109 年 國立中山大學通訊工程研究所甲組《機率》

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第 1 題5 分

  1. (5%) Let EcE^c denote the complement of an event E. Which of the following pairs of events, A and B, can be disjoint?
    (A) Pr(A) = 13\frac{1}{3} and Pr(B) = 23\frac{2}{3}
    (B) Pr(A) = 14\frac{1}{4} and Pr(Bc^c) = 12\frac{1}{2}
    (C) Pr(A) = 12\frac{1}{2} and Pr(B) = 12\frac{1}{2}
    (D) Pr(A) = 25\frac{2}{5} and Pr(B) = 35\frac{3}{5}
    (E) None of these

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核心觀念

若事件 AA 與 BB 互斥(disjoint),則

A∩B=∅A\cap B=\varnothing

因此

Pr⁡(A∩B)=0\Pr(A\cap B)=0

由機率加法定理:

Pr⁡(A∪B)=Pr⁡(A)+Pr⁡(B)−Pr⁡(A∩B)\Pr(A\cup B)=\Pr(A)+\Pr(B)-\Pr(A\cap B)

當 AA、BB 互斥時,化為

Pr⁡(A∪B)=Pr⁡(A)+Pr⁡(B)\Pr(A\cup B)=\Pr(A)+\Pr(B)

又因為 Pr⁡(A∪B)≤1\Pr(A\cup B)\le 1,所以互斥的必要條件是

Pr⁡(A)+Pr⁡(B)≤1\Pr(A)+\Pr(B)\le 1

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 11,就能安排成互斥事件。


解題方法

先將每個選項中的 Pr⁡(B)\Pr(B) 求出,再檢查

Pr⁡(A)+Pr⁡(B)≤1\Pr(A)+\Pr(B)\le 1

選項分析

(A)Pr⁡(A)=13\Pr(A)=\frac13,Pr⁡(B)=23\Pr(B)=\frac23

計算機率總和:

Pr⁡(A)+Pr⁡(B)=13+23=1\Pr(A)+\Pr(B) =\frac13+\frac23 =1

兩事件可以互斥。此時若互斥,則

Pr⁡(A∪B)=1\Pr(A\cup B)=1

表示 AA 與 BB 可以剛好分割整個樣本空間。

因此(A)正確。


(B)Pr⁡(A)=14\Pr(A)=\frac14,Pr⁡(Bc)=12\Pr(B^c)=\frac12

由補事件公式:

Pr⁡(B)=1−Pr⁡(Bc)=1−12=12\Pr(B)=1-\Pr(B^c) =1-\frac12 =\frac12

因此

Pr⁡(A)+Pr⁡(B)=14+12=34≤1\Pr(A)+\Pr(B) =\frac14+\frac12 =\frac34\le 1
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第 2 題5 分

  1. (5%) The random variable X has the probability density function
fX(x)={cx−2if 1≤x≤2;0otherwise.f_X(x) = \begin{cases} c x^{-2} & \text{if } 1 \le x \le 2; \\ 0 & \text{otherwise.} \end{cases}

Let A be the event {X>3/2}\{X > 3/2\} and Y = X2^2. 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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這一題的完整詳解

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 cc
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。
∫−∞∞fX(x)dx=1\int_{-\infty}^{\infty} f_X(x) dx = 1
∫12cx−2dx=1\int_{1}^{2} c x^{-2} dx = 1
c[−x−1]12=1c \left[ -x^{-1} \right]_{1}^{2} = 1
c(−12−(−11))=1c \left( -\frac{1}{2} - (-\frac{1}{1}) \right) = 1
c(1−12)=1c \left( 1 - \frac{1}{2} \right) = 1
c(12)=1  ⟹  c=2c \left( \frac{1}{2} \right) = 1 \implies c = 2
所以,機率密度函數為 fX(x)=2x−2f_X(x) = 2x^{-2},對於 1≤x≤21 \le x \le 2。

第二步:計算事件 A 的機率 P(A)P(A)
事件 A 定義為 {X>3/2}\{X > 3/2\}。
P(A)=P(X>3/2)=∫3/22fX(x)dxP(A) = P(X > 3/2) = \int_{3/2}^{2} f_X(x) dx
P(A)=∫3/222x−2dxP(A) = \int_{3/2}^{2} 2x^{-2} dx
P(A)=2[−x−1]3/22P(A) = 2 \left[ -x^{-1} \right]_{3/2}^{2}
P(A)=2(−12−(−13/2))P(A) = 2 \left( -\frac{1}{2} - (-\frac{1}{3/2}) \right)
P(A)=2(−12+23)P(A) = 2 \left( -\frac{1}{2} + \frac{2}{3} \right)
P(A)=2(−3+46)=2(16)=13P(A) = 2 \left( \frac{-3+4}{6} \right) = 2 \left( \frac{1}{6} \right) = \frac{1}{3}
所以,P(A)=1/3P(A) = 1/3。

