我们已经知道,每个随机变量都有一个分布(分布列、密度函数或分布函数),不同的随机变量可能拥有不同的分布,也可能拥有相同的分布.分布全面地描述了随机变量取值的统计规律性,由分布可以算出有关随机事件的概率.除此以外由分布还可以算得相应随机变量的均值、方差、分位数等特征数.这些特征数各从一个侧面描述了分布的特征.譬如,初生婴儿的体重是一个随机变量,其平均值就从一个侧面描述了体重的特征.已知随机变量的分布,如何求其均值,是本节需要研究的问题. 本节将介绍随机变量最重要的特征数:数学期望.
2.2.1 数学期望的概念
Section titled “2.2.1 数学期望的概念”“期望”在我们日常生活中常指心中期盼的愿望,而在概率论中,数学期望源于历史上一个著名的分赌本问题.
17 世纪中叶,一位赌徒向法国数学家帕斯卡(Pascal,1623—1662)提出一个使他苦恼长久的分赌本问题:甲、乙两赌徒赌技不相上下,各出赌注50法郎,每局中无平局.他们约定,谁先赢三局,则得全部赌本100法郎.当甲赢了二局、乙赢了一局时,因故(国王召见)要中止赌博.现问这100法郎如何分才算公平? 这个问题引起了不少人的兴趣.首先大家都认识到:平均分对甲不公平,全部归甲对乙不公平.合理的分法是,按一定的比例,甲多分些,乙少分些.所以问题的焦点在于:按怎样的比例来分?以下有两种分法: (1)甲得 100 法郎中的 2/3, 乙得 100 法郎中的 1/3. 这是基于已赌局数: 甲赢了二局、乙赢了一局. (2) 1654 年帕斯卡提出如下的分法: 设想再赌下去,则甲最终所得 X 为一个随机变量,其可能取值为 0 或 100. 再赌两局必可结束,其结果不外乎以下四种情况之一:
甲甲、甲乙、乙甲、乙乙其中“甲乙”表示第一局甲胜第二局乙胜.在这四种情况中有三种可使甲获100法郎,只有一种情况(乙乙)下甲获0法郎.因为赌技不相上下,所以甲获得100法郎的可能性为3/4,获得0法郎的可能性为1/4,即X的分布列为
| X | 0 | 100 |
| P | 0.25 | 0.75 |
| 取值 | x₁ | x₂ | … | xₖ |
| 频数 | n₁ | n₂ | … | nₖ |
| 频率 | n₁/n | n₂/n | … | nₖ/n |
其实这个加权平均的“权数” fracnᵢn 就是出现数值 xᵢ 的频率,而频率在n很大时,就稳定在其概率附近. (3)对于一个离散随机变量 X,如果其可能取值为 x₁, x₂, …, xₙ.若将这 n 个数相加后除 n 作为“均值”,则肯定是不妥的.其原因在于 X 取各个值的概率一般是不同的,概率大的出现的机会就大,则在计算中其权也应该大.而上例分配赌本问题启示我们:用取值的概率作为一种“权数”作加权平均是十分合理的. 经以上分析,我们就可以给出数学期望的定义.
2.2.2 数学期望的定义
Section titled “2.2.2 数学期望的定义”设离散随机变量 X 的分布列为
p (x _ i) = P (X = x _ i), i = 1, 2, … , n, … .如果
∑_ i = 1 ^ ∞ | x _ i | p (x _ i) < ∞ ,则称
E (X) = ∑_ i = 1 ^ ∞ x _ i p (x _ i) (2.2.1)为随机变量 X 的数学期望,或称为该分布的数学期望,简称期望或均值.若级数 ∑ᵢ=1^(∞)|xᵢ|p(xᵢ) 不收敛,则称 X 的数学期望不存在. 以上定义中,要求级数绝对收敛的目的在于使数学期望唯一.因为随机变量的取值可正可负,取值次序可先可后,由无穷级数的理论知道,如果此无穷级数绝对收敛,则可保证其和不受次序变动的影响.由于有限项的和不受次序变动的影响,故取有限个可能值的随机变量的数学期望总是存在的. 连续随机变量数学期望的定义和含义完全类似于离散随机变量场合,只要将求和改为求积分即可.
