Задача 1. Пусть X ∼ N (0, 1). Вычислите: 1. EXk д...

創建於:2026年4月15日

使用 GPT-5.4 Thinking 回答 Chat01

問題

Задача 1. Пусть X ∼ N (0, 1). Вычислите:

  1. EXk для любого k ∈ N0,
  2. E|X|
    k для любого k ∈ N0.
    Задача 2. Пусть X ∼ N (0, 1). Докажите, что
    P
     |X| ≥ r
     ≤ e
    − r
    2
    2
    .
    Задача 3. Пусть X ∼ N (µ, σ2
    ). Вычислите производящую функцию моментов случайной
    величины X, т.е. функцию ψ(s) = Ee
    sX.
    Задача 4. Пусть Φ(·) — функция распределения стандартного нормального закона. Най-
    дите
    1
    √
    2π
    Z R
    e
    −
    t
    2
    2
    Φ(t + 1)dt.
    Задача 5. Пусть X — стандартная нормальная величина. Докажите, что
    (E cos X)
    2 ≤ D sin X ≤ E cos2 X.
    Задача 6 (). Пусть X, Y — независимые стандартные нормальные случайные величины.
    Найдите распределение случайной величины Z = X/Y .
    Задача 7 (
    ). Пусть (X, Y ) — гауссовский случайный вектор со средним (0, 0) и такой,
    что DX = DY = 1, а cov(X, Y ) = r, где |r| < 1. Найдите E[max{X, Y }] и D[max{X, Y }].
    Задача 8 (*). Пусть X имеет равномерное распределение на [0, 1]. Существует ли такая
    случайная величина Y , независимая с X, что
    L = log 
    1 −
    X
    X
    
  • Y
    имеет нормальное распределение?

思考

Exploring the conditions for normality and independence

I'm evaluating the conditions for a sum to be normal, focusing on the moment generating functions (mgf). If the mgf of Y is finite at 1, it may be possible for this ratio to hold, but I need a stronger contradiction. Through Tonelli's theorem and dependence, the product of expectations seems to diverge, yielding ∞.

Thought for 4m 29s

回答

Ниже φ(x)=12πe−x2/2\varphi(x)=\dfrac1{\sqrt{2\pi}}e^{-x^2/2} — плотность стандартного нормального закона.


Задача 1

Пусть X∼N(0,1)X\sim N(0,1).

1) Вычислить EXk \mathbb E X^k, k∈N0k\in\mathbb N_0

Если kk нечётно, то по симметрии

EXk=0.\mathbb E X^k=0.

Если k=2nk=2n, то

EX2n=(2n−1)!!=(2n)!2nn!.\mathbb E X^{2n}=(2n-1)!!=\frac{(2n)!}{2^n n!}.

Итак,

EXk={0,k нечётно,(2n)!2nn!,k=2n.\boxed{ \mathbb E X^k= \begin{cases} 0, & k \text{ нечётно},\\[2mm] \dfrac{(2n)!}{2^n n!}, & k=2n. \end{cases}}

2) Вычислить E∣X∣k \mathbb E |X|^k, k∈N0k\in\mathbb N_0

E∣X∣k=22π∫0∞xke−x2/2 dx.\mathbb E|X|^k = \frac{2}{\sqrt{2\pi}}\int_0^\infty x^k e^{-x^2/2}\,dx.

Подстановкой u=x2/2u=x^2/2, x=2ux=\sqrt{2u}, dx=du2udx=\frac{du}{\sqrt{2u}}, получаем

E∣X∣k=22π∫0∞(2u)k/2e−udu2u=2k/2πΓ ⁣(k+12).\mathbb E|X|^k = \frac{2}{\sqrt{2\pi}}\int_0^\infty (2u)^{k/2}e^{-u}\frac{du}{\sqrt{2u}} = \frac{2^{k/2}}{\sqrt{\pi}}\Gamma\!\left(\frac{k+1}{2}\right).

То есть

E∣X∣k=2k/2πΓ ⁣(k+12).\boxed{ \mathbb E|X|^k=\frac{2^{k/2}}{\sqrt\pi}\Gamma\!\left(\frac{k+1}{2}\right)}.

Для целых kk можно расписать отдельно:

E∣X∣2n=(2n)!2nn!,E∣X∣2n+1=2n+1/2n!π.\mathbb E|X|^{2n}=\frac{(2n)!}{2^n n!},\qquad \mathbb E|X|^{2n+1}=\frac{2^{n+1/2}n!}{\sqrt\pi}.

Задача 2

Пусть X∼N(0,1)X\sim N(0,1). Доказать:

P(∣X∣≥r)≤e−r2/2.\mathbb P(|X|\ge r)\le e^{-r^2/2}.

