109 年 國立中山大學通訊工程研究所甲組《機率》
第 1 題5 分
- (5%) Let denote the complement of an event E. Which of the following pairs of events, A and B, can be disjoint?
(A) Pr(A) = and Pr(B) =
(B) Pr(A) = and Pr(B) =
(C) Pr(A) = and Pr(B) =
(D) Pr(A) = and Pr(B) =
(E) None of these
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核心觀念
若事件 與 互斥(disjoint),則
因此
由機率加法定理:
當 、 互斥時,化為
又因為 ,所以互斥的必要條件是
本題問的是「哪些事件對可以互斥」,因此只要兩事件的機率總和不超過 ,就能安排成互斥事件。
解題方法
先將每個選項中的 求出,再檢查
選項分析
(A),
計算機率總和:
兩事件可以互斥。此時若互斥,則
表示 與 可以剛好分割整個樣本空間。
因此(A)正確。
(B),
由補事件公式:
因此
第 2 題5 分
- (5%) The random variable X has the probability density function
Let A be the event and Y = X. What is the conditional variance of Y given A?
(A) 1
(B) 1/2
(C) 1/4
(D) 2
(E) None of these
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本題考驗對機率密度函數、常數求解、事件機率計算、隨機變數變換、條件期望值與條件變異數的計算。
第一步:求解機率密度函數中的常數
根據機率密度函數的性質,其在整個定義域上的積分必須等於 1。
所以,機率密度函數為 ,對於 。
第二步:計算事件 A 的機率
事件 A 定義為 。
所以,。
第三步:求隨機變數 Y 的機率密度函數
。由於 ,所以 ,即 。
我們可以使用變數變換的方法來求 。
令 ,則 (因為 )。
。
將 代入:
所以,,對於 。
第四步:求條件機率密度函數
條件機率密度函數 定義為:
事件 A 是 。由於 ,當 時,。
所以,當 A 發生時,Y 的範圍是 。
第 3 題5 分
- (5%) Let the joint probability density function of X and Y be given by
Which of the following is the correlation coefficient of X and Y?
(A) 0
(B) 1
(C) -1
(D)
(E) None of these
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本題考驗對聯合機率密度函數、邊際機率密度函數、期望值、變異數及相關係數的計算。
第一步:求解聯合機率密度函數中的常數
根據機率密度函數的性質,其在整個定義域上的積分必須等於 1。
由於 和 是獨立的,我們可以將積分拆開:
計算單獨的積分:
所以,
聯合機率密度函數為 ,對於 。
第二步:求解 X 和 Y 的邊際機率密度函數
對於 。
對於 。
第三步:檢查 X 和 Y 是否獨立
由於 ,且定義域是矩形區域,所以 X 和 Y 是獨立的隨機變數。
第四步:計算相關係數
相關係數的定義是 。
由於 X 和 Y 是獨立的,它們的協方差 。
所以,相關係數 。
(補充計算:期望值和變異數,以確認)
計算 :
第 4 題5 分
- (5%) Let X have the probability density function
Which of the following is correct?
(A) Pr() =
(B) The moment-generating function of X is M(t) =
(C) E[X] = -1
(D) Var[X] = 1
(E) The distribution function of X is F(x) = ,
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核心觀念
本題考查:
- 機率密度函數的積分與尾端機率
- 累積分布函數
- 動差生成函數
- 指數分布的平移、期望值與變異數
已知
令
則 服從參數 的指數分布,即 。因此 是指數分布向左平移 單位。
解題方法
直接依照各選項所涉及的定義計算,並利用平移後指數分布的性質:
對於 ,
因此
且
選項分析
(A)
由尾端機率定義,
計算得
因此
故 (A) 錯誤。
(B)
動差生成函數定義為
當 時,
積分後得
所以並非僅為 ,故 (B) 錯誤。
也可由 直接得到:
(C)
第 5 題5 分
- (5%) Let X and Y have the joint probability density function
Which of the following is correct?
