随机变量数学期望的求法及应用论文.doc
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1、题 目: 随机变量数学期望的求法及应用学位论文作者签名: 日期 指 导 教 师 签 名: 日期 目 录前 言1第一章 基础知识21.1 数学期望的定义21.2 数学期望的性质3第二章 数学期望的求法32.1 利用数学期望定义42.2 利用数学期望的性质42.3 利用特征函数52.4 利用条件数学期望法62.5 利用微分法72.6 利用分布的对称性82.7 利用递推法9第三章 数学期望的应用103.1 数学期望在生产和销售利润中的应用103.2 数学期望在风险与决策中的应用123.3 数学期望在物流管理中的应用143.4 数学期望在民事纠纷、医学、体育中的应用17结束语20参考文献21致 谢22
2、 摘 要概率论与数理统计是研究随机现象及其统计规律的数学学科.其中,数学期望反映的是随机变量取值的平均程度.通过举例对随机变量的数学期望的求法进行探究, 利用数学期望的定义、性质、公式、随机变量分布的对称性,以及特征函数等,给出了数学期望的几种计算方法,并在此基础上,探讨了数学期望在生产销售、风险决策、物流、民事纠纷、医疗卫生和体育等方面的应用,有利用于我们进一步了解随机变量数学期望的性质和应用.关键词:随机变量;数学期望;分布;应用AbstractProbability theory and mathematical statistics is a subject which researc
3、h the random phenomena and its statistical laws. Within, mathematical expectation reflecting the average value of the figure. Research the solution of mathematical expectation through the example, conducted by mathematical expectation definition, properties, formulas, random variable distribution of
4、 symmetry, and the characteristic function, and so on, give the calculation method of the mathematical expectation. And on this basis, discuss the application of mathematical expectation in production and marketing, risk management, logistics, civil disputes, medical and sporting, beneficial for us
5、to gain a better understanding of the random variable mathematical expectation of the properties and applications.Key words:random variable;mathematical expectation;distribution;application随机变量数学期望的求法及应用前 言数学期望是随机变量的数学特征之一,反映随机变量平均取值的大小,又称期望或均值.它是简单算术平均的一种推广,在理论和实践中具有广泛的应用.本文总结随机变量、数学期望的有关性质,总结了计算数学
6、期望的多种方法,给出了数学期望在经济活动与日常生活中的应用实例,以便使数学期望更好的与实际问题相结合.定义1 设随机试验的样本空间为,是定义在样本空间上的实值单值函数,称为随机变量.定义2 随机变量全部可能取到的不相同的值是有限个或可列无限多个,这种随机变量称为离散型随机变量.设离散型随机变量所有可能取的值为,取各个可能值的概率,即事件的概率,为.由概率的定义,满足如下两个条件: .我们称为离散型随机变量的分布律.定义3 设是一个随机变量,是任意实数,函数称为的分布函数.如果对于的分布函数,存在非负函数,使对于任意的实数有,则称为连续型随机变量,其中函数称为的概率密度函数.第一章 基础知识1.
