多维随机变量及其分布

二维随机变量

二维随机变量及其联合分布函数

定义:设 (Ω,F,P)(\Omega,\mathcal F,P) 为概率空间。若 XX 和 YY 都是定义在该概率空间上的随机变量,则称有序对 (X,Y)(X,Y) 为该概率空间上的 二维随机变量。对于任意 ω∈Ω\omega\in\Omega,(X,Y)(X,Y) 的取值为 (X(ω),Y(ω))∈R2(X(\omega),Y(\omega))\in\mathbb R^2。

联合分布函数:

F(x,y)=P({X≤x}∩{Y≤y})=P(X≤x,Y≤y) F(x,y) = P(\{X\le x\}\cap \{Y\le y\}) = P(X\le x,Y\le y)

性质

  1. 0≤F(x,y)≤10\le F(x,y)\le 1。对于任意固定的 x,yx,y,有

    F(−∞,y)=0,F(x,−∞)=0,F(−∞,−∞)=0,F(+∞,+∞)=1 F(-\infty,y) = 0,F(x,-\infty) = 0,F(-\infty,-\infty) = 0,F(+\infty,+\infty) = 1
  2. 对 F(x,y)F(x,y) 固定其中一个变量,它关于另一个变量是单调不减的函数。

  3. 对 F(x,y)F(x,y) 固定其中一个变量,它关于另一个变量是右连续函数。

    F(x+0,y)=F(x,y),F(x,y+0)=F(x,y) F(x+0,y) = F(x,y),\quad F(x,y+0) = F(x,y)
  4. 对任意实数 a<b,c<da<b,c<d(图形为一个矩形),

    F(b,d)−F(a,d)−F(b,c)+F(a,c)=P(a<X≤b,c<Y≤d)≥0 F(b,d) - F(a,d) - F(b,c) + F(a,c) = P(a<X\le b,c<Y \le d)\ge0
  5. 对于平面右上角的一块无穷区域 I\bf I,计算概率时应当将整个平面减去三个区域 II,III,IV\bf II,III,IV。

    P(X>a,Y>c)=P(a<X<+∞,c<Y<+∞)=1−F(+∞,c)−F(a,+∞)+F(a,c)≠1−F(a,c) \begin{aligned} P(X> a,Y>c) &= P(a<X<+\infty,c<Y<+\infty)\\ &=1-F(+\infty,c) - F(a,+\infty)+F(a,c)\\ &\neq 1- F(a,c) \end{aligned}

边缘分布函数:设二维随机变量 (X,Y)(X,Y) 的分布函数为 F(x,y)F(x,y),分量 XX 和 YY 也都是随机变量,各自的分布函数分别记为 FX(x),FY(y)F_X(x),F_Y(y),并依次称为随机变量 (X,Y)(X,Y) 关于 X,YX,Y 的 边缘分布函数。

FX(x)=P(X≤x)=F(x,+∞)FY(y)=P(Y≤y)=F(+∞,y) \begin{aligned} F_X(x) &= P(X\le x) = F(x,+\infty)\\ F_Y(y) &= P(Y\le y) = F(+\infty,y) \end{aligned}

二维离散型随机变量

定义:随机变量 (X,Y)(X,Y) 在二维平面上所有可能的取值为有限对或可列无穷对,则称 (X,Y)(X,Y) 为 二维离散型随机变量。

设二维随机变量 (X,Y)(X,Y) 的全部可能取值为

(xi,yj),i,j=1,2,⋯ (x_i,y_j),\quad i,j=1,2,\cdots

记

pij=P(X=xi,Y=yj),i,j=1,2,⋯ p_{ij}=P(X=x_i,Y=y_j),\quad i,j=1,2,\cdots

则称 {pij}\{p_{ij}\} 为 (X,Y)(X,Y) 的联合分布列。

X\Yy1y2⋯yj⋯x1p11p12⋯p1j⋯x2p21p22⋯p2j⋯⋮⋮⋮⋮xipi1pi2⋯pij⋯⋮⋮⋮⋮ \begin{array}{c|ccccc} X\backslash Y & y_1 & y_2 & \cdots & y_j & \cdots \\ \hline x_1 & p_{11} & p_{12} & \cdots & p_{1j} & \cdots \\ x_2 & p_{21} & p_{22} & \cdots & p_{2j} & \cdots \\ \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots & \\ x_i & p_{i1} & p_{i2} & \cdots & p_{ij} & \cdots \\ \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots & \end{array}

其中,

pij≥0,∑i∑jpij=1. p_{ij}\geq 0,\qquad \sum_i\sum_j p_{ij}=1.

