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练习

统计第1讲:概率基础 | Probability · 练习

练习计算离散变量的期望、方差与协方差,分析投资组合风险,并用模拟检验大数定律和独立性。

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练习题#

1. 期望计算(离散型)#

设随机变量 XX 表示抛掷两枚均匀骰子的点数之和,求:

  1. E(X)E(X)

  2. var(X)\text{var}(X)


2. 协方差计算#

已知两个随机变量的联合分布如下:

Y=0Y=1X=00.20.3X=10.10.4\begin{array}{c|cc} & Y=0 & Y=1 \\ \hline X=0 & 0.2 & 0.3 \\ X=1 & 0.1 & 0.4 \\ \end{array}

求 cov(X,Y)\text{cov}(X,Y)


3. 投资组合风险#

假设资产A和B的收益率分别为 RAR_A 和 RBR_B,且满足:

var(RA)=0.04,var(RB)=0.09,cov(RA,RB)=0.015\begin{align*} \text{var}(R_A) &= 0.04, \\ \text{var}(R_B) &= 0.09, \\ \text{cov}(R_A, R_B) &= 0.015 \end{align*}

求投资组合 Z=0.5RA+0.5RBZ = 0.5R_A + 0.5R_B 的标准差。


4. 大数定律验证#

设计一个蒙特卡洛实验,估算 ∫01x2dx\int_0^1 x^2 dx。要求:

  1. 写出具体步骤

  2. 解释为何该方法有效


5. 独立性判断#

设 XX 和 YY 的联合密度函数为:

f(x,y)={2x若 0≤y≤x≤10其他f(x,y) = \begin{cases} 2x & \text{若 } 0 \leq y \leq x \leq 1 \\ 0 & \text{其他} \end{cases}

判断 XX 和 YY 是否独立,并计算 cov(X,Y)\text{cov}(X,Y)。


查看参考答案

1. 期望与方差#

解答:

  1. 所有可能的和及其概率:

    • 和为2: 概率 1/361/36, 和为3: 2/362/36, ..., 和为12: 1/361/36

    • E(X)=∑k=212k⋅P(X=k)=7E(X) = \sum_{k=2}^{12} k \cdot P(X=k) = 7

  2. 计算 E(X2)E(X^2):

    E(X2)=∑k=212k2⋅P(X=k)≈54.83E(X^2) = \sum_{k=2}^{12} k^2 \cdot P(X=k) \approx 54.83

    var(X)=54.83−72=5.83\text{var}(X) = 54.83 - 7^2 = 5.83


2. 协方差计算#

解答:

  1. 边际分布:

    E(X)=0⋅0.5+1⋅0.5=0.5E(X) = 0 \cdot 0.5 + 1 \cdot 0.5 = 0.5

    E(Y)=0⋅0.3+1⋅0.7=0.7E(Y) = 0 \cdot 0.3 + 1 \cdot 0.7 = 0.7

  2. 计算 E(XY)E(XY):

    E(XY)=(0⋅0)⋅0.2+(0⋅1)⋅0.3+(1⋅0)⋅0.1+(1⋅1)⋅0.4=0.4E(XY) = (0\cdot0)\cdot0.2 + (0\cdot1)\cdot0.3 + (1\cdot0)\cdot0.1 + (1\cdot1)\cdot0.4 = 0.4

  3. cov(X,Y)=0.4−0.5⋅0.7=0.05\text{cov}(X,Y) = 0.4 - 0.5 \cdot 0.7 = 0.05


3. 投资组合标准差#

解答:

组合方差:

var(Z)=0.52⋅0.04+0.52⋅0.09+2⋅0.5⋅0.5⋅0.015=0.01+0.0225+0.0075=0.04\begin{align*} \text{var}(Z) &= 0.5^2 \cdot 0.04 + 0.5^2 \cdot 0.09 + 2 \cdot 0.5 \cdot 0.5 \cdot 0.015 \\ &= 0.01 + 0.0225 + 0.0075 = 0.04 \end{align*}

标准差:0.04=0.2\sqrt{0.04} = 0.2


4. 蒙特卡洛积分#

解答:

  1. 步骤:

    • 生成 NN 个均匀随机数 xi∼U(0,1)x_i \sim U(0,1)

    • 计算平均值 1N∑i=1Nxi2\frac{1}{N} \sum_{i=1}^N x_i^2

  2. 有效性:由LLN,当 N→∞N \to \infty 时,平均值收敛于 E(X2)=∫01x2dx=1/3E(X^2) = \int_0^1 x^2 dx = 1/3


5. 独立性与协方差#

解答:

  1. 计算边际密度:

    fX(x)=∫0x2xdy=2x2f_X(x) = \int_0^x 2x dy = 2x^2

    fY(y)=∫y12xdx=1−y2f_Y(y) = \int_y^1 2x dx = 1 - y^2

    由于 f(x,y)≠fX(x)fY(y)f(x,y) \neq f_X(x)f_Y(y),变量不独立

  2. 计算协方差:

    E(X)=∫01x⋅2x2dx=0.5E(X) = \int_0^1 x \cdot 2x^2 dx = 0.5

    E(Y)=∫01y(1−y2)dy=14E(Y) = \int_0^1 y(1 - y^2) dy = \frac{1}{4}

    E(XY)=∫01∫0xxy⋅2x dy dx=15E(XY) = \int_0^1 \int_0^x xy \cdot 2x\,dy\,dx = \frac{1}{5}

    cov(X,Y)=15−12⋅14=340=0.075\text{cov}(X,Y) = \frac{1}{5} - \frac{1}{2}\cdot\frac{1}{4} = \frac{3}{40}=0.075

完成练习后,自评一次

建议先独立作答,再展开参考答案进行核对。