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Examen

MATH 255 - Probability and Statistics Final Exam Solutions

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10
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A+
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25-09-2025
Escrito en
2025/2026

MATH 255 - Probability and Statistics Final Exam Solutions 5 January 2025 Problem 1. [10pt] The joint pdf of random variables X and Y is given by: fX,Y (x, y) =    c if (x, y) ∈ S, 0 otherwise, where c is a constant and S is the set shown in the plot. (a) Find the least mean square (LMS) estimator g(X) of Y . E[Y |X] =    0.5 if X ∈ [0, 1] ∪ [2, 3] , 1 if X ∈ [1, 2]. Before we start solving the problem, let us first find the value of c. Since the joint distribution fX,Y (x, y) is uniform over the region S, we have c = 1 area(S) = 1 4 . The optimal LMS estimator is given by g(X) = E[Y |X]. For that, we will characterize E[Y |X = x]. When 0 < x < 1 and 2 < x < 3, the conditional distribution of Y given X = x, that is fY |X(y|x) is a uniform distribution in [0, 1]. Thus, when 0 < x < 1 and 2 < x < 3, E[Y |X = x] = 0.5. On the other hand, when 1 < x < 2, fY |X(y|x) is a uniform distribution in [0,2]. Thus, when 1 < x < 2, E[Y |X = x] = 1. As a result, E[Y |X] can be written as: E[Y |X] =    0.5 if X ∈ [0, 1] ∪ [2, 3] , 1 if X ∈ [1, 2]. 1 (b) Find the mean squared error of the estimator g(X), i.e., E[(Y − g(X))2 ]. E[(Y − g(X))2 ] = 5 24 . Next, we will find the mean squared error of the estimator g(X). For that, we will use the uniform distribution mean and variance. If U is a continuous r.v. in between [a, b], its mean and variance is given by E[U] = a+b 2 and Var(U) = (b−a) 2 12 . We will also utilize the law of iterated expectation for this part in the following form: E[(Y − g(X))2 ]

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25 de septiembre de 2025
Número de páginas
10
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2025/2026
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Bilkent University Fall 2024


MATH 255 - Probability and Statistics

Final Exam Solutions
5 January 2025


Problem 1. [10pt] The joint pdf of random variables X and Y is given by:

c if (x, y) ∈ S,
fX,Y (x, y) =
0 otherwise,

where c is a constant and S is the set shown in the plot.




(a) Find the least mean square (LMS) estimator g(X) of Y .



0.5 if X ∈ [0, 1] ∪ [2, 3] ,
E[Y |X] =
1 if X ∈ [1, 2].


Before we start solving the problem, let us first find the value of c. Since the joint distribu-
1
tion fX,Y (x, y) is uniform over the region S, we have c = area(S) = 14 .

The optimal LMS estimator is given by g(X) = E[Y |X]. For that, we will characterize
E[Y |X = x]. When 0 < x < 1 and 2 < x < 3, the conditional distribution of Y given X = x,
that is fY |X (y|x) is a uniform distribution in [0, 1]. Thus, when 0 < x < 1 and 2 < x < 3,
E[Y |X = x] = 0.5. On the other hand, when 1 < x < 2, fY |X (y|x) is a uniform distribution
in [0,2]. Thus, when 1 < x < 2, E[Y |X = x] = 1. As a result, E[Y |X] can be written as:


0.5 if X ∈ [0, 1] ∪ [2, 3] ,
E[Y |X] =
1 if X ∈ [1, 2].


1

, (b) Find the mean squared error of the estimator g(X), i.e., E[(Y − g(X))2 ].


5
E[(Y − g(X))2 ] = 24 .


Next, we will find the mean squared error of the estimator g(X). For that, we will use the
uniform distribution mean and variance. If U is a continuous r.v. in between [a, b], its mean
(b−a)2
and variance is given by E[U ] = a+b2 and Var(U ) = 12 .
We will also utilize the law of iterated expectation for this part in the following form:

E[(Y − g(X))2 ] = E[E[(Y − g(X))2 |X]].

We obtain the marginal distribution of X as

 1 if x ∈ [0, 1] ∪ [2, 3] ,
fX (x) = 4
 1 if x ∈ [1, 2].
2

Thus, we need to find E[(Y − g(X))2 |X = x]. When 0 < x < 1 and 2 < x < 3, g(x) =
E[Y |X = x] = 0.5. Since the conditional distribution of Y given X is a uniform distribution
in [0,1] and g(x) = E[Y |X = x] = 0.5 is its conditional mean, we have E[(Y − g(X))2 |X =
2
x] = V ar(Y |X = x) = (1−0)
12 = 121
. Similarly, when 1 < x < 2, we have E[(Y − g(X))2 |X =
2
x] = V ar(Y |X = x) = (2−0)
12 = 13 . As a result, we have


1

12 if X ∈ [0, 1] ∪ [2, 3] ,
E[(Y − g(X))2 |X = x] =
1 if X ∈ [1, 2].
3

Now, we are ready to find E[(Y − g(X))2 ].
Z 3
2 2
E[(Y − g(X)) ] = E[E[(Y − g(X)) |X]] = E[(Y − g(X))2 |X = x]fX (x)dx
0
Z 1 Z 3 Z 2
1 1 1 1 11
= dx + dx + dx
0 12 4 2 12 4 1 32
1 1 1 5
= + + = .
48 48 6 24




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