Answer on Question #51468 - Math - Statistics and Probability
The density function of a continuous random variable X X X is given by
f ( x ) = { A e − x , 0 ≤ x ≤ 1 0 , otherwise f(x) = \begin{cases} Ae^{-x}, & 0 \leq x \leq 1 \\ 0, & \text{otherwise} \end{cases} f ( x ) = { A e − x , 0 , 0 ≤ x ≤ 1 otherwise
Evaluate the following:
a) Mean
b) Variance
c) E [ ( 2 + 3 x ) 2 ] E[(2 + 3x)^2] E [( 2 + 3 x ) 2 ]
Solution
Since f ( x ) f(x) f ( x ) is a density function, it must satisfy the following relation
∫ 0 1 f ( x ) d x = 1 \int_{0}^{1} f(x) \, dx = 1 ∫ 0 1 f ( x ) d x = 1
Therefore
∫ 0 1 A e − x d x = A ( 1 − e − 1 ) = 1 ⇒ A = 1 1 − e − 1 = e e − 1 \int_{0}^{1} Ae^{-x} \, dx = A(1 - e^{-1}) = 1 \Rightarrow A = \frac{1}{1 - e^{-1}} = \frac{e}{e - 1} ∫ 0 1 A e − x d x = A ( 1 − e − 1 ) = 1 ⇒ A = 1 − e − 1 1 = e − 1 e
a) Mean
E [ X ] = μ = ∫ 0 1 x f ( x ) d x = ∫ 0 1 x A e − x d x = − A ∫ 0 1 x d e − x = − A ( x e − x ∣ 0 1 − ∫ 0 1 e − x d x ) = − A ( x e − x ∣ 0 1 + e − x ∣ 0 1 ) = = − A ( e − 1 − 0 + e − 1 − 1 ) = A ( 1 − 2 e − 1 ) = 1 − 2 e − 1 1 − e − 1 = e − 2 e − 1 \begin{aligned}
E[X] &= \mu = \int_{0}^{1} x f(x) \, dx = \int_{0}^{1} x Ae^{-x} \, dx = -A \int_{0}^{1} x \, de^{-x} = -A \left(x e^{-x} \Big|_{0}^{1} - \int_{0}^{1} e^{-x} \, dx\right) \\
&= -A \left(x e^{-x} \Big|_{0}^{1} + e^{-x} \Big|_{0}^{1}\right) = \\
&= -A \left(e^{-1} - 0 + e^{-1} - 1\right) = A \left(1 - 2e^{-1}\right) = \frac{1 - 2e^{-1}}{1 - e^{-1}} = \frac{e - 2}{e - 1}
\end{aligned} E [ X ] = μ = ∫ 0 1 x f ( x ) d x = ∫ 0 1 x A e − x d x = − A ∫ 0 1 x d e − x = − A ( x e − x ∣ ∣ 0 1 − ∫ 0 1 e − x d x ) = − A ( x e − x ∣ ∣ 0 1 + e − x ∣ ∣ 0 1 ) = = − A ( e − 1 − 0 + e − 1 − 1 ) = A ( 1 − 2 e − 1 ) = 1 − e − 1 1 − 2 e − 1 = e − 1 e − 2
b) Variance
V a r [ X ] = σ 2 = ∫ 0 1 ( x − μ ) 2 f ( x ) d x = ∫ 0 1 A e − x ( x − μ ) 2 d x = ∫ 0 1 A e − x ( x 2 − 2 x μ + μ 2 ) d x = Var[X] = \sigma^{2} = \int_{0}^{1} (x - \mu)^{2} f(x) \, dx = \int_{0}^{1} Ae^{-x} (x - \mu)^{2} \, dx = \int_{0}^{1} Ae^{-x} \left(x^{2} - 2x\mu + \mu^{2}\right) \, dx = Va r [ X ] = σ 2 = ∫ 0 1 ( x − μ ) 2 f ( x ) d x = ∫ 0 1 A e − x ( x − μ ) 2 d x = ∫ 0 1 A e − x ( x 2 − 2 xμ + μ 2 ) d x = = ∫ 0 1 A e − x x 2 d x − ∫ 0 1 A e − x 2 x μ d x + ∫ 0 1 A e − x μ 2 d x = A ∫ 0 1 e − x x 2 d x − 2 μ ∫ 0 1 A e − x x d x + μ 2 ∫ 0 1 A e − x d x = ∫ 0 1 A e − x x 2 d x − 2 μ 2 + μ 2 = ∫ 0 1 A e − x x 2 d x − μ 2 = E [ X 2 ] − μ 2 \begin{array}{l}