Обозначим

H(r)=P(∣X∣≥r)=2∫r∞φ(x) dx,r≥0.H(r)=\mathbb P(|X|\ge r)=2\int_r^\infty \varphi(x)\,dx,\qquad r\ge 0.

Рассмотрим

f(r)=er2/2H(r).f(r)=e^{r^2/2}H(r).

Тогда при r>0r>0

f′(r)=er2/2(rH(r)+H′(r))=er2/2(rH(r)−2φ(r)).f'(r)=e^{r^2/2}\bigl(rH(r)+H'(r)\bigr) =e^{r^2/2}\bigl(rH(r)-2\varphi(r)\bigr).

Но

H(r)=2∫r∞φ(x) dx≤2r∫r∞xφ(x) dx=2φ(r)r,H(r)=2\int_r^\infty \varphi(x)\,dx \le \frac{2}{r}\int_r^\infty x\varphi(x)\,dx = \frac{2\varphi(r)}{r},

так как x≥rx\ge r на [r,∞)[r,\infty), а

∫r∞xφ(x) dx=φ(r).\int_r^\infty x\varphi(x)\,dx=\varphi(r).

Следовательно,

rH(r)−2φ(r)≤0,rH(r)-2\varphi(r)\le 0,

то есть f′(r)≤0f'(r)\le 0. Значит, ff убывает, и потому

f(r)≤f(0)=P(∣X∣≥0)=1.f(r)\le f(0)=\mathbb P(|X|\ge 0)=1.

Итак,

er2/2P(∣X∣≥r)≤1,e^{r^2/2}\mathbb P(|X|\ge r)\le 1,

то есть

P(∣X∣≥r)≤e−r2/2.\boxed{\mathbb P(|X|\ge r)\le e^{-r^2/2}}.

Задача 3

Пусть X∼N(μ,σ2)X\sim N(\mu,\sigma^2). Найти производящую функцию моментов

ψ(s)=EesX.\psi(s)=\mathbb E e^{sX}.

Пишем X=μ+σZX=\mu+\sigma Z, где Z∼N(0,1)Z\sim N(0,1). Тогда

ψ(s)=eμs EeσsZ.\psi(s)=e^{\mu s}\,\mathbb E e^{\sigma s Z}.

Для стандартной нормальной величины

EetZ=et2/2.\mathbb E e^{tZ}=e^{t^2/2}.

Значит,

ψ(s)=exp⁡ ⁣(μs+σ2s22).\boxed{\psi(s)=\exp\!\left(\mu s+\frac{\sigma^2 s^2}{2}\right)}.

Задача 4

Вычислить

12π∫Re−t2/2Φ(t+1) dt.\frac1{\sqrt{2\pi}}\int_{\mathbb R} e^{-t^2/2}\Phi(t+1)\,dt.

Пусть X,YX,Y — независимые N(0,1)N(0,1). Тогда

12π∫Re−t2/2Φ(t+1) dt=E Φ(X+1).\frac1{\sqrt{2\pi}}\int_{\mathbb R} e^{-t^2/2}\Phi(t+1)\,dt =\mathbb E\,\Phi(X+1).

Но

Φ(X+1)=P(Y≤X+1∣X).\Phi(X+1)=\mathbb P(Y\le X+1\mid X).

Берём ожидание:

E Φ(X+1)=P(Y≤X+1)=P(Y−X≤1).\mathbb E\,\Phi(X+1)=\mathbb P(Y\le X+1)=\mathbb P(Y-X\le 1).

Так как

Y−X∼N(0,2),Y-X\sim N(0,2),

то

P(Y−X≤1)=Φ ⁣(12).\mathbb P(Y-X\le 1)=\Phi\!\left(\frac1{\sqrt2}\right).

Ответ:

12π∫Re−t2/2Φ(t+1) dt=Φ ⁣(12).\boxed{\frac1{\sqrt{2\pi}}\int_{\mathbb R} e^{-t^2/2}\Phi(t+1)\,dt =\Phi\!\left(\frac1{\sqrt2}\right)}.

Задача 5

Пусть X∼N(0,1)X\sim N(0,1). Доказать, что

(Ecos⁡X)2≤D(sin⁡X)≤Ecos⁡2X.(\mathbb E\cos X)^2\le \mathbb D(\sin X)\le \mathbb E\cos^2 X.

Сначала заметим, что по симметрии

Esin⁡X=0.\mathbb E\sin X=0.

Значит,

D(sin⁡X)=Esin⁡2X.\mathbb D(\sin X)=\mathbb E\sin^2 X.