设连续随机变量 X 的密度函数为 p(x).如果
∫_ - ∞ ^ ∞ | x | p (x) d x < ∞ ,则称
E (X) = ∫_ - ∞ ^ ∞ x p (x) d x (2.2.2)为 X 的数学期望,或称为该分布 p(x) 的数学期望,简称期望或均值.若 ∫_(-∞)^(∞)|x|p(x)dx 不收敛,则称 X 的数学期望不存在. 数学期望 E(X) 的物理解释是重心.若把概率 p(xᵢ) = P(X = xᵢ) 看作点 xᵢ 上的质量,概率分布看作质量在 x 轴上的分布,则 X 的数学期望 E(X) 就是该质量分布的重心所在位置,详见图 2.2.1.
数学期望的理论意义是深刻的,它是消除随机性的主要手段,这在本书以后各章中会清楚地看出. 数学期望在实际中应用广泛,E(X) 常作为X的分布的代表(一种统计指标)参与同类指标的比较.如一盘磁带上的缺陷数有多有少,有随机性,不好比较,但多盘磁带上的平均缺陷数(期望值)可以比较,其越少越好.下面的实际例子将告诉人们数学期望应用的广泛性.
在一个人数为 N 的人群中普查某种疾病,为此要抽验 N 个人的血.如果将每个人的血分别检验,则共需检验 N 次.为了能减少工作量,一位统计学家提出一种方法:按 k 个人一组进行分组,把同组 k 个人的血样混合后检验,如果混合血样呈阴性反应,就说明这 k 个人的血都呈阴性反应,这 k 个人都无此疾病,因而这 k 个人只要检验 1 次就够了,相当于每个人检验 1/k 次,检验的工作量明显减少了.如果混合血样呈阳性反应,就说明这 k 个人中至少有一人的血呈阳性反应,则再对这 k 个人的血样分别进行检验,因而这 k 个人的血要检验 1+k 次,相当于每个人检验 1+1/k 次,这时增加了检验次数.假设该疾病的发病率为 p,且得此疾病相互独立.试问此种方法能否减少平均检验次数?
解
令 X 为该人群中每个人需要的验血次数,则 X 的分布列为
| X | 1/k | 1+1/k |
| P | (1-p)^k | 1-(1-p)^k |
由此可知,只要选择 k 使
1 - ( 1 - p ) ^ k + frac 1k < 1 text 或 ( 1 - p ) ^ k > frac 1k,就可减少验血次数,而且还可适当选择 k 使 E(X) 达到最小.譬如,当 p = 0.1 时,对不同的 k,E(X) 的值如表2.2.1所示.从表中可以看出:当 k≥slant 34 时,平均验血次数超过1,即比分别检验的工作量还大;而当 k≤slant 33 时,平均验血次数在不同程度上得到了减少,特别在 k = 4 时,平均验血次数最少,验血工作量可减少 40% . 表 2.2.1 p = 0.1 时的 E( X) 值
| k | 2 | 3 | 4 | 5 | 8 | 10 | 30 | 33 | 34 |
| E(X) | 0.690 | 0.604 | 0.594 | 0.610 | 0.695 | 0.751 | 0.991 | 0.999 4 | 1.001 6 |
| p | 0.14 | 0.10 | 0.08 | 0.06 | 0.04 | 0.02 | 0.01 |
| k₀ | 3 | 4 | 4 | 5 | 6 | 8 | 11 |
| E(X) | 0.697 | 0.594 | 0.534 | 0.466 | 0.384 | 0.274 | 0.196 |
每张福利彩票售价 5 元,各有一个兑奖号.每售出 100 万张设一个开奖组,用摇奖器当众摇出一个 6 位数的中奖号码 (可以认为从 000 000 到 999 999 的每个数都等可能出现), 兑奖规则如下:
(1) 兑奖号与中奖号码的最后一位相同者获六等奖,奖金 10 元.
(2) 兑奖号与中奖号码的最后二位相同者获五等奖,奖金 50 元.
(3) 兑奖号与中奖号码的最后三位相同者获四等奖,奖金 500 元.