第三步:求隨機變數 Y 的機率密度函數 fY(y)f_Y(y)
Y=X2Y = X^2。由於 1≤X≤21 \le X \le 2,所以 12≤X2≤221^2 \le X^2 \le 2^2,即 1≤Y≤41 \le Y \le 4。
我們可以使用變數變換的方法來求 fY(y)f_Y(y)。
令 y=x2y = x^2,則 x=yx = \sqrt{y} (因為 x≥0x \ge 0)。
dx/dy=12ydx/dy = \frac{1}{2\sqrt{y}}。
fY(y)=fX(x)∣dxdy∣f_Y(y) = f_X(x) \left| \frac{dx}{dy} \right|
fY(y)=(2x−2)∣12y∣f_Y(y) = (2x^{-2}) \left| \frac{1}{2\sqrt{y}} \right|
將 x=yx = \sqrt{y} 代入:
fY(y)=(2(y)−2)(12y)f_Y(y) = (2(\sqrt{y})^{-2}) \left( \frac{1}{2\sqrt{y}} \right)
fY(y)=(2y−1)(12y1/2)f_Y(y) = (2y^{-1}) \left( \frac{1}{2y^{1/2}} \right)
fY(y)=y−1y−1/2=y−3/2f_Y(y) = y^{-1} y^{-1/2} = y^{-3/2}
所以,fY(y)=y−3/2f_Y(y) = y^{-3/2},對於 1≤y≤41 \le y \le 4。

第四步:求條件機率密度函數 fY∣A(y∣A)f_{Y|A}(y|A)
條件機率密度函數 fY∣A(y∣A)f_{Y|A}(y|A) 定義為:
fY∣A(y∣A)={fY(y)P(A)if y is in the range of Y given A;0otherwise.f_{Y|A}(y|A) = \begin{cases} \frac{f_{Y}(y)}{P(A)} & \text{if } y \text{ is in the range of Y given A;} \\ 0 & \text{otherwise.} \end{cases}
事件 A 是 {X>3/2}\{X > 3/2\}。由於 Y=X2Y = X^2,當 X>3/2X > 3/2 時,Y=X2>(3/2)2=9/4Y = X^2 > (3/2)^2 = 9/4。
所以,當 A 發生時,Y 的範圍是 9/4<y≤49/4 < y \le 4。

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第 3 題5 分

  1. (5%) Let the joint probability density function of X and Y be given by
f(x,y)={csin⁡(x)sin⁡(y)if 0≤x≤π/2,0≤y≤π/2;0elsewhere.f(x,y) = \begin{cases} c \sin(x)\sin(y) & \text{if } 0 \le x \le \pi/2, 0 \le y \le \pi/2; \\ 0 & \text{elsewhere.} \end{cases}

Which of the following is the correlation coefficient of X and Y?
(A) 0
(B) 1
(C) -1
(D) π4\frac{\pi}{4}
(E) None of these

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這一題的完整詳解

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 cc
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。
∫−∞∞∫−∞∞f(x,y)dxdy=1\int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} f(x,y) dx dy = 1
∫0π/2∫0π/2csin⁡(x)sin⁡(y)dxdy=1\int_{0}^{\pi/2} \int_{0}^{\pi/2} c \sin(x)\sin(y) dx dy = 1
由於 sin⁡(x)\sin(x) 和 sin⁡(y)\sin(y) 是獨立的,我們可以將積分拆開:
c(∫0π/2sin⁡(x)dx)(∫0π/2sin⁡(y)dy)=1c \left( \int_{0}^{\pi/2} \sin(x) dx \right) \left( \int_{0}^{\pi/2} \sin(y) dy \right) = 1
計算單獨的積分:
∫0π/2sin⁡(x)dx=[−cos⁡(x)]0π/2=−cos⁡(π/2)−(−cos⁡(0))=−0−(−1)=1\int_{0}^{\pi/2} \sin(x) dx = [-\cos(x)]_{0}^{\pi/2} = -\cos(\pi/2) - (-\cos(0)) = -0 - (-1) = 1
所以,
c(1)(1)=1  ⟹  c=1c (1)(1) = 1 \implies c = 1
聯合機率密度函數為 f(x,y)=sin⁡(x)sin⁡(y)f(x,y) = \sin(x)\sin(y),對於 0≤x≤π/2,0≤y≤π/20 \le x \le \pi/2, 0 \le y \le \pi/2。

第二步:求解 X 和 Y 的邊際機率密度函數
fX(x)=∫−∞∞f(x,y)dy=∫0π/2sin⁡(x)sin⁡(y)dyf_X(x) = \int_{-\infty}^{\infty} f(x,y) dy = \int_{0}^{\pi/2} \sin(x)\sin(y) dy
fX(x)=sin⁡(x)∫0π/2sin⁡(y)dy=sin⁡(x)[−cos⁡(y)]0π/2=sin⁡(x)(1)=sin⁡(x)f_X(x) = \sin(x) \int_{0}^{\pi/2} \sin(y) dy = \sin(x) [-\cos(y)]_{0}^{\pi/2} = \sin(x) (1) = \sin(x)
對於 0≤x≤π/20 \le x \le \pi/2。
fY(y)=∫−∞∞f(x,y)dx=∫0π/2sin⁡(x)sin⁡(y)dxf_Y(y) = \int_{-\infty}^{\infty} f(x,y) dx = \int_{0}^{\pi/2} \sin(x)\sin(y) dx
fY(y)=sin⁡(y)∫0π/2sin⁡(x)dx=sin⁡(y)[−cos⁡(x)]0π/2=sin⁡(y)(1)=sin⁡(y)f_Y(y) = \sin(y) \int_{0}^{\pi/2} \sin(x) dx = \sin(y) [-\cos(x)]_{0}^{\pi/2} = \sin(y) (1) = \sin(y)
對於 0≤y≤π/20 \le y \le \pi/2。

