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概率统计面试题2:随机抛掷两点到圆心距离较小值的期望

题目

半径为R的圆里随机抛两个点,记这两个点到圆心的距离为d_1,d_2,求min(d_1,d_2)的数学期望。

解答

在半径为R的圆内随机抛两个点,每个点到圆心的距离d_1d_2是独立同分布的随机变量,其概率密度函数(PDF)为f_d(r) = \frac{2r}{R^2}\left ( 0\leq r\leq R \right )

M=min(d_1,d_2),表示两个点中到圆心距离较小的那个距离。M的累积分布函数(CDF)为:

P(M \leq m) = 1 - [1 - (m/R)^2]^2

对CDF求导得到M的PDF:

f_M(m) = \frac{d}{dm} P(M \leq m) = \frac{4m (R^2 - m^2)}{R^4}

期望距离E[M]为:

E[M] = \int_{0}^{R} m \cdot f_M(m) \, dm = \int_{0}^{R} m \cdot \frac{4m (R^2 - m^2)}{R^4} \, dm = \frac{4}{R^4} \int_{0}^{R} m^2 (R^2 - m^2) \, dm

计算积分:

\int_{0}^{R} m^2 (R^2 - m^2) \, dm = \int_{0}^{R} (R^2 m^2 - m^4) \, dm = \left[ \frac{R^2 m^3}{3} - \frac{m^5}{5} \right]_{0}^{R} = \frac{R^5}{3} - \frac{R^5}{5} = \frac{2R^5}{15}

代入期望公式:

E[M] = \frac{4}{R^4} \cdot \frac{2R^5}{15} = \frac{8R}{15}

因此,距离圆心近的那个点到圆心的距离的期望为\frac{8R}{15}


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