随机变量及其分布

随机变量及其分布函数

随机变量

定义:设 (Ω,F,P)(\Omega,\mathcal F,P) 为概率空间。若函数 X:Ω→RX:\Omega\to\mathbb R 满足:对任意实数 xx,集合

{ω∈Ω:X(ω)≤x}∈F, \{\omega\in\Omega:X(\omega)\le x\}\in\mathcal F,

则称 XX 为该概率空间上的随机变量。

可以看这篇 回答 ,来进一步了解随机变量的本质。

随机变量的分布函数

定义:设 XX 为一随机变量,对于任意实数 xx,则 XX 的 分布函数 为:

F(x)=P(X≤x),x∈R F(x) = P (X\le x),\quad x \in \mathbb{R}

为了方便,有时记作 FX(x)F_X(x)

性质:

  • F(x)F(x) 单调不减

    ∀x1<x2,F(x1)≤F(x2) \forall x_1<x_2, F(x_1)\le F(x_2)
  • 0≤F(x)≤10\le F(x) \le 1,且

    lim⁡x→+∞F(x)=1,lim⁡x→−∞F(x)=0 \lim_{x\to+\infty}F(x) = 1,\lim_{x\to-\infty}F(x) = 0
  • 用分布函数表示概率

    P(X≤x0)=F(x0)P(X<x0)=lim⁡Δx→0+P(X≤x0−Δx)=lim⁡Δx→0+F(x0−Δx)=F(x0−0)P(X=x0)=F(x0)−F(x0−0)P(a<X≤b)=F(b)−F(a) \begin{aligned} P(X\le x_0) &= F(x_0)\\ P(X<x_0) &=\lim_{\Delta x\to0_+}P(X\le x_0-\Delta x)\\ &=\lim_{\Delta x\to0_+}F(x_0-\Delta x)\\ &=F(x_0-0)\\ P(X=x_0) &= F(x_0) - F(x_0-0)\\ P(a<X\le b) &= F(b) - F(a) \end{aligned}

离散型随机变量及其分布列

离散型随机变量概率分布

定义:随机变量 XX 的可能取值是有限个或可列无穷多个

分布列:设离散型随机变量 XX 的所有可能取值为 X=xk(k=1,2,⋯ )X=x_k (k=1,2,\cdots),不妨设 x1<x2<⋯x_1<x_2<\cdots,则 XX 的分布列为

P(X=xk)=pk,k=1,2,⋯ P(X=x_k) = p_k, k = 1,2,\cdots

性质:

  1. pk≥0,k=1,2,⋯ p_k\ge0, k = 1,2,\cdots
  2. ∑k=1∞pk=1 \sum_{k=1}^{\infty}p_k = 1

分布函数

定义:F(x)=P(X≤x)=∑xk≤xP(X=xk)F(x) = P(X\le x)=\sum_{x_k\le x}P(X=x_k)

性质:

  • P(X=xk)=pk=P(xk−1<X≤xk)=F(xk)−F(xk−1)P(X = x_k) = p_k = P(x_{k-1}<X\le x_k) = F(x_k) - F(x_{k-1})

  • F(x)F(x) 为分段阶梯函数

  • 在 XX 的可能取值处存在第一类跳跃间断点

常见离散型随机变量

0-1 分布 (两点分布)

随机变量只有两个可能取值,分布列由下表所示

X10Pp1−p \begin{array}{c|cc} \hline \quad X\quad &\quad 1\quad &\quad 0\quad\\ \hline P&p&1-p\\ \hline \end{array}

其中 0<p<10<p<1,称 XX 服从参数为 pp 的 0-1 分布,记作 X∼B(1,p)X\sim B(1,p),

也可写成

P(X=k)=pk(1−p)1−k,k=0,1 P(X=k)=p^k (1-p)^{1-k}, k = 0,1

二项分布

n重伯努利试验

nn 重伯努利试验具有以下特点:

