设 X_1, X_2, ldots, X_(100) 为来自总体 X 的简单随机样本,其中 PX=0 = PX=1 = (1)/(2),Phi(x) 表示标准正态分布函数,则利用中心极限定理可得 Psum_{i=1)^100 X_i leq 55} 的近似值为 ( )(A) 1 - Phi(1)(B) Phi(1)(C) 1 - Phi(0.2)(D) Phi(0.2)
设 $X_1, X_2, \ldots, X_{100}$ 为来自总体 $X$ 的简单随机样本,其中 $P\{X=0\} = P\{X=1\} = \frac{1}{2}$,$\Phi(x)$ 表示标准正态分布函数,则利用中心极限定理可得 $P\left\{\sum_{i=1}^{100} X_i \leq 55\right\}$ 的近似值为 ( ) (A) $1 - \Phi(1)$ (B) $\Phi(1)$ (C) $1 - \Phi(0.2)$ (D) $\Phi(0.2)$
题目解答
答案
我们来一步一步地解这道题。
题目回顾:
设 $ X_1, X_2, \ldots, X_{100} $ 是来自总体 $ X $ 的简单随机样本,其中
$P(X=0) = P(X=1) = \frac{1}{2}$
即每个 $ X_i $ 是一个取值为 0 或 1 的随机变量,且等概率。
我们要求:
$P\left( \sum_{i=1}^{100} X_i \leq 55 \right)$
的近似值,利用中心极限定理,并从选项中选择正确答案。
第一步:理解总体的分布
每个 $ X_i $ 是伯努利分布吗?
注意:标准的伯努利分布是 $ P(X=1) = p, P(X=0) = 1-p $。
这里 $ p = \frac{1}{2} $,所以 $ X_i \sim \text{Bernoulli}\left(\frac{1}{2}\right) $
所以:
- 期望:
$\mu = E[X_i] = 0 \cdot \frac{1}{2} + 1 \cdot \frac{1}{2} = \frac{1}{2}$ - 方差:
$\sigma^2 = \text{Var}(X_i) = p(1-p) = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2} = \frac{1}{4}$
第二步:考虑样本和的分布
令:
$S_{100} = \sum_{i=1}^{100} X_i$
根据中心极限定理(CLT),当 $ n $ 足够大时,$ S_{100} $ 近似服从正态分布:
$S_{100} \approx N(n\mu, n\sigma^2) = N\left(100 \cdot \frac{1}{2}, 100 \cdot \frac{1}{4}\right) = N(50, 25)$
即均值为 50,方差为 25,标准差为 $ \sqrt{25} = 5 $
第三步:标准化求概率
我们要求:
$P(S_{100} \leq 55)$
使用正态近似,进行标准化:
$P(S_{100} \leq 55) \approx P\left( \frac{S_{100} - 50}{5} \leq \frac{55 - 50}{5} \right) = P(Z \leq 1)$
其中 $ Z \sim N(0,1) $,所以:
$P(S_{100} \leq 55) \approx \Phi(1)$
第四步:选择正确选项
选项为:
(A) $ 1 - \Phi(1) $
(B) $ \Phi(1) $
(C) $ 1 - \Phi(0.2) $
(D) $ \Phi(0.2) $
我们得到的结果是 $ \Phi(1) $,所以正确答案是:
$\boxed{\text{(B)}\ \Phi(1)}$
补充说明:是否需要连续性修正?
虽然 $ X_i $ 是离散的(伯努利),和 $ S_{100} $ 是整数取值,理论上可以使用连续性修正来提高近似精度。
即:
$P(S_{100} \leq 55) \approx P\left( Z \leq \frac{55 + 0.5 - 50}{5} \right) = P(Z \leq 1.1) = \Phi(1.1)$
但题目中说“利用中心极限定理可得”的近似值,并且选项中没有 $ \Phi(1.1) $,只有 $ \Phi(1) $ 和 $ \Phi(0.2) $ 等,说明题目不要求连续性修正。
而且 $ \frac{55 - 50}{5} = 1 $,正好对应 $ \Phi(1) $,所以出题意图明显是选 (B)。
最终答案:
$\boxed{\text{(B)}\ \Phi(1)}$
解析
本题考查中心极限定理的应用。解题思路是先确定总体的期望和方差,再根据中心极限定理得到样本和的近似分布,最后对样本和进行标准化,从而计算出所求概率的近似值。
- 计算总体的期望和方差:
- 已知总体 $X$ 满足 $P\{X = 0\} = P\{X = 1\} = \frac{1}{2}$,根据期望的定义 $E(X)=\sum_{i}x_ip_i$,可得总体 $X$ 的期望为:
$E(X)=0\times\frac{1}{2}+1\times\frac{1}{2}=\frac{1}{2}$ - 根据方差的定义 $D(X)=E(X^2)-[E(X)]^2$,先求 $E(X^2)$:
$E(X^2)=0^2\times\frac{1}{2}+1^2\times\frac{1}{2}=\frac{1}{2}$
则总体 $X$ 的方差为:
$D(X)=E(X^2)-[E(X)]^2=\frac{1}{2}-(\frac{1}{2})^2=\frac{1}{4}$
- 已知总体 $X$ 满足 $P\{X = 0\} = P\{X = 1\} = \frac{1}{2}$,根据期望的定义 $E(X)=\sum_{i}x_ip_i$,可得总体 $X$ 的期望为:
- 根据中心极限定理确定样本和的近似分布:
设 $X_1,X_2,\ldots,X_{100}$ 为来自总体 $X$ 的简单随机样本,令 $S_{100}=\sum_{i = 1}^{100}X_i$。
由中心极限定理可知,当样本容量 $n = 100$ 足够大时,$S_{100}$ 近似服从正态分布 $N(nE(X),nD(X))$,将 $n = 100$,$E(X)=\frac{1}{2}$,$D(X)=\frac{1}{4}$ 代入可得:
$S_{100}\approx N(100\times\frac{1}{2},100\times\frac{1}{4})=N(50,25)$
即 $S_{100}$ 近似服从均值为 $50$,方差为 $25$ 的正态分布,其标准差为 $\sqrt{25}=5$。 - 对样本和进行标准化并计算概率:
要求 $P\left\{\sum_{i = 1}^{100}X_i\leq55\right\}$,即 $P(S_{100}\leq55)$。
根据正态分布的标准化公式 $Z=\frac{S_{100}-\mu}{\sigma}$(其中 $\mu$ 为均值,$\sigma$ 为标准差),可得:
$P(S_{100}\leq55)\approx P\left(\frac{S_{100}-50}{5}\leq\frac{55 - 50}{5}\right)=P(Z\leq1)$
其中 $Z\sim N(0,1)$,$\Phi(x)$ 表示标准正态分布函数,所以 $P(Z\leq1)=\Phi(1)$。