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《概率论与数理统计》第二学期期末试卷B (精选04)
一、填空题(每题3分,共15分)
- 某人射中靶的概率为 $\frac{3}{4}$,如果射击直到中靶为止,则射击次数为 $k$ 的概率为 ______。
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答案: $\left(\frac{1}{4}\right)^{k-1} \times \frac{3}{4}$
解析:
本题考查几何分布的背景与公式应用。
第一步:分析试验性质
“射击直到中靶为止” 代表第 $k$ 次射击才首次中靶,而前 $k-1$ 次均未中靶。由于每次射击相互独立,这符合几何分布模型。
第二步:计算概率
- 每次脱靶的概率为:$1 - \frac{3}{4} = \frac{1}{4}$。
- 前 $k-1$ 次均脱靶的概率为:$\left(\frac{1}{4}\right)^{k-1}$。
- 第 $k$ 次击中的概率为:$\frac{3}{4}$。
- 综合得到概率为:$\left(\frac{1}{4}\right)^{k-1} \times \frac{3}{4}$。
难度: ⭐
考点: #几何分布 #独立性试验
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📖 相关公式与知识点:
- 几何分布律:$P(X=k) = (1-p)^{k-1}p$
🔄 举一反三
- 某足球运动员射门成功率为 $0.2$,直到射进为止。求他在第 $3$ 次射门才射进的概率。
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答案:$0.128$
解析:$P(X=3) = (1-0.2)^{3-1} \times 0.2 = 0.8^2 \times 0.2 = 0.128$。
- 假设总体 $X \sim N(\mu, \sigma^2)$,且 $\overline{X} = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n} X_i$,$X_1, X_2, \ldots, X_n$ 为总体样本,则 $\overline{X}$ 是 ______ 的无偏估计。
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答案: 总体均值 $\mu$
解析:
本题考查统计量无偏估计的性质。
第一步:理解无偏估计的定义
若估计量 $\hat{\theta}$ 的期望等于待估参数 $\theta$,即 $E[\hat{\theta}] = \theta$,则称 $\hat{\theta}$ 是 $\theta$ 的无偏估计。
第二步:求 $\overline{X}$ 的期望
由于样本 $X_i$ 独立同分布于总体 $X \sim N(\mu, \sigma^2)$,故 $E[X_i] = \mu$。
由于其数学期望严格等于总体均值,因此 $\overline{X}$ 是总体均值 $\mu$ 的无偏估计。
难度: ⭐
考点: #无偏估计 #样本均值期望
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📖 相关公式与知识点:
- 期望的线性性质:$E[c_1X + c_2Y] = c_1E[X] + c_2E[Y]$
🔄 举一反三
- 设总体 $X \sim N(\mu, \sigma^2)$,修正样本方差 $S^2 = \frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^n (X_i - \overline{X})^2$。判断 $S^2$ 是否是 $\sigma^2$ 的无偏估计。
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答案:是。
解析:由统计理论证明可知 $E[S^2] = \sigma^2$,因此它也是方差的无偏估计。
- 设随机变量 $X \sim N(0,1), Y \sim \chi^2(n)$,则 $\frac{X}{\sqrt{Y}} \sqrt{n}$ 服从的分布为 ______。
