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设离散型随机变量 XY 有相同的可能取值 a1,,an, 它们的分布列为 P(X=ak)=xk,P(Y=ak)=yk,xk>0,yk>0,k=1,2,,n,k=1nxk=k=1nyk=1. 指标 D(X||Y) 可用来刻画 XY 的相似程度,其定义为 D(X||Y)=k=1nxklnxkyk. 设 XB(n,p),0<p<1.

  1. YB(n,q),0<q<1, 求 D(X||Y);
  2. n=2,P(Y=k1)=13,k=1,2,3, 求 D(X||Y) 的最小值;
  3. 对任意与 X 有相同可能取值的随机变量 Y, 证明: D(X||Y)0, 并指出取等号的充要条件.
解答

  1. 容易知道 xk=Cnkpk(1p)nk,yk=Cnkqk(1q)nk,0kn. 这样结合二项式定理有D(X||Y)=k=0nCnkpk(1p)nkln(pq)k(1p1q)nk=k=0npk(1p)nk(klnp(1q)q(1p)+nln1p1q)=lnp(1q)q(1p)k=1nkCnkpk(1p)nk+nln1p1qk=0nCnkpk(1p)nk=lnp(1q)q(1p)k=1npnCn1k1pk1(1p)(n1)(k1)+nln1p1q=nplnp(1q)q(1p)+nln1p1q.
  2. n=2 时,(x0,x1,x2)=((1p)2,2p(1p),p2), 从而D(X||Y)=(1p)2ln(1p)2+p2lnp2+2p(1p)ln2p(1p)ln3.
    记右边为f(p), 则经过一番整理得f(p)=2lnp2ln(p1)+(24p)ln2,f(p)=2p+21p4ln22(1+1)2p+1p4ln2>0.
    f(12)=0, 故f(p)(0,12)上减,在(12,1)上增,从而f(p)min=f(12)=ln332ln2.
  3. 证明 利用 lnx11x, 有D(X||Y)k=1nxk(1ykxk)=k=1nxkk=1nyk=0.
    取等当且仅当xkyk=1xk=yk,1kn.