(A) E[X] = 1
(B) E[Y] = 1/2
(C) E[Y] = 1/2
(D) Pr(, ) = 1/2
(E) None of these
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本題考驗對聯合機率密度函數、邊際機率密度函數、期望值、平方期望值及機率計算。
第一步:確認聯合機率密度函數的有效性
PDF 是有效的。
第二步:計算邊際機率密度函數 和
由於 ,對於給定的 , 的範圍是 。
由於 ,對於給定的 , 的範圍是 。
第三步:檢查選項
(A) E[X] = 1
選項 (A) 錯誤。
第 6 題5 分
- (5%) Let the joint probability mass function of X and Y be defined by
Which of the following is wrong?
(A) Pr(X > Y) = 3/32
(B) Pr(Y = 2X) = 9/32
(C) Pr(X + Y = 3) = 3/16
(D) Pr(X 3 – Y) = 1/4
(E) X and Y are independent
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本題考驗對聯合機率質量函數、邊際機率質量函數、事件機率計算、獨立性判斷。
第一步:列出所有可能的 (x, y) 組合及其機率
定義域為 , 。共有 個組合。
| x | y | x+y | f(x,y) |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 2 | 2/32 |
| 1 | 2 | 3 | 3/32 |
| 1 | 3 | 4 | 4/32 |
| 1 | 4 | 5 | 5/32 |
| 2 | 1 | 3 | 3/32 |
| 2 | 2 | 4 | 4/32 |
| 2 | 3 | 5 | 5/32 |
| 2 | 4 | 6 | 6/32 |
驗證總機率和是否為 1:
。所以總機率為 。
第二步:檢查各選項
(A) Pr(X > Y) = 3/32
找出滿足 的組合:
只有 滿足 。
。
選項 (A) 是正確的。
(B) Pr(Y = 2X) = 9/32
找出滿足 的組合:
如果 , 。組合為 。
如果 , 。組合為 。
。
選項 (B) 是正確的。
(C) Pr(X + Y = 3) = 3/16
找出滿足 的組合:
如果 , 。組合為 。
如果 , 。組合為 。
。
選項 (C) 是正確的。
(D) Pr(X 3 – Y) = 1/4
找出滿足 的組合:
。 滿足。
。 滿足。
第 7 題5 分
- (5%) Let X, X, X represent the independent failure times in years of three components in parallel. The probability density functions are , , , , and , . Let Y = max(X, X, X). Which of the following is correct?
(A) Pr(Y = 1/2) =
(B) Pr(Y = 1/2) =
(C) Pr(Y 1/3) =
(D) Pr(Y 1/3) =
(E) None of these
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核心觀念
本題考查:
- 由機率密度函數求累積分布函數。
- 獨立隨機變數之最大值分布。
- 連續型隨機變數在單一點的機率為 。
令
則事件 等價於三個元件的失效時間都不超過 :
由於 相互獨立,因此
解題方法
第一步:求各隨機變數的累積分布函數
對 ,
因此,對 ,
所以
第二步:計算
由於 為連續型隨機變數,單一點的機率為 :
因此選項 (A)、(B) 所給的正數皆不正確。
第三步:計算
代入 :
此結果不等於選項 (C) 或 (D)。
選項分析
(A)
錯誤。
是連續型隨機變數,因此
不可能等於正數 。
(B)
錯誤。
同樣因為 為連續型隨機變數,
所以不等於 。
第 8 題5 分
- (5%) Let X be a random variable with moment-generating function , . Which of the following is correct?
(A) Pr(X 1) ,
(B) Pr(X -2) ,
(C) Pr(X 1) ,
(D) , , is also a moment-generating function of some random variable
(E) None of these
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核心觀念
本題考查:
-
動差生成函數的定義
-
Markov 不等式:若 ,則
-
指數函數 在 與 時的單調性。
若 , 隨 遞增;若 , 隨 遞減。
解題方法
將事件中的 不等式轉換成 的不等式,再套用 Markov 不等式。
對於 :
因此
對於 :
因此
選項分析
(A)
當 時,
由 Markov 不等式,
因此 (A) 正確。
(B)
當 時,
套用 Markov 不等式,
第 9 題5 分
- (5%) Let X and Y be independent normal random variables with mean 0 and variance 1. Define a new random variable Z by
Which of the following is correct?
