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设离散型随机变量 X 和 Y 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 X 和 Y 的相似程度,其定义为 D(X||Y)=∑k=1nxkln⁡xkyk. 设 X∼B(n,p),0<p<1.

  1. 若 Y∼B(n,q),0<q<1, 求 D(X||Y);
  2. 若 n=2,P(Y=k−1)=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. 解 容易知道 xk=Cnkpk(1−p)n−k,yk=Cnkqk(1−q)n−k,0≤k≤n. 这样结合二项式定理有D(X||Y)=∑k=0nCnkpk(1−p)n−kln⁡(pq)k(1−p1−q)n−k=∑k=0npk(1−p)n−k(kln⁡p(1−q)q(1−p)+nln⁡1−p1−q)=ln⁡p(1−q)q(1−p)∑k=1nkCnkpk(1−p)n−k+nln⁡1−p1−q∑k=0nCnkpk(1−p)n−k=ln⁡p(1−q)q(1−p)∑k=1npnCn−1k−1pk−1(1−p)(n−1)−(k−1)+nln⁡1−p1−q=npln⁡p(1−q)q(1−p)+nln⁡1−p1−q.
  2. 解 当 n=2 时,(x0,x1,x2)=((1−p)2,2p(1−p),p2), 从而D(X||Y)=(1−p)2ln⁡(1−p)2+p2ln⁡p2+2p(1−p)ln⁡2p(1−p)−ln⁡3.
    记右边为f(p), 则经过一番整理得f′(p)=2ln⁡p−2ln⁡(p−1)+(2−4p)ln⁡2,f″(p)=2p+21−p−4ln⁡2≥2⋅(1+1)2p+1−p−4ln⁡2>0.
    而f′(12)=0, 故f(p)在(0,12)上减,在(12,1)上增,从而f(p)min=f(12)=ln⁡3−32ln⁡2.
  3. 证明 利用 ln⁡x≥1−1x, 有D(X||Y)≥∑k=1nxk(1−ykxk)=∑k=1nxk−∑k=1nyk=0.
    取等当且仅当xkyk=1⇒xk=yk,∀1≤k≤n.