性质:若某数列满足下列性质,则可以作为某个二维离散型随机变量的分布列。

  • 非负性
pij≥0 (i,j=1,2,⋯ ) p_{ij}\ge 0\ (i,j = 1,2,\cdots)
  • 正则性
∑i∑jpij=1 \sum_i\sum_jp_{ij} = 1

由分布列求分布函数

二维离散型随机变量的分布函数与分布列互为确定。

F(x,y)=P(X≤x,Y≤y)=∑xi≤x,yj≤yP(X=xi,Y=yj)=∑xi≤x,yj≤ypij F(x,y) = P(X\le x,Y\le y) = \sum_{x_i\le x,y_j\le y}P(X=x_i,Y=y_j) = \sum_{x_i\le x,y_j\le y}p_{ij}

二维离散型随机变量的边缘分布列

以下分别为 (X,Y)(X,Y) 关于 XX 和 YY 的 边缘分布列。

P(X=xi)=∑jpij=记为pi∙, i=1,2,⋯P(Y=yj)=∑ipij=记为p∙j, j=1,2,⋯ \begin{aligned} P(X= x_i) &= \sum_j p_{ij} \overset{\text{记为}}{=} p_{i\bullet},\ i=1,2,\cdots\\ P(Y= y_j) &= \sum_i p_{ij} \overset{\text{记为}}{=} p_{\bullet j},\ j=1,2,\cdots \end{aligned}

二维连续型随机变量

分布函数:二维连续型随机变量 (X,Y)(X,Y) 的分布函数 F(X,Y)F(X,Y) 为 (X,Y)(X,Y) 的联合概率密度函数 f(x,y)f(x,y)(二元非负可积函数)的二重积分。

F(x,y)=∫−∞x∫−∞yf(u,v) du dv F(x,y) = \int_{-\infty}^x\int_{-\infty}^yf(u,v)\ \mathrm du\ \mathrm dv

性质:

  1. 非负性
f(x,y)≥0,(x,y)∈R2 f(x,y)\ge 0,\quad(x,y)\in\mathbb R^2
  1. 正则性
∫−∞+∞∫−∞+∞f(x,y) dx dy=1 \int_{-\infty}^{+\infty}\int_{-\infty}^{+\infty}f(x,y)\ \mathrm dx\ \mathrm dy = 1
  1. 样本点落在任一区域 DD 的概率
P((X,Y)∈D)=∬Df(x,y) dx dy P((X,Y)\in D) = \iint\limits_D f(x,y)\ \mathrm dx\ \mathrm dy
  1. 根据分布函数求概率密度函数 f(x,y)f(x,y) 连续点处
∂2F∂x ∂y=f(x,y) \dfrac{\partial^2F}{\partial x\ \partial y} = f(x,y)

边缘概率密度:已知联合分布可以求得边缘分布,反之不能确定。

fX(x)=∫−∞+∞f(x,y) dyfY(y)=∫−∞+∞f(x,y) dx \begin{aligned} f_X(x) &= \int_{-\infty}^{+\infty}f(x,y)\ \mathrm dy\\ f_Y(y) &= \int_{-\infty}^{+\infty}f(x,y)\ \mathrm dx\\ \end{aligned}

常用连续型二维随机变量分布

均匀分布

连续型随机变量 (X,Y)(X,Y) 服从二维有界区域 GG 上的 均匀分布,记为 (X,Y)∼U(G)(X,Y)\sim U(G),则其概率密度函数为

f(x,y)={1AG,(x,y)∈G,0,otherwise. f(x,y) = \begin{cases}\dfrac{1}{A_G},&(x,y)\in G,\\0,&\text{otherwise}.\end{cases}