(4) 兑奖号与中奖号码的最后四位相同者获三等奖,奖金 5000 元.
(5) 兑奖号与中奖号码的最后五位相同者获二等奖,奖金 50 000 元.
(6)兑奖号与中奖号码全部相同者获一等奖,奖金500 000元.另外规定,只领取其中最高额的奖金.试求每张彩票的平均所得奖金额
解
以 X 记一张彩票的奖金额,则 X 的分布列如下:
| X | 500 000 | 50 000 | 5 000 | 500 | 50 | 10 | 0 |
| P | 0.000 001 | 0.000 009 | 0.000 09 | 0.000 9 | 0.009 | 0.09 | 0.9 |
这也意味:每一开奖组把筹得的500万元中的320万元以奖金形式返回给彩民,其余180万元则可用于福利事业及管理费用. 从这个例子也可以看出,彩票中奖与否是随机的,但一种彩票的平均所得是可以预先算出的,计算平均所得是设计一种彩票的基础.在我国,彩票发行由民政部门管理,只有当收益主要用于公益事业才被允许发行彩票.发行任一种彩票事先都要进行周密设计.
设 X 服从区间 (a, b) 上的均匀分布,求 E(X) .
解
由例2.1.7知 X 的密度函数为
p (x) = { c l frac 1b - a, & a < x < b, 0, & text 其他. .所以
E (X) = ∫_ a ^ b x · frac 1b - a d x = frac 1b - a · frac x ^ 22 g | _ a ^ b = frac a + b2.这个结果是可以理解的,因为 X 在区间 (a, b) 上的取值是均匀的,所以它的平均取值当然应该是 (a, b) 的“中点”, 即 (a + b)/2 .
柯西分布的数学期望不存在.因为柯西分布的密度函数为
p (x) = frac 1π frac 11 + x ^ 2, - ∞ < x < ∞ .所以由
∫_ - ∞ ^ ∞ | x | · frac 1π frac 11 + x ^ 2 d x = ∞ ,知 E(X) 不存在.
2.2.3 数学期望的性质
Section titled “2.2.3 数学期望的性质”按照随机变量 X 的数学期望 E(X) 的定义,E(X) 由其分布唯一确定.若要求随机变量 X 的一个函数 g(X) (仍是随机变量) 的数学期望,当然要先求出 Y = g(X) 的分布,再用此分布来求 E(Y).这一过程可用下面例子说明.
已知随机变量 X 的分布列如下:
| X | -2 | -1 | 0 | 1 | 2 |
| P | 0.2 | 0.1 | 0.1 | 0.3 | 0.3 |
| X² | (-2)² | (-1)² | 0² | 1² | 2² |
| P | 0.2 | 0.1 | 0.1 | 0.3 | 0.3 |
| X² | 0 | 1 | 4 |
| P | 0.1 | 0.4 | 0.5 |
假如我们用等值合并前的分布求 E(X²) ,可得相同的结果
E (X ^ 2) = (- 2) ^ 2 × 0. 2 + (- 1) ^ 2 × 0. 1 + 0 ^ 2 × 0. 1 + 1 ^ 2 × 0. 3 + 2 ^ 2 × 0. 3 = 2. 4.这两种算法本质上是一回事,但后者的计算实质上是在 X 的分布 (-2,-1,0,1,2) 基础上、而将取值改为 ((-2)²,(-1)²,0²,1²,2²) 计算出来的.由此启发我们:若进一步要求 E(X³) 和 E(X⁴),我们不需要先求 X³ 的分布和 X⁴ 的分布,而直接用 X 的分布来求,具体如下:
E (X ^ 3) = (- 2) ^ 3 × 0. 2 + (- 1) ^ 3 × 0. 1 + 0 ^ 3 × 0. 1 + 1 ^ 3 × 0. 3 + 2 ^ 3 × 0. 3 = 1.E (X ^ 4) = (- 2) ^ 4 × 0. 2 + (- 1) ^ 4 × 0. 1 + 0 ^ 4 × 0. 1 + 1 ^ 4 × 0. 3 + 2 ^ 4 × 0. 3 = 8. 4.一般场合,有如下定理.
