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【趣味数学题】均匀分布

2021-11-29 09:36 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

郑涛(Tao Steven Zheng)著

【问题】

计算以下概率分布函数(probability distribution function,PDF)的平均值(mean)、中值(median)和方差(variance):

%20p(x)%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7Bb-a%7D%20

x%20%5Cin%20%5Ba%2Cb%5D 区间上,其它区间等于 0。

【题解】

(1)平均值
平均值是概率分布函数的一阶矩(first moment)。

%5Cmu%20%3D%20%5Cint_%7B-%5Cinfty%7D%5E%7B%5Cinfty%7D%20x%20%5Ccdot%20p(x)%20dx%20

%5Cmu%20%3D%20%5Cint_%7Ba%7D%5E%7Bb%7D%20%5Cfrac%7Bx%7D%7Bb-a%7D%20dx

%20%5Cmu%20%3D%20%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B2(b-a)%7D%5CBiggr%7C_a%5Eb

%5Cmu%20%3D%20%5Cfrac%7Bb%5E2%20-%20a%5E2%7D%7B2(b-a)%7D

%20%5Cmu%20%3D%20%5Cfrac%7Ba%2Bb%7D%7B2%7D


(2)中值

要计算中值,首先求得累积分布函数(cumulative distribution function,CDF)。

P(x)%20%3D%20%5Cint_%7Ba%7D%5E%7Bx%7D%20%5Cfrac%7B1%7D%7Bb-a%7Ddt

P(x)%20%3D%20%5Cfrac%7Bx%7D%7Bb-a%7D%20%20%5CBiggr%7C_a%5Ex

P(x)%20%3D%20%5Cfrac%7Bx-a%7D%7Bb-a%7D

中位数位于概率等于50%的位置,因此

P(x)%20%3D%200.5%20

%5Cfrac%7Bx-a%7D%7Bb-a%7D%20%3D%200.5

x%20%3D%20%5Cfrac%7Ba%2Bb%7D%7B2%7D%20


(3)方差

方差的计算方法是从二阶矩(second moment)减去平均值的平方。

Var(X)%20%3D%20%5Cint_%7B-%5Cinfty%7D%5E%7B%5Cinfty%7D%20x%5E2%20%5Ccdot%20p(x)%20dx%20-%20%7B%5Cmu%7D%5E2

Var(X)%20%3D%20%5Cint_%7Ba%7D%5E%7Bb%7D%20%20%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7Bb-a%7D%20dx%20-%20%7B%5Cmu%7D%5E2

%20Var(X)%20%3D%20%5Cfrac%7Bx%5E3%7D%7B3(b-a)%7D%20%5CBiggr%7C_a%5Eb%20-%20%7B%5Cleft(%5Cfrac%7Ba%2Bb%7D%7B2%7D%5Cright)%7D%5E2

%20Var(X)%20%3D%20%5Cfrac%7Bb%5E3%20-%20a%5E3%7D%7B3(b-a)%7D%20-%20%5Cfrac%7Ba%5E2%2B2ab%2Bb%5E2%7D%7B4%7D

由于 b%5E3%20-%20a%5E3%20%3D%20(b-a)(b%5E2%20%2B%20ab%20%2B%20a%5E2)

Var(X)%20%3D%20%5Cfrac%7Bb%5E2%20%2B%20ab%20%2B%20a%5E2%7D%7B3%7D%20-%20%5Cfrac%7Ba%5E2%20%2B%202ab%20%2B%20b%5E2%7D%7B4%7D

Var(X)%20%3D%20%5Cfrac%7Bb%5E2%20-%202ab%20%2B%20a%5E2%7D%7B12%7D%20

Var(X)%20%3D%20%5Cfrac%7B%7B(b-a)%7D%5E2%7D%7B12%7D



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