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答案: $t(n)$(学生氏 $t$ 分布)
解析:
本题考查数理统计中的三大抽样分布之一—— $t$ 分布的构造。
第一步:回顾 $t$ 分布定义
设 $X \sim N(0, 1)$,$Y \sim \chi^2(n)$,且 $X$ 与 $Y$ 独立,则随机变量
第二步:代数整理
这与题目中的表达式完全一致。因此该统计量服从自由度为 $n$ 的 $t$ 分布。
难度: ⭐⭐
考点: #t分布 #抽样分布
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📖 相关公式与知识点:
- $t$ 分布的定义:$T = \frac{X}{\sqrt{Y/n}} \sim t(n)$ ::: note 重要说明 题干默认 $X$ 与 $Y$ 相互独立,这是构成标准 $t$ 分布的必要前提。 :::
🔄 举一反三
- 设 $X_1, \ldots, X_n \sim N(0, 1)$ 独立,$Z = \sum_{i=1}^n X_i^2$。求 $Z$ 服从什么分布。
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答案:$\chi^2(n)$(自由度为 $n$ 的卡方分布)。
- 如果 $X$ 的分布列为:
$X$ 0 1 2 $P$ $A$ $2A$ $3A$ 则参数 $A$ 等于 ______。
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答案: $\frac{1}{6}$
解析:
本题考查离散型随机变量分布列的完备性(归一性)。
第一步:列出方程
任何离散型随机变量,其所有可能取值对应的概率之和必须恒等于 1。
第二步:代入求和
难度: ⭐
考点: #分布列归一性
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📖 相关公式与知识点:
- $\sum_{i} P(X = x_i) = 1$
🔄 举一反三
- 设 $X \in \{1, 2\}$,概率分别为 $P(X=1) = C$ 和 $P(X=2) = C^2$。求正数常数 $C$ 的值。
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答案:$\frac{\sqrt{5}-1}{2}$
解析:由 $C + C^2 = 1$ 得 $C^2 + C - 1 = 0$。由于概率必须大于 0,解得 $C = \frac{-1 + \sqrt{5}}{2}$。
- 在作区间估计的时候,方差未知的 $N(\mu, \sigma^2)$ 的 $\mu$ 的区间估计为 ______。
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答案: $\left[\overline{X} - t_{\frac{\alpha}{2}}(n-1) \frac{S}{\sqrt{n}}, \ \overline{X} + t_{\frac{\alpha}{2}}(n-1) \frac{S}{\sqrt{n}}\right]$
解析:
本题考查单正态总体方差未知时期望的区间估计形式。
第一步:确定所用的枢轴量
总体方差 $\sigma^2$ 未知时,无法使用标准正态分布进行估计。我们采用样本方差 $S^2$ 替换总体方差,构建自由度为 $n-1$ 的 $t$ 分布枢轴量:
第二步:反解出置信区间
令 $P\left( -t_{\frac{\alpha}{2}}(n-1) \le \frac{\overline{X} - \mu}{S / \sqrt{n}} \le t_{\frac{\alpha}{2}}(n-1) \right) = 1 - \alpha$。 将不等式展开即可得到如答案所示的边界。
难度: ⭐⭐
考点: #区间估计 #t统计量
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📖 相关公式与知识点:
- 置信水平为 $1-\alpha$ 的置信区间反解定理。
🔄 举一反三
- 若总体方差 $\sigma^2$ 为已知,则 $\mu$ 的区间估计公式为何?
