概率论 (H) 习题
1引言: 随机现象与概率论
2从古典概率模型、几何概率模型到概率论的公理
2.2 | (1) , (2) ; (3) ; (4) . (5) . (6) , 后面三个一样. | ||||||||||||||||
2.3 | (1) 对于集合 , 首先给元素 找同伴, 它们是确定的 个数 () , 有 个取法, 接下来剩下的 个数作分划, 于是 (2) , 设 对 成立, 注意故 . 并且, | ||||||||||||||||
2.4 | |||||||||||||||||
2.6 | 个人标上编号, 有 种方法; 个人分成不带编号的 组, 有 种方法, 再给每组标上编号, 每组 人标上编号, 有 种方法. 所以 . 数论的方法是, 要说明对任何素数 , 这是因为 | ||||||||||||||||
2.9 | 一方面, 集合 可由 通过可数并与取补集生成; 另一方面, 是一个 -代数. | ||||||||||||||||
2.14 | 不是. 令 , 渐进密度均为 因而皆属于 ; 而 不属于 , 因为 | ||||||||||||||||
2.15 | 记 , 有故 . | ||||||||||||||||
2.18 |
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2.21 | 简写 , 有 , 得 | ||||||||||||||||
2.23 | 即 . | ||||||||||||||||
2.28 | 性质 (1), (2) 是说用 Jordan 公式得到 | ||||||||||||||||
2.32 | 能组成的四位数有 个, 按照末尾是 或 , 得里面偶数有 个, 概率为 . | ||||||||||||||||
2.35 | . (反直觉地大) | ||||||||||||||||
2.42 | (1) 前者大, . 是因为, 对 归纳易有, 对于 , (2) 前者大. 扔 个骰子得到的 的数量写为 (这是个随机变量) , 那么 , 且观察到 , 从而 时由此, 最后一项小于 | ||||||||||||||||
2.55 | 有人找零困难等价于存在某时间排到的人里面 元的比 元的少 人. 沿票数差为 的直线反射这个时间后的图像, 最终票数差为 (本来是 ) , 相当于 人 元, 人 元. 所以不发生找零困难的概率是 . | ||||||||||||||||
2.57 | 相当于随机选三条边不是同一条边的概率, 是 . | ||||||||||||||||
2.62 | 本题说明, 无法说: 对任何正整数 , 一个正整数是 的倍数的概率是 (尽管能说渐进密度是 ) . 假如概率测度 存在, 不妨令 是完备的. 对 , 有当 互素时最小公倍数就是乘积, 于是对任意的 , 取不是 的因数的不同素数 , 当 时于是 , 不成立. 这里用了 | ||||||||||||||||
2.63 | 对圆周上的点 , 以之为顶点顺时针作内接正方形, 四个顶点中无白点的 的范围的长度不小于 . |
3经典条件概率与事件独立性
3.1 | 由解得 . | ||||||||
3.2 | 设事件 使 且 互不相交, 有于是 同样成立, 其余推理不变. | ||||||||
3.3 | . | ||||||||
3.4 | 3.1 就是. | ||||||||
3.6 |
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3.7 | 与 独立, 推出 . | ||||||||
3.8 |
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3.9 | 由于有 | ||||||||
3.10 | |||||||||
3.12 | 的元素形如 与 , 其中 是 的子集. 对任意的 , | ||||||||
3.15 | 设概率为 . 按第一局的输赢, 即 是等差数列. 由于 , 有 . | ||||||||
3.17 | . 表明 出现时 更可能成立. | ||||||||
3.18 | |||||||||
3.21 | |||||||||
3.24 |
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3.51 | 设 是一些相互独立的事件矩阵, 满足 . 设事件 为 “每列至少有一个事件不发生” 的事件, 事件 为 “每行至少有一个事件发生” 的事件, 则 , . 假设 , 都不发生, 则意味着 中至少有一列全发生, 且至少有一行全不发生, 这是不可能的. 因此 . 从而 , 即 |
4Lebesgue 积分理论简介
5随机变量及其分布律 (I)
5.1 | 是随机变量 . |
5.2 | , , , . |
5.4 | , 取 大使得 , 并且 在 一致连续. |
5.5 | 事实上 , 于是, 在 处连续 . |
5.8 | , , 故 , 同理 . |
5.9 | 注意 是开集, 毕竟对 , , 其中 为 对应的 . 第二可数空间 有开覆盖 , 从而存在可数子覆盖, 每个开集都零测, 得 . |
5.12 | |
5.14 | . |
5.21 | 满足无记忆性, 因此 . |
5.23 | . , 这里 . . |
5.26 | 设 是相互独立的概率为 的事件列, , 且 . |
