東京大学 新領域創成科学研究科 メディカル情報生命専攻 2014年8月実施 問題11
Author
zephyr
Description
For an arbitrary random variable X that takes values in non-negative integers, we define the probability generating function φX(s) of X as φX(s)=E{sX}=∑k=0∞skPr{X=k}. Here, E{A} denotes the expected value of A, Pr{X=k} denotes the probability that X assumes value k, and s represents a real number.
(1) Show the following equalities (a), (b).
- (a) φX(1)=1
- (b) dsdφX(1)=E{X}
In the following, N and Ui (i=1,2,…) are mutually independent, identically distributed random variables that take values in non-negative integers.
(2) For a positive integer n, we define a random variable Yn=Yn(U1,U2,…)=∑i=1nUi. Show φYn(s)=φN(s)n.
(3) We define a random variable W=W(N,Y1,Y2,…)=∑n=1∞YnI(N=n).
Here,
I(N=n)={10if N=nif N=n
Show φW(s)=φN(φN(s)).
(Hint: Pr{W=k}=∑n=1∞Pr{Yn=k}Pr{N=n} for a positive integer k)
(4) For Pr{N=k}=qk(1−q), (0<q<1), calculate E{N} and E{W}.
对于一个取非负整数值的任意随机变量 X,我们定义 X 的概率生成函数 φX(s) 为 φX(s)=E{sX}=∑k=0∞skPr{X=k}。其中,E{A} 表示 A 的期望值,Pr{X=k} 表示 X 取值为 k 的概率,s 表示一个实数。
(1) 证明以下等式 (a), (b)。
- (a) φX(1)=1
- (b) dsdφX(1)=E{X}
在下列情形中,N 和 Ui (i=1,2,…) 是相互独立的同分布随机变量,取非负整数值。
(2) 对于一个正整数 n,我们定义一个随机变量 Yn=Yn(U1,U2,…)=∑i=1nUi。证明 φYn(s)=φN(s)n。
(3) 我们定义一个随机变量 W=W(N,Y1,Y2,…)=∑n=1∞YnI(N=n)。
其中,
I(N=n)={10如果 N=n如果 N=n
证明 φW(s)=φN(φN(s))。
(提示:Pr{W=k}=∑n=1∞Pr{Yn=k}Pr{N=n} 对于一个正整数 k)
(4) 对于 Pr{N=k}=qk(1−q), (0<q<1),计算 E{N} 和 E{W}。
Kai
(1)
(a)
φX(1)=E{1X}=k=0∑∞1kPr{X=k}=k=0∑∞Pr{X=k}=1
The last step follows from the fact that the sum of probabilities over all possible outcomes is 1.
(b)
dsdφX(s)=dsdE{sX}=dsdk=0∑∞skPr{X=k}=k=0∑∞ksk−1Pr{X=k}
Evaluating at s=1:
dsdφX(1)=k=0∑∞k⋅1k−1Pr{X=k}=k=0∑∞kPr{X=k}=E{X}
(2)
We need to show φYn(s)=φN(s)n where Yn=∑i=1nUi.
φYn(s)=E{sYn}=E{s∑i=1nUi}=E{sU1⋅sU2⋅...⋅sUn}=E{sU1}⋅E{sU2}⋅...⋅E{sUn}(due to i.i.d)=(E{sN})n(due to i.i.d)=φN(s)n
(3)
We need to show φW(s)=φN(φU(s)) where W=∑n=1∞YnI(N=n).
Using the hint and the definition of probability generating function:
φW(s)=E{sW}=k=0∑∞skPr{W=k}=k=0∑∞skn=1∑∞Pr{Yn=k}Pr{N=n}=n=1∑∞Pr{N=n}k=0∑∞skPr{Yn=k}=n=1∑∞Pr{N=n}φYn(s)=n=1∑∞Pr{N=n}φN(s)n(from result of part 2)=φN(φN(s))
(4)
Given Pr{N=k}=qk(1−q), (0<q<1), we need to calculate E{N} and E{W}.
First, let's calculate E{N}:
E{N}=k=0∑∞kPr{N=k}=k=0∑∞kqk(1−q)=(1−q)k=0∑∞kqk=(1−q)(1−q)2q=1−qq
Now, for E{W}, we can use the result from part 1(b) and part 3:
E{W}=dsdφW(1)=dsdφN(φN(s))∣s=1=φN′(φN(1))⋅φN′(1)=E{N}2(using part 1(b))=(1−qq)2
Therefore, E{W}=(1−qq)2.
Knowledge
概率论 概率生成函数 条件期望 全期望公式 复合分布
难点思路
- 理解概率生成函数的定义和基本性质
- 利用独立性推导和的概率生成函数
- 使用条件期望和全期望公式推导复合随机变型的概率生成函数
- 应用概率生成函数的性质计算具体分布的期望
解题技巧和信息
- 概率生成函数的基本性质:
- φX(1)=1
- dsdφX(1)=E{X}
- φX+Y(s)=φX(s)⋅φY(s) (对于独立的 X 和 Y)
- 几何分布的概率生成函数:如果 X∼Geo(p),则 φX(s)=1−(1−p)sp
- 利用全期望公式:E{Y}=E{E{Y∣X}}
重点词汇
- Probability generating function: 概率生成函数
- Independent and identically distributed (i.i.d.): 独立同分布
- Compound distribution: 复合分布
- Conditional expectation: 条件期望
- Law of total expectation: 全期望公式
- Geometric distribution: 几何分布