快要期末了,笔者发现好多题目不够熟练,故紧急把一些知识点整理成cheatsheet,也相当于复习了。
概率空间
- 样本点、样本空间、随机事件、事件域、样本空间分割的概念(略,看书)
- 概率的四种确定方法+公理化定义(见下):
- 非负性:P(A)≥0;
- 正则性:P(Ω)=1;
- 可列可加性:当A1,⋯,An,⋯互不相容,有
P(n=1∑∞An)=n=1∑∞P(An)
- P本质为集函数(将集合映射到实数域)
- 概率空间:(Ω,F,P)(下面如无特别说明,均在此空间下讨论)
概率的性质
- 对立事件概率、有限可加性、可减性、单调性、有界性、加法公式(容斥定理,庞加莱公式)、次可加性
- 概率为0的事件不一定为不可能事件
- 可列可加性⟹有限可加性,反之不然
- 概率的连续性:
- 极限事件:
- 对于单调不减事件列(A1⊂A2⊂⋯⊂An⊂⋯),为
n→∞limAn=n=1⋃∞An
- 对于单调不增事件列($A_1\supset A_2\supset\cdots\supset A_n\supset\cdots$),则为
n→∞limAn=n=1⋂∞An
- 集函数μ的上(下)连续性:对于单调不增(减)的事件列{An,n≥1}满足
μ(n→∞limAn)=n→∞limμ(An)
(记忆:可以将事件包含关系理解为叠高楼,被包含的事件在上面)
- 概率测度P满足上(下)连续性
- 概率等价定义:可列可加性替换为有限可加性+连续性
常见概率模型
- 不返回抽样(超几何模型):
P(A)=(nN)(mM)(n−mN−M)
- 返回抽样
P(A)=(mn)NnMm(N−M)n−m=(mn)(NM)m(NN−M)n−m
- 盒子模型
P(A)=NnPNn=Nn(N−n)!N!
- 配对模型(n人拿n个帽子,一人一个,至少一人拿到自己帽子的概率)
P(k=1⋃nAk)=k=1∑nP(Ak)−i<j∑P(AiAj)+⋯+(−1)n−1P(A1A2⋯An)=k=1∑n(−1)k−1k!1
随机事件的独立性
- 定义:P(AB)=P(A)⋅P(B)
- 独立事件不一定互斥(如掷骰子,A={1,2,3},B={1,4}),互斥事件不一定独立(比如两个事件概率均不为0)
- 多个随机事件的独立:
- 两两独立、三三独立、相互独立(简称独立)
- 若A,B,C相互独立,则A∪B与C独立,A∩B与C独立,A∖B与C独立
- 相互独立条件下的庞加莱公式:
P(k=1⋃mAk)=1−k=1∏n(1−P(Ak))
- 事件类的独立
- 有限个随机事件类的独立——每个事件类中任取一个随机事件结合,相互独立
- 任意多个随机事件类独立——基于有限子集事件类的独立性
- 事件域的独立性
条件概率
- 定义:在概率空间中,B∈F且P(B)>0,则∀A∈F,定义P(A∣B)=P(B)P(AB)
- P(A∣Ω)=P(A),P(A∣B)=P(A)⟺A与B相互独立
- 其他性质:
- P(B∣B)=1;
- 若P(B)=1,则P(A∣B)=P(A)
- 若A∩B=∅,则P(A∣B)=P(B)P(A)
- 乘法公式:
- A,B∈F,且P(A)>0,P(B)>0,则
P(AB)=P(A)P(B∣A)=P(B)P(A∣B)
- 推论1:n>1,A1,A2,⋯,An∈F,P(A1,⋯An−1)>0,则有
P(A1⋯An)=P(A1)P(A2∣A1)⋯P(An∣A1⋯An−1)
- 推论2:B,A1,⋯,An∈F,P(A1⋯An−1B)>0,则
P(A1⋯An∣B)=P(A1∣B)P(A2∣A1B)⋯P(An∣A1⋯An−1B)
- 全概率公式:
- ∀A,B∈F,0<P(B)<1,则
P(A)=P(A∣B)P(B)+P(A∣B)P(B)
- 推论:设B1,⋯Bn为Ω的一组分割,P(Bk)>0,k=1,⋯,n,则对任意A∈F有
P(A)=k=1∑nP(Bk)P(A∣Bk)
- 贝叶斯公式(后验概率公式):
- 设B1,⋯,Bn为样本空间Ω的一组分割,P(Bk)>0,k=1,⋯,n,且有A∈F,P(A)>0,则有
P(Bj∣A)=∑k=1nP(Bk)P(A∣Bk)P(Bj)P(A∣Bj),j=1,⋯,n
*可测映射
- σ-代数:设Ω是给定的非空集合,F是由的部分子集组成的集合类,若F满足下列条件,则称F为Ω上σ-代数:
- Ω∈F;
- 若A∈F 则 A∈F;
- 对任意n≥1,若An∈F 则 ⋃n=1∞An∈F.