AGA_G 为 GG 的面积。

二维正态分布

连续型随机变量 (X,Y)(X,Y) 服从二维有界区域 GG 上的 二维正态分布,记为 (X,Y)∼N(μ1,σ12;μ2,σ22;ρ)(X,Y)\sim N(\mu_1,\sigma_1^2; \mu_2,\sigma_2^2; \rho),则其概率密度函数为

f(x,y)=12πσ1σ21−ρ2exp⁡{−12(1−ρ2)[(x−μ1)2σ12−2ρ(x−μ1)(y−μ2)σ1σ2+(y−μ2)2σ22]} f(x,y)=\frac{1}{2 \pi \sigma_{1} \sigma_{2} \sqrt{1-\rho^{2}}} \exp \left\{-\frac{1}{2\left(1-\rho^{2}\right)}\left[\frac{\left(x-\mu_{1}\right)^{2}}{\sigma_{1}^{2}}-2 \rho \frac{\left(x-\mu_{1}\right)\left(y-\mu_{2}\right)}{\sigma_{1} \sigma_{2}}+\frac{\left(y-\mu_{2}\right)^{2}}{\sigma_{2}^{2}}\right]\right\}

二维正态分布的边缘分布为两个独立的一维正态分布。

二维随机变量的条件分布

二维离散型随机变量的条件分布

定义:设有二维离散型随机变量 (X,Y)(X,Y)。

  • 对于固定的 jj,若 P(Y=yj)>0P(Y = y_j)>0,则 在 {Y=yj}\{Y = y_j\} 的条件下 XX 的条件分布列 为

    P(X=xi∣Y=yj)=P(X=xi,Y=yj)P(Y=yj)=pijp∙j, i=1,2,⋯ P(X = x_i\mid Y = y_j) = \dfrac{P(X = x_i,Y = y_j)}{P(Y = y_j)} = \dfrac{p_{ij}}{p_{\bullet j}},\ i = 1,2,\cdots
    • P(Y=yj)P(Y = y_j) 即边缘分布列:分布列表格中将 Y=yjY = y_j 一列的概率全部相加。
  • 对于固定的 ii,若 P(X=xi)>0P(X = x_i)>0,则 在 {X=xi}\{X = x_i\} 的条件下 YY 的条件分布列 为

    P(Y=yj∣X=xi)=P(X=xi,Y=yj)P(X=xi)=pijpi∙, j=1,2,⋯ P(Y = y_j\mid X = x_i) = \dfrac{P(X = x_i,Y = y_j)}{P(X = x_i)} = \dfrac{p_{ij}}{p_{i\bullet}},\ j = 1,2,\cdots

P(X=xi)P(X = x_i) 即边缘分布列:分布列表格中将 X=xiX = x_i 一行的概率全部相加。

性质

  1. P(X=xi∣Y=yj)≥0 P(X = x_i\mid Y = y_j)\ge 0
  2. ∑iP(X=xi∣Y=yj)=∑ipijp∙j=1p∙j∑ipij=1 \displaystyle\sum_iP(X = x_i\mid Y = y_j) = \sum_i\dfrac{p_{ij}}{p_{\bullet j}} =\dfrac{1}{p_{\bullet j}}\sum_ip_{ij} = 1
  3. 乘法公式

    P(X=xi,Y=yj)=P(Y=yj) P(X=xi∣Y=yj), i,j=1,2,⋯ P(X = x_i,Y = y_j) = P(Y = y_j)\ P(X = x_i\mid Y = y_j) ,\ i,j = 1,2,\cdots
  4. 全概率公式

    P(X=xi)=∑jP(Y=yj) P(X=xi∣Y=yj),i=1,2,⋯ P(X = x_i) = \sum_j P(Y = y_j)\ P(X = x_i\mid Y= y_j),i = 1,2,\cdots

二维连续型随机变量的条件分布

设二维连续型随机变量 (X,Y)(X,Y) 的联合概率密度为 f(x,y)f(x,y),边缘概率密度分别为 fX(x)f_X(x) 和 fY(y)f_Y(y)。

注意

对连续型随机变量,通常有 P(Y=y)=0P(Y=y)=0,因此不能直接用条件概率公式定义「在 Y=yY=y 条件下」的分布,而是通过联合概率密度来定义。

条件概率密度

当 fY(y)>0f_Y(y)>0 时,称

fX∣Y(x∣y)=f(x,y)fY(y),−∞<x<+∞ f_{X\mid Y}(x\mid y) = \frac{f(x,y)}{f_Y(y)}, \qquad -\infty<x<+\infty

为在 Y=yY=y 条件下 XX 的条件概率密度。

直观上,fX∣Y(x∣y)f_{X\mid Y}(x\mid y) 是联合密度函数在 Y=yY=y 处的「横截面」,再除以 fY(y)f_Y(y) 后得到的归一化密度函数。

