题目
设 eta_n sim b(n, p) (0 A. Phi((n varepsilon)/(sqrt(np(1-p))))B. Phi((varepsilon)/(sqrt(np(1-p))))C. 2Phi((varepsilon)/(sqrt(np(1-p)))) - 1D. 2Phi(varepsilon sqrt((n)/(p(1-p)))) - 1
设 $\eta_n \sim b(n, p)$ ($0 < p < 1$),则当 $n$ 充分大时,则概率 $P\{| \eta_n - np | < \varepsilon\}$ 可用正态分布近似表示为()。
A. $\Phi\left(\frac{n \varepsilon}{\sqrt{np(1-p)}}\right)$
B. $\Phi\left(\frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1-p)}}\right)$
C. $2\Phi\left(\frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1-p)}}\right) - 1$
D. $2\Phi\left(\varepsilon \sqrt{\frac{n}{p(1-p)}}\right) - 1$
题目解答
答案
C. $2\Phi\left(\frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1-p)}}\right) - 1$
解析
本题考查二项分布的正态近似这一知识点。解题思路是先明确二项分布的期望和方差,再利用中心极限定理将二项分布近似为正态分布,最后对给定的概率进行标准化变换并化简。
- 首先,对于二项分布$\eta_n \sim b(n, p)$,根据二项分布的性质可知其期望$E(\eta_n)=np$,方差$D(\eta_n)=np(1 - p)$。
- 然后,由中心极限定理可知,当$n$充分大时,二项分布$\eta_n$近似服从正态分布$N(np, np(1 - p))$,即$\frac{\eta_n - np}{\sqrt{np(1 - p)}}$近似服从标准正态分布$N(0, 1)$。
- 接着,对概率$P\{|\eta_n - np| < \varepsilon\}$进行变形:
- 根据绝对值不等式的性质,$P\{|\eta_n - np| < \varepsilon\}=P\{-\varepsilon < \eta_n - np < \varepsilon\}$。
- 为了将其转化为标准正态分布的形式,对不等式两边同时除以$\sqrt{np(1 - p)}$,得到$P\left\{-\frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1 - p)}} < \frac{\eta_n - np}{\sqrt{np(1 - p)}} < \frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1 - p)}}\right\}$。
- 令$Z = \frac{\eta_n - np}{\sqrt{np(1 - p)}}$,$Z$近似服从标准正态分布$N(0, 1)$,则上式可写为$P\left\{-\frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1 - p)}} < Z < \frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1 - p)}}\right\}$。
- 最后,根据标准正态分布的性质进行计算:
- 标准正态分布的分布函数为$\varPhi(z)$,则$P\left\{-\frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1 - p)}} < Z < \frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1 - p)}}\right\}=\varPhi\left(\frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1 - p)}}\right)-\varPhi\left(-\frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1 - p)}}\right)$。
- 又因为标准正态分布关于$y$轴对称,所以$\varPhi(-z)=1 - \varPhi(z)$,则$\varPhi\left(-\frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1 - p)}}\right)=1 - \varPhi\left(\frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1 - p)}}\right)$。
- 将其代入上式可得:$\varPhi\left(\frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1 - p)}}\right)-\left(1 - \varPhi\left(\frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1 - p)}}\right)\right)=2\varPhi\left(\frac{\varepsilon}{\sqrt{np(1 - p)}}\right)-1$。