- 定义P(Ω)={A:A⊂Ω}(所有子集集合,有时也记为2Ω);D(Ω)={F⊂P(Ω):F为集合Ω上的σ-代数}.
- 设C⊂P(Ω),则称集类
{F∈D(Ω):C⊂F}⋂F
为由C生成的σ-代数,记为σ(C)。
- 注:设C⊂P(Ω),A⊂Ω,记
C∩A={B∩A:B∈C}
记σ(C∩A)为C∩A所生成集合在A上的σ-代数,则有:
σ(C)∩A=σ(C∩A)
这也是条件概率的理论基础。
- Borel σ-代数:设σ=Rd,
C={i=1∏d(ai,bi]⊂Ω:−∞≤ai<bi≤∞}
则称σ(C)为Borel σ-代数或Borel域,记为B(Rd),称B(Rd)中的集合为borel集。(注:之后的随机变量定义中,采用ai=−∞)
- 可测映射:
- 设f为集合Ω1到Ω2上的映射,对任意B⊂Ω2,定义
f−1(B)={ω∈Ω1:f(ω)∈B}
即$f^{-1}$建立了$\mathcal{P}(\Omega_2)$到$\mathcal{P}(\Omega_1)$上的映射.
若$\mathcal{C}\subset \mathcal{P}(\Omega_2)$,记
f−1(C)={ω∈Ω1:f(ω)∈C}
- 定理1:设f为Ω1到Ω2上的映射,A∈D(Ω2),则f−1(A)∈D(Ω1).
- 定理2:设f为Ω1到Ω2上的映射,C∈P(Ω2),则f−1(σ(C))∈D(Ω1),且f−1(σ(C))=σ(f−1(C)).
- 可测空间:若F∈D(Ω),则称(Ω,F)为可测空间。
- 可测映射:设(Ω1,F1)和(Ω2,F2)是两个可测空间,f为Ω1到Ω2上的映射,若对任意B∈F2,f−1(B)∈F1成立,则称f为(Ω1,F1)到(Ω2,F2)上的可测映射,记为f∈F1/F2.
- 定理:设(Ω1,F1)和(Ω2,F2)是两个可测空间,其中F2=σ(C)。若f为Ω1到Ω2上的映射,且对任意B∈C,f−1(B)∈F1成立,则f∈F1/F2.
- 推论:设f为可测空间(Ω,F)到Borel域(R,B(R))上的映射,则f为可测映射⟺∀x∈R,{ω∈Ω:f(ω)≤x}∈F.
- 可测映射的复合:若f是由(Ω1,F1)到(Ω2,F2)上的可测映射,g是由(Ω2,F2)到(Ω3,F3)上的可测映射,则f与g的复合映射g∘f是由(Ω1,F1)到(Ω3,F3)上的可测映射.
