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统计
题目

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

为了确定 $ Y = \frac{x_{n+1} - \overline{x}_n}{s} \sqrt{\frac{n}{n+1}} $ 的分布,我们需要逐步分析 $ Y $ 的组成部分及其分布。 1. **确定 $ \overline{x}_n $ 的分布:** 样本均值 $ \overline{x}_n $ 由下式给出: \[ \overline{x}_n = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n x_i \] 由于 $ x_i $ 来自正态分布 $ N(\mu, \sigma^2) $,样本均值 $ \overline{x}_n $ 也服从正态分布: \[ \overline{x}_n \sim N\left(\mu, \frac{\sigma^2}{n}\right) \] 2. **确定 $ x_{n+1} - \overline{x}_n $ 的分布:** $ x_{n+1} $ 是来自同一正态分布 $ N(\mu, \sigma^2) $ 的另一个独立观察。因此,差 $ x_{n+1} - \overline{x}_n $ 服从正态分布: \[ x_{n+1} - \overline{x}_n \sim N\left(0, \sigma^2 + \frac{\sigma^2}{n}\right) = N\left(0, \sigma^2 \left(1 + \frac{1}{n}\right)\right) = N\left(0, \sigma^2 \frac{n+1}{n}\right) \] 3. **标准化 $ x_{n+1} - \overline{x}_n $:** 为了标准化 $ x_{n+1} - \overline{x}_n $,我们除以它的标准差: \[ \frac{x_{n+1} - \overline{x}_n}{\sigma \sqrt{\frac{n+1}{n}}} \sim N(0, 1) \] 4. **确定 $ s^2 $ 的分布:** 样本方差 $ s^2 $ 由下式给出: \[ s^2 = \frac{1}{n-1} \sum_{i=1}^n (x_i - \overline{x}_n)^2 \] 由于 $ x_i $ 来自正态分布,$(n-1) \frac{s^2}{\sigma^2} $ 服从自由度为 $ n-1 $ 的卡方分布: \[ (n-1) \frac{s^2}{\sigma^2} \sim \chi^2(n-1) \] 5. **结合结果:** 表达式 $ Y $ 为: \[ Y = \frac{x_{n+1} - \overline{x}_n}{s} \sqrt{\frac{n}{n+1}} = \frac{x_{n+1} - \overline{x}_n}{\sigma \sqrt{\frac{n+1}{n}}} \cdot \frac{\sigma}{s} \] 我们知道 $ \frac{x_{n+1} - \overline{x}_n}{\sigma \sqrt{\frac{n+1}{n}}} \sim N(0, 1) $ 和 $ \frac{(n-1)s^2}{\sigma^2} \sim \chi^2(n-1) $。因此,$ \frac{\sigma}{s} = \sqrt{\frac{(n-1)\sigma^2}{(n-1)s^2}} = \sqrt{\frac{(n-1)\sigma^2}{\sigma^2 \chi^2(n-1)/(n-1)}} = \sqrt{\frac{(n-1)}{\chi^2(n-1)/(n-1)}} = \sqrt{\frac{(n-1)}{\chi^2(n-1)/(n-1)}} = \sqrt{\frac{(n-1)}{\chi^2(n-1)/(n-1)}} $. 一个标准正态变量与自由度为 $ n-1 $ 的卡方变量的平方根的比值,乘以 $ \sqrt{\frac{1}{n-1}} $ 服从自由度为 $ n-1 $ 的 t 分布: \[ Y \sim t(n-1) \] 因此,正确答案是: \[ \boxed{D} \]

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:

  1. 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。
  2. 样本方差的分布:利用样本方差$s^2$与卡方分布的关系。
  3. 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:
$Y = Z \cdot \sqrt{\frac{n-1}{\chi^2(n-1)}} \sim t(n-1)$

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