题目
X_1, X_2, ldots, X_n 是取自总体 N(0, sigma^2) 的简单随机样本,则样本二阶原点矩 A_2 = (1)/(n) sum_(i=1)^n X_i^2 的方差为()。A. sigma^2B. (sigma^2)/(n)C. (sigma^4)/(n)D. (2sigma^4)/(n)
$X_1, X_2, \ldots, X_n$ 是取自总体 $N(0, \sigma^2)$ 的简单随机样本,则样本二阶原点矩 $A_2 = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n X_i^2$ 的方差为()。
A. $\sigma^2$
B. $\frac{\sigma^2}{n}$
C. $\frac{\sigma^4}{n}$
D. $\frac{2\sigma^4}{n}$
题目解答
答案
C. $\frac{\sigma^4}{n}$
解析
本题考查正态分布的性质、卡方分布的定义以及方差的性质,解题的关键在于将样本二阶原点矩与卡方分布联系起来,再利用卡方分布的方差公式求解。
- 确定$X_i^2$的分布:
已知$X_i\sim N(0,\sigma^2)$,根据正态分布的性质,若$X\sim N(\mu,\sigma^2)$,则$\frac{X - \mu}{\sigma}\sim N(0,1)$。
对于$X_i$,有$\frac{X_i - 0}{\sigma}\sim N(0,1)$,即$\frac{X_i}{\sigma}\sim N(0,1)$。
又因为若$Z\sim N(0,1)$,则$Z^2\sim\chi^2(1)$(自由度为$1$的卡方分布),所以$(\frac{X_i}{\sigma})^2=\frac{X_i^2}{\sigma^2}\sim\chi^2(1)$。 - 确定$\sum_{i = 1}^{n}\frac{X_i^2}{\sigma^2}$的分布:
根据卡方分布的可加性,若$Y_1\sim\chi^2(n_1)$,$Y_2\sim\chi^2(n_2)$,且$Y_1$与$Y_2$相互独立,则$Y_1 + Y_2\sim\chi^2(n_1 + n_2)$。
由于$X_1,X_2,\cdots,X_n$是简单随机样本,所以$X_1,X_2,\cdots,X_n$相互独立,那么$\frac{X_1^2}{\sigma^2},\frac{X_2^2}{\sigma^2},\cdots,\frac{X_n^2}{\sigma^2}$也相互独立。
因此$\sum_{i = 1}^{n}\frac{X_i^2}{\sigma^2}\sim\chi^2(n)$。 - 求$\sum_{i = 1}^{n}X_i^2$的方差:
对于卡方分布$\chi^2(n)$,其方差$D(\chi^2(n)) = 2n$。
因为$\sum_{i = 1}^{n}\frac{X_i^2}{\sigma^2}\sim\chi^2(n)$,所以$D(\sum_{i = 1}^{n}\frac{X_i^2}{\sigma^2}) = 2n$。
根据方差的性质$D(aY)=a^2D(Y)$($a$为常数,$Y$为随机变量),这里$a = \frac{1}{\sigma^2}$,$Y = \sum_{i = 1}^{n}X_i^2$,则有:
$D(\sum_{i = 1}^{n}\frac{X_i^2}{\sigma^2})=\frac{1}{\sigma^4}D(\sum_{i = 1}^{n}X_i^2)=2n$
所以$D(\sum_{i = 1}^{n}X_i^2)=2n\sigma^4$。 - 求样本二阶原点矩$A_2$的方差:
已知$A_2 = \frac{1}{n}\sum_{i = 1}^{n}X_i^2$,再根据方差的性质$D(aY)=a^2D(Y)$,这里$a = \frac{1}{n}$,$Y = \sum_{i = 1}^{n}X_i^2$,则:
$D(A_2)=D(\frac{1}{n}\sum_{i = 1}^{n}X_i^2)=\frac{1}{n^2}D(\sum_{i = 1}^{n}X_i^2)$
将$D(\sum_{i = 1}^{n}X_i^2)=2n\sigma^4$代入上式可得:
$D(A_2)=\frac{1}{n^2}\times2n\sigma^4=\frac{2\sigma^4}{n}$