- 若f是可测空间(Ω,F)到Borel域(R,B(R))上的可测映射,称
σ(f)=f−1(B(R))={f−1(B):B∈B(R)}
为由f诱导的σ-代数。σ(f)为使得f可测的最小σ-代数。
排列组合
- 略,除了一个重复组合:
- 本质:已知一个正整数r,求将其分为n个非负整数之和的不同方案数,即求∣Ω∣,Ω={(x1,⋯,xn)∣∑i=1nxi=r,xk∈N}
- 计算:可理解为将r个球和n−1个隔板进行组合,n+r−1个位置先选出r个位置放球,剩下位置放隔板,隔板间球的数量即为分配的非负整数。故总方案数为(rn+r−1)。
随机变量
- 定义:可测空间(Ω,F)到(R,B(R))上的可测映射。
- 等价定义:给定概率空间(Ω,F,P),X为定义在Ω上的实值函数(将Ω中元素映射到R上),则X为随机变量⟺∀x∈R,{ω∈Ω:X(ω)≤x}∈F
- 当X(ω)取值只有两个值时,称X为伯努利随机变量;取值只有一个值时称为常值随机变量。
- 示性函数:设A∈F,称
1A(ω)={1,0,ω∈Aω∈A
为A的示性函数。可知1A为伯努利随机变量。
分布函数
- 定义:设X为随机变量,对任意实数x,称函数F(x)=P∘X−1((−∞,x])=P(X≤x)为随机变量X的(累积)分布函数(记为d.f.)。
- 常值随机变量的分布函数
F(x)={0,1,x<cx≥c=1[c,∞)x
也被称为退化分布函数。
- 不同的随机变量可能有相同的分布函数。
- 性质:
- 单调性:x<y⟺F(x)≤F(y);
- 有界性:0≤F(x)≤1,F(+∞)=1,F(−∞)=0;
- 右连续性:∀x∈R,F(x+0)=F(x)(F(x+0)≜limy→x+F(y))
- 常用公式:
- P(X>x)=1−F(x)
- P(X<x)=F(x−0)≜limy→x−F(y)
- P(X=x)=F(x)−F(x−0),F(X≥x)=1−F(x−0)
- P(a<X≤b)=F(b)−F(a)
概率分布
离散型分布
- 定义:若随机变量X可能取值为x1,x2,⋯,xn,⋯,则称Pk=P(X=xk),k=1,2,⋯为X的分布列(记为p.f.),并称X为离散型随机变量(具有离散型分布)。
- 分布列形式:
| X |
x1 |
x2 |
⋯ |
xn |
⋯ |
| P |
p1 |
p2 |
⋯ |
pn |
⋯ |
- 性质:非负性、正则性(略)
- 定理1:若离散型随机变量X有分布列pk=P(X=xk),k=1,2,⋯,则X的分布函数为
F(X)=k:xk≤x∑pk
- 定理2:若离散型随机变量X有分布列pk=P(X=xk),k=1,2,⋯,则
P(X∈D)=k:xk∈D∑pk=k∑pk⋅1D(xk)
- 分布函数特征:阶梯型、间断点为X可能取值点、跳跃高度为该点概率值
- 已知分布函数求分布列:若F(x)为X分布函数,则X可能取值点为F(x)的所有间断点x1,x2,⋯,分布列为P(X=xk)=F(xk)−F(xk−0)
连续型分布
- 定义:设随机变量X分布函数为F(x),若存在函数p(x)使得对任意x,满足F(x)=∫−∞xp(t)dt成立,则称X为连续型随机变量(具有连续型分布),称p(x)为概率密度函数(记为p.d.f.)