  1. 可独立地进行 nn 次试验,即各次试验的可能性互不影响,
  2. 每次试验仅有两个结果:事件 AA 发生或 A‾\overline A 发生。

设在每次试验中,事件 AA 发生的概率为

P(A)=p,0<p<1 P(A)=p, \qquad 0<p<1

令随机变量 XX 表示事件 AA 在 nn 次试验中发生的次数,则

P(X=k)=Cnkpk(1−p)n−k,k=0,1,…,n P(X=k) = \mathrm C_n^k p^k(1-p)^{n-k}, \qquad k=0,1,\ldots,n

称 XX 服从参数为 (n,p)(n,p) 的二项分布,记为

X∼B(n,p) X\sim B(n,p)

对于任意整数 NN,

P(X>N)=∑k=N+1nP(X=k) P(X>N) = \sum_{k=N+1}^{n}P(X=k)

最可能出现的次数

记

Pk=P(X=k) P_k=P(X=k)

若 kk 为二项分布中最可能出现的次数,则有

{Pk−1Pk=(1−p)kp(n−k+1)≤1,PkPk+1=(1−p)(k+1)p(n−k)≥1 \begin{cases} \dfrac{P_{k-1}}{P_k} = \dfrac{(1-p)k}{p(n-k+1)} \le 1,\\[12pt] \dfrac{P_k}{P_{k+1}} = \dfrac{(1-p)(k+1)}{p(n-k)} \ge 1 \end{cases}

因此,

(n+1)p−1≤k≤(n+1)p (n+1)p-1 \le k\le (n+1)p
不同参数下的二项分布
不同参数下的二项分布

泊松分布

泊松定理:设 lim⁡n→+∞npn=λ>0\lim\limits_{n\to+\infty}np_n = \lambda > 0,则

lim⁡n→+∞Cnkpnk(1−pn)n−k=e−λλkk!,k=0,1,2,⋯ \lim_{n\to+\infty}\mathrm C_n^k p_n^k (1-p_n)^{n-k} = \mathrm e^{-\lambda} \dfrac{\lambda^k}{k!}, k = 0, 1, 2, \cdots

推论:假设 npn=λ>0(n=1,2,⋯ )np_n = \lambda>0 (n=1,2,\cdots),则上述公式仍成立。

说明

二项分布的极限分布是泊松分布:当二项分布 nn 较大而 pp 较小时 (n≥20,p≤0.05n\ge20, p\le0.05),有如下近似

P(X>N)=∑k=N+1nP(X=k)≈∑k=N+1∞e−np(np)kk!=1−∑0Ne−np(np)kk! P(X>N) = \sum_{k = N+1}^nP(X = k)\approx\sum_{k=N+1}^\infty\mathrm e^{-np}\dfrac{(np)^k}{k!} = 1 - \sum_{0}^{N}\mathrm e^{-np}\dfrac{(np)^k}{k!}

泊松分布:设随机变量 XX 的所有可能取值为 0,1,2,⋯0,1,2,\cdots,且分布列为

P(X=k)=e−λλkk!,k=0,1,2,⋯ P(X=k) = \mathrm e^{-\lambda} \dfrac{\lambda^k}{k!}, k = 0,1,2,\cdots

其中 λ>0\lambda>0,称 XX 服从参数为 λ\lambda 的 泊松分布,记为 X∼P(λ)X\sim P(\lambda) 或 π(λ)\pi(\lambda)

不同参数下的泊松分布
不同参数下的泊松分布

连续型随机变量及其概率密度

连续性随机变量的概率密度

定义:设 XX 是⼀随机变量,F(X)F(X) 是它的分布函数,若存在一个非负可积函数 f(x)f(x) 使得

F(x)=∫−∞xf(t)dt,−∞<x<+∞ F(x) = \int_{-\infty}^xf(t) \mathrm dt,-\infty<x<+\infty

则称 XX 为 连续型随机变量,f(x)f(x) 为它的 概率密度函数 (概率密度/密度函数),f(x)f(x) 可记为 fX(x)f_X(x)

性质:

  1. XX 的分布函数 F(x)F(x) 连续。

  2. 对于同一个随机变量 XX,其概率密度函数 f(x)f(x) 不唯一。允许其在有限个或可列无穷多个点处取不同的函数值。

  3. 非负性

    f(x)≥0. f(x)\ge 0.
  4. 规范性

    ∫−∞+∞f(x) dx=F(+∞)=1. \int_{-\infty}^{+\infty}f(x)\,\mathrm dx = F(+\infty) = 1.
  5. 在 f(x)f(x) 的连续点 xx 处,

    f(x)=F′(x). f(x)=F'(x).
  6. f(x)f(x) 描述了 XX 在 x0x_0 附近单位长度区间内取值的概率。具体地,当 Δx\Delta x 很小时,

