设随机变量X_(1),X_(2),...,X_(n),...相互独立同分布,且均服从参数为1/lambda的指数分布,记Phi(x)为标准正态分布分布函数,则()。A lim_(ntoinfty)P(sum_{i=1)^nX_(i)-nlambda)/(lambdasqrt(n))leq x}=Phi(x)B lim_(ntoinfty)P(sum_{i=1)^nX_(i)-lambda)/(sqrt(nlambda))leq x}=Phi(x)C lim_(ntoinfty)P(sum_{i=1)^nX_(i)-nlambda)/(sqrt(nlambda))leq x}=Phi(x)D lim_(ntoinfty)P(lambdasum_{i=1)^nX_(i)-n)/(sqrt(n))leq x}=Phi(x)
题目解答
答案
这是一道关于概率论中中心极限定理的应用题。我们需要根据给定的随机变量分布,推导出其部分和的极限分布。
推理过程如下:
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确定单个随机变量的数字特征:
题目已知随机变量 $X_1, X_2, \cdots, X_n, \cdots$ 相互独立同分布,且均服从参数为 $1/\lambda$ 的指数分布。
对于参数为 $\theta$ 的指数分布,其概率密度函数通常表示为 $f(x) = \theta e^{-\theta x}$ ($x > 0$)。
其期望(均值)为 $E(X) = \frac{1}{\theta}$,方差为 $D(X) = \frac{1}{\theta^2}$。
在本题中,参数 $\theta = 1/\lambda$,因此对于每一个 $X_i$:- 期望 $E(X_i) = \frac{1}{1/\lambda} = \lambda$
- 方差 $D(X_i) = \frac{1}{(1/\lambda)^2} = \lambda^2$
-
确定部分和的数字特征:
令 $S_n = \sum_{i=1}^{n} X_i$。
由于 $X_i$ 相互独立同分布,根据期望和方差的性质:- $S_n$ 的期望 $E(S_n) = E\left(\sum_{i=1}^{n} X_i\right) = \sum_{i=1}^{n} E(X_i) = n\lambda$
- $S_n$ 的方差 $D(S_n) = D\left(\sum_{i=1}^{n} X_i\right) = \sum_{i=1}^{n} D(X_i) = n\lambda^2$ (因为相互独立)
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应用中心极限定理:
根据独立同分布的中心极限定理(林德伯格-列维定理),当 $n \to \infty$ 时,$S_n$ 的标准化形式服从标准正态分布 $N(0, 1)$。
标准化公式为:$\frac{S_n - E(S_n)}{\sqrt{D(S_n)}}$
代入前面求得的期望和方差:
$\frac{\sum_{i=1}^{n} X_i - n\lambda}{\sqrt{n\lambda^2}} = \frac{\sum_{i=1}^{n} X_i - n\lambda}{\lambda\sqrt{n}}$
因此,当 $n \to \infty$ 时,有:
$\lim_{n \to \infty} P\left\{ \frac{\sum_{i=1}^{n} X_i - n\lambda}{\lambda\sqrt{n}} \leq x \right\} = \Phi(x)$
其中 $\Phi(x)$ 是标准正态分布的分布函数。 -
对比选项:
- 选项 A: $\lim_{n \to \infty} P\left\{ \frac{\sum_{i=1}^{n} X_i - n\lambda}{\lambda\sqrt{n}} \leq x \right\} = \Phi(x)$,与我们的推导结果完全一致。
- 选项 B: 分子减去的是 $\lambda$ 而不是 $n\lambda$,分母也不对,错误。
- 选项 C: 分母是 $\sqrt{n\lambda}$,缺少了 $\lambda$ 的平方关系,错误。
- 选项 D: 表达式为 $\frac{\lambda\sum X_i - n}{\sqrt{n}}$,将其变形为 $\frac{\sum X_i - n/\lambda}{\sqrt{n}/\lambda}$,这与期望 $n\lambda$ 不符(除非 $\lambda=1/\lambda$ 即 $\lambda=1$),一般情况下错误。
结论:
经过上述推理,选项 A 是正确的表达式。
正确答案是 A。
解析
本题考查独立同分布的中心极限定理的应用。解题思路是先确定单个随机变量的期望和方差,再根据期望和方差的性质求出部分和的期望和方差,最后利用中心极限定理得到部分和的标准化形式,从而判断选项的正确性。
- 确定单个随机变量的数字特征:
已知随机变量$X_1,X_2,\cdots,X_n,\cdots$相互独立同分布,且均服从参数为$\frac{1}{\lambda}$的指数分布。对于参数为$\theta$的指数分布,其期望$E(X)=\frac{1}{\theta}$,方差$D(X)=\frac{1}{\theta^2}$。
在本题中,$\theta = \frac{1}{\lambda}$,所以对于每一个$X_i$,期望$E(X_i)=\frac{1}{\frac{1}{\lambda}}=\lambda$,方差$D(X_i)=\frac{1}{(\frac{1}{\lambda})^2}=\lambda^2$。 - 确定部分和的数字特征:
令$S_n = \sum_{i = 1}^{n}X_i$。
因为$X_i$相互独立同分布,根据期望和方差的性质:- 期望$E(S_n)=E(\sum_{i = 1}^{n}X_i)=\sum_{i = 1}^{n}E(X_i)=n\lambda$。
- 方差$D(S_n)=D(\sum_{i = 1}^{n}X_i)=\sum_{i = 1}^{n}D(X_i)=n\lambda^2$(由于相互独立)。
- 应用中心极限定理:
根据独立同分布的中心极限定理(林德伯格 - 列维定理),当$n\to\infty$时,$S_n$的标准化形式$\frac{S_n - E(S_n)}{\sqrt{D(S_n)}}$服从标准正态分布$N(0,1)$。
将$E(S_n)=n\lambda$,$D(S_n)=n\lambda^2$代入标准化公式可得:
$\frac{\sum_{i = 1}^{n}X_i - n\lambda}{\sqrt{n\lambda^2}}=\frac{\sum_{i = 1}^{n}X_i - n\lambda}{\lambda\sqrt{n}}$
所以当$n\to\infty$时,有$\lim_{n\to\infty}P\left\{\frac{\sum_{i = 1}^{n}X_i - n\lambda}{\lambda\sqrt{n}}\leq x\right\}=\Phi(x)$,其中$\Phi(x)$是标准正态分布的分布函数。 - 对比选项:
- 选项A:$\lim_{n\to\infty}P\left\{\frac{\sum_{i = 1}^{n}X_i - n\lambda}{\lambda\sqrt{n}}\leq x\right\}=\Phi(x)$,与推导结果一致。
- 选项B:分子减去的是$\lambda$而不是$n\lambda$,分母也不对,错误。
- 选项C:分母是$\sqrt{n\lambda}$,缺少了$\lambda$的平方关系,错误。
- 选项D:表达式为$\frac{\lambda\sum_{i = 1}^{n}X_i - n}{\sqrt{n}}$,变形为$\frac{\sum_{i = 1}^{n}X_i - \frac{n}{\lambda}}{\frac{\sqrt{n}}{\lambda}}$,这与期望$n\lambda$不符(除非$\lambda=\frac{1}{\lambda}$即$\lambda = 1$),一般情况下错误。