(A) Z and Y are independent
(B) E[Z] = 1
(C) Z = 0
(D) Z has a normal distribution
(E) None of these
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核心觀念
本題考查:
- 獨立隨機變數的函數仍可保持獨立的條件;
- 標準常態分布的對稱性;
- 絕對值常態分布 的性質;
- 條件分布與期望值的判斷。
由於 為連續型隨機變數,
因此只需考慮 與 的情況。
觀察 的定義可得:
- 當 時,若 ,則 ;若 ,則 。
- 當 時,若 ,則 ;若 ,則 。
因此幾乎處處有
其中 表示 的正負號。
解題方法
令
則
因為 與 獨立,所以 與 也獨立。
又因為 對稱於 ,所以
而 為非負的半常態隨機變數。乘上獨立且等機率的正負號後, 會恢復成標準常態分布。
更精確地,對任意 ,
因此
由於
可得
對 亦可得到相同的標準常態累積分布函數。因此
選項分析
第 10 題5 分
- (5%) Which of the following cannot be cumulative distribution function (CDF)?
(A) ,
(B) ,
(C) ,
(D) ,
(E) None of these
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核心觀念
累積分布函數(CDF) 必須滿足:
- 單調不減。
- 。
- 右連續。
- 。
- 。
若隨機變數只在 上取值,CDF 通常寫成
題目選項中的定義域若標示為 ,即採用此種常見省略寫法。
解題方法
逐一檢查各選項是否滿足 CDF 的基本條件,特別注意:
- 左右無限遠的極限;
- 是否單調不減;
- 是否落在 內;
- 在支撐範圍端點是否能自然延伸。
選項分析
(A)
因為
所以 在整個實數軸上嚴格遞增。
此外,
因此
又因為
所以
且 的值介於 與 之間,符合 CDF 條件。因此(A)可以是 CDF。
(B)
在 時,
故其為單調遞增函數。
當 時,
當 時,
第 1 題25 分
- (25%) Consider two discrete random variables X and Y with joint pmf:
(a) (5%) Find the marginal distribution of X
(b) (5%) Find the conditional distribution of X given Y = 4
(c) (5%) Find the conditional mean E[X|Y]
(d) (5%) Are X and Y independent? Prove it or disprove it.
(e) (5%) Are X and Y uncorrelated? Prove it or disprove it.
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核心觀念
本題考查:
- 聯合機率質量函數與邊際分布
- 條件機率分布
- 條件期望值
- 隨機變數獨立的判定
- 共變異數與不相關的判定
題目表格中的所有機率總和為
因此原表嚴格而言尚未形成合法的 pmf。以下採用合理修正:將每個表格數值除以 ,使總和為 。由於
各格機率皆乘以 。
(a) 求 的邊際分布
邊際機率由聯合機率對所有 加總:
因此
所以 的邊際分布為
驗算:
(b) 求給定 時, 的條件分布
條件機率公式為
先求 的邊際機率:
因此
所以條件分布為
(c) 求條件平均數
是 的函數,必須分別計算 時的條件期望值。
當
故
因此
當
利用 (b) 的條件分布:
當
因此
第 2 題25 分
- (25%) Let X be a random variable with PDF
Suppose that Y = X. Answer the following questions.
(a) (5%) Find the PDF of Y
(b) (5%) Find the mean value E[Y]
(c) (5%) Find the moment generating function of Y
(d) (10%) Derive the n-th moment E[Y]
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本題考驗對機率密度函數 (PDF)、隨機變數變換、累積分布函數 (CDF)、期望值、動差生成函數 (MGF) 及動差的計算。
第一步:確認 PDF 的有效性
令 , .
當 , . 當 , .
PDF 是有效的。
第二步:求解 Y 的 PDF
. 由於 , .
我們可以使用變數變換的方法,通過 CDF 來求解。
。
由於 , 。
.
令 , .
當 , . 當 , .
.
這是 Y 的 CDF,對於 .
現在,對 CDF 求導得到 PDF:
, 對於 .
這是一個指數分佈 的 PDF。
(a) Find the PDF of Y
, for .
(b) Find the mean value E[Y]
Y 服從指數分佈 。
指數分佈的期望值是 。
.
或者,直接計算:
.
使用分部積分法:.
令 , .
則 , .
.
.
(由 L'Hopital's rule 或標準極限)。
.
(c) Find the moment generating function of Y
Y 服從指數分佈 。
指數分佈 的 MGF 是 ,對於 .