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東京大学 工学系研究科 2019年度 数学 第6問

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description

X1,,XnX_1,\ldots,X_n0,10,1 を値とする確率変数とし、n4n\ge4 とする。

I.

XkX_k は独立で、P(Xk=1)=pP(X_k=1)=pP(Xk=0)=1pP(X_k=0)=1-p とする。

  1. k=1nXk\sum_{k=1}^nX_k の期待値と分散を求めよ。
  2. XnX2X1X_n\cdots X_2X_1nn 桁の2進整数 YY とみなす。YY の期待値と分散を求めよ。

II.

次に XkX_k を順に生成する。P(X1=1)=pP(X_1=1)=p とし、XkX_k が直前の Xk1X_{k-1} と同じ値をとる確率は qq、異なる値をとる確率は 1q1-q とする。

  1. rk=P(Xk=1)r_k=P(X_k=1) の漸化式を求め、rkr_kp,q,kp,q,k で表せ。
  2. P(X1=1,X2=0,X3=1,X4=0)P(X_1=1,X_2=0,X_3=1,X_4=0) を求めよ。
  3. P(X3=1X1=0,X2=1,X4=1)P(X_3=1\mid X_1=0,X_2=1,X_4=1) を求めよ。

题目描述

X1,,XnX_1,\ldots,X_n 取值为 0,10,1n4n\ge4

I.

假设各 XkX_k 相互独立,且 P(Xk=1)=pP(X_k=1)=pP(Xk=0)=1pP(X_k=0)=1-p

  1. k=1nXk\sum_{k=1}^nX_k 的期望与方差。
  2. XnX2X1X_n\cdots X_2X_1 视为 nn 位二进制整数 YY,求 YY 的期望与方差。
II.

现在依次生成 XkX_kP(X1=1)=pP(X_1=1)=p,且每次 XkX_kXk1X_{k-1} 相同的概率为 qq,不同的概率为 1q1-q

  1. rk=P(Xk=1)r_k=P(X_k=1),求递推关系及 rkr_k 关于 p,q,kp,q,k 的表达式。
  2. P(X1=1,X2=0,X3=1,X4=0)P(X_1=1,X_2=0,X_3=1,X_4=0)
  3. P(X3=1X1=0,X2=1,X4=1)P(X_3=1\mid X_1=0,X_2=1,X_4=1)

Kai

I.

  1. 独立性より
E[k=1nXk]=np,Var(k=1nXk)=np(1p).\boxed{E\left[\sum_{k=1}^nX_k\right]=np,\qquad \operatorname{Var}\left(\sum_{k=1}^nX_k\right)=np(1-p)}.
  1. Y=k=1n2k1XkY=\sum_{k=1}^n2^{k-1}X_k より
E[Y]=p(2n1),Var(Y)=p(1p)3(4n1).\boxed{E[Y]=p(2^n-1),\qquad \operatorname{Var}(Y)=\frac{p(1-p)}3(4^n-1)}.

II.

  1. 全確率の公式から
rk+1=qrk+(1q)(1rk)=(2q1)rk+1q,r1=p.r_{k+1}=qr_k+(1-q)(1-r_k)=(2q-1)r_k+1-q,\qquad r_1=p.

したがって

rk=12+(p12)(2q1)k1.\boxed{r_k=\frac12+\left(p-\frac12\right)(2q-1)^{k-1}}.
  1. 指定された列では3回値が変わるので、確率は p(1q)3\boxed{p(1-q)^3} である。

  2. 条件事象に含まれる列は 0111011101010101 の二つである。したがって

P(X3=1X1=0,X2=1,X4=1)=(1p)(1q)q2(1p)(1q)[q2+(1q)2]=q2q2+(1q)2.\boxed{P(X_3=1\mid X_1=0,X_2=1,X_4=1) =\frac{(1-p)(1-q)q^2}{(1-p)(1-q)[q^2+(1-q)^2]} =\frac{q^2}{q^2+(1-q)^2}}.

この条件付き確率は p<1,q<1p<1,q<1 のとき定義される。p=1p=1 または q=1q=1 では条件事象の確率が零になる。