= \int_{0}^{1} A e^{-x} x^{2} dx - \int_{0}^{1} A e^{-x} 2x \mu dx + \int_{0}^{1} A e^{-x} \mu^{2} dx = A \int_{0}^{1} e^{-x} x^{2} dx - 2\mu \int_{0}^{1} A e^{-x} x dx \\
\quad + \mu^{2} \int_{0}^{1} A e^{-x} dx = \int_{0}^{1} A e^{-x} x^{2} dx - 2\mu^{2} + \mu^{2} = \int_{0}^{1} A e^{-x} x^{2} dx - \mu^{2} \\
= E[X^{2}] - \mu^{2}
\end{array} = ∫ 0 1 A e − x x 2 d x − ∫ 0 1 A e − x 2 xμ d x + ∫ 0 1 A e − x μ 2 d x = A ∫ 0 1 e − x x 2 d x − 2 μ ∫ 0 1 A e − x x d x + μ 2 ∫ 0 1 A e − x d x = ∫ 0 1 A e − x x 2 d x − 2 μ 2 + μ 2 = ∫ 0 1 A e − x x 2 d x − μ 2 = E [ X 2 ] − μ 2 E [ X 2 ] = ∫ 0 1 A e − x x 2 d x = − A ∫ 0 1 x 2 d e − x = − A x 2 e − x ∣ 0 1 + 2 A ∫ 0 1 x e − x d x = = − A e − 1 + 2 A ( 1 − 2 e − 1 ) = A ( 2 − 5 e − 1 ) \begin{array}{l}
E[X^{2}] = \int_{0}^{1} A e^{-x} x^{2} dx = -A \int_{0}^{1} x^{2} d e^{-x} = -A x^{2} e^{-x} \Big|_{0}^{1} + 2A \int_{0}^{1} x e^{-x} dx = \\
\quad = -A e^{-1} + 2A(1 - 2e^{-1}) = A(2 - 5e^{-1})
\end{array} E [ X 2 ] = ∫ 0 1 A e − x x 2 d x = − A ∫ 0 1 x 2 d e − x = − A x 2 e − x ∣ ∣ 0 1 + 2 A ∫ 0 1 x e − x d x = = − A e − 1 + 2 A ( 1 − 2 e − 1 ) = A ( 2 − 5 e − 1 ) ∫ 0 1 A e − x 2 x μ d x = 2 μ ( A ∫ 0 1 x e − x d x ) = 2 μ ⋅ μ = 2 μ 2 ∫ 0 1 A e − x μ 2 d x = μ 2 ∫ 0 1 A e − x d x = μ 2 ∫ 0 1 f ( x ) d x = μ 2 σ 2 = A ( 2 − 5 e − 1 ) − 2 μ 2 + μ 2 = = 2 − 5 e − 1 1 − e − 1 − μ 2 = 2 − 5 e − 1 1 − e − 1 − ( 1 − 2 e − 1 1 − e − 1 ) 2 = 1 − 3 e − 1 + 4 e − 2 ( 1 − e − 1 ) 2 \begin{array}{l}
\int_{0}^{1} A e^{-x} 2x \mu dx = 2\mu \left(A \int_{0}^{1} x e^{-x} dx\right) = 2\mu \cdot \mu = 2\mu^{2} \\
\int_{0}^{1} A e^{-x} \mu^{2} dx = \mu^{2} \int_{0}^{1} A e^{-x} dx = \mu^{2} \int_{0}^{1} f(x) dx = \mu^{2} \\
\sigma^{2} = A(2 - 5e^{-1}) - 2\mu^{2} + \mu^{2} = \\
= \frac{2 - 5e^{-1}}{1 - e^{-1}} - \mu^{2} = \frac{2 - 5e^{-1}}{1 - e^{-1}} - \left(\frac{1 - 2e^{-1}}{1 - e^{-1}}\right)^{2} = \frac{1 - 3e^{-1} + 4e^{-2}}{(1 - e^{-1})^{2}}
\end{array} ∫ 0 1 A e − x 2 xμ d x = 2 μ ( A ∫ 0 1 x e − x d x ) = 2 μ ⋅ μ = 2 μ 2 ∫ 0 1 A e − x μ 2 d x = μ 2 ∫ 0 1 A e − x d x = μ 2 ∫ 0 1 f ( x ) d x = μ 2 σ 2 = A ( 2 − 5 e − 1 ) − 2 μ 2 + μ 2 = = 1 − e − 1 2 − 5 e − 1 − μ 2 = 1 − e − 1 2 − 5 e − 1 − ( 1 − e − 1 1 − 2 e − 1 ) 2 = ( 1 − e − 1 ) 2 1 − 3 e − 1 + 4 e − 2