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答案:$\left[\overline{X} - Z_{\frac{\alpha}{2}}\frac{\sigma}{\sqrt{n}}, \ \overline{X} + Z_{\frac{\alpha}{2}}\frac{\sigma}{\sqrt{n}}\right]$。
二、选择题(每题3分,共15分)
- 已知 $P(A) = P(A \mid B), P(A) = P(A \mid \overline{B})$,则下列说法正确的有( )
- A. A与B相互独立
- B. A与B互逆
- C. A与B互斥
- D. $P(A) = P(B)$
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答案: A
解析:
本题考查事件独立性的条件判断。
第一步:回忆独立性定义
事件 $A$ 与 $B$ 独立,其等价表达形式即为:$P(A|B) = P(A)$。它意味着事件 $B$ 发生与否并不改变事件 $A$ 发生的概率。
第二步:结合题意
由于已知 $P(A) = P(A|B)$,这直接契合独立性的判断标准。 因此,选 A。
难度: ⭐
考点: #条件概率 #事件独立性
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📖 相关公式与知识点:
- 独立性充要条件:$P(AB) = P(A)P(B)$
🔄 举一反三
- 若 $A,B$ 独立,且 $P(A)=0.3, P(B)=0.4$。求 $P(AB)$。
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答案:$0.12$
解析:$P(AB) = P(A)P(B) = 0.3 \times 0.4 = 0.12$。
- 对一个随机变量 $X$ 来说,其分布函数 $F(x)$,下列说法正确的有( )
- A. $F(x)$ 取值为 $(-\infty, +\infty)$
- B. $F(x)$ 为连续函数
- C. $-1\le F(x)\le 1$
- D. $0\le F(x)\le 1$
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答案: D
解析:
本题考查累积分布函数的性质。
第一步:梳理分布函数的核心性质
- 单调不减性:若 $x_1 < x_2$,则 $F(x_1) \le F(x_2)$。
- 取值范围:$0 \le F(x) \le 1$,且 $F(-\infty) = 0, F(+\infty) = 1$。
- 右连续性。
第二步:排除错误选项
- A、C 违反了概率的基本非负性及上限为 1 的规则。
- B 不一定成立,离散随机变量的分布函数呈阶梯状。 因此,选 D。
难度: ⭐
考点: #分布函数性质
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📖 相关公式与知识点:
- $F(x) = P(X \le x)$
🔄 举一反三
- 连续型随机变量的密度函数 $f(x)$ 的全空间积分值为何?
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答案:$1$。
- 设 $X \sim U[1,5]$,当 $x_{1} < 1 < x_{2} < 5$ 时,$P(x_{1} < X < x_{2}) =$ ( )
- A. $\frac{5 - x_2}{5}$
- B. $\frac{x_{2} - 1}{4}$
- C. $\frac{x_2 - 1}{5}$
- D. $\frac{x_2 - x_1}{4}$
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答案: B
解析:
本题考查连续均匀分布区间概率的求法。
第一步:写出均匀分布的密度函数
$X \sim U[1, 5]$,其密度函数为:
第二步:计算概率积分
由于 $x_1 < 1$,故在区间 $[x_1, x_2]$ 内,变量 $X$ 真正能取到值的区间是 $[1, x_2]$。
因此,选 B。
难度: ⭐⭐
考点: #均匀分布 #区间概率
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📖 相关公式与知识点:
- $X \sim U[a, b] \implies f(x) = \frac{1}{b-a}$。
🔄 举一反三
- 随机变量 $X \sim U[0, 10]$,求 $P(2 < X < 5)$。
