수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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(a)f(x)\displaystyle f ( x )가 확률밀도함수이므로0a(t+1)exdx=[(t+1)ex]0a=(t+1)(1ea)=1\displaystyle \int_{0}^{a} {( t + 1 ) e^{- x} d x} = \Biggl[ - ( t + 1 ) e^{- x} \Biggr]_{0}^{a}= ( t + 1 ) ( 1 - e^{- a} ) = 1이다. 따라서(t+1)(1ea)=1(1ea)=1t+1ea=tt+1ea=t+1t\displaystyle (t+1)(1-e^{-a})=1\Leftrightarrow(1-e^{-a})=\frac1{t+1}\Leftrightarrow e^{-a}=\frac t{t+1}\Leftrightarrow e^a=\frac{t+1}t이므로 a=ln(1+1t)\displaystyle a = \ln ( 1 + \frac{{1}}{t} )이다.

(b)E(X2)=0ax2f(x)dx\displaystyle \mathrm E(X^2)=\int_0^a x^2f(x)\,dx이므로E(X2)=0ln(1+1t)x2(t+1)exdx=(t+1)0ln(1+1t)x2exdx=(t+1)[x2ex]0ln(1+1t)+(t+1)0ln(1+1t)2xexdx=(t+1)(tt+1[ln(1+1t)]2)+2(t+1)0ln(1+1t)xexdx=t[ln(1+1t)]2+2(t+1)[xex]0ln(1+1t)+2(t+1)0ln(1+1t)exdx=t[ln(1+1t)]22tln(1+1t)+2(t+1)0ln(1+1t)exdx=t[ln(1+1t)]22tln(1+1t)+2\displaystyle \begin{aligned}\mathrm E(X^2)&=\int_0^{\ln(1+\frac1t)}x^2\cdot(t+1)e^{-x}\,dx=(t+1)\int_0^{\ln(1+\frac1t)}x^2e^{-x}\,dx\\&=(t+1)\Biggl[-x^2e^{-x}\Biggr]_0^{\ln(1+\frac1t)}+(t+1)\int_0^{\ln(1+\frac1t)}2xe^{-x}\,dx\\&=(t+1)\left(-\frac t{t+1}\left[\ln\left(1+\frac1t\right)\right]^2\right)+2(t+1)\int_0^{\ln(1+\frac1t)}xe^{-x}\,dx\\&=-t\left[\ln\left(1+\frac1t\right)\right]^2+2(t+1)\Biggl[-xe^{-x}\Biggr]_0^{\ln(1+\frac1t)}+2(t+1)\int_0^{\ln(1+\frac1t)}e^{-x}\,dx\\&=-t\left[\ln\left(1+\frac1t\right)\right]^2-2t\ln\left(1+\frac1t\right)+2(t+1)\int_0^{\ln(1+\frac1t)}e^{-x}\,dx\\&=-t\left[\ln\left(1+\frac1t\right)\right]^2-2t\ln\left(1+\frac1t\right)+2\end{aligned}이다. 또한 limtE(X2)\displaystyle \lim_{t\to\infty}\mathrm E(X^2)은 다음과 같다.limtE(X2)=limt(t[ln(1+1t)]22tln(1+1t)+2)=limt(1t[ln(1+1t)t]22ln(1+1t)t+2)=02lne+2=0\displaystyle \begin{aligned}\lim_{t\to\infty}\mathrm E(X^2)&=\lim_{t\to\infty}\left(-t\left[\ln\left(1+\frac1t\right)\right]^2-2t\ln\left(1+\frac1t\right)+2\right)\\&=\lim_{t\to\infty}\left(-\frac1t\left[\ln\left(1+\frac1t\right)^t\right]^2-2\ln\left(1+\frac1t\right)^t+2\right)=0-2\ln e+2\\&=0\end{aligned}

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