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문제 2 · 기댓값과 분산

문제 2 — 기본 확률 법칙들

두 개의 동전을 각각 던져서 앞면이 나올 확률이 서로 독립적으로 다르게 설정되어 있다. 첫 번째 동전은 공정한 동전이며, 두 번째 동전은 편향된 동전으로 앞면이 나올 확률이 75%이다.

이 때, 공정한 주사위를 던져서 나온 눈의 수를 X라고 정의하고, X만큼 첫 번째 동전을 던져 나온 앞면의 갯수를 Y, X만큼 두 번째 동전을 던져 나온 앞면의 갯수를 Z라고 하자.

Y, Z, Y+Z의 기댓값expectation과 분산variance을 구하시오.


이항 분포, 기댓값, 분산, 공분산의 정의를 사용해야 한다.

E[f]=xp(x)f(x)(이산 분포)var[f]=E[f(x)2]E[f(x)]2cov[x,y]=Ex,y[xy]E[x]E[y]Bin(mN,μ)=(Nm)μm(1μ)Nm앞면이 m번 관찰된 이항 분포:E[m]=Nμ,var[m]=Nμ(1μ)
풀이 및 해설

공정한 주사위이므로 P(X=k)=16 (k=1,,6)이고, 조건부 확률변수는 다음과 같다.

YX=kBin(k,12)E[YX]=X2,var[YX]=X4ZX=kBin(k,34)E[ZX]=3X4,var[ZX]=3X16

기댓값 — 전확률(반복 기댓값)에 의해 E[Y]=E[E[YX]]이다. X가 공정한 주사위이므로 E[X]=1++66=72, var[X]=E[X2]E[X]2=3512.

E[Y]=12E[X]=74,E[Z]=34E[X]=218,E[Y+Z]=358

분산 — 전분산 공식 var[Y]=E[var[YX]]+var(E[YX])를 사용한다.

var[Y]=E[X4]+var[X2]=E[X]4+var[X]4=7748var[Z]=E[3X16]+var[3X4]=3E[X]16+9var[X]16=14764

합의 분산var[Y+Z]=var[Y]+var[Z]+2cov[Y,Z]이며, 공분산은 조건부 공분산 분해로 계산한다.

cov[Y,Z]=E[cov[Y,ZX]]=0 (Y,Z 조건부 독립)+cov(E[YX],E[ZX])=cov[X2,3X4]=38var[X]=3532 var[Y+Z]=7748+14764+23532=11691926.089

정리하면 E[Y]=74, E[Z]=218, E[Y+Z]=358, var[Y]=7748, var[Z]=14764, var[Y+Z]=1169192.

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