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题目

两随机变量X,Y的协方差定义为:cov(X,Y)=E(XY)-E(X)E(Y).(1)证明:D(X+Y)=D(X)+D(Y)+2cov(X,Y).(2)若X,Y~B(2,0.75),求cov(X,Y)的最小值.

两随机变量X,Y的协方差定义为:cov(X,Y)=E(XY)-E(X)E(Y).
(1)证明:D(X+Y)=D(X)+D(Y)+2cov(X,Y).
(2)若X,Y~B(2,0.75),求cov(X,Y)的最小值.

题目解答

答案

(1)由方差公式得D(X+Y)=E[(X+Y)2]-[E(X+Y)]2,
化简得=E(X2+2XY+Y2)-[E(X)+E(Y)]2,
=E(X2)+E(2XY)+E(Y2)-[(E(X))2+2E(X)E(Y)+(E(Y))2],
=E(X2)+2E(XY)+E(Y2)-(E(X))2-2E(X)E(Y)-(E(Y))2,
=[E(X2)-(E(X))2]+[E(Y2)-(E(Y))2]+2[E(XY)-E(X)E(Y)],
由方差公式得D(X)=E(X2)-(E(X))2,D(Y)=E(Y2)-(E(Y))2,
由题意得cov(X,Y)=E(XY)-E(X)E(Y),
故[E(X2)-(E(X))2]+[E(Y2)-(E(Y))2]+2[E(XY)-E(X)E(Y)],
=D(X)+D(Y)+2cov(X,Y),
即D(X+Y)=D(X)+D(Y)+2cov(X,Y)得证.
(2)因为X,Y~B(2,0.75),所以D(X)=D(Y)=2×0.75×0.25=0.375,
因为D(X+Y)=D(X)+D(Y)+2cov(X,Y),
所以D(X+Y)=0.375+0.375+2cov(X,Y),
即D(X+Y)=0.75+2cov(X,Y),故D(X+Y)-0.75=2cov(X,Y),
化简得D(X+Y)=2cov(X,Y)+0.75,
由方差的非负性得D(X+Y)≥0,即2cov(X,Y)+0.75≥0,
解得cov(X,Y)≥-0.375,故cov(X,Y)的最小值为-0.375.

解析

(1)方差性质证明
本题考查方差的性质及协方差的定义。核心思路是通过展开$D(X+Y)$,结合协方差的表达式进行推导。关键点在于利用方差公式$D(Z) = E(Z^2) - [E(Z)]^2$,并将交叉项与协方差关联。

(2)协方差最小值求解
本题需结合二项分布的方差公式和方差的非负性。关键点在于通过$D(X+Y) \geq 0$建立不等式,从而求出协方差的最小值。需注意二项分布参数的代入及代数变形。

第(1)题

展开$D(X+Y)$

根据方差公式:
$D(X+Y) = E[(X+Y)^2] - [E(X+Y)]^2$
展开平方项:
$E[(X+Y)^2] = E[X^2 + 2XY + Y^2] = E(X^2) + 2E(XY) + E(Y^2)$
展开期望平方项:
$[E(X+Y)]^2 = [E(X) + E(Y)]^2 = (E(X))^2 + 2E(X)E(Y) + (E(Y))^2$

重组方差表达式

将两部分代入方差公式:
$\begin{aligned}D(X+Y) &= [E(X^2) + 2E(XY) + E(Y^2)] - [(E(X))^2 + 2E(X)E(Y) + (E(Y))^2] \\&= [E(X^2) - (E(X))^2] + [E(Y^2) - (E(Y))^2] + 2[E(XY) - E(X)E(Y)] \\&= D(X) + D(Y) + 2\text{cov}(X, Y)\end{aligned}$

第(2)题

计算二项分布的方差

已知$X, Y \sim B(2, 0.75)$,方差公式为:
$D(X) = D(Y) = n p (1-p) = 2 \times 0.75 \times 0.25 = 0.375$

建立方差关系式

根据第(1)题结论:
$D(X+Y) = D(X) + D(Y) + 2\text{cov}(X, Y) = 0.375 + 0.375 + 2\text{cov}(X, Y) = 0.75 + 2\text{cov}(X, Y)$

利用方差非负性

因方差非负,故:
$0.75 + 2\text{cov}(X, Y) \geq 0 \quad \Rightarrow \quad \text{cov}(X, Y) \geq -0.375$
因此,$\text{cov}(X, Y)$的最小值为$-0.375$。

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