2.设X_(1),X_(2),...,X_(6)是取自正态总体Xsim N(0,(1)/(2))的样本,试确定统计量Y=(sqrt(2)(X_(1)-X_(2)))/(sum_(1)^6X_{i)^2}服从的分布。
题目解答
答案
解析
本题主要考察正态分布、卡方分布及t分布的性质,关键是将给定统计量转化为t分布的标准形式$t(n)=\frac{U}{\sqrt{V/n}}$(其中$U\sim N(0,1)$,$V\sim\chi^2(n)$且$U$与$V$独立)。
步骤1:变量替换简化正态变量
总体$X\sim N(0,\frac{1}{2})$,样本$X_1,\cdots,X_6$独立同分布,故每个$X_i\sim N(0,\frac{1}{2})$。
令$Z_i=\sqrt{2}X_i$,则$Z_i\sim N N(0,1)$(因$X_i=\frac{1}{\sqrt{1/2}}=\sqrt{2}$,标准化后为标准正态),且$Z_1,\cdots,Z_6$独立。
步骤2:分析分子的分布
分子:$\sqrt{2}(X_1-X_2)=Z_1-Z_2$。
由于$Z_1,Z_2$独立正态,$Z_1-Z_2\sim N(0,1+1)=N(0,2)$,标准化得:
$U=\frac{Z_1-Z_2}{\sqrt{2}}\sim N(0,1)$
步骤3:分析分母的卡方分布
分母:$\sum_{i=1}^6X_i^2=\sum_{i=1}^6\left(\frac{Z_i}{\sqrt{2}}\right)^2=\frac{1}{2}\sum_{i=1}^6Z_i^2$。
$\sum_{i=1}^6Z_i^2\sim\chi^2(6)$(独立标准正态变量平方和为卡方分布,自由度6),但注意:$U=\frac{Z_1-Z_2}{\sqrt{2}}$仅依赖$Z_1,Z_2$,与$Z_3,\cdots,Z_6$独立,故$\sum_{i=3}^6Z_i^2\sim\chi^2(4)$(自由度4),且与$U$独立。
步骤4:统计量转化为t分布
将$Y$改写为:
$Y=\frac{\sqrt{2}(X_1-X_2)}{\sum_{i=1}^6X_i^2=\frac{Z_1-Z_2}{\frac{1}{2}\sum_{i=1}^6Z_i^2}\cdot\sqrt{2}=\frac{U}{\sqrt{\frac{1}{4}\sum_{i=3}^6Z_i^2}}$
(分母中$\sum_{i=1}^6Z_i^2=\sum_{i=1}^2Z_i^2+\sum_{i=3}^6Z_i^2$,但$\sum_{i=1}^2Z_i^2=2U^2$,与$U$不独立,故仅保留$\sum_{i=3}^6Z_i^2$)
进一步:
$Y=\frac{U}{\sqrt{\frac{\sum_{i=3}^6Z_i^2}{4}}\sim t(4)$
(因$U\sim N(0,1)$,$\sum_{i=3}^6Z_i^2\sim\chi^2(4)$且独立,符合t分布定义)