题目
已知某总体Xsim N(mu,4),从中抽取容量为n的样本,bar(X)为样本均值。若要求E(|bar(X)-mu|)A. 253B. 254C. 255D. 256
已知某总体$X\sim N(\mu,4)$,从中抽取容量为$n$的样本,$\bar{X}$为样本均值。若要求$E\left(\left|\bar{X}-\mu\right|\right)<0.1$,则样本容量为( )(取$\pi=3.14$)
A. 253
B. 254
C. 255
D. 256
题目解答
答案
C. 255
解析
本题考查正态分布的性质以及样本均值的期望和方差,解题的关键在于利用正态分布的标准化变换,结合绝对值期望的计算公式来求解样本容量。
- 首先明确样本均值的分布:
已知总体$X\sim N(\mu,4)$,从中抽取容量为$n$的样本,根据正态分布的性质,样本均值$\bar{X}\sim N(\mu,\frac{4}{n})$。 - 然后对$\bar{X}$进行标准化变换:
令$Z = \frac{\bar{X}-\mu}{\sqrt{\frac{4}{n}}}=\frac{\bar{X}-\mu}{2/\sqrt{n}}$,则$Z\sim N(0,1)$,且$\bar{X}-\mu=\frac{2}{\sqrt{n}}Z$。 - 接着计算$E(|\bar{X}-\mu|)$:
将$\bar{X}-\mu=\frac{2}{\sqrt{n}}Z$代入$E(|\bar{X}-\mu|)$可得$E(|\bar{X}-\mu|)=E\left(\left|\frac{2}{\sqrt{n}}Z\right|\right)=\frac{2}{\sqrt{n}}E(|Z|)$。
对于标准正态分布$Z\sim N(0,1)$,其概率密度函数为$\varphi(z)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-\frac{z^{2}}{2}}$,根据期望的定义$E(|Z|)=\int_{-\infty}^{+\infty}|z|\varphi(z)dz$。
由于$\varphi(z)$是偶函数,所以$E(|Z|)=2\int_{0}^{+\infty}z\cdot\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-\frac{z^{2}}{2}}dz$。
令$t = \frac{z^{2}}{2}$,则$dt = zdz$,当$z = 0$时,$t = 0$;当$z\to+\infty$时,$t\to+\infty$。
那么$E(|Z|)=2\int_{0}^{+\infty}\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-t}dt=\frac{2}{\sqrt{2\pi}}\int_{0}^{+\infty}e^{-t}dt$。
根据指数函数积分公式$\int e^{-t}dt=-e^{-t}+C$,可得$\frac{2}{\sqrt{2\pi}}\int_{0}^{+\infty}e^{-t}dt=\frac{2}{\sqrt{2\pi}}\left[-e^{-t}\right]_{0}^{+\infty}=\frac{2}{\sqrt{2\pi}}(0 + 1)=\sqrt{\frac{2}{\pi}}$。
所以$E(|\bar{X}-\mu|)=\frac{2}{\sqrt{n}}\cdot\sqrt{\frac{2}{\pi}}=\sqrt{\frac{8}{n\pi}}$。 - 最后求解样本容量$n$:
已知$E(|\bar{X}-\mu|)\lt{}0.1$,即$\sqrt{\frac{8}{n\pi}}\lt{}0.1$。
两边同时平方可得$\frac{8}{n\pi}\lt{}0.01$,则$n\gt{}\frac{8}{0.01\pi}$。
将$\pi = 3.14$代入可得$n\gt{}\frac{8}{0.01\times3.14}=\frac{800}{3.14}\approx254.78$。
因为$n$为样本容量,必须为正整数,所以$n$取$255$。