7、1 数学期望的定义设离散型随机变量的分布列为.若级数绝对收敛,则称级数的和为随机变量的数学期望,记为,即.设连续型随机变量的概率密度为,若积分绝对收敛,则称的值为随机变量的数学期望,记为,即.1.2 数学期望的性质数学期望有以下重要性质:设是常数,则有.设是一个随机变量,是常数,则有.设,是两个随机变量,则有.推广到任意有限个随机变量之和的情况.设,是相互独立的随机变量,则有.推广到任意有限个相互独立的随机变量之积的情况.第二章 数学期望的求法数学期望是概率论的重要内容之一,随机变量的数学期望是反映随机变量取值的集中位置的一个重要数字特征,随机变量的其它数字特征都是通过数学期望来定义的,因此数
8、学期望的计算问题显得非常重要,由于随机变量的分布形式不同,数学期望的求法也就不同,即使是同种分布,其解法也多种多样,技巧性较强,因此,探讨数学期望的计算方法和计算技巧有着重要意义,下面介绍一些计算数学期望的不同方法.2.1 利用数学期望定义此法是计算数学期望最常用的一种方法.它是先通过数学手段将转化成组合数公式、二项式定理或特殊级数的形式 ,然后求和获解.该方法思路明确,但有时运算比较麻烦.例1 设随机变量服从泊松分布,求它的数学期望.解 的分布律为.的数学期望为,即 .例2 设随机变量服从指数分布,求它的数学期望.解 的概率密度为的数学期望为.即 .2.2 利用数学期望的性质有些随机变量的结
9、构很复杂 ,利用定义求其数学期望需要求其概率分布,若直接求概率分布很困难,此时可以根据实际意义将要求数学期望的随机变量分解为数个简单随机变量的和,然后利用数学期望的性质求解,从而化整为零、化繁为简,这也是概率论学习中一种很重要的思想方法(又称分解随机变量法),这种处理方法带有一定的普遍意义.常用的公式为.特别是常把复杂的随机变量分解成若干个服从贝努利分布的随机变量之和,即设.易得,若,且相互独立,则.例3 一公交车上载有30位乘客自火车站开出,乘客有15个站可以下车.如果到达一个车站没有乘客下车就不停车,以表示停车次数,求.解 由题意知.,.因为,所以次.例4 某人一次写了封信,又写了个信封,
10、如果他任意地将张信纸装入个信封中,求平均装对的信件数.解 设 则为所有装对的信件数,则,.2.3 利用特征函数有时计算随机变量的特征函数比直接计算要简单,此时可以考虑先算出特征函数,再利用它与数学期望的关系,求出数学期望本身.随机变量的特征函数定义为:则.特别地,.例5 设随机变量服从正态分布,求它的数学期望.解 由,可求特征函数为.所以.即 .2.4 利用条件数学期望法利用条件期望公式或,可得数学期望.例6 设,当时,求.解 由题意 ,于是,即.例7 设质量与加速度是两个相互独立的随机变量,其概率密度分别为,试求外力的均值.解 =.2.5 利用微分法若随机变量的分布律中含有参数,可对分布律的
11、性质两边关于参数求导来达到目的.例8 设随机变量服从几何分布 ,求它的数学期望.解 因为,根据分布律的性质得两边对求导数,得,即,因此.2.6 利用分布的对称性对称的概念在概率中有着非常广泛且重要的作用,利用这一技巧可以简化解题的步骤.一般的几何概率问题要用积分进行计算比较复杂,但利用对称性计算简单便捷,当随机变量的分布律或分布密度函数较复杂时,如果随机变量的分布律或分布密度函数具有对称性,则其数学期望就是其取值的对称中心.例9 设在区间上随机地取个点 ,以表示相距最远的两点间的距离 ,求 .解 个点把区间分成段,它们的长度分别依次记为.根据对称性,每一个的概率分布都应相同,从而数学期望也都相
12、同.但,因此,.相距最远的两点间的距离为,因此.例10 若为正的独立随机变量,服从相同分布,试证明.证 由对称性知 同分布,故.而,故.因此,由数学期望的可加性知.2.7 利用递推法对于某些随机变量的数学期望,可以容易求得其邻近数值的关系,进而得出其递推公式.例11 设试验有个等可能的结果. 求至少一个结果连续发生次的独立试验的期望次数.解 设 “至少一个结果连续发生次”,“至少一个结果连续发生次”.在发生的条件下,或者继续试验一次,同一结果又发生的概率为,导致发生;或者继续试验一次,而发生其它结果,这样,要使发生,犹如从头开始.由此得 ,即,而,故.以上讨论了几种简化计算数学期望的方法和技巧