若随机变量 X 的分布用分布列 p(xᵢ) 或用密度函数 p(x) 表示,则 X 的某一函数 g(X) 的数学期望为
E [ g (X) ] = { l l ∑_ i g (x _ i) p (x _ i), & text 在离散场合, ∫_ - ∞ ^ ∞ g (x) p (x) d x, & text 在连续场合. . (2.2.3)这里所涉及的数学期望都假定存在. 这个定理的证明涉及更多的工具,在此省略了.现基于这个定理来证明数学期望的几个常用性质,以下均假定所涉及的数学期望是存在的.
若 c 是常数,则 E(c) = c .
证明
如果将常数 c 看作仅取一个值的随机变量 X,则有 P(X = c) = 1,从而其数学期望 E(c) = E(X) = c × 1 = c .
对任意常数 a ,有
E (a X) = a E (X). (2.2.4)证明
在(2.2.3)式中令 g(x) = ax ,然后把 a 从求和号或积分号中提出来即得.
对任意的两个函数 g₁(x) 和 g₂(x) ,有
E [ g _ 1 (X) ± g _ 2 (X) ] = E [ g _ 1 (X) ] ± E [ g _ 2 (X) ]. (2.2.5)证明
在(2.2.3)式中令 g(x) = g₁(x) ± g₂(x),然后把和式分解成两个和式,或把积分分解成两个积分即得.
某公司经销某种原料,根据历史资料表明:这种原料的市场需求量 X(单位:吨)服从(300,500)上的均匀分布.每售出 1 吨该原料,公司可获利 1.5(千元);若积压 1 吨,则公司损失 0.5(千元).问公司应该组织多少货源,可使平均收益最大?
解
设公司组织该货源 a 吨.则显然应该有 300 ≤slant a ≤slant 500.又记 Y 为在 a 吨货源的条件下的收益额 (单位: 千元), 则收益额 Y 为需求量 X 的函数,即 Y = g(X).由题设条件知: 当 X ≥slant a 时,则此 a 吨货源全部售出,共获利 1.5a. 当 X < a 时,则售出 X 吨 (获利 1.5X), 且还有 a - X 吨积压 (获利 -0.5(a - X) ), 所以共获利 1.5X - 0.5(a - X),由此知
g (X) = { l l 1. 5 a, & text 若 X ≥slant a, 1. 5 X - 0. 5 (a - X), & text 若 X < a . = { l l 1. 5 a, & text 若 X ≥slant a, 2 X - 0. 5 a, & text 若 X < a. .由定理2.2.1和均匀分布可得
E (Y) = ∫_ - ∞ ^ ∞ g (x) p _ X (x) d x = ∫_ 3 0 0 ^ 5 0 0 g (x) frac 12 0 0 d xl = frac 12 0 0 (∫_ a ^ 5 0 0 1. 5 a d x + ∫_ 3 0 0 ^ a (2 x - 0. 5 a) d x ) = frac 12 0 0 (- a ^ 2 + 9 0 0 a - 3 0 0 ^ 2).上述计算表明 E(Y) 是 a 的二次函数,用通常求极值的方法可以求得: 当 a = 450 吨时,能使 E(Y) 达到最大,即公司应该组织货源 450 吨.
- 设离散型随机变量 X 的分布列为
试求 E(X) 和 E(3X + 5) .X -2 0 2 P 0.4 0.3 0.3 - 某商店根据历年销售资料得知:一位顾客在商店中消费的金额 X(百元) 的分布列为
试求顾客在商店的平均消费金额.X 0 1 2 3 4 5 P 0.10 0.33 0.31 0.13 0.09 0.04 - 某地区一个月内发生重大交通事故数 X 服从如下分布:
试求该地区发生重大交通事故的月平均数.X 0 1 2 3 4 5 6 P 0.301 0.362 0.216 0.087 0.026 0.006 0.002 - 一海运货船的甲板上放着20个装有化学原料的圆桶,现已知其中有5桶被海水污染了.若从中随机抽取8桶,记 X 为8桶中被污染的桶数,试求 X 的分布列,并求 E(X) .