第三步:檢查 X 和 Y 是否獨立
由於 f(x,y)=sin⁡(x)sin⁡(y)=fX(x)fY(y)f(x,y) = \sin(x)\sin(y) = f_X(x) f_Y(y),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 ρXY\rho_{XY}
相關係數的定義是 ρXY=Cov(X,Y)Var(X)Var(Y)\rho_{XY} = \frac{Cov(X,Y)}{\sqrt{Var(X)Var(Y)}}。
由於 X 和 Y 是獨立的,它們的協方差 Cov(X,Y)=E[XY]−E[X]E[Y]=0Cov(X,Y) = E[XY] - E[X]E[Y] = 0。
所以,相關係數 ρXY=0\rho_{XY} = 0。

(補充計算:期望值和變異數,以確認)
計算 E[X]E[X]:
E[X]=∫0π/2xfX(x)dx=∫0π/2xsin⁡(x)dxE[X] = \int_{0}^{\pi/2} x f_X(x) dx = \int_{0}^{\pi/2} x \sin(x) dx

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第 4 題5 分

  1. (5%) Let X have the probability density function
f(x)=e−x−1,−1<x<∞.f(x) = e^{-x-1}, \quad -1 < x < \infty.

Which of the following is correct?
(A) Pr(1≤X1 \le X) = e−1e^{-1}
(B) The moment-generating function of X is M(t) = e−te^{-t}
(C) E[X] = -1
(D) Var[X] = 1
(E) The distribution function of X is F(x) = −e−(1+x)-e^{-(1+x)}, −1<x<∞-1 < x < \infty

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這一題的完整詳解

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

f(x)=e−x−1=e−(x+1),x>−1.f(x)=e^{-x-1}=e^{-(x+1)},\qquad x>-1.

令

Y=X+1,Y=X+1,

則 YY 服從參數 λ=1\lambda=1 的指數分布,即 Y∼Exp⁡(1)Y\sim\operatorname{Exp}(1)。因此 X=Y−1X=Y-1 是指數分布向左平移 11 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:

E[X]=E[Y]−1,Var⁡(X)=Var⁡(Y).E[X]=E[Y]-1,\qquad \operatorname{Var}(X)=\operatorname{Var}(Y).

對於 Y∼Exp⁡(1)Y\sim\operatorname{Exp}(1),

E[Y]=1,Var⁡(Y)=1.E[Y]=1,\qquad \operatorname{Var}(Y)=1.

因此

E[X]=1−1=0,E[X]=1-1=0,

且

Var⁡(X)=1.\operatorname{Var}(X)=1.

選項分析

(A) Pr⁡(1≤X)=e−1\Pr(1\le X)=e^{-1}

由尾端機率定義,

Pr⁡(X≥1)=∫1∞e−x−1 dx.\Pr(X\ge 1) =\int_1^\infty e^{-x-1}\,dx.

計算得

Pr⁡(X≥1)=[−e−x−1]1∞=e−2.\Pr(X\ge 1) =\left[-e^{-x-1}\right]_1^\infty =e^{-2}.

因此

Pr⁡(1≤X)=e−2≠e−1,\Pr(1\le X)=e^{-2}\ne e^{-1},

故 (A) 錯誤。


(B) MX(t)=e−tM_X(t)=e^{-t}

動差生成函數定義為

MX(t)=E[etX]=∫−1∞etxe−x−1 dx.M_X(t)=E[e^{tX}] =\int_{-1}^{\infty}e^{tx}e^{-x-1}\,dx.

當 t<1t<1 時,

MX(t)=e−1∫−1∞e(t−1)x dx.M_X(t) =e^{-1}\int_{-1}^{\infty}e^{(t-1)x}\,dx.

積分後得

MX(t)=e−t1−t,t<1.M_X(t) =\frac{e^{-t}}{1-t},\qquad t<1.

所以並非僅為 e−te^{-t},故 (B) 錯誤。

也可由 X=Y−1X=Y-1 直接得到:

MX(t)=E[et(Y−1)]=e−tMY(t)=e−t11−t.M_X(t)=E[e^{t(Y-1)}] =e^{-t}M_Y(t) =e^{-t}\frac{1}{1-t}.

(C) E[X]=−1E[X]=-1

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第 5 題5 分

  1. (5%) Let X and Y have the joint probability density function
f(x,y)={2,0≤x≤y≤1.0,elsewhere.f(x,y) = \begin{cases} 2, & 0 \le x \le y \le 1. \\ 0, & \text{elsewhere.} \end{cases}

Which of the following is correct?
(A) E[X] = 1
(B) E[Y] = 1/2
(C) E[Y2^2] = 1/2
(D) Pr(0≤X≤Y0 \le X \le Y, 0≤X≤1/20 \le X \le 1/2) = 1/2
(E) None of these

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這一題的完整詳解

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
∫01∫0y2dxdy=∫01[2x]0ydy=∫012ydy=[y2]01=12−02=1\int_{0}^{1} \int_{0}^{y} 2 dx dy = \int_{0}^{1} [2x]_{0}^{y} dy = \int_{0}^{1} 2y dy = [y^2]_{0}^{1} = 1^2 - 0^2 = 1
PDF 是有效的。

