设 X_1, X_2, ... X_n ... 是独立同分布的随机变量序列,且均服从参数为 lambda 的指数分布,则下述正确的是()A. lim _(n arrow infty) P(lambda sum_{i=1)^n X_i - n)/(sqrt(n)) leq x} = Phi(x);B. lim _(n arrow infty) P(sum_{i=1)^n X_i - n)/(sqrt(n)) leq x} = Phi(x);C. lim _(n arrow infty) P(sum_{i=1)^n X_i - lambda)/(sqrt(n lambda)) leq x} = Phi(x);D. lim _(n arrow infty) P(sum_{i=1)^n X_i - lambda)/(n lambda) leq x} = Phi(x);
A. $\lim _{n \rightarrow \infty} P\{\frac{\lambda \sum_{i=1}^{n} X_i - n}{\sqrt{n}} \leq x\} = \Phi(x)$;
B. $\lim _{n \rightarrow \infty} P\{\frac{\sum_{i=1}^{n} X_i - n}{\sqrt{n}} \leq x\} = \Phi(x)$;
C. $\lim _{n \rightarrow \infty} P\{\frac{\sum_{i=1}^{n} X_i - \lambda}{\sqrt{n \lambda}} \leq x\} = \Phi(x)$;
D. $\lim _{n \rightarrow \infty} P\{\frac{\sum_{i=1}^{n} X_i - \lambda}{n \lambda} \leq x\} = \Phi(x)$;
题目解答
答案
解析
本题考查独立同分布的中心极限定理的应用。解题思路是先求出随机变量序列$X_1, X_2, \cdots, X_n\cdots$的期望和方差,再根据独立同分布的中心极限定理得到$\sum_{i = 1}^{n}X_i$的近似分布,最后对其进行标准化处理,从而判断各个选项的正确性。
步骤一:求$X_i$的期望和方差
已知$X_i$均服从参数为$\lambda$的指数分布,根据指数分布的性质,若随机变量$X$服从参数为$\lambda$的指数分布,则其期望$E(X)=\frac{1}{\lambda}$,方差$D(X)=\frac{1}{\lambda^2}$。
所以对于$X_i$,有$E(X_i)=\frac{1}{\lambda}$,$D(X_i)=\frac{1}{\lambda^2}$,$i = 1, 2, \cdots, n$。
步骤二:求$\sum_{i = 1}^{n}X_i$的期望和方差
因为$X_1, X_2, \cdots, X_n\cdots$是独立同分布的随机变量序列,根据期望和方差的性质:
- 期望的性质:若$X_1, X_2, \cdots, X_n$相互独立,则$E(\sum_{i = 1}^{n}X_i)=\sum_{i = 1}^{n}E(X_i)$。
所以$E(\sum_{i = 1}^{n}X_i)=\sum_{i = 1}^{n}E(X_i)=n\times\frac{1}{\lambda}=\frac{n}{\lambda}$。 - 方差的性质:若$X_1, X_2, \cdots, X_n$相互独立,则$D(\sum_{i = 1}^{n}X_i)=\sum_{i = 1}^{n}D(X_i)$。
所以$D(\sum_{i = 1}^{n}X_i)=\sum_{i = 1}^{n}D(X_i)=n\times\frac{1}{\lambda^2}=\frac{n}{\lambda^2}$。
步骤三:根据独立同分布的中心极限定理得到$\sum_{i = 1}^{n}X_i$的近似分布
独立同分布的中心极限定理:设$X_1, X_2, \cdots, X_n\cdots$是独立同分布的随机变量序列,且$E(X_i)=\mu$,$D(X_i)=\sigma^2$($i = 1, 2, \cdots, n$),则当$n$充分大时,$\sum_{i = 1}^{n}X_i$近似服从正态分布$N(n\mu, n\sigma^2)$。
由步骤二可知$\mu = \frac{1}{\lambda}$,$\sigma^2 = \frac{1}{\lambda^2}$,所以$\sum_{i = 1}^{n}X_i$近似服从正态分布$N(\frac{n}{\lambda}, \frac{n}{\lambda^2})$。
步骤四:对$\sum_{i = 1}^{n}X_i$进行标准化处理
设$Z=\frac{\sum_{i = 1}^{n}X_i - E(\sum_{i = 1}^{n}X_i)}{\sqrt{D(\sum_{i = 1}^{n}X_i)}}$,则$Z$近似服从标准正态分布$N(0, 1)$。
将$E(\sum_{i = 1}^{n}X_i)=\frac{n}{\lambda}$,$D(\sum_{i = 1}^{n}X_i)=\frac{n}{\lambda^2}$代入上式可得:
$Z=\frac{\sum_{i = 1}^{n}X_i - \frac{n}{\lambda}}{\sqrt{\frac{n}{\lambda^2}}}=\frac{\lambda\sum_{i = 1}^{n}X_i - n}{\sqrt{n}}$
所以$\lim_{n \to \infty}P\{\frac{\lambda\sum_{i = 1}^{n}X_i - n}{\sqrt{n}} \leq x\} = \Phi(x)$,其中$\Phi(x)$是标准正态分布的分布函数。
步骤五:判断各个选项的正确性
- 选项A:由步骤四可知$\lim_{n \to \infty}P\{\frac{\lambda\sum_{i = 1}^{n}X_i - n}{\sqrt{n}} \leq x\} = \Phi(x)$,该选项正确。
- 选项B:$\frac{\sum_{i = 1}^{n}X_i - n}{\sqrt{n}}$不是$\sum_{i = 1}^{n}X_i$的标准化形式,所以$\lim_{n \to \infty}P\{\frac{\sum_{i = 1}^{n}X_i - n}{\sqrt{n}} \leq x\} \neq \Phi(x)$,该选项错误。
- 选项C:$\frac{\sum_{i = 1}^{n}X_i - \lambda}{\sqrt{n\lambda}}$不是$\sum_{i = 1}^{n}X_i$的标准化形式,所以$\lim_{n \to \infty}P\{\frac{\sum_{i = 1}^{n}X_i - \lambda}{\sqrt{n\lambda}} \leq x\} \neq \Phi(x)$,该选项错误。
- 选项D:$\frac{\sum_{i = 1}^{n}X_i - \lambda}{n\lambda}$不是$\sum_{i = 1}^{n}X_i$的标准化形式,所以$\lim_{n \to \infty}P\{\frac{\sum_{i = 1}^{n}X_i - \lambda}{n\lambda} \leq x\} \neq \Phi(x)$,该选项错误。