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答案:$0.3$
解析:$\frac{5 - 2}{10 - 0} = \frac{3}{10} = 0.3$。
- 设总体 $X$ 的数学期望为 $\mu$,方差为 $\sigma^{2}$,$(X_{1}, X_{2})$ 是 $X$ 的一个样本,则在下述的 4 个估计量中,( ) 是最优的。
- A. $\hat{\mu}_{1} = \frac{1}{5} X_{1} + \frac{4}{5} X_{2}$
- B. $\hat{\mu}_{2} = \frac{1}{8} X_{1} + \frac{1}{4} X_{2}$
- C. $\hat{\mu}_{3} = \frac{1}{2} X_{1} + \frac{1}{2} X_{2}$
- D. $\hat{\mu}_{4} = \frac{1}{2} X_{1} + \frac{1}{3} X_{2}$
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答案: C
解析:
本题考查有效估计量(最优估计量)的筛选准则:无偏性与方差最小化。
第一步:检验无偏性
令线性组合 $\hat{\mu} = c_1X_1 + c_2X_2$,则 $E[\hat{\mu}] = c_1\mu + c_2\mu = (c_1+c_2)\mu$。 若想满足无偏估计,必须有 $c_1 + c_2 = 1$。
- A:$\frac{1}{5} + \frac{4}{5} = 1$(无偏)
- B:$\frac{1}{8} + \frac{1}{4} = \frac{3}{8} \neq 1$(有偏)
- C:$\frac{1}{2} + \frac{1}{2} = 1$(无偏)
- D:$\frac{1}{2} + \frac{1}{3} = \frac{5}{6} \neq 1$(有偏) 此时只剩下 A 和 C。
第二步:比较方差
样本相互独立:$D[\hat{\mu}] = c_1^2 D[X_1] + c_2^2 D[X_2] = (c_1^2 + c_2^2)\sigma^2$。
- A 的方差为:$\left(\frac{1}{25} + \frac{16}{25}\right)\sigma^2 = \frac{17}{25}\sigma^2 = 0.68\sigma^2$
- C 的方差为:$\left(\frac{1}{4} + \frac{1}{4}\right)\sigma^2 = 0.5\sigma^2$ 因 $0.5 < 0.68$,C 的方差更小。
因此,选 C。
难度: ⭐⭐
考点: #无偏估计 #方差最小化 #估计量有效性
💡 学习锦囊
📖 相关公式与知识点:
- 独立估计量的方差性质:$D\left(\sum c_i X_i\right) = \sum c_i^2 D(X_i)$
🔄 举一反三
- 假设要从 $X_1, X_2$ 构造方差最小的无偏估计量,两个系数如何选择?
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答案:各取 $0.5$。
- 假设 $X$ 和 $Y$ 的联合密度函数为: $f(x,y) = \begin{cases}\lambda_{1}\lambda_{2}e^{-\lambda_{1}x - \lambda_{2}y}, & x\geq 0, y\geq 0\\ 0, & \text{其它} \end{cases}$,则下列说法正确的有( )
- A. $E(XY) = 0$
- B. $X$ 和 $Y$ 相互独立
- C. $X$ 和 $Y$ 不相互独立
- D. $X$ 和 $Y$ 相关
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答案: B
解析:
本题考查多维随机变量的独立性判定。
第一步:求边缘概率密度
同理,$$f_Y(y) = \lambda_2 e^{-\lambda_2 y} \quad (y \ge 0)$$
第二步:验证独立性充要条件
明显可见,联合密度可完全拆分为两个边缘密度的乘积:
这代表两者相互独立。故选 B。
难度: ⭐⭐
考点: #边缘密度 #独立性
💡 学习锦囊
📖 相关公式与知识点:
- 独立性:$f(x,y) = f_X(x)f_Y(y)$
🔄 举一反三
- 若联合密度可写为 $f(x,y) = g(x)h(y)$,能否直接推断独立?