第二步:計算邊際機率密度函數 fX(x)f_X(x) 和 fY(y)f_Y(y)
fX(x)=∫−∞∞f(x,y)dyf_X(x) = \int_{-\infty}^{\infty} f(x,y) dy
由於 0≤x≤y≤10 \le x \le y \le 1,對於給定的 xx,yy 的範圍是 x≤y≤1x \le y \le 1。
fX(x)=∫x12dy=[2y]x1=2(1)−2x=2−2x,for 0≤x≤1f_X(x) = \int_{x}^{1} 2 dy = [2y]_{x}^{1} = 2(1) - 2x = 2 - 2x, \quad \text{for } 0 \le x \le 1
fY(y)=∫−∞∞f(x,y)dxf_Y(y) = \int_{-\infty}^{\infty} f(x,y) dx
由於 0≤x≤y≤10 \le x \le y \le 1,對於給定的 yy,xx 的範圍是 0≤x≤y0 \le x \le y。
fY(y)=∫0y2dx=[2x]0y=2y−0=2y,for 0≤y≤1f_Y(y) = \int_{0}^{y} 2 dx = [2x]_{0}^{y} = 2y - 0 = 2y, \quad \text{for } 0 \le y \le 1

第三步:檢查選項

(A) E[X] = 1
E[X]=∫−∞∞xfX(x)dx=∫01x(2−2x)dxE[X] = \int_{-\infty}^{\infty} x f_X(x) dx = \int_{0}^{1} x (2 - 2x) dx
E[X]=∫01(2x−2x2)dx=[x2−23x3]01E[X] = \int_{0}^{1} (2x - 2x^2) dx = \left[ x^2 - \frac{2}{3}x^3 \right]_{0}^{1}
E[X]=(12−23(1)3)−(0−0)=1−23=13E[X] = (1^2 - \frac{2}{3}(1)^3) - (0 - 0) = 1 - \frac{2}{3} = \frac{1}{3}
選項 (A) 錯誤。

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第 6 題5 分

  1. (5%) Let the joint probability mass function of X and Y be defined by
f(x,y)=x+y32,x=1,2,y=1,2,3,4.f(x,y) = \frac{x+y}{32}, \quad x = 1,2, \quad y = 1,2,3,4.

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 ≤\le 3 – Y) = 1/4
(E) X and Y are independent

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這一題的完整詳解

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 x∈{1,2}x \in \{1, 2\}, y∈{1,2,3,4}y \in \{1, 2, 3, 4\}。共有 2×4=82 \times 4 = 8 個組合。
f(x,y)=x+y32f(x,y) = \frac{x+y}{32}

xyx+yf(x,y)
1122/32
1233/32
1344/32
1455/32
2133/32
2244/32
2355/32
2466/32

驗證總機率和是否為 1:
2+3+4+5+3+4+5+6=322+3+4+5+3+4+5+6 = 32。所以總機率為 32/32=132/32 = 1。

第二步:檢查各選項

(A) Pr(X > Y) = 3/32
找出滿足 x>yx > y 的組合:
只有 (x,y)=(2,1)(x,y) = (2,1) 滿足 x>yx > y。
P(X>Y)=f(2,1)=3/32P(X > Y) = f(2,1) = 3/32。
選項 (A) 是正確的。

(B) Pr(Y = 2X) = 9/32
找出滿足 y=2xy = 2x 的組合:
如果 x=1x=1, y=2(1)=2y=2(1)=2。組合為 (1,2)(1,2)。
如果 x=2x=2, y=2(2)=4y=2(2)=4。組合為 (2,4)(2,4)。
P(Y=2X)=f(1,2)+f(2,4)=3/32+6/32=9/32P(Y = 2X) = f(1,2) + f(2,4) = 3/32 + 6/32 = 9/32。
選項 (B) 是正確的。

(C) Pr(X + Y = 3) = 3/16
找出滿足 x+y=3x+y=3 的組合:
如果 x=1x=1, y=2y=2。組合為 (1,2)(1,2)。
如果 x=2x=2, y=1y=1。組合為 (2,1)(2,1)。
P(X+Y=3)=f(1,2)+f(2,1)=3/32+3/32=6/32=3/16P(X + Y = 3) = f(1,2) + f(2,1) = 3/32 + 3/32 = 6/32 = 3/16。
選項 (C) 是正確的。

(D) Pr(X ≤\le 3 – Y) = 1/4
找出滿足 x≤3−yx \le 3-y 的組合:
y=1  ⟹  x≤3−1=2y=1 \implies x \le 3-1=2。 (1,1),(2,1)(1,1), (2,1) 滿足。
y=2  ⟹  x≤3−2=1y=2 \implies x \le 3-2=1。 (1,2)(1,2) 滿足。

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第 7 題5 分

  1. (5%) Let X1_1, X2_2, X3_3 represent the independent failure times in years of three components in parallel. The probability density functions are fX1(x1)=3x12f_{X_1}(x_1) = 3x_1^2, 0<x1<10 < x_1 < 1, fX2(x2)=4x23f_{X_2}(x_2) = 4x_2^3, 0<x2<10 < x_2 < 1, and fX3(x3)=6x35f_{X_3}(x_3) = 6x_3^5, 0<x3<10 < x_3 < 1. Let Y = max(X1_1, X2_2, X3_3). Which of the following is correct?
    (A) Pr(Y = 1/2) = 134096\frac{13}{4096}
    (B) Pr(Y = 1/2) = 18192\frac{1}{8192}
    (C) Pr(Y ≤\le 1/3) = 1−(12)121 - (\frac{1}{2})^{12}
    (D) Pr(Y ≤\le 1/3) = 1−13121 - \frac{13}{12}
    (E) None of these

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這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查:

  1. 由機率密度函數求累積分布函數。
  2. 獨立隨機變數之最大值分布。
  3. 連續型隨機變數在單一點的機率為 00。

令

Y=max⁡(X1,X2,X3).Y=\max(X_1,X_2,X_3).