- 性质:
- F(x)在R上连续,故对∀a∈R,P(X=a)=F(a)−F(a−0)=0;
- 若随机变量X的概率密度函数为p(x),则
P(x∈(x−2Δx,x+2Δx))=∫x−2Δxx+2Δxp(t)dt≈p(x)Δx
故$p(x)$在$x$处取值反映了$X$在$x$附近取值可能性大小(但不是概率值)。
- 非负性、正则性(略)
- 注:概率密度函数可以有间断点(如分段函数)
- 定理1:若随机变量X有概率密度函数p(x),D⊂R,则
P(X∈D)=∫Dp(x)dx
- 定理2:若概率密度函数p(x)为偶函数,则对任意实数a,分布函数F满足
F(−a)=21−∫0ap(x)dx;P(∣x∣≤a)=2F(a)−1;F(a)+F(−a)=1(F(0)=21);P(∣x∣≥a)=2(1−F(a))
*混合型分布
- 定义:若F1(x)为离散随机变量分布函数,F2(x)为连续随机变量分布函数,则∀α,0<α<1,F(x)=αF1(x)+(1−α)F2(x)为混合型分布函数。
常用离散分布
- 二项分布
- 分布列:P(X=k)=(kn)pk(1−p)n−k,k=0,1,⋯,n
- 记为X∼b(n,p)
- 当n=1时称为两点分布(或0-1分布)
- 几何分布
- 分布列:P(X=k)=p(1−p)k−1
- 记为X∼Ge(p)
- 具有无记忆性:P(X>m+n∣X>m)=P(X>n)
- 负二项分布(帕斯卡分布)
- 分布列:P(X=k)=(r−1k−1)pr(1−p)k−r
- 记为X∼Nb(r,p)
- 与几何分布关系:Nb(1,p)=Ge(p)
- 泊松分布
- 分布列:P(X=k)=k!λke−λ
- 记为X∼P(λ)
- 泊松定理:设limn→∞npn=λ,则对给定正整数k,有
n→∞lim(kn)pnk(1−pn)n−k=k!λke−λ
- 应用:当$n$很大,$p$很小时($np\in[0.1,10]$)可以用二项分布列近似泊松分布列
- 超几何分布
- 分布列:P(X=k)=(nN)(kM)(n−kN−M)(n≤N,k≤M,n−k≤N−M)
- 记为X∼h(n,N,M)
- 当n,k固定,N→∞,NM→p时,超几何分布h(n,N,M)近似于二项分布b(n,p)
常用连续型分布
- 正态分布
p(x)=2πσ1exp{−2σ2(x−μ)2}
- 记为X∼N(μ,σ2)
- 性质:
- p(x)关于x=μ对称,在μ处取得最大值;
- μ控制p(x)对称轴位置,σ控制p(x)陡峭程度。
- 标准正态分布:取μ=0,σ=1,概率密度函数p(x)=2π1e−2x2被记为φ(x),其对应的分布函数∫−∞x2π1e−2x2被记为Φ(x)。
- 性质:Φ(0)=21,Φ(x)+Φ(−x)=1
- 正态分布标准化:当X∼N(μ,σ2),Y=σX−μ,则Y∼N(0,1)
- 推论:设X∼N(μ,σ2),则X分布函数F(x)=Φ(σx−μ).
- 正态分布3σ准则(略)
- 均匀分布
p(x)=⎩⎨⎧b−a1,0,a<x<botherwise.
- 记为X∼U(a,b)
- 分布函数:
F(x)=⎩⎨⎧0,b−ax−a,1,x<aa≤x<bx≥b
- Gamma分布
p(x)=⎩⎨⎧Γ(α)λαxα−1e−λx,0,x>0x≤0.
其中
Γ(α)=∫0∞xα−1e−xdx
($\Gamma(1)=1,\Gamma(\frac{1}{2})=\sqrt{\pi},\Gamma(s+1)=s\Gamma(s)$)
- 记为X∼Ga(α,λ)
- 当α=1时,为指数分布X∼Exp(λ)
p(x)={λe−λx,0,x>0x≤0.
- 分布函数:
F(x)={1−e−λx,0,x>0x≤0.
