设总体Xsim N(mu, sigma^2),X_1, ldots, X_n为来自X的样本,则X_i - overline(X) simA. N(0, (n+1)/(n) sigma^2)B. N(0, (n-1)/(n) sigma^2)C. N(0, (1)/(n) sigma^2)D. N(0, sigma^2)
A. $N(0, \frac{n+1}{n} \sigma^2)$
B. $N(0, \frac{n-1}{n} \sigma^2)$
C. $N(0, \frac{1}{n} \sigma^2)$
D. $N(0, \sigma^2)$
题目解答
答案
解析
本题考查正态分布的性质以及样本均值和样本方差的相关知识。解题的关键思路是先明确样本均值$\overline{X}$的分布,再根据正态分布的性质求出$X_i - \overline{X}$的期望和方差,进而确定其分布。
步骤一:求$\overline{X}$的分布
已知总体$X\sim N(\mu, \sigma^2)$,$X_1, \ldots, X_n$为来自$X$的样本。根据样本均值的性质,样本均值$\overline{X}=\frac{1}{n}\sum_{i = 1}^{n}X_i$服从正态分布,且$E(\overline{X}) = E(\frac{1}{n}\sum_{i = 1}^{n}X_i)=\frac{1}{n}\sum_{i = 1}^{n}E(X_i)$。
因为$X_i$与总体$X$同分布,所以$E(X_i)=\mu$,则$E(\overline{X})=\frac{1}{n}\cdot n\mu = \mu$。
$D(\overline{X}) = D(\frac{1}{n}\sum_{i = 1}^{n}X_i)=\frac{1}{n^2}\sum_{i = 1}^{n}D(X_i)$,又因为$D(X_i)=\sigma^2$,所以$D(\overline{X})=\frac{1}{n^2}\cdot n\sigma^2 = \frac{1}{n}\sigma^2$。
因此,$\overline{X}\sim N(\mu, \frac{1}{n}\sigma^2)$。
步骤二:求$E(X_i - \overline{X})$
根据期望的性质$E(aY + bZ)=aE(Y)+bE(Z)$($a,b$为常数,$Y,Z$为随机变量),可得:
$E(X_i - \overline{X}) = E(X_i) - E(\overline{X})$
因为$E(X_i)=\mu$,$E(\overline{X})=\mu$,所以$E(X_i - \overline{X}) = \mu - \mu = 0$。
步骤三:求$D(X_i - \overline{X})$
根据方差的性质$D(aY + bZ)=a^2D(Y)+b^2D(Z)+2abCov(Y,Z)$($a,b$为常数,$Y,Z$为随机变量),可得:
$D(X_i - \overline{X}) = D(X_i) + D(\overline{X}) - 2Cov(X_i, \overline{X})$
其中$D(X_i)=\sigma^2$,$D(\overline{X})=\frac{1}{n}\sigma^2$。
计算$Cov(X_i, \overline{X})$:
$Cov(X_i, \overline{X}) = Cov(X_i, \frac{1}{n}\sum_{j = 1}^{n}X_j)=\frac{1}{n}\sum_{j = 1}^{n}Cov(X_i, X_j)$
当$i = j$时,$Cov(X_i, X_i)=D(X_i)=\sigma^2$;当$i\neq j$时,$Cov(X_i, X_j)=0$(因为样本中的各个$X_i$相互独立)。
所以$Cov(X_i, \overline{X}) = \frac{1}{n}\cdot\sigma^2$。
将$D(X_i)=\sigma^2$,$D(\overline{X})=\frac{1}{n}\sigma^2$,$Cov(X_i, \overline{X}) = \frac{1}{n}\sigma^2$代入$D(X_i - \overline{X})$的表达式中:
$D(X_i - \overline{X}) = \sigma^2 + \frac{1}{n}\sigma^2 - 2\cdot\frac{1}{n}\sigma^2=\sigma^2 - \frac{1}{n}\sigma^2=\frac{n - 1}{n}\sigma^2$
步骤四:确定$X_i - \overline{X}$的分布
因为$X_i$和$\overline{X}$都服从正态分布,且它们的线性组合$X_i - \overline{X}$的期望为$0$,方差为$\frac{n - 1}{n}\sigma^2$,所以$X_i - \overline{X}\sim N(0, \frac{n - 1}{n}\sigma^2)$。