則事件 {Y≤y}\{Y\le y\} 等價於三個元件的失效時間都不超過 yy:

{Y≤y}={X1≤y,X2≤y,X3≤y}.\{Y\le y\}=\{X_1\le y,X_2\le y,X_3\le y\}.

由於 X1,X2,X3X_1,X_2,X_3 相互獨立,因此

FY(y)=P(Y≤y)=P(X1≤y)P(X2≤y)P(X3≤y).F_Y(y)=P(Y\le y) =P(X_1\le y)P(X_2\le y)P(X_3\le y).

解題方法

第一步:求各隨機變數的累積分布函數

對 0<x<10< x<1,

FX1(x)=∫0x3t2 dt=x3,F_{X_1}(x)=\int_0^x 3t^2\,dt=x^3, FX2(x)=∫0x4t3 dt=x4,F_{X_2}(x)=\int_0^x 4t^3\,dt=x^4, FX3(x)=∫0x6t5 dt=x6.F_{X_3}(x)=\int_0^x 6t^5\,dt=x^6.

因此,對 0<y<10<y<1,

FY(y)=FX1(y)FX2(y)FX3(y)=y3⋅y4⋅y6=y13.F_Y(y) =F_{X_1}(y)F_{X_2}(y)F_{X_3}(y) =y^3\cdot y^4\cdot y^6 =y^{13}.

所以

P(Y≤y)=y13,0<y<1.P(Y\le y)=y^{13},\qquad 0<y<1.

第二步:計算 P(Y=1/2)P(Y=1/2)

由於 YY 為連續型隨機變數,單一點的機率為 00:

P(Y=1/2)=0.P(Y=1/2)=0.

因此選項 (A)、(B) 所給的正數皆不正確。


第三步:計算 P(Y≤1/3)P(Y\le 1/3)

代入 y=1/3y=1/3:

P(Y≤1/3)=FY(1/3)=(13)13=1313.P(Y\le 1/3) =F_Y(1/3) =\left(\frac13\right)^{13} =\frac{1}{3^{13}}.

此結果不等於選項 (C) 或 (D)。


選項分析

(A) P(Y=1/2)=134096P(Y=1/2)=\dfrac{13}{4096}

錯誤。

YY 是連續型隨機變數,因此

P(Y=1/2)=0,P(Y=1/2)=0,

不可能等於正數 134096\dfrac{13}{4096}。


(B) P(Y=1/2)=18192P(Y=1/2)=\dfrac{1}{8192}

錯誤。

同樣因為 YY 為連續型隨機變數,

P(Y=1/2)=0,P(Y=1/2)=0,

所以不等於 18192\dfrac{1}{8192}。


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第 8 題5 分

  1. (5%) Let X be a random variable with moment-generating function MX(t)M_X(t), −h<t<h-h < t < h. Which of the following is correct?
    (A) Pr(X ≥\ge 1) ≤e−tMX(t)\le e^{-t} M_X(t), 0<t<h0 < t < h
    (B) Pr(X ≥\ge -2) ≤e2tMX(t)\le e^{2t} M_X(t), 0<t<h0 < t < h
    (C) Pr(X ≤\le 1) ≤1−e−tMX(t)\le 1 - e^{-t} M_X(t), −h<t<0-h < t < 0
    (D) MX(t)+MX(6t)M_X(t) + M_X(6t), −h<t<h-h < t < h, 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:

  1. 動差生成函數的定義
    MX(t)=E(etX).M_X(t)=E(e^{tX}).

  2. Markov 不等式:若 Y≥0Y\ge 0,則
    P(Y≥a)≤E(Y)a,a>0.P(Y\ge a)\le \frac{E(Y)}{a},\qquad a>0.

  3. 指數函數 etxe^{tx} 在 t>0t>0 與 t<0t<0 時的單調性。

若 t>0t>0,etxe^{tx} 隨 xx 遞增;若 t<0t<0,etxe^{tx} 隨 xx 遞減。


解題方法

將事件中的 XX 不等式轉換成 etXe^{tX} 的不等式,再套用 Markov 不等式。

對於 t>0t>0:

X≥a⟹etX≥eta,X\ge a\quad\Longrightarrow\quad e^{tX}\ge e^{ta},

因此

P(X≥a)≤P(etX≥eta)≤E(etX)eta=e−taMX(t).P(X\ge a)\le P(e^{tX}\ge e^{ta}) \le \frac{E(e^{tX})}{e^{ta}} =e^{-ta}M_X(t).

對於 t<0t<0:

X≤a⟹etX≥eta,X\le a\quad\Longrightarrow\quad e^{tX}\ge e^{ta},

因此

P(X≤a)≤e−taMX(t).P(X\le a)\le e^{-ta}M_X(t).


選項分析

(A)

當 0<t<h0<t<h 時,

X≥1⟹etX≥et.X\ge 1\quad\Longrightarrow\quad e^{tX}\ge e^t.

由 Markov 不等式,

P(X≥1)=P(etX≥et)≤E(etX)et=e−tMX(t).\begin{aligned} P(X\ge 1) &=P(e^{tX}\ge e^t)\\ &\le \frac{E(e^{tX})}{e^t}\\ &=e^{-t}M_X(t). \end{aligned}

因此 (A) 正確。


(B)

當 0<t<h0<t<h 時,

X≥−2⟹etX≥e−2t.X\ge -2\quad\Longrightarrow\quad e^{tX}\ge e^{-2t}.