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答案:能(只要各自区域无交叉约束)。
三、计算题(每题10分,共70分)
- 设总体 $Y$ 服从几何分布,分布律: $p\{Y = y\} = (1 - p)^{y - 1}p,\quad y = 1,2,\dots$ 其中 $p$ 为未知参数,且 $0 \leq p \leq 1$。设 $Y_{1}, Y_{2}, \ldots, Y_{n}$ 为 $Y$ 的一个样本,求:$p$ 的极大似然估计。
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答案: $\hat{p}_{MLE} = \frac{1}{\overline{Y}}$
解析:
本题考查离散型总体的极大似然估计步骤。
第一步:写出似然函数
第二步:取对数
第三步:求导并令其为 0
难度: ⭐⭐⭐
考点: #极大似然估计
💡 学习锦囊
📖 相关公式与知识点:
- 极大似然法求解三部曲:构建似然 $\implies$ 取对数 $\implies$ 求导求解。
🔄 举一反三
- 设 $X \sim P(\lambda)$(泊松分布),求 $\lambda$ 的极大似然估计。
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答案:$\overline{X}$
解析:利用同样的求导步骤易证。
- 两台车床加工同样的零件,第一台出现废品的概率是0.03,第二台出现废品的概率是0.02,加工出来的零件放在一起,并且已知第一台加工的零件比第二台加工的零件多一倍,求:任意取出一个零件是合格品的概率。
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答案: $\frac{73}{75} \approx 0.9733$
解析:
本题利用全概率公式计算。
第一步:设定事件并计算其占比
- $M_1$ = “零件来自第一台车床”,$M_2$ = “零件来自第二台车床”。
- 第一台零件比第二台多一倍 $\implies P(M_1) = \frac{2}{3}, P(M_2) = \frac{1}{3}$。
第二步:列出条件合格率
- 第一台废品率 0.03 $\implies P(\text{合格}|M_1) = 1 - 0.03 = 0.97$。
- 第二台废品率 0.02 $\implies P(\text{合格}|M_2) = 1 - 0.02 = 0.98$。
第三步:计算全概率
难度: ⭐⭐
考点: #全概率公式 #对立事件
💡 学习锦囊
📖 相关公式与知识点:
- $P(A) = \sum P(A|B_i)P(B_i)$
🔄 举一反三
- 两个盒子,甲盒 3红2白,乙盒 2红3白。任选一盒摸球,求摸出红球的概率。
查看练习答案与解析
答案:$0.5$
解析:$\frac{1}{2}\times\frac{3}{5} + \frac{1}{2}\times\frac{2}{5} = \frac{1}{2}$。
- 火箭返回地球的时候,落入一半径为R的圆形区域内,落入该区域任何地点都是等可能的,设该圆形区域的中心为坐标圆点,目标出现点 $(x, y)$ 在屏幕上按均匀分布,求:(1) $X$ 和 $Y$ 的联合分布密度函数;(2) $X$ 与 $Y$ 的边际分布密度函数;(3) $X$ 与 $Y$ 是否相互独立。
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答案: (1) $f(x,y) = \begin{cases} \frac{1}{\pi R^2}, & x^2 + y^2 \le R^2 \\ 0, & \text{其他} \end{cases}$ (2) $f_X(x) = \frac{2\sqrt{R^2-x^2}}{\pi R^2} \quad (-R \le x \le R)$, $f_Y(y) = \frac{2\sqrt{R^2-y^2}}{\pi R^2} \quad (-R \le y \le R)$。 (3) 不相互独立。
解析:
第一步:联合分布
在面积为 $\pi R^2$ 的圆内均匀分布,概率密度恒定。积分归一性得 $f(x,y) = \frac{1}{\pi R^2}$。
第二步:边际密度
第三步:独立性
$f_X(x)f_Y(y) \neq f(x,y)$,故不独立。
难度: ⭐⭐⭐
考点: #二维均匀分布 #边缘概率密度 #独立性判定
💡 学习锦囊
📖 相关公式与知识点:
- 二维边缘密度计算规则。
🔄 举一反三
- 点落在矩形 $[0,a]\times[0,b]$ 内均匀分布,其联合概率密度是什么?