Левая часть

Используем интегрирование по частям (или тождество Штейна):

E[Xsin⁡X]=E[cos⁡X].\mathbb E[X\sin X]=\mathbb E[\cos X].

Тогда по неравенству Коши:

(Ecos⁡X)2=(E[Xsin⁡X])2≤EX2⋅Esin⁡2X=1⋅D(sin⁡X).(\mathbb E\cos X)^2=(\mathbb E[X\sin X])^2 \le \mathbb E X^2 \cdot \mathbb E\sin^2 X =1\cdot \mathbb D(\sin X).

То есть

(Ecos⁡X)2≤D(sin⁡X).\boxed{(\mathbb E\cos X)^2\le \mathbb D(\sin X)}.

Правая часть

D(sin⁡X)=Esin⁡2X.\mathbb D(\sin X)=\mathbb E\sin^2 X.

Поэтому достаточно показать

Esin⁡2X≤Ecos⁡2X.\mathbb E\sin^2 X\le \mathbb E\cos^2 X.

Но

Ecos⁡2X−Esin⁡2X=Ecos⁡2X.\mathbb E\cos^2 X-\mathbb E\sin^2 X=\mathbb E\cos 2X.

Из задачи 3:

Eei2X=e−2,\mathbb E e^{i2X}=e^{-2},

следовательно

Ecos⁡2X=e−2>0.\mathbb E\cos 2X=e^{-2}>0.

Значит,

Ecos⁡2X>Esin⁡2X=D(sin⁡X).\mathbb E\cos^2 X>\mathbb E\sin^2 X=\mathbb D(\sin X).

Итак,

(Ecos⁡X)2≤D(sin⁡X)≤Ecos⁡2X.\boxed{(\mathbb E\cos X)^2\le \mathbb D(\sin X)\le \mathbb E\cos^2 X.}

Задача 6 (*)

Пусть X,YX,Y — независимые стандартные нормальные. Найти распределение

Z=XY.Z=\frac{X}{Y}.

Рассмотрим преобразование

x=zy,y=y.x=zy,\qquad y=y.

Якобиан:

∣∂(x,y)∂(z,y)∣=∣y∣.\left|\frac{\partial(x,y)}{\partial(z,y)}\right|=|y|.

Совместная плотность (X,Y)(X,Y):

fX,Y(x,y)=12πe−(x2+y2)/2.f_{X,Y}(x,y)=\frac1{2\pi}e^{-(x^2+y^2)/2}.

Значит,

fZ,Y(z,y)=12πe−(z2y2+y2)/2∣y∣=12π∣y∣e−(1+z2)y2/2.f_{Z,Y}(z,y)=\frac1{2\pi}e^{-(z^2y^2+y^2)/2}|y| =\frac1{2\pi}|y|e^{-(1+z^2)y^2/2}.

Интегрируем по yy:

fZ(z)=12π∫−∞∞∣y∣e−(1+z2)y2/2 dy=1π∫0∞ye−(1+z2)y2/2 dy.f_Z(z)=\frac1{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}|y|e^{-(1+z^2)y^2/2}\,dy =\frac1{\pi}\int_0^\infty y e^{-(1+z^2)y^2/2}\,dy.

Подстановка даёт

∫0∞ye−ay2/2 dy=1a,a>0.\int_0^\infty y e^{-a y^2/2}\,dy=\frac1a,\qquad a>0.

Значит,

fZ(z)=1π(1+z2),z∈R.\boxed{f_Z(z)=\frac1{\pi(1+z^2)},\qquad z\in\mathbb R.}

То есть ZZ имеет стандартное распределение Коши.


Задача 7 (*)

Пусть (X,Y)(X,Y) — гауссовский вектор:

EX=EY=0,DX=DY=1,cov⁡(X,Y)=r,∣r∣<1.\mathbb EX=\mathbb EY=0,\qquad \mathbb DX=\mathbb DY=1,\qquad \operatorname{cov}(X,Y)=r,\quad |r|<1.

Найти

Emax⁡{X,Y},Dmax⁡{X,Y}.\mathbb E\max\{X,Y\},\qquad \mathbb D\max\{X,Y\}.

Обозначим

M=max⁡{X,Y}.M=\max\{X,Y\}.

Используем тождество

M=X+Y+∣X−Y∣2.M=\frac{X+Y+|X-Y|}{2}.

Положим

S=X+Y,D=X−Y.S=X+Y,\qquad D=X-Y.

Тогда

M=S2+∣D∣2.M=\frac S2+\frac{|D|}{2}.