同理,当 fX(x)>0f_X(x)>0 时,

fY∣X(y∣x)=f(x,y)fX(x),−∞<y<+∞ f_{Y\mid X}(y\mid x) = \frac{f(x,y)}{f_X(x)}, \qquad -\infty<y<+\infty

称为在 X=xX=x 条件下 YY 的条件概率密度。

条件分布函数

当 fY(y)>0f_Y(y)>0 时,

FX∣Y(x∣y)=P(X≤x∣Y=y)=∫−∞xfX∣Y(u∣y) du. F_{X\mid Y}(x\mid y) = P(X\le x\mid Y=y) = \int_{-\infty}^x f_{X\mid Y}(u\mid y)\,\mathrm du.

同理,当 fX(x)>0f_X(x)>0 时,

FY∣X(y∣x)=∫−∞yfY∣X(v∣x) dv. F_{Y\mid X}(y\mid x) = \int_{-\infty}^y f_{Y\mid X}(v\mid x)\,\mathrm dv.

基本性质

  1. 对满足 fY(y)>0f_Y(y)>0 的任意 yy,

    fX∣Y(x∣y)≥0,∫−∞+∞fX∣Y(x∣y) dx=1. f_{X\mid Y}(x\mid y)\ge0, \qquad \int_{-\infty}^{+\infty}f_{X\mid Y}(x\mid y)\,\mathrm dx=1.
  2. 联合密度可由边缘密度与条件密度表示:

    f(x,y)=fY(y)fX∣Y(x∣y)=fX(x)fY∣X(y∣x). f(x,y) = f_Y(y)f_{X\mid Y}(x\mid y) = f_X(x)f_{Y\mid X}(y\mid x).
  3. 边缘密度可由条件密度求得:

    fX(x)=∫−∞+∞fX∣Y(x∣y)fY(y) dy, f_X(x) = \int_{-\infty}^{+\infty} f_{X\mid Y}(x\mid y)f_Y(y)\,\mathrm dy,
    fY(y)=∫−∞+∞fY∣X(y∣x)fX(x) dx. f_Y(y) = \int_{-\infty}^{+\infty} f_{Y\mid X}(y\mid x)f_X(x)\,\mathrm dx.
  4. 当 fX(x)>0f_X(x)>0 且 fY(y)>0f_Y(y)>0 时,连续型随机变量的 Bayes 公式为:

    fX∣Y(x∣y)=fY∣X(y∣x)fX(x)fY(y). f_{X\mid Y}(x\mid y) = \frac{f_{Y\mid X}(y\mid x)f_X(x)}{f_Y(y)}.

二维随机变量的独立性

定义:相互独立的二维随机变量 (X,Y)(X,Y) 对任意 x,yx,y 都有

P(X≤x,Y≤y)=P(X≤x)P(Y≤y) P(X \le x,Y \le y)=P(X \le x) P(Y \le y)

判定独立性:

  • 离散型:

    P(X=xi,Y=yj)=P(X=xi)⋅P(Y=yj) P(X = x_i,Y = y_j) = P(X = x_i)\cdot P(Y = y_j)
  • 连续型:

    f(x,y)=fX(x)⋅fY(y) f(x,y) = f_X(x)\cdot f_Y(y)

独立性定理:若联合概率密度分布函数 f(x,y)f(x,y) 可以写成 两个函数的乘积,即 f(x,y)=r(x)⋅g(y)f(x,y) = r(x)\cdot g(y),则 X,YX,Y 相互独立。

性质:

  1. 如果二维随机变量 X,YX,Y 相互独立,则有

    fX(x)=fX∣Y(x∣y),fY(y)>0fY(y)=fY∣X(y∣x),fX(x)>0 \begin{aligned} f_X(x) &= f_{X\mid Y}(x\mid y),\quad f_Y(y)>0\\ f_Y(y) &= f_{Y\mid X}(y\mid x),\quad f_X(x)>0 \end{aligned}
  2. 独立的二维随机变量的连续函数仍独立:设 X,YX,Y 为相互独立的二维随机变量,u(x),v(y)u(x),v(y) 为连续函数,则 U=u(X),V=v(Y)U = u(X),V = v(Y) 也相互独立。