套用 Markov 不等式,

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第 9 題5 分

  1. (5%) Let X and Y be independent normal random variables with mean 0 and variance 1. Define a new random variable Z by
Z={Xif XY>0;−Xif XY<0.Z = \begin{cases} X & \text{if } XY > 0; \\ -X & \text{if } XY < 0. \end{cases}

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 ∣X∣|X| 的性質;
  • 條件分布與期望值的判斷。

由於 X,YX,Y 為連續型隨機變數,

P(XY=0)=0,P(XY=0)=0,

因此只需考慮 XY>0XY>0 與 XY<0XY<0 的情況。

觀察 ZZ 的定義可得:

  • 當 Y>0Y>0 時,若 X>0X>0,則 Z=X=∣X∣Z=X=|X|;若 X<0X<0,則 Z=−X=∣X∣Z=-X=|X|。
  • 當 Y<0Y<0 時,若 X<0X<0,則 Z=X=−∣X∣Z=X=-|X|;若 X>0X>0,則 Z=−X=−∣X∣Z=-X=-|X|。

因此幾乎處處有

Z=sgn⁡(Y)∣X∣.Z=\operatorname{sgn}(Y)|X|.

其中 sgn⁡(Y)\operatorname{sgn}(Y) 表示 YY 的正負號。


解題方法

令

S=sgn⁡(Y),W=∣X∣.S=\operatorname{sgn}(Y),\qquad W=|X|.

則

Z=SW.Z=SW.

因為 XX 與 YY 獨立,所以 W=∣X∣W=|X| 與 S=sgn⁡(Y)S=\operatorname{sgn}(Y) 也獨立。

又因為 Y∼N(0,1)Y\sim N(0,1) 對稱於 00,所以

P(S=1)=P(S=−1)=12.P(S=1)=P(S=-1)=\frac12.

而 W=∣X∣W=|X| 為非負的半常態隨機變數。乘上獨立且等機率的正負號後,ZZ 會恢復成標準常態分布。

更精確地,對任意 z>0z>0,

P(Z≤z)=P(S=1,W≤z)+P(S=−1),P(Z\le z) = P(S=1,W\le z)+P(S=-1),

因此

P(Z≤z)=12P(∣X∣≤z)+12.P(Z\le z) = \frac12 P(|X|\le z)+\frac12.

由於

P(∣X∣≤z)=P(−z≤X≤z)=2Φ(z)−1,P(|X|\le z)=P(-z\le X\le z)=2\Phi(z)-1,

可得

P(Z≤z)=12[2Φ(z)−1]+12=Φ(z).P(Z\le z) = \frac12[2\Phi(z)-1]+\frac12 = \Phi(z).

對 z<0z<0 亦可得到相同的標準常態累積分布函數。因此

Z∼N(0,1).Z\sim N(0,1).

選項分析

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第 10 題5 分

  1. (5%) Which of the following cannot be cumulative distribution function (CDF)?
    (A) F(x)=12+1πarctan⁡(x)F(x) = \frac{1}{2} + \frac{1}{\pi} \arctan(x), x∈(−∞,∞)x \in (-\infty, \infty)
    (B) F(x)=1−e−xF(x) = 1 - e^{-x}, x∈(0,∞)x \in (0, \infty)
    (C) F(x)=e−e−xF(x) = e^{-e^{-x}}, x∈(−∞,∞)x \in (-\infty, \infty)
    (D) F(x)=1−e−xF(x) = 1 - e^{-x}, x∈(0,∞)x \in (0, \infty)
    (E) None of these

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核心觀念

累積分布函數(CDF)FX(x)=P(X≤x)F_X(x)=P(X\le x) 必須滿足:

  1. 單調不減。
  2. 0≤FX(x)≤10\le F_X(x)\le 1。
  3. 右連續。
  4. lim⁡x→−∞FX(x)=0\displaystyle\lim_{x\to-\infty}F_X(x)=0。
  5. lim⁡x→∞FX(x)=1\displaystyle\lim_{x\to\infty}F_X(x)=1。

若隨機變數只在 (0,∞)(0,\infty) 上取值,CDF 通常寫成

FX(x)={0,x≤0,FX(x),x>0.F_X(x)= \begin{cases} 0, & x\le 0,\\ F_X(x), & x>0. \end{cases}

題目選項中的定義域若標示為 (0,∞)(0,\infty),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 [0,1][0,1] 內;
  • 在支撐範圍端點是否能自然延伸。

選項分析

(A)F(x)=12+1πarctan⁡(x)F(x)=\dfrac12+\dfrac1\pi\arctan(x)

因為

ddxF(x)=1π(1+x2)>0,\frac{d}{dx}F(x) =\frac{1}{\pi(1+x^2)}>0,

所以 F(x)F(x) 在整個實數軸上嚴格遞增。

此外,

lim⁡x→−∞arctan⁡(x)=−π2,\lim_{x\to-\infty}\arctan(x)=-\frac{\pi}{2},

因此

lim⁡x→−∞F(x)=12−12=0.\lim_{x\to-\infty}F(x) =\frac12-\frac12=0.

又因為

lim⁡x→∞arctan⁡(x)=π2,\lim_{x\to\infty}\arctan(x)=\frac{\pi}{2},

所以

lim⁡x→∞F(x)=12+12=1.\lim_{x\to\infty}F(x) =\frac12+\frac12=1.