- 用天平称某种物品的质量(砝码仅允许放在一个盘中), 现有三组砝码(单位:g):(甲)1,2,2,5,10;(乙)1,2,3,4,10;(丙)1,1,2,5,10,称重时只能使用一组砝码.问:若物品的质量为 1g, 2g, …, 10g 的概率是相同的,用哪一组砝码称重所用的平均砝码数最少?
- 假设有十只同种电器元件,其中有两只不合格品.装配仪器时,从这批元件中任取一只,如是不合格品,则扔掉重新任取一只; 如仍是不合格品,则扔掉再取一只,试求在取到合格品之前,已取出的不合格品只数的数学期望.
- 对一批产品进行检查,如查到第 a 件全为合格品,就认为这批产品合格; 若在前 a 件中发现不合格品即停止检查,且认为这批产品不合格.设产品的数量很大,可认为每次查到不合格品的概率都是 p.问每批产品平均要查多少件?
- 某人参加“答题秀”,一共有问题1和问题2两个问题,他可以自行决定回答这两个问题的顺序。如果他先回答问题 i (i = 1,2) ,那么只有回答正确,他才被允许回答另一题。如果他有 60% 的把握答对问题1,而答对问题1将获得200元奖励;有 80% 的把握答对问题2,而答对问题2将获得100元奖励。问他应该先回答哪个问题,才能使获得奖励的期望值最大?
- 某人想用 10 000 元投资于某股票,该股票当前的价格是 2 元/股,假设一年后该股票等可能地为 1 元/股和 4 元/股.而理财顾问给他的建议是:若期望一年后所拥有的股票市值达到最大,则现在就购买;若期望一年后所拥有的股票数量达到最大,则一年以后购买.试问理财顾问的建议是否正 确?为什么?
- 保险公司的某险种规定: 如果某个事件 A 在一年内发生了,则保险公司应付给投保户金额 a 元,而事件 A 在一年内发生的概率为 p.如果保险公司向投保户收取的保费为 ka, 则问 k 为多少,才能使保险公司期望收益达到 a 的 10%?
- 某厂推土机发生故障后的维修时间 T 是一个随机变量(单位:h),其密度函数为
试求平均维修时间. 12. 某新产品在未来市场上的占有率 X 是在区间 (0,1) 上取值的随机变量,它的密度函数为
p ( x ) = { l l 4 ( 1 - x ) ^ 3, & 0 < x < 1 , 0 , & text 其他 , .试求平均市场占有率. 13. 设随机变量 X 的密度函数如下,试求 E(2X + 5) .
p (x) = { l l e ^ - x, & x > 0, 0, & x ≤slant 0. .- 设随机变量 X 的分布函数如下,试求 E(X) .
- 设随机变量 X 的密度函数为
如果 E(X) = 2/3,求 a 和 b . 16. 某工程队完成某项工程的时间 X (单位: 月) 是一个随机变量,它的分布列为
| X | 10 | 11 | 12 | 13 |
| P | 0.4 | 0.3 | 0.2 | 0.1 |
| X₁ | 10 | 11 | 12 |
| P | 0.5 | 0.4 | 0.1 |
对 X 独立重复观察4次, Y 表示观察值大于 π / 3 的次数,求 Y² 的数学期望. 18. 设随机变量 X 的密度函数为
p ( x ) = { l l frac 38 x ^ 2 , & 0 < x < 2 , 0 , & text 其他 , .试求 frac1X² 的数学期望. 19. 设 X 为仅取非负整数的离散随机变量,若其数学期望存在,证明: (1) E(X) = ∑ₖ=1^(∞) P(X ≥slant k) ; (2) ∑ₖ=0^(∞) kP(X > k) = 1/2(E(X²) - E(X)) . 20. 设连续随机变量 X 的分布函数为 F(x) ,且数学期望存在,证明:
E (X) = ∫_ 0 ^ ∞ [ 1 - F (x) ] d x - ∫_ - ∞ ^ 0 F (x) d x.- 设 X 为非负连续随机变量,若 E(Xⁿ) 存在,试证明: (1) E(X) = ∫₀^(∞)P(X > x)dx; (2) E(Xⁿ) = ∫₀^∞ nxⁿ - 1P(X > x)dx.