    P(x0<X≤x0+Δx)≈f(x0)Δx. P(x_0<X\le x_0+\Delta x) \approx f(x_0)\Delta x.
  7. 若 aa 是随机变量 XX 的一个可能取值,则

    P(X=a)=0. P(X=a)=0.
  8. 对任意实数 a<ba<b,

    P(a<X≤b)=P(a≤X≤b)=P(a<X<b)=P(a≤X<b)=∫abf(x) dx. \begin{aligned} P(a<X\le b) &= P(a\le X\le b)\\ &= P(a<X<b)\\ &= P(a\le X<b)\\ &= \int_a^b f(x)\,\mathrm dx. \end{aligned}

    此外,

    P(X≤b)=P(X<b)=∫−∞bf(x) dx, P(X\le b) = P(X<b) = \int_{-\infty}^{b}f(x)\,\mathrm dx,
    P(X>a)=P(X≥a)=∫a+∞f(x) dx. P(X>a) = P(X\ge a) = \int_a^{+\infty}f(x)\,\mathrm dx.

常见连续型随机变量的分布

均匀分布

XX 服从区间 (a,b)(a,b) 上的 均匀分布,记为 X∼U(a,b)X\sim U(a,b)

  • 密度函数
f(x)={1b−a,a<x<b,0,otherwise. f(x) = \begin{cases}\dfrac{1}{b-a},&a<x<b,\\0,&\rm otherwise.\end{cases}
  • 分布函数
F(X)={0,x<a,x−ab−a,a≤x<b,1,x≥b. F(X) = \begin{cases}0, &x<a,\\\dfrac{x-a}{b-a},&a\le x<b,\\1,&x\ge b.\end{cases}
均匀分布
均匀分布

指数分布

XX 服从参数为 λ\lambda 的 指数分布,记为 X∼E(λ)X\sim E(\lambda)

  • 密度函数
f(x)={λe−λx,x>0,0,x≤0. f(x) = \begin{cases}\lambda \mathrm e^{-\lambda x},&x>0,\\0,&x\le 0.\\\end{cases}
  • 分布函数
F(x)={0,x<0,1−e−λx,x≥0. F(x) = \begin{cases}0,&x<0,\\1-\mathrm e^{-\lambda x},&x\ge 0.\end{cases}
不同参数下的指数分布
不同参数下的指数分布

对任意 0<a<b0<a<b,

P(a<X<b)=e−λa−e−λb P(a<X<b) = \mathrm e^{-\lambda a} - \mathrm e^{-\lambda b}

指数分布的 无记忆性:若 X∼E(λ)X\sim E(\lambda),则已经用了 ss 小时,还能用 tt 小时的概率为

P(X>s+t∣X>s)=P(X>t) P(X>s+t \mid X>s) = P(X>t)
说明

泊松分布与指数分布关系:一段时间内顾客来的概率服从泊松分布,则时间间隔服从指数分布。

正态分布

XX 服从参数为 μ,σ\mu,\sigma 的 正态分布,记为 X∼N(μ,σ2)X\sim N(\mu, \sigma^2)

密度函数:

f(x)=12πσexp⁡(−(x−μ)22σ2),−∞<x<+∞ f(x) = \dfrac{1}{\sqrt{2\pi} \sigma}\exp (-\dfrac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}),\quad-\infty<x<+\infty

性质:

  1. 直线关于 x=μx=\mu 对称:f(μ+x)=f(μ−x)f(\mu + x) = f(\mu - x)