- 具有无记忆性
- 当α=2n,λ=21时,为卡方分布X∼χ2(n)
数学期望和方差
数学期望
- 定义:
- 设离散型随机变量X有分布列P(X=xk)=pk,k=1,2,⋯,若
k=1∑∞xkpk
绝对收敛,则称其为$X$的数学期望,记为$\mathbb{E}X$;
- 设连续型随机变量X有概率密度函数p(x),若
∫−∞∞xp(x)dx
绝对收敛,则称其为$X$的数学期望,也记为$\mathbb{E}X$;
- 随机变量函数的期望:当Y=f(X)为随机变量X的函数,若E(f(X))存在,则
EY=E(f(X))=⎩⎨⎧k∑f(xk)pk,∫−∞∞f(x)p(x)dx,离散情形连续情形
- 性质:
- E(c)=c(c为常数)
- E(aX)=aEX(a为常数)
- E(f(X)+g(X))=E(f(X))+E(g(X))
方差
- 定义:若E(X−EX)2存在,则称其为随机变量X的方差,记为VarX
- 另称σx=σ(X)=VarX为X的标准差
- 具体计算:
VarX=⎩⎨⎧k∑(xk−EX)2pk,∫−∞∞(x−EX)2p(x)dx,离散情形连续情形
- 性质:
- Var(c)=0
- Var(aX+b)=a2VarX
- VarX=EX2−(EX)2
- VarX≥0
- 常见分布期望&方差汇总:
| 分布 |
形式 |
期望EX |
方差VarX |
| 二项分布 |
b(n,p) |
np |
np(1−p) |
| 泊松分布 |
P(λ) |
λ |
λ |
| 几何分布 |
Ge(p) |
p1 |
p21−p |
| 负二项分布 |
Nb(r,p) |
pr |
p2r(1−p) |
| 超几何分布 |
h(n,N,M) |
n⋅NM |
N−1N−n⋅n⋅NM⋅NN−M |
| 均匀分布 |
U(a,b) |
2a+b |
12(b−a)2 |
| 正态分布 |
N(μ,σ2) |
μ |
σ2 |
| 指数分布 |
Exp(λ) |
λ1 |
λ21 |
| Gamma分布 |
Ga(α,λ) |
λα |
λ2α |
马尔科夫不等式
- 设随机变量X≥0且EX存在,则∀ϵ>0,有
P(X≥ϵ)≤ϵEX
- 推论:若F(X)在X≥0时单调递增,则
P(X≥ϵ)≤F(ϵ)E(F(x))
(当然这里F(X)条件可以放宽,只要保证X≥ϵ时F(X)≥F(ϵ)即可)
切比雪夫不等式
- 若随机变量X的方差存在,则∀ϵ>0,有
P(∣X−EX∣≥ϵ)≤ϵ2VarXP(∣X−EX∣<ϵ)≥1−ϵ2VarX
- 推论:设X的方差存在,则VarX=0⟺存在常数a,满足P(X=a)=1
矩与其他数字特征
中心矩与原点矩
- 设k为正整数,若Xk数学期望存在,则称E(X−EX)k为X的k阶中心矩(记为νk),称EXk为X的k阶原点矩(记为μk)
- 性质:
- 若高阶矩存在,则低阶矩必存在
- μ1=EX,ν2=VarX
- νk=∑i=0k(ik)μi(−1)k−iμ1k−i(二项展开式)
- 常用分布矩公式:
- 正态分布N(μ,σ2):
νk={(k−1)!!σk,0,k=2mk=2m−1μk=E[μ+(X−μ)]k=j=0∑⌊k/2⌋(2jk)(2j−1)!!σ2jμk−2j
- Gamma分布Ga(α,λ):
μk=λkΓ(α)Γ(α+k)=λk(α+k−1)(α+k−2)⋯(α+1)α
($\nu_k$根据二项展开式计算)
分位数
- 设F(x)为随机变量X的分布函数,0<α<1,称
Xα=inf{x:F(x)≥a}
为X(或分布F)的α-分位数。特别地,当F严格单调时,Xα为F(x)=α的解。
- 标准正态分布的α-分位数一般用uα表示。
- 中位数:根据分位数的定义,称X21为X(或分布F)的中位数。
- 中位数满足P(X≥X21)=P(X≤X21).
