확률변수 aX+b에 대한 세가지 등식을 유도해보겠습니다.
세가지 등식은 아래와 같습니다.
1) $ E\left(aX+b\right)=aE\left(X\right)+b$
2) $ V\left(aX+b\right)={a}^2V\left(X\right)$
3) $ \sigma \left(aX+b\right)=\left|{\sigma }\right|V\left(X\right)$
하나씩 유도해봅시다.
1) $ E\left(aX+b\right)=aE\left(X\right)+b$
유도하기 위해서 아래와 같은 표를 그리겠습니다.
X | $x_{1}$ | ... | $x_{n}$ | 합계 |
P(X=x) | $p_{1}$ | ... | $p_{n}$ | 1 |
확률변수 X의 기댓값은 아래와 같이 계산됩니다.
$E\left(X\right)=\sum _{i=1}^n{x}_i{p}_i$
확률변수 aX+b의 기댓값은 아래와 같이 계산됩니다.
$E\left(aX+b\right)=\sum _{i=1}^n\left(a{x}_i+b\right){p}_i$
전개해봅시다.
$E\left(aX+b\right)=\sum _{i=1}^n\left(a{x}_i{p}_i+b{p}_i\right)$
분리해서 씁시다.
$E\left(aX+b\right)=\sum _{i=1}^na{x}_i{p}_i+\sum _{i=1}^nb{p}_i$
a와 b는 상수이므로 앞으로 꺼냅시다.
$E\left(aX+b\right)=a\sum _{i=1}^n{x}_i{p}_i+b\sum _{i=1}^n{p}_i$
모든 확률의 합은 1이므로 아래와 같습니다.
$E\left(aX+b\right)=a\textcolor{#ff0010}{\sum _{i=1}^n{x}_i{p}_i}+b$
위 식의 빨강부분은 E(X)이므로 아래와 같습니다.
$E\left(aX+b\right)=a\textcolor{#ff0010}{E\left(X\right)}+b$E
이렇게 첫번째 등식을 유도했습니다.
2) $ V\left(aX+b\right)={a}^2V\left(X\right)$
확률변수 X의 분산은 아래와 같이 계산됩니다.
$V\left(X\right)=\sum _{i=1}^n{x}_i^2{p}_i-{\left(\sum _{i=1}^n{x}_i{p}_i\right)}^2$
확률변수 aX+b의 기댓값은 아래와 같이 계산됩니다.
$V\left(aX+b\right)=\sum _{i=1}^n{\left(a{x}_i+b\right)}^2{p}_i-{\left(\sum _{i=1}^n\left(a{x}_i+b\right){p}_i\right)}^2$
첫항의 제곱을 전개하겠습니다.
$V\left(aX+b\right)=\sum _{i=1}^n\left({a}^2{{x}_i^2}+2ab{x}_i+{b}^2\right){p}_i-{\left(\sum _{i=1}^na{x}_i{p}_i+\sum _{i=1}^nb{p}_i\right)}^2$
첫항은 시그마를 나눠쓰고, 두번째항은 전개합시다.
$V\left(aX+b\right)=\sum _{i=1}^n{a}^2{{x}_i^2}{p}_i+\sum _{i=1}^n2ab{x}_i{p}_i+\sum _{i=1}^n{b}^2{p}_i$
$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ -{\left(\sum _{i=1}^na{x}_i{p}_i\right)}^2-{\left(\sum _{i=1}^nb{p}_i\right)}^2-2\sum _{i=1}^na{x}_i{p}_i\sum _{i=1}^nb{p}_i$
상수들은 밖으로 꺼냅시다.
$V\left(aX+b\right)={a}^2\sum _{i=1}^n{{x}_i^2}{p}_i+2ab\sum _{i=1}^n{x}_i{p}_i+{b}^2\textcolor{#ff0010}{\sum _{i=1}^n{p}_i}$
$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ -{a}^2{\left(\sum _{i=1}^n{x}_i{p}_i\right)}^2-{b}^2{\left(\textcolor{#ff0010}{\sum _{i=1}^n{p}_i}\right)}^2-2ab\sum _{i=1}^n{x}_i{p}_i\textcolor{#ff0010}{\sum _{i=1}^n{p}_i}$
위 식에 빨간 항들은 모든 확률의 합이므로 1입니다.
$V\left(aX+b\right)={a}^2\sum _{i=1}^n{{x}_i^2}{p}_i+\textcolor{#00b3f2}{2ab\sum _{i=1}^n{x}_i{p}_i}+{b}^2$
$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ -{a}^2{\left(\sum _{i=1}^n{x}_i{p}_i\right)}^2-{b}^2\textcolor{#00b3f2}{-2ab\sum _{i=1}^n{x}_i{p}_i}$
파란 항끼리 소거되고, b제곱끼리도 소거됩니다.
$V\left(aX+b\right)={a}^2\sum _{i=1}^n{{x}_i^2}{p}_i-{a}^2{\left(\sum _{i=1}^n{x}_i{p}_i\right)}^2$
a제곱으로 묶겠습니다.
$V\left(aX+b\right)={a}^2\left(\textcolor{#ff0010}{\sum _{i=1}^n{{x}_i^2}{p}_i-{\left(\sum _{i=1}^n{x}_i{p}_i\right)}^2}\right)$
오른쪽 항의 빨간부분은 V(X)이므로, 아래 등식이 성립함을 보일 수 있습니다.
$V\left(aX+b\right)={a}^2V\left(X\right)$
3) $ \sigma \left(aX+b\right)=\left|{\sigma }\right|V\left(X\right)$
아래 식의 양변에 루트를 씌웁시다.
$V\left(aX+b\right)={a}^2V\left(X\right)$
루트를 씌우면 분산은 표준편차가 됩니다.
$\sigma \left(aX+b\right)=\sqrt{{a}^2}\sigma \left(X\right)$
아래 등식이 성립하므로, 절댓값으로 변형할 수 있습니다.
$\sqrt{{a}^2}=\left|{a}\right|$
$\sigma \left(aX+b\right)=\left|{a}\right|\sigma \left(X\right)$
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