13、,但不是全部,在此不再列举.不过,我们在计算随机变量的数学期望时,要注意:对于离散型随机变量的数学期望,其数值是级数的和,而且数学期望完全是由的分布列确定,而不受的可能取值的排列次序的影响,因此,要求级数绝对收敛,若级数不是绝对收敛,则其数学期望不存在.对于连续型随机变量的数学期望,其数值是积分的值,若该积分不是绝对收敛,则其数学期望也不存在.总之,只要对数学期望的基本定义和随机变量分布形式的特点有了透彻的理解,那么,对各种简化计算方法和技巧的应用就会游刃有余了.第三章 数学期望的应用概率论与数理统计学科是一门研究随机现象的学科,它的思想方法与我们以往接触过的任何一门学科有所不同,在概率论与数
14、理统计中,许多概念抽象、难懂,许多学生一时无法接受随机的思维方式,若仍采用刻板的数学学习方式,得到的学习效果恐怕不尽人意,若在学习的过程中能结合实际生活中的所见所闻,举出相应的实例,不仅能启发学习思维,提高学习兴趣,也能用所学知识去解决实际生活中的问题.数学期望是随机变量的一个很重要的数字特征,在现实生活中,如生产销售、风险决策、物流、民事纠纷、医疗、体育等很多问题都可以直接或间接地利用数学期望来解决.3.1 数学期望在生产和销售利润中的应用在经济活动中,不论是厂家的生产还是商家的销售,总是追求利润的最大化,供大于求或供不应求都不利于获得最大利润,但供应量和需求量又不是预先知道的,理性的厂家或
15、商家往往根据过去的生产或销售数据(概率)制定生产或销售量.3.1.1 数学期望在生产利润中的应用例12 假设一部机器在一天内发生故障的概率0.2,机器发生故障则全天停止工作,若一周5个工作日里无故障,可获利润10万元;发生1次故障仍可获利润5万元发生;次故障所获利润0元;发生3次或3次以上故障就要亏损2万元,求一周内期望利润是多少元?解 设一周5天内机器发生故障的天数为则服从参数的二项分布:以表示所获利润,则的概率分布为1050-20.3280.4100.2050.057.故工厂一周内期望利润是5.216万元 .3.1.2 数学期望在销售利润中的应用例13 某商场某品牌的空调器每周的销售量是一
16、个随机变量,分布列为而商场每周的进货量为区间中的某一整数,商场每销售一台空调可获利500元,若供大于求则每台多余的空调器需交保管费用100元,若供不应求,则可从其它商店调剂供应,此时每一台空调器仅获利 200元,问此商场周初进货量(含上周余量)应为多少才可获最大利润?解 设商场周初进货量(含上周余量)为台,周利润为随机变量则又,所以为求的最大值令即.由于是正整数,所以或即商场周初进货量(含上周余量)为25或26台时,可获最大利润.3.2 数学期望在风险与决策中的应用在日常生活中,人们经常要面临“风险”.在充满生存竞争的世界里,商人若进行一次投资,他需要精确算出是否赢利,赢利多少需要算出投资的风
17、险,我们理解与掌握风险的目的就是要采取科学的方法对其进行评价,从而制定出有效的“决策”.决策方案即将数学期望最大的方案作为最佳方案加以决策.它帮助人们在复杂的情况下从可能采取的方案中做出选择和决定.具体的做法为:如果知道任一方案在每个影响因素发生的情况下,实施某种方案所产生的盈利值及各影响因素发生的概率,则可以比较各个方案的期望盈利,从而选择其中期望盈利最高的为最佳方案.3.2.1 风险方案例14 假设某公司预计市场的需求将会增长,目前公司员工都在满负荷的工作着,为满足市场需求,公司考虑是否让员工超时工作或以添置设备的方法提高产量.假设公司预测市场需求量增加的概率为,同时还有的可能市场需求会下
18、降.若将已知的相关数据列于表1:表1市场需求减少市场需求增加维持现状()30万34万员工加班()29万42万添加设备()25万44万由条件可知,在市场需求增加的情况下,使员工超时工作或添置设备都是合算的.然而现实是不知道哪种情况会出现,因此要比较几种方案获利的期望大小.用期望值判断,有事实上,若,则(万),(万),(万),于是公司可以决定更新设备,扩大生产.若,则(万),(万),(万),此时公司可决定采取员工超时工作的应急措施.由此可见,只要市场需求增长可能性在50%以上,公司就应采取一定的措施,以期利润的增长.3.2.2 投资方案例15 假设某人用10万元进行一年的投资,有两种投资方案,一是
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