多维随机变量函数的分布

多维离散型随机变量函数的分布

设 (X,Y)(X,Y) 的联合分布列为 P(X=xi,Y=yj)=pij,(i,j=1,2,⋯ )P(X = x_i,Y=y_j) = p_{ij},(i,j = 1,2,\cdots),z=g(x,y)z = g(x,y) 为一个二元函数,Z=g(X,Y)Z = g(X,Y) 为随机变量 (X,Y)(X,Y) 的函数。

假设 ZZ 的全部不同取值记为 zkz_k,并且所有使得 g(x,y)=zkg(x,y) = z_k 的点记为 (xik,yjk)(x_{i_k},y_{j_k}),即 zk=g(xik,yjk)z_k = g(x_{i_k},y_{j_k}),则 ZZ 的分布列:

P(Z=zk)=P(g(X,Y)=zk)=∑g(xik,yjk)=zkP(X=xik,Y=yjk), k=1,2,⋯ P(Z = z_k) = P(g(X,Y) = z_k) = \sum_{g(x_{i_k},y_{j_k}) = z_k}P(X = x_{i_k},Y =y_{j_k}),\ k = 1,2,\cdots

特别地,当 Z=X+YZ = X+Y 时,

P(Z=r)=P(X+Y=r)=∑i=0rP(X=i,Y=r−i) P(Z=r)=P(X+Y=r)=\sum_{i=0}^{r} P(X=i,Y=r-i)

进一步,当 XX 与 YY 相互独立时,若 P(X=k)=ak,P(Y=k)=bk,k=0,1,2,⋯P(X=k)=a_{k},P(Y=k)=b_{k},k=0,1,2,\cdots,则 Z=X+YZ = X+Y 的分布列满足 离散卷积公式:

P(Z=r)=∑i=0rP(X=i)P(Y=r−i)=∑i=0raibr−i P(Z=r)=\sum_{i=0}^{r} P(X=i) P(Y=r-i)=\sum_{i=0}^{r} a_{i} b_{r-i}

性质:

  1. 泊松分布的可加性:若随机变量 X,YX,Y 相互独立,且都服从 泊松分布,即 X∼P(λ1),Y∼P(λ2)X\sim P(\lambda_1),Y\sim P(\lambda_2),则 其和也服从 泊松分布,即

    X+Y∼P(λ1+λ2) X+Y\sim P(\lambda_1+\lambda_2)
  2. 二项分布的可加性:若随机变量 X,YX,Y 相互独立,且都服从二项分布,即 X∼B(n,p),Y∼B(m,p)X\sim B(n,p),Y\sim B(m,p),则 其和也服从二项分布,即

    X+Y∼B(n+m,p) X+Y\sim B(n+m,p)

多维连续型随机变量函数的分布

设 (X,Y)(X,Y) 的联合概率密度为 f(x,y)f(x,y),g(x,y)g(x,y) 是一个二元函数,令 Z=g(X,Y)Z = g(X,Y),则 ZZ 的分布函数:

FZ(z)=P(Z≤z)=P(g(X,Y)≤z)=∬g(x,y)≤zf(x,y) dx dy F_{Z}(z)=P(Z \le z)=P(g(X,Y) \le z)=\iint\limits_{g(x,y) \le z} f(x,y) \ \mathrm{d} x \ \mathrm{d} y

若有非负可积函数 fZ(z)f_Z(z),使得

FZ(z)=∫−∞zfZ(u) du F_{Z}(z)=\int_{-\infty}^{z} f_{Z}(u) \ \mathrm{d} u

则随机变量函数 Z=g(X,Y)Z = g(X,Y) 的概率密度为

fZ(z)=FZ′(z) f_Z(z) = F'_Z(z)

和的分布

和的分布:Z=X+YZ = X + Y

fZ(z)=∫−∞+∞f(x,z−x) dx=∫−∞+∞f(z−y,y) dy f_Z(z) = \int_{-\infty}^{+\infty}f(x,z-x)\ \mathrm dx = \int_{-\infty}^{+\infty}f(z-y,y)\ \mathrm dy

若 X,YX,Y 相互独立,则

fZ(z)=∫−∞+∞fX(x)⋅fY(z−x) dx=∫−∞+∞fX(z−y)⋅fY(y) dy=△fX∗fY(z) \begin{aligned} f_Z(z) &= \int_{-\infty}^{+\infty}f_X(x)\cdot f_Y(z-x)\ \mathrm dx\\ &= \int_{-\infty}^{+\infty}f_X(z-y)\cdot f_Y(y)\ \mathrm dy \overset{\triangle}{=}f_X * f_Y(z) \end{aligned}