查看练习答案与解析
答案:$\frac{1}{ab}$。
- 已知 $X$ 和 $Y$ 的联合密度为:
试求:(1) $EX$ 和 $EY$ ;(2) $E(X\cdot Y)$ ; (3) $P\{X\leq 2,Y\geq 0\}$ 。
查看答案与解析
答案: (1) $EX=1, EY=0$ (2) $E[XY]=0$ (3) $\frac{1 - e^{-2}}{2}$
解析:
第一步:拆分独立变量
这说明 $X \sim Exp(1)$,$Y \sim N(0,1)$ 且两者独立。
第二步:数字特征
$EX=1, EY=0$。因为独立,$E[XY]=EX \cdot EY=0$。
第三步:区间概率
难度: ⭐⭐⭐
考点: #复合密度拆解 #期望的乘法公式
💡 学习锦囊
📖 相关公式与知识点:
- 独立变量期望公式:$E[XY]=EX\cdot EY$
🔄 举一反三
- 若 $X \sim N(0,1), Y \sim N(0,1)$ 独立,求 $E[X^2+Y^2]$。
查看练习答案与解析
答案:$2$。
- 有一个盒子里有8张无奖彩票,2张有奖彩票,现从中取出3张,用 $X$ 代表所取出的有奖彩票数,求: $X$ 的分布列。
查看答案与解析
答案: 分布列如下:
| $X$ | 0 | 1 | 2 |
|---|---|---|---|
| $P$ | 7/15 | 7/15 | 1/15 |
解析:
本题考查超几何分布模型。
第一步:计算组合总数
总共抽出3张:$\binom{10}{3} = \frac{10\times9\times8}{3\times2\times1} = 120$。
第二步:分别计算每个 $X$ 取值的概率
- $X=0$:$\frac{\binom{8}{3}\binom{2}{0}}{120} = \frac{56}{120} = \frac{7}{15}$。
- $X=1$:$\frac{\binom{8}{2}\binom{2}{1}}{120} = \frac{28\times2}{120} = \frac{7}{15}$。
- $X=2$:$\frac{\binom{8}{1}\binom{2}{2}}{120} = \frac{8}{120} = \frac{1}{15}$。
难度: ⭐⭐
考点: #超几何分布 #古典概型
💡 学习锦囊
📖 相关公式与知识点:
- 组合数公式:$\binom{n}{k} = \frac{n!}{k!(n-k)!}$
🔄 举一反三
- 从含有 5 白球 5 黑球的袋中任取 2 个,求白球个数的分布律。
查看练习答案与解析
答案:$P(X=0)=2/9, P(X=1)=5/9, P(X=2)=2/9$。
- 假设公共汽车起点站于每小时的 10 分, 30 分, 50 分发车, 某乘客在每小时的任意时刻到达车站都是随机的, 求: 乘客到车站候车时间的数学期望。
查看答案与解析
答案: 10 分钟
解析:
本题考查连续随机变量的期望积分。
第一步:建立乘客到达时间 $T$ 的分布
设乘客到达的分秒时间 $T \sim U[0, 60]$。
第二步:构建等待时间函数 $W(T)$
- $T \in [0,10]$,等 $10-T$ 分钟;
- $T \in (10,30]$,等 $30-T$ 分钟;
- $T \in (30,50]$,等 $50-T$ 分钟;
- $T \in (50,60]$,等 $70-T$ 分钟。
第三步:求平均期望
难度: ⭐⭐⭐
考点: #期望公式 #均匀分布
💡 学习锦囊
📖 相关公式与知识点:
- 连续型函数的期望:$E[g(X)] = \int g(x)f(x)dx$
🔄 举一反三
- 假设某处班车每隔 15 分钟一班,求随机到达乘客的平均等车时长。
查看练习答案与解析
答案:$7.5$ 分钟。
- 正常人的脉搏平均 72 次每分钟, 现在测得 10 例酰剂中毒患者的脉搏,算得平均次数为 67.4 次, 均方差为 5.929。已知人的脉搏次数服从正态分布, 试问: 中毒患者与正常人脉搏有无显著差异。( $t_{0.025}(9) = 2.2622$ )
查看答案与解析
答案: 有显著差异。
解析:
本题为正态总体方差未知时的 $t$ 检验。
第一步:建立假设
$H_0: \mu = 72, \quad H_1: \mu \neq 72$。
第二步:计算统计量
第三步:比较临界值
双侧检验临界值为 $t_{0.025}(9) = 2.2622$。 因为 $|-2.453| > 2.2622$,落入拒绝域。故拒绝 $H_0$,认为存在显著差异。
难度: ⭐⭐⭐
考点: #单样本t检验
💡 学习锦囊
📖 相关公式与知识点:
- $t$ 检验公式。
🔄 举一反三
- 若 $n=16, S=4, \overline{x}=10$,检验 $H_0: \mu=12$,求其 $t$ 统计量的值。
查看练习答案与解析
答案:$-2$。