且 F(x)F(x) 的值介於 00 與 11 之間,符合 CDF 條件。因此(A)可以是 CDF。


(B)F(x)=1−e−x, x>0F(x)=1-e^{-x},\ x>0

在 x>0x>0 時,

ddxF(x)=e−x>0,\frac{d}{dx}F(x)=e^{-x}>0,

故其為單調遞增函數。

當 x→0+x\to0^+ 時,

lim⁡x→0+(1−e−x)=0,\lim_{x\to0^+}(1-e^{-x})=0,

當 x→∞x\to\infty 時,

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第 1 題25 分

  1. (25%) Consider two discrete random variables X and Y with joint pmf:
P(x,y)X=−1X=0X=1Y=20.150.10.1Y=40.050.10.15Y=60.10.150.05\begin{array}{|c|c|c|c|} \hline P(x, y) & X = -1 & X = 0 & X = 1 \\ \hline Y = 2 & 0.15 & 0.1 & 0.1 \\ \hline Y = 4 & 0.05 & 0.1 & 0.15 \\ \hline Y = 6 & 0.1 & 0.15 & 0.05 \\ \hline \end{array}

(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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這一題的完整詳解

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

0.15+0.1+0.1+0.05+0.1+0.15+0.1+0.15+0.05=0.95.0.15+0.1+0.1+0.05+0.1+0.15+0.1+0.15+0.05=0.95.

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 0.950.95,使總和為 11。由於

10.95=2019,\frac{1}{0.95}=\frac{20}{19},

各格機率皆乘以 2019\frac{20}{19}。


(a) 求 XX 的邊際分布

邊際機率由聯合機率對所有 YY 加總:

PX(x)=∑yP(X=x,Y=y).P_X(x)=\sum_y P(X=x,Y=y).

因此

P(X=−1)=0.15+0.05+0.100.95=0.300.95=619,P(X=-1)=\frac{0.15+0.05+0.10}{0.95} =\frac{0.30}{0.95} =\frac{6}{19}, P(X=0)=0.10+0.10+0.150.95=0.350.95=719,P(X=0)=\frac{0.10+0.10+0.15}{0.95} =\frac{0.35}{0.95} =\frac{7}{19}, P(X=1)=0.10+0.15+0.050.95=0.300.95=619.P(X=1)=\frac{0.10+0.15+0.05}{0.95} =\frac{0.30}{0.95} =\frac{6}{19}.

所以 XX 的邊際分布為

x−101PX(x)619719619\begin{array}{c|ccc} x & -1 & 0 & 1\\ \hline P_X(x) & \frac{6}{19} & \frac{7}{19} & \frac{6}{19} \end{array}

驗算:

619+719+619=1.\frac{6}{19}+\frac{7}{19}+\frac{6}{19}=1.

(b) 求給定 Y=4Y=4 時,XX 的條件分布

條件機率公式為

P(X=x∣Y=4)=P(X=x,Y=4)P(Y=4).P(X=x\mid Y=4) = \frac{P(X=x,Y=4)}{P(Y=4)}.

先求 Y=4Y=4 的邊際機率:

P(Y=4)=0.05+0.10+0.150.95=0.300.95=619.P(Y=4)=\frac{0.05+0.10+0.15}{0.95} =\frac{0.30}{0.95} =\frac{6}{19}.

因此

P(X=−1∣Y=4)=0.05/0.950.30/0.95=0.050.30=16,P(X=-1\mid Y=4) = \frac{0.05/0.95}{0.30/0.95} = \frac{0.05}{0.30} = \frac{1}{6}, P(X=0∣Y=4)=0.100.30=13,P(X=0\mid Y=4) = \frac{0.10}{0.30} = \frac{1}{3}, P(X=1∣Y=4)=0.150.30=12.P(X=1\mid Y=4) = \frac{0.15}{0.30} = \frac{1}{2}.

所以條件分布為

x−101P(X=x∣Y=4)161312\begin{array}{c|ccc} x & -1 & 0 & 1\\ \hline P(X=x\mid Y=4) & \frac{1}{6} & \frac{1}{3} & \frac{1}{2} \end{array}

(c) 求條件平均數 E[X∣Y]E[X\mid Y]

E[X∣Y]E[X\mid Y] 是 YY 的函數,必須分別計算 Y=2,4,6Y=2,4,6 時的條件期望值。

當 Y=2Y=2

P(Y=2)=0.350.95.P(Y=2)=\frac{0.35}{0.95}.

故

P(X=−1∣Y=2)=0.150.35=37,P(X=-1\mid Y=2)=\frac{0.15}{0.35}=\frac{3}{7}, P(X=0∣Y=2)=0.100.35=27,P(X=0\mid Y=2)=\frac{0.10}{0.35}=\frac{2}{7}, P(X=1∣Y=2)=0.100.35=27.P(X=1\mid Y=2)=\frac{0.10}{0.35}=\frac{2}{7}.

因此

E[X∣Y=2]=(−1)37+0⋅27+(1)27=−17.E[X\mid Y=2] = (-1)\frac{3}{7} +0\cdot\frac{2}{7} +(1)\frac{2}{7} = -\frac{1}{7}.

當 Y=4Y=4

利用 (b) 的條件分布:

E[X∣Y=4]=(−1)16+0⋅13+(1)12=13.E[X\mid Y=4] = (-1)\frac{1}{6} +0\cdot\frac{1}{3} +(1)\frac{1}{2} = \frac{1}{3}.