已知 是概率空间之间的同构. 记 . 又设 为 上的随机变量 (). 令 , 求证: (1) 是同构是说 . (2) | |
设 是一维随机变量, 是二元可测函数. 求证: 是随机变量. 只需证明对任意二维可测集 , 还是可测集, 要使用单调类定理: 对 开集 开集 , 由 是可测函数, 可测; 这类 生成的 -代数是二维可测集, 二维可测集又是单调系. | |
5.27 | (1) 取事件 , 则 . (2) 见 5.26, 当 互斥时 , . (3) 相互独立 当 , 当 . (5)即 . 特别地, 时, . 相互独立是因为 (6) |
5.30 | 对所有 , 各相同, 又故 |
5.31 | 注: 熵 (entropy) 是反映分布为 的随机变量的不确定性的值. 例如, 分布为 的随机变量不具有任何不确定性, 熵为 ; 分布为 的随机变量具有最大的不确定性, 毕竟都不能说哪个事件的可能性更大些, 熵最大. (1) 得 是凸函数, 由 Jensen 不等式, ; (2) 用 , 等号当且仅当 . 由有等号成立当且仅当 对任意的 , 即 相互独立; (3) |
5.34 | 令 , 解得 . |
6数学期望与分布律
6.5 | , , . |
6.8 | . |
6.9 | 注意 , 等号成立当且仅当 . 不能对所有的 都 , 即存在 使 . 令 , 则 , 不然 , 与 的最小性矛盾; 且 , 不然对任何 故 , 同样与 的定义矛盾. 于是 . 反过来显然. |
6.10 | 分部积分有得 |
6.12 | 由于且 |
6.19 | 即要证交换 和 并用 Cauchy 不等式即可. |
6.34 | 对 的各种排列 , 相互独立且同分布, 由推论 5.1.1, 同分布故同期望, 其平均值是 (从而平均期望也是) , 故期望都是 . |
6.35 | 即左右皆是 . |
6.38 | 均与 同号, 所以 |
7条件数学期望与条件分布律
7.1 | 当 , . 当 , 即 , 那么对某个 有 , 于是 . | ||||
7.3 | 由定理 6.3.4, 对于任意的 , 然后用定理 7.3.3, 以及 Fubini 定理, | ||||
7.5 | 与习题 7.3 相同, 对于任意的 , 有从而若 , 若 , 综上, 有 . 由定理 7.3.3, | ||||
7.12 |
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7.23 | 知道! |
8随机变量及其分布律 (II)
例 8.19 | 基于 得到从而进而 |
设 独立同分布于 . 证明: . | |
设 为连续型变量, 且其联合分布的概率密度函数 可以分离变量,i.e. , 并且 , 那么 独立, 且 分别为 的密度函数. 证明. 由于 是连续型变量, 故由其边缘分布性质可得: . 同理 , 因此由 知 独立. | |
8.1 | (1) 由 的半生成性直接得到 , 考虑变换 , 则 , 因此:并且容易注意到 . 因此由引理可知 独立且 . (2) 考虑变换 , 则 , 因此 , 因此: 并且容易注意到: . 因此由引理可知 独立, 并且 |
8.2 | (1) 利用定义容易得到:因此 , 利用 的半生成性得到:. (2) 此时 |
9随机变量及其分布律 (III)
9.4 | 下证明: 对任意 , 有 . (在此基础上, 利用 即可得证!) 由于 连续, 得知 在 中一致连续, 因此 存在一个对 的剖分: 使得 , 那么: 然后令 , 得到 . 因而得证! |
9.7 | 即说明对 的所有 Borel 子集 有此式对二进制区间 成立, 其中 , 这是因为对一般的 , 对任何 , 存在二进制区间的有限组合 , 使得 且 , 用下式完成逼近 |
9.11 | 由习题 8.12, 可以设 那么有 互相独立. 记 , 由于 与 独立, 那么 与 也独立, 并且 和 同分布 (由于 的均匀分布乘 再取小数部分还是 均匀分布), 故: |
定理 9.2.3 | 证明如下. |
10随机变量列的收敛与大数律
10.2 | 设 , 则令 小再令 大, 上式就任意小. 反过来, 设 不成立, 即存在 使得存在任意大的 使 , 则 |
10.3 | |
10.20 | (i) 对 , 对任意 , 取 使 , 对 , 取 使 , 令 . (ii) . 充分小. (iii) , 令 大再令 大. 充分小. |
10.28 | 先证明一个引理: 个人至少有一个人拿对了信封的概率是 记 表示第 个人拿到对的信封, , 其余同理, 则引理所求事件的概率为 (用容斥原理). 接下来考虑 封信中挑出 个有 种取法, 对于指定的 个人拿对信封的概率为 , 对于剩下的 个人, 利用引理, 可知他们都没拿对的概率为 . 于是 令 , 从而得证! |
10.31 | 考虑 , 其中 ., 将 写成以 为底的形式, 可以发现当 时级数收敛; 当 时, 级数发散.根据 Borel-Cantelli 引理, 再结合 10.30 的结论可得到关于上极限的结论. 接下来, 因为 , 因此同除 , 再令 , 得到下极限对应的结论. |
10.40 | 先注意到一个事实: , 则 . 设离散型分布的值域为 (为一个至多可列集合) , 记 , 则 , , 记 , 下面利用注意到的事实和 的容斥原理, 易证交叉项非正 (不严谨的说, 交叉项的两个事件是负相关的) 由 的表达式, 易验证满足定理 10.3.2 条件. |