Шаг 1: распределения SS и DD

DS=D(X+Y)=1+1+2r=2(1+r),\mathbb DS=\mathbb D(X+Y)=1+1+2r=2(1+r), DD=D(X−Y)=1+1−2r=2(1−r).\mathbb DD=\mathbb D(X-Y)=1+1-2r=2(1-r).

Кроме того,

cov⁡(S,D)=cov⁡(X+Y,X−Y)=1−r+r−1=0.\operatorname{cov}(S,D)=\operatorname{cov}(X+Y,X-Y)=1-r+r-1=0.

Так как (S,D)(S,D) — гауссовский вектор, из нулевой ковариации следует независимость:

S⊥D.S\perp D.

Математическое ожидание

EM=ES2+E∣D∣2=E∣D∣2.\mathbb EM=\frac{\mathbb ES}{2}+\frac{\mathbb E|D|}{2}=\frac{\mathbb E|D|}{2}.

Если D∼N(0,σD2)D\sim N(0,\sigma_D^2), то

E∣D∣=σD2π.\mathbb E|D|=\sigma_D\sqrt{\frac2\pi}.

Здесь σD2=2(1−r)\sigma_D^2=2(1-r), значит

E∣D∣=2(1−r)2π=21−rπ.\mathbb E|D|=\sqrt{2(1-r)}\sqrt{\frac2\pi}=2\sqrt{\frac{1-r}{\pi}}.

Следовательно,

Emax⁡{X,Y}=1−rπ.\boxed{\mathbb E\max\{X,Y\}=\sqrt{\frac{1-r}{\pi}}.}

Дисперсия

Так как SS и DD независимы, то SS и ∣D∣|D| тоже независимы. Поэтому

DM=14DS+14D∣D∣.\mathbb DM=\frac14\mathbb DS+\frac14\mathbb D|D|.

Для центрированной нормальной величины N(0,σ2)N(0,\sigma^2):

D∣N(0,σ2)∣=σ2(1−2π).\mathbb D|N(0,\sigma^2)|=\sigma^2\left(1-\frac2\pi\right).

Значит,

D∣D∣=2(1−r)(1−2π).\mathbb D|D|=2(1-r)\left(1-\frac2\pi\right).

Отсюда

DM=2(1+r)4+2(1−r)4(1−2π).\mathbb DM =\frac{2(1+r)}4+\frac{2(1-r)}4\left(1-\frac2\pi\right).

Упрощаем:

DM=1+r2+1−r2(1−2π)=1−1−rπ.\mathbb DM =\frac{1+r}{2}+\frac{1-r}{2}\left(1-\frac2\pi\right) =1-\frac{1-r}{\pi}.

Итак,

Dmax⁡{X,Y}=1−1−rπ.\boxed{\mathbb D\max\{X,Y\}=1-\frac{1-r}{\pi}.}

Задача 8 (*)

В условии, по-видимому, опечатка: запись

log⁡(1−XX)\log\Bigl(1-\frac{X}{X}\Bigr)

не имеет смысла, так как это log⁡0\log 0. Естественная интерпретация —

L=log⁡1−XX+YилиL=log⁡X1−X+Y.L=\log\frac{1-X}{X}+Y \quad\text{или}\quad L=\log\frac{X}{1-X}+Y.

В обоих случаях ответ одинаковый.

Пусть

U=log⁡1−XX,X∼Unif[0,1].U=\log\frac{1-X}{X},\qquad X\sim \mathrm{Unif}[0,1].

Тогда UU является измеримой функцией от XX, поэтому из независимости YY и XX следует независимость YY и UU.

Проверим экспоненциальный момент при t=1t=1:

eU=1−XX.e^U=\frac{1-X}{X}.

Следовательно,

EeU=∫011−xx dx=+∞.\mathbb E e^U=\int_0^1 \frac{1-x}{x}\,dx=+\infty.

Так как eY>0e^Y>0 почти наверное, то EeY>0\mathbb E e^Y>0 (возможно, +∞+\infty). По независимости и теореме Тонелли:

EeU+Y=E(eUeY)=EeU⋅EeY=+∞.\mathbb E e^{U+Y}=\mathbb E(e^U e^Y)=\mathbb E e^U\cdot \mathbb E e^Y=+\infty.

Но если бы U+YU+Y имела нормальное распределение, то её производящая функция моментов была бы конечна при t=1t=1:

EeU+Y<∞,\mathbb E e^{U+Y}<\infty,

что невозможно.

Значит, такой YY не существует.

Итак,

нет, такой независимой Y не существует.\boxed{\text{нет, такой независимой }Y\text{ не существует}.}

Если хотите, я могу ещё собрать всё это в формат “короткие экзаменационные решения на 1 страницу” без лишних комментариев.

分享這個問答