當 Y=6Y=6

P(X=−1∣Y=6)=0.100.30=13,P(X=-1\mid Y=6)=\frac{0.10}{0.30}=\frac{1}{3}, P(X=0∣Y=6)=0.150.30=12,P(X=0\mid Y=6)=\frac{0.15}{0.30}=\frac{1}{2}, P(X=1∣Y=6)=0.050.30=16.P(X=1\mid Y=6)=\frac{0.05}{0.30}=\frac{1}{6}.

因此

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第 2 題25 分

  1. (25%) Let X be a random variable with PDF
fX(x)={xe−x2/2,if x>0;0,otherwise.f_X(x) = \begin{cases} x e^{-x^2/2}, & \text{if } x > 0; \\ 0, & \text{otherwise.} \end{cases}

Suppose that Y = X2^2. 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[Yn^n]

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這一題的完整詳解

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
∫0∞xe−x2/2dx\int_{0}^{\infty} x e^{-x^2/2} dx
令 u=x2/2u = x^2/2, du=xdxdu = x dx.
當 x=0x=0, u=0u=0. 當 x→∞x \to \infty, u→∞u \to \infty.
∫0∞e−udu=[−e−u]0∞=0−(−e0)=1\int_{0}^{\infty} e^{-u} du = [-e^{-u}]_{0}^{\infty} = 0 - (-e^0) = 1
PDF 是有效的。

第二步:求解 Y 的 PDF
Y=X2Y = X^2. 由於 X>0X > 0, Y>0Y > 0.
我們可以使用變數變換的方法,通過 CDF 來求解。
FY(y)=P(Y≤y)=P(X2≤y)F_Y(y) = P(Y \le y) = P(X^2 \le y)。
由於 X>0X > 0, X≤yX \le \sqrt{y}。
FY(y)=P(X≤y)=∫0yxe−x2/2dxF_Y(y) = P(X \le \sqrt{y}) = \int_{0}^{\sqrt{y}} x e^{-x^2/2} dx.
令 u=x2/2u = x^2/2, du=xdxdu = x dx.
當 x=0x=0, u=0u=0. 當 x=yx=\sqrt{y}, u=(y)2/2=y/2u = (\sqrt{y})^2/2 = y/2.
FY(y)=∫0y/2e−udu=[−e−u]0y/2=−e−y/2−(−e0)=1−e−y/2F_Y(y) = \int_{0}^{y/2} e^{-u} du = [-e^{-u}]_{0}^{y/2} = -e^{-y/2} - (-e^0) = 1 - e^{-y/2}.
這是 Y 的 CDF,對於 y>0y > 0.

現在,對 CDF 求導得到 PDF:
fY(y)=ddyFY(y)=ddy(1−e−y/2)f_Y(y) = \frac{d}{dy} F_Y(y) = \frac{d}{dy} (1 - e^{-y/2})
fY(y)=−e−y/2(−12)=12e−y/2f_Y(y) = -e^{-y/2} (-\frac{1}{2}) = \frac{1}{2} e^{-y/2}, 對於 y>0y > 0.
這是一個指數分佈 Exp(λ=1/2)Exp(\lambda=1/2) 的 PDF。

(a) Find the PDF of Y
fY(y)=12e−y/2f_Y(y) = \frac{1}{2} e^{-y/2}, for y>0y > 0.

(b) Find the mean value E[Y]
Y 服從指數分佈 Exp(λ=1/2)Exp(\lambda=1/2)。
指數分佈的期望值是 1/λ1/\lambda。
E[Y]=11/2=2E[Y] = \frac{1}{1/2} = 2.

或者,直接計算:
E[Y]=∫0∞yfY(y)dy=∫0∞y(12e−y/2)dyE[Y] = \int_{0}^{\infty} y f_Y(y) dy = \int_{0}^{\infty} y (\frac{1}{2} e^{-y/2}) dy.
使用分部積分法:∫udv=uv−∫vdu\int u dv = uv - \int v du.
令 u=yu=y, dv=12e−y/2dydv = \frac{1}{2} e^{-y/2} dy.
則 du=dydu = dy, v=∫12e−y/2dy=−e−y/2v = \int \frac{1}{2} e^{-y/2} dy = -e^{-y/2}.
E[Y]=[y(−e−y/2)]0∞−∫0∞(−e−y/2)dyE[Y] = [y (-e^{-y/2})]_{0}^{\infty} - \int_{0}^{\infty} (-e^{-y/2}) dy.
E[Y]=(lim⁡y→∞−ye−y/2−0)+∫0∞e−y/2dyE[Y] = (\lim_{y \to \infty} -y e^{-y/2} - 0) + \int_{0}^{\infty} e^{-y/2} dy.
lim⁡y→∞−ye−y/2=0\lim_{y \to \infty} -y e^{-y/2} = 0 (由 L'Hopital's rule 或標準極限)。
E[Y]=0+[−2e−y/2]0∞=0+(0−(−2e0))=2E[Y] = 0 + [-2e^{-y/2}]_{0}^{\infty} = 0 + (0 - (-2e^0)) = 2.

(c) Find the moment generating function of Y
Y 服從指數分佈 Exp(λ=1/2)Exp(\lambda=1/2)。
指數分佈 Exp(λ)Exp(\lambda) 的 MGF 是 MY(t)=λλ−tM_Y(t) = \frac{\lambda}{\lambda-t},對於 t<λt < \lambda.

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