  2. σ\sigma 形状参数

    • 与曲线陡峭程度成反比

    • 与数据分散程度成正比

  3. μ\mu 位置参数:对称轴的位置

不同参数下的正态分布
不同参数下的正态分布

标准正态分布

X∼N(0,1)X\sim N(0,1) 为 标准正态分布

  • 密度函数:
φ(x)=12πe−x22,−∞<x<+∞ \varphi(x) = \dfrac{1}{\sqrt{2\pi}} \mathrm e^{-\frac{x^2}{2}},\quad-\infty<x<+\infty
  • 分布函数
Φ(x)=12π∫−∞xe−t22dt,−∞<x<+∞ \mathit\Phi(x) = \dfrac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^x\mathrm e^{-\frac{t^2}{2}} \mathrm dt,\quad-\infty<x<+\infty

性质:

  • Φ(−x)=1−Φ(x)\mathit\Phi(-x) = 1-\mathit\Phi(x)

  • P(∣X∣≤a)=2Φ(a)−1P(| X |\le a) = 2 \mathit\Phi(a)-1

  • 一般正态分布可以由线性变换 Y=X−μσY=\dfrac{X-\mu}{\sigma} 转化为标准正态分布:若 X∼N(μ,σ2)X\sim N(\mu, \sigma^2),则 X=X−μσX = \dfrac{X-\mu}{\sigma}

  • 一般正态分布概率的计算可以转化为标准正态分布的概率来计算:若 X∼N(μ,σ2)X\sim N(\mu, \sigma^2),则 F(x)=Φ(x−μσ)F(x) = \mathit\Phi\left(\dfrac{x-\mu}{\sigma}\right)

随机变量函数的分布的求解方法

离散型随机变量函数的分布

设 Y=g(X)Y=g(X),其中 XX 为离散型随机变量。求 YY 的分布列可按以下步骤进行:

  1. 列出 XX 的全部可能取值及其分布列

  2. 由 Y=g(X)Y=g(X) 求出 YY 的全部可能取值

  3. 对每个 yy,将所有满足 g(xi)=yg(x_i)=y 的概率相加

    P(Y=y)=∑xi: g(xi)=yP(X=xi). P(Y=y) = \sum_{x_i:\,g(x_i)=y}P(X=x_i).

由此得到 YY 的分布列。

注意

不同的 xix_i 可能对应同一个 yy,此时不能只取其中一项概率,而应将它们相加。

连续型随机变量的分布

  1. 由分布函数定义 FY(y)=P(Y≤y)=P(g(X)≤y)F_Y(y) = P(Y \le y) = P(g(X) \le y)

  2. 对上式变换,若函数 g(x)g(x) 在 (−∞,+∞)(-\infty, +\infty) 内严格单调递增,则 FY(y)=P(X≤g−1(y))=FX(g−1(y))F_Y(y) =P(X \le g^{-1}(y)) = F_X(g^{-1}(y))

    • 如果严格单调递减,则 FY(y)=P(X≥g−1(y))=1−FX(g−1(y))F_Y(y) = P(X \ge g^{-1}(y)) = 1 - F_X(g^{-1}(y))

    • 如果不严格单调,则用区间表示,比如平方会对应 P(X2≤y)=P(−y≤X≤y)P(X^2 \le y) = P(-\sqrt y \le X \le \sqrt y)

  3. 将 g−1(y)g^{-1}(y) 作为自变量代入 F(x)F(x),得到上式左边的 FY(y)F_Y(y)

  4. 对 FY(x)F_Y(x) 求导得到 yy 的密度函数 fY(x)f_Y(x)

一般性定理

设随机变量 XX 具有概率密度 fX(x),−∞<x<+∞f_X(x),-\infty < x < +\infty,g(x)g(x) 为 (−∞,+∞)(-\infty, +\infty) 内的严格单调的可导函数,则随机变量 Y=g(X)Y = g(X) 的概率密度为

fY(y)={∣h′(y)∣⋅fX[h(y)],α<y<β,0,otherwise. f_Y(y) = \begin{cases}| h'(y) |\cdot f_X[ h(y) ],&\alpha<y < \beta,\\0,&\text{otherwise.}\end{cases}

其中:

  • h(y)h(y) 是 g(x)g(x) 的反函数

  • α=min⁡{g(−∞),g(+∞)},β=max⁡{g(−∞),g(+∞)}\alpha = \min\{g(-\infty), g(+\infty)\}, \beta = \max\{g(-\infty), g(+\infty)\}