函数 fZ(z)f_Z(z) 称为函数 fX(x)f_X(x) 与 fY(y)f_Y(y) 的 卷积。

线性函数的分布 Z=aX+bY+cZ=a X+b Y+c

更一般地,设 Z=aX+bY+cZ=a X+b Y+c,a,b,ca,b,c 为常数,a,b≠0a,b\neq0,

fZ(z)=1∣b∣∫−∞+∞f(t,z−at−cb)dt=1∣a∣∫−∞+∞f(z−bt−ca,t)dt f_{Z}(z)=\frac{1}{|b|} \int_{-\infty}^{+\infty} f\left(t,\frac{z-a t-c}{b}\right) \mathrm{d} t=\frac{1}{|a|} \int_{-\infty}^{+\infty} f\left(\frac{z-b t-c}{a},t\right) \mathrm{d} t

商的分布

商的分布:设 P(Y=0)=0P(Y=0)=0,令 Z=XYZ = \dfrac XY。

FZ(z)=P(XY≤z)=∬xy≤zf(x,y) dx dy=∬x≤yz,y>0f(x,y) dx dy+∬x≥yz,y<0f(x,y) dx dy=∫0+∞∫−∞yzf(x,y) dx dy+∫−∞0∫yz+∞f(x,y) dx dy \begin{aligned}F_Z(z) &= P\left(\dfrac XY\le z\right)\\ &= \iint\limits_{\frac xy\le z}f(x,y)\ \mathrm dx\ \mathrm dy \\&= \iint\limits_{x\le yz, y> 0}f(x,y)\ \mathrm dx\ \mathrm dy + \iint\limits_{x\ge yz, y< 0}f(x,y)\ \mathrm dx\ \mathrm dy \\&= \int_{0}^{+\infty}\int_{-\infty}^{yz}f(x,y)\ \mathrm dx\ \mathrm dy + \int_{-\infty}^{0}\int_{yz}^{+\infty}f(x,y)\ \mathrm dx\ \mathrm dy \end{aligned}

概率密度为

fZ(z)=∫−∞+∞f(yz,y)∣y∣dy f_Z(z) = \int_{-\infty}^{+\infty}f(yz,y)\mid y\mid\mathrm dy

若 X,YX,Y 相互独立,则

fZ(z)=∫−∞+∞fX(yz)⋅fY(y)∣y∣dy f_Z(z) = \int_{-\infty}^{+\infty}f_X(yz)\cdot f_Y(y)\mid y\mid\mathrm dy

平方和的分布

平方和的分布:Z=X2+Y2Z = X^2+Y^2

fZ(z)={0,z<012∫02πf(zcos⁡θ,zsin⁡θ)dθ,z⩾0 f_{Z}(z)=\begin{cases} 0,& z<0 \\ \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{0}^{2 \pi} f(\sqrt{z} \cos \theta,\sqrt{z} \sin \theta) \mathrm{d} \theta,& z \geqslant 0 \end{cases}

变量代换法

设已知二维随机变量 (X,Y)(X,Y) 的概率密度函数 fXY(x,y)f_{XY}(x,y),构造一个新的二维随机变量 (U,V)(U,V),满足

{U=φ(X,Y)V=ψ(X,Y) \begin{cases} U=\varphi(X,Y) \\ V=\psi(X,Y) \end{cases}

在 (X,Y)(X,Y) 的取值区域上,设变换 {u=φ(x,y)v=ψ(x,y)\begin{cases} u=\varphi(x,y) \\ v=\psi(x,y) \end{cases} 一一对应,存在唯一的连续可微反函数 {x=h(u,v)y=k(u,v)\begin{cases} x=h(u,v) \\ y=k(u,v) \end{cases},且其雅可比行列式 J≠0J\ne0。记

J=∂(x,y)∂(u,v)=∣huhvkukv∣ J=\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}=\begin{vmatrix}h_u&h_v\\k_u&k_v\end{vmatrix}

则

fUV(u,v)=fXY(h(u,v),k(u,v))∣J∣ f_{UV}(u,v) = f_{XY}\bigl(h(u,v),k(u,v)\bigr)\left| J \right|