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 成立, 注意. 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

, 有.

2.18

(i)

;

(ii)

;

(iii)

;

(iv)

;

(v)

;

(vi)

;

(vii)

;

(viii)

.

2.21

简写 , 有 , 得

2.23

.

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 , 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 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 元, 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 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 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

解得 .

3.2

设事件 使 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

(1.a)

如果有无数个 , 结论成立; 如果 的个数有限, 由 (1.b) 结论成立.

(1.b)

附近 , 得 相互控制, 再用 的连续性, 有

(2.a)

, 成立 .

(2.b)

同上.

3.7

独立, 推出 .

3.8

3.9

由于

3.10

3.12

的元素形如 , 其中 的子集. 对任意的 ,

3.15

设概率为 . 按第一局的输赢, 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

(1)

(2)

3.51

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,

, .

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 一致连续.

5.5

事实上 , 于是, 处连续 .

5.8

, , 故 , 同理 .

5.9

注意 是开集, 毕竟对 , , 其中 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

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 上的随机变量 (). 令 , 求证:
(1) , .
(2) 相互独立.

(1) 是同构是说 .

(2)

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

,

.

(5). 特别地, 时, .

相互独立是因为

(6)

5.30

对所有 , 各相同, 又

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) 是凸函数, 由 Jensen 不等式, ;

(2) 用 , 等号当且仅当 . 由等号成立当且仅当 对任意的 , 即 相互独立;

(3)

5.34

, 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 , 即存在 使 .

, 则 , 不然 , 与 的最小性矛盾;

, 不然对任何 , 同样与 的定义矛盾.

于是 . 反过来显然.

6.10

分部积分有

6.12

由于

6.19

即要证交换 并用 Cauchy 不等式即可.

6.34

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

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

, .

, 即 , 那么对某个 , 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, , 综上, 有 .

由定理 7.3.3,

7.12

(1)

(2)

于是

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

独立同分布于 . 证明: .

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 独立.

8.1

(1) 由 的半生成性直接得到 ,

考虑变换 ,

, 因此:并且容易注意到 .

因此由引理可知 独立且 .

(2) 考虑变换 ,

, 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 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 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 , 用下式完成逼近

9.11

由习题 8.12, 可以设 那么有 互相独立.

, 由于 独立, 那么 也独立, 并且 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

, 则 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

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 , 从而得证!

10.31

考虑 , 其中 ,

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 , ,

, 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.