题目
设 n_A 是 n 次独立重复试验中事件 A 发生的次数,p 是事件 A 在每次试验中发生的概率,则当 n arrow infty 时,则 (n_A)/(n) 依概率收敛于 _________.
设 $n_A$ 是 $n$ 次独立重复试验中事件 $A$ 发生的次数,$p$ 是事件 $A$ 在每次试验中发生的概率,则当 $n \rightarrow \infty$ 时,则 $\frac{n_A}{n}$ 依概率收敛于 _________.
题目解答
答案
设 $ N_n $ 为 $ n $ 次独立重复试验中事件 $ A $ 发生的次数,$ p $ 为事件 $ A $ 在每次试验中发生的概率。将 $ N_n $ 表示为 $ n $ 个独立同分布的伯努利随机变量 $ X_i $($ i=1,2,\ldots,n $)的和,其中 $ X_i $ 服从参数为 $ p $ 的伯努利分布,即 $ E(X_i) = p $。
由大数定律(伯努利大数定律),当 $ n \to \infty $ 时,样本均值 $\frac{N_n}{n} = \frac{X_1 + X_2 + \cdots + X_n}{n}$ 依概率收敛于期望值 $ p $。
或者,利用切比雪夫不等式,可得
$\lim_{n \to \infty} P\left(\left|\frac{N_n}{n} - p\right| < \epsilon\right) = 1,$
对于任意正数 $ \epsilon $。
答案: $\boxed{p}$
解析
本题考查的知识点是大数定律(伯努利大数定律)以及依概率收敛的概念。解题思路如下:
- 首先,我们要明确在$n$次独立重复试验中,事件$A$发生的次数$n_A$(这里题目中用$n_A$,答案中用$N_n$,本质是一样的)可以表示为$n$个独立同分布的伯努利随机变量$X_i$($i = 1,2,\cdots,n$)的和。
- 对于每次试验,设$X_i$为伯努利随机变量,其定义为$X_i=\begin{cases}1, &\text{第}i\text{次试验中事件}A\text{发生}\\0, &\text{第}i\text{次试验中事件}A\text{不发生}\end{cases}$。
- 已知事件$A$在每次试验中发生的概率为$p$,那么$P(X_i = 1)=p$,$P(X_i = 0)=1 - p$。
- 根据期望的定义$E(X_i)=\sum_{k}x_kP(X_i = x_k)$,可得$E(X_i)=1\times p+0\times(1 - p)=p$。
- 且$n_A=\sum_{i = 1}^{n}X_i$。
- 然后,根据大数定律(伯努利大数定律):
- 样本均值$\overline{X}_n=\frac{X_1 + X_2+\cdots+X_n}{n}=\frac{n_A}{n}$。
- 大数定律表明,当$n\to\infty$时,样本均值$\overline{X}_n$依概率收敛于总体均值$E(X_i)$。
- 依概率收敛的定义为:对于任意给定的正数$\epsilon$,有$\lim_{n\rightarrow\infty}P\left(\left|\frac{n_A}{n}-E(X_i)\right|\lt\epsilon\right)=1$。
- 由于$E(X_i)=p$,所以$\lim_{n\rightarrow\infty}P\left(\left|\frac{n_A}{n}-p\right|\lt\epsilon\right)=1$,这就说明当$n\to\infty$时,$\frac{n_A}{n}$依概率收敛于$p$。
- 另外,也可以利用切比雪夫不等式来证明。设$Y = \frac{n_A}{n}$,$E(Y)=E\left(\frac{n_A}{n}\right)=\frac{1}{n}E(n_A)$,因为$E(n_A)=E\left(\sum_{i = 1}^{n}X_i\right)=\sum_{i = 1}^{n}E(X_i)=np$,所以$E(Y)=\frac{1}{n}\times np = p$。
- $D(Y)=D\left(\frac{n_A}{n}\right)=\frac{1}{n^2}D(n_A)$,又因为$D(n_A)=D\left(\sum_{i = 1}^{n}X_i\right)=\sum_{i = 1}^{n}D(X_i)$(由于$X_i$相互独立),而对于伯努利分布$D(X_i)=p(1 - p)$,所以$D(n_A)=np(1 - p)$,则$D(Y)=\frac{1}{n^2}\times np(1 - p)=\frac{p(1 - p)}{n}$。
- 根据切比雪夫不等式$P\left(\left|Y - E(Y)\right|\lt\epsilon\right)\geqslant1-\frac{D(Y)}{\epsilon^2}$,即$P\left(\left|\frac{n_A}{n}-p\right|\lt\epsilon\right)\geqslant1-\frac{p(1 - p)}{n\epsilon^2}$。
- 当$n\to\infty$时,$\lim_{n\rightarrow\infty}\left(1-\frac{p(1 - p)}{n\epsilon^2}\right)=1$,所以$\lim_{n\rightarrow\infty}P\left(\left|\frac{n_A}{n}-p\right|\lt\epsilon\right)=1$,同样得出$\frac{n_A}{n}$依概率收敛于$p$。