c) E [ ( 2 + 3 X ) 2 ] E[(2 + 3X)^{2}] E [( 2 + 3 X ) 2 ]
E [ ( 2 + 3 X ) 2 ] = E [ 4 + 12 X + 9 X 2 ] = E [ 4 ] + E [ 12 X ] + E [ 9 X 2 ] = 4 + 12 E [ X ] + 9 E [ X 2 ] = 4 + 12 μ + 9 ( Var [ X ] + μ 2 ) = 4 + 12 e − 2 e − 1 + 9 A ( 2 − 5 e − 1 ) = 4 + 12 e − 2 e − 1 + 9 e e − 1 2 e − 5 e = 4 e − 4 + 12 e − 24 + 18 e − 45 e − 1 = 34 e − 73 e − 1 = 34 − 73 e − 1 1 − e − 1 \begin{array}{l}
E[(2 + 3X)^{2}] = E[4 + 12X + 9X^{2}] = E[4] + E[12X] + E[9X^{2}] = 4 + 12E[X] + 9E[X^{2}] \\
\quad = 4 + 12\mu + 9(\text{Var}[X] + \mu^{2}) = 4 + 12\frac{e - 2}{e - 1} + 9A(2 - 5e^{-1}) \\
\quad = 4 + 12\frac{e - 2}{e - 1} + 9\frac{e}{e - 1}\frac{2e - 5}{e} = \frac{4e - 4 + 12e - 24 + 18e - 45}{e - 1} \\
= \frac{34e - 73}{e - 1} = \frac{34 - 73e^{-1}}{1 - e^{-1}}
\end{array} E [( 2 + 3 X ) 2 ] = E [ 4 + 12 X + 9 X 2 ] = E [ 4 ] + E [ 12 X ] + E [ 9 X 2 ] = 4 + 12 E [ X ] + 9 E [ X 2 ] = 4 + 12 μ + 9 ( Var [ X ] + μ 2 ) = 4 + 12 e − 1 e − 2 + 9 A ( 2 − 5 e − 1 ) = 4 + 12 e − 1 e − 2 + 9 e − 1 e e 2 e − 5 = e − 1 4 e − 4 + 12 e − 24 + 18 e − 45 = e − 1 34 e − 73 = 1 − e − 1 34 − 73 e − 1
because
E [ ( 2 + 3 X ) 2 ] = ∫ 0 1 A e − x ( 3 x + 2 ) 2 d x = ∫ 0 1 A e − x 9 x 2 d x + ∫ 0 1 A e − x 12 x d x + ∫ 0 1 A e − x 4 d x = = 9 A ( 2 − 5 e − 1 ) + 12 A ( 1 − 2 e − 1 ) + 4 A ( 1 − e − 1 ) = 34 − 73 e − 1 1 − e − 1 \begin{array}{l}
E[(2 + 3X)^{2}] = \int_{0}^{1} A e^{-x} (3x + 2)^{2} dx = \int_{0}^{1} A e^{-x} 9x^{2} dx + \int_{0}^{1} A e^{-x} 12x dx + \int_{0}^{1} A e^{-x} 4dx = \\
\quad = 9A(2 - 5e^{-1}) + 12A(1 - 2e^{-1}) + 4A(1 - e^{-1}) = \frac{34 - 73e^{-1}}{1 - e^{-1}}
\end{array} E [( 2 + 3 X ) 2 ] = ∫ 0 1 A e − x ( 3 x + 2 ) 2 d x = ∫ 0 1 A e − x 9 x 2 d x + ∫ 0 1 A e − x 12 x d x + ∫ 0 1 A e − x 4 d x = = 9 A ( 2 − 5 e − 1 ) + 12 A ( 1 − 2 e − 1 ) + 4 A ( 1 − e − 1 ) = 1 − e − 1 34 − 73 e − 1
**Answer**
a) μ = 1 − 2 e − 1 1 − e − 1 \mu = \frac{1 - 2e^{-1}}{1 - e^{-1}} μ = 1 − e − 1 1 − 2 e − 1
b) σ 2 = 1 − 3 e − 1 + 4 e − 2 ( 1 − e − 1 ) 2 \sigma^{2} = \frac{1 - 3e^{-1} + 4e^{-2}}{(1 - e^{-1})^{2}} σ 2 = ( 1 − e − 1 ) 2 1 − 3 e − 1 + 4 e − 2
c)
E [ ( 2 + 3 x ) 2 ] = 34 − 73 e − 1 1 − e − 1 E[(2 + 3x)^2] = \frac{34 - 73e^{-1}}{1 - e^{-1}} E [( 2 + 3 x ) 2 ] = 1 − e − 1 34 − 73 e − 1
www.AssignmentExpert.com
Comments