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STAT2003/STAT7003 Mathematical Probability Problem Set 3

发布时间:2022-05-25

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Mathematical Probability (STAT2003/STAT7003)

Problem Set 3

The due date/time is given on Blackboard.  STAT7003 students have an additional ques- tions [2(f), 3(e) and 4(c)] marked with a star (*).

1. Let X1  and X2  be two independent random variables with the probability density function of Xi  given by

f(x) =   

(a) Determine the probability density function of Y = X1X2 .                    [6 marks]

(b) Determine the probability density function of

Z = 

[3 marks]

2.   (a) Let U and V be two independent random variables such that U ∼ Ber(1 − ϱ) with ϱ ∈ [0, 1) and V ∼ Exp(λ) with λ > 0. Determine the moment generating function of W = UV .                                                                             [3 marks]

(b) Let {Wi } be a sequence of independent and identically distributed random variables where Wi  has the same distribution as W from part (a). Let X0  be a random variable independent of the {Wi } and define the sequence of random variables {Xn } recursively as

Xn  = ϱXn 1 + Wn .

Show that if X0  Exp(λ), then Xn  Exp(λ) for all n 0.

(c) Determine Cov(Xn+k,Xn ) for all n and k 0.

(d) Determine E(Xn |Xn 1  = x) and Var(Xn |Xn 1  = x).                     (e)  Simulate a sample path for n = 0, . . . , 50 with ϱ = 0.75 and λ = 1.

[3 marks] [2 marks] [2 marks] [2 marks]

(f)  * Let {Yn } be the sequence of random variables such that Y0  ∼ Gamma(2,λ)

for some λ > 0, and

Yn  = ϱYn 1 + Wn ,

dom variables and Y0  is independent of the {Wn } .  Determine the moment

generating function of the {Wn } such that Yn  ∼ Gamma(2,λ) for all n ⩾ 0.

[3 marks]

3.  Consider the following system comprised of three components:

 

The system is working if there is a path from left to right through working compo- nents.  Components fail independently and the time to failure for each component has an exponential distribution with a mean of one year.

(a) Determine an expression for the probability that the system is working at time

.

(b) Determine the mean time to failure for the system.

[3 marks]

[2 marks]

(c) Determine the probability that component two in the system is still working at time t given the system is working at time t.  What is the limiting value as t → ∞?                                                                                                   [3 marks]

(d) Determine the failure rate for the system.

(e)  * Show the system has an increasing failure rate.

[1 mark]

[2 marks]

4.  Consider the 4-state Markov chain X  =  {X1 ,X2 , . . .} described by the following transition graph.

γ

1

2 

1 − γ

(a) Determine (α,β,γ) such that the limiting distribution of the X is π = ( ,  ,  , ). [4 marks]

(b) Let  (α,β,γ) =  ( ,  , ).   Using a grid like the one below, sketch by hand a

typical realisation of Xn , n = 1, . . . , 30, where X1  = 1.                         [2 marks]

5                   10                  15                  20                  25                  30

(c)  * For (α,β,γ) =  ( ,  , ) the limiting distribution of the Markov chain X is = (  ,  ,  , ). Define the sequence of random variables {Yn } such that Yn  = X11n .  Show that Y = {Y1 ,Y2 , . . . ,Y10 } is a Markov chain and determine the matrix of one-step transition probabilities for Y .                                  [5 marks]

5. Let X1 , . . . ,Xn  be independent random variables where the Xi  have a Geo(p) distri- bution. Define Sn  = X1 + X2 + ··· + Xn .

(a)  Show that for any a 1 and any t [0, ln(1 p)),

P(Sn  an/p)   =: H(t;a).

[2 marks]

(b) As this upper bound H(t;a) holds for all t ∈ [0, −ln(1 − p)), the tightest upper

bound is found by minimising H(t;a) over t.  For a fixed value of a, find the

value ta  which minimises H(t;a).                                                           [2 marks]