=4)=2070\mathrm{P}(X=4) = \frac{20}{70}
P(X=5)=3070\mathrm{P}(X=5) = \frac{30}{70}

2. Identify the possible pairs $(x_1, x_2)$ where the difference is at least 3.

For ∣X1−X2∣≥3|X_1 - X_2| \ge 3, the possible combinations (X1,X2)(X_1, X_2) are:

  • Difference of 3: (1,4),(4,1),(2,5),(5,2)(1, 4), (4, 1), (2, 5), (5, 2)
  • Difference of 4: (1,5),(5,1)(1, 5), (5, 1)

3. Calculate the total probability by adding the probabilities of these mutually exclusive pairs.

Since the observations are independent, P(X1=x1,X2=x2)=P(X=x1)×P(X=x2)\mathrm{P}(X_1=x_1, X_2=x_2) = \mathrm{P}(X=x_1) \times \mathrm{P}(X=x_2).

P(∣X1−X2∣≥3)=2 P(1,4)+2 P(2,5)+2 P(1,5)=2(270×2070)+2(670×3070)+2(270×3070)=804900+3604900+1204900=5604900=435\begin{aligned}\mathrm{P}(|X_1 - X_2| \ge 3) &= 2\, \mathrm{P}(1, 4) + 2\, \mathrm{P}(2, 5) + 2\, \mathrm{P}(1, 5) \\ &= 2 \left( \frac{2}{70} \times \frac{20}{70} \right) + 2 \left( \frac{6}{70} \times \frac{30}{70} \right) + 2 \left( \frac{2}{70} \times \frac{30}{70} \right) \\ &= \frac{80}{4900} + \frac{360}{4900} + \frac{120}{4900} \\ &= \frac{560}{4900} \\ &= \frac{4}{35} \end{aligned}

答案

435\frac{4}{35}

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