设总体X服从正态分布N(mu,sigma^2),其样本为x_1,x_2,...,x_n,x_(n+1),overline(x_n)=(1)/(n)sum_(i=1)^nx_i,s^2=(1)/(n-1)sum_(i=1)^n(x_i-overline(x_n))^2 则y=(x_(n+1)-overline(x_n))/(s)sqrt((n)/(n+1))的分布为()。 A chi^2(n-1) B t(n) C chi^2(n) D t(n-1)
设总体$X$服从正态分布$N(\mu,\sigma^2)$,其样本为$x_1,x_2,\cdots,x_n,x_{n+1}$,$\overline{x_n}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nx_i$,$s^2=\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^n(x_i-\overline{x_n})^2$
则$y=\frac{x_{n+1}-\overline{x_n}}{s}\sqrt{\frac{n}{n+1}}$的分布为()。
A $\chi^2(n-1)$
B $t(n)$
C $\chi^2(n)$
D $t(n-1)$
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查正态分布下统计量的分布推导,涉及样本均值、样本方差的分布,以及t分布的构造。
解题核心思路:
- 标准化处理:将分子部分$x_{n+1} - \overline{x}_n$标准化为标准正态变量。
- 样本方差的分布:利用样本方差$s^2$与卡方分布的关系。
- t分布的构造:将标准化后的正态变量与卡方变量结合,形成t分布的结构。
破题关键点:
- 分子部分的分布:$x_{n+1} - \overline{x}_n$服从正态分布,需计算其方差。
- 分母部分的分布:$s^2$与卡方分布的关系,需明确自由度。
- 组合形式:将分子和分母的分布结合,验证是否符合t分布的定义。
步骤1:分析分子部分的分布
$x_{n+1}$和$\overline{x}_n$均服从正态分布:
- $x_{n+1} \sim N(\mu, \sigma^2)$
- $\overline{x}_n \sim N\left(\mu, \frac{\sigma^2}{n}\right)$
因此,差值$x_{n+1} - \overline{x}_n$的方差为:
$\text{Var}(x_{n+1} - \overline{x}_n) = \sigma^2 + \frac{\sigma^2}{n} = \sigma^2 \left(1 + \frac{1}{n}\right) = \sigma^2 \frac{n+1}{n}$
标准化后:
$Z = \frac{x_{n+1} - \overline{x}_n}{\sigma \sqrt{\frac{n+1}{n}}} \sim N(0, 1)$
步骤2:分析分母部分的分布
样本方差$s^2$满足:
$\frac{(n-1)s^2}{\sigma^2} \sim \chi^2(n-1)$
因此:
$s^2 = \frac{\sigma^2}{n-1} \cdot \chi^2(n-1)$
步骤3:构造t分布
将$Y$表达式变形:
$Y = \frac{x_{n+1} - \overline{x}_n}{s} \sqrt{\frac{n}{n+1}} = \frac{Z \cdot \sigma \sqrt{\frac{n+1}{n}}}{s} \cdot \sqrt{\frac{n}{n+1}} = \frac{Z \cdot \sigma}{s}$
代入$s^2$的表达式:
$\frac{\sigma}{s} = \sqrt{\frac{n-1}{\chi^2(n-1)}}$
因此:
$Y = Z \cdot \sqrt{\frac{n-1}{\chi^2(n-1)}} \sim t(n-1)$