变异系数
Cv=μ1ν2=EXVarX(EX=0)
- 消除量纲的影响,用于比较不同量纲的两个随机变量的波动大小
偏度系数与峰度系数
βs=σ3ν3=(VarX)3E(X−EX)3
- 用于衡量随机变量的分布对称性:若βs>0则右偏(中位数小于均值),βs<0则左偏(中位数大于均值)

- 峰度系数公式:
βk=ν22ν4−3=(VarX)2E(X−EX)4−3
- 其中3为标准正态分布N(0,1)的4阶原点(中心)距μ4(ν4)
- 用于刻画分布尾部的肥瘦程度(与标准正态分布相比)
- 计算Gamma分布Ga(α,λ)的偏度系数与峰度系数:
因为
VarX=ν2=λ2α,ν3=λ32α,ν4=λ43α(α+2)
故
βs=α2,βk=α6
随机向量(多元随机变量)
- 定义:
- 二维随机变量:设X,Y为定义在(Ω,F,P)上随机变量,则称(X,Y)为二维随机变量(向量);
- 类似可定义n维随机变量。
二维随机变量
- 联合分布函数:对任意x,y,称F(x,y)=P(X≤x,Y≤y)为(X,Y)的联合分布函数
- 性质:单调性、有界性(F(−∞,y)=F(x,−∞)=F(∞,−∞)=0,F(∞,∞)=1)、右连续性、非负性(∀a1<b1,a2<b2,F(b1,b2)−F(b1,a2)−F(a1,b2)+F(a1,a2)≥0)
- 二维离散随机变量
- (X,Y)取值有限对或可列对
- 称pij=P(X=xi,Y=yj),i,j=1,2,⋯为(X,Y)的联合分布列
- 形式:
| X∖Y |
y1 |
y2 |
⋯ |
yj |
⋯ |
| x1 |
p11 |
p12 |
⋯ |
p1j |
⋯ |
| x2 |
p21 |
p22 |
⋯ |
p2j |
⋯ |
| ⋯ |
⋯ |
⋯ |
⋯ |
⋯ |
⋯ |
| xi |
pi1 |
pi2 |
⋯ |
pij |
⋯ |
| ⋯ |
⋯ |
⋯ |
⋯ |
⋯ |
⋯ |
- 定理:
P((X,Y)∈D)=i,j:xi,yj∈D∑pij
- 二维离散随机变量
- 设二维随机变量(X,Y)联合分布函数为F(x,y),则存在函数p(x,y)使得
F(x,y)=∫−∞x∫−∞yp(u,v)dudv
则称$p(x,y)$为其联合概率密度函数
- 定理:设(X,Y)概率密度函数为p(x,y),D∈B(R2),则
P((X,Y)∈D)=∬Dp(x,y)dxdy
- 若$p(x,y)$可分解为$f(x)\cdot g(y)$,则积分可转化为
P((X,Y)∈D)=∫Dxf(x)dx∫Dyg(y)dy
其中$D_x$,$D_y$为$D$在$x,y$轴上的投影。
常用多维分布
- 多项分布
- 每次实验r种结果A1,⋯,Ar,设P(Ai)=pi,i=1,2,⋯,r, 记Xi为n次独立重复试验中Ai出现次数
- (X1,⋯,Xr)联合分布列:
P(X1=n1,⋯,Xr=nr)=⎩⎨⎧n1!⋯nr!n!p1n1⋯prnr,0,i=1∑rni=notherwise.
- 多维超几何分布
- N个球,分为r个类,第i种有Ni个,∑i=1rNi=N
- (X1,⋯,Xr)联合分布列:
P(X1=n1,⋯,Xr=nr)=⎩⎨⎧(n1N1)⋯(nrNr),0,i=1∑rni=notherwise.
- 二维均匀分布
- 记为:(X,Y)∼U(D)
- 联合概率密度函数:
p(x,y)=⎩⎨⎧SD1,0,(x,y)∈Dotherwise.
其中$S_D$为$D$的面积。
- 二维正态分布
- 记为:(X,Y)∼N(μ1,σ12;μ2,σ22;ρ)
- 联合概率密度函数:
p(x,y)=2πσ1σ2c1exp{−2c21(a2+b2−2ρab)}
其中
a=σ1x−μ1,b=σ2y−μ2,c=1−ρ2
- 高维正态分布
- 记为:设d为随机向量X=(X1,⋯,Xd)T,向量x=(x1,⋯,xd)T
- 联合概率密度函数:
p(x)=(2π)2d∣Σ∣211exp{−21(x−μ)TΣ−1(x−μ)}
其中
Σ=(Cov(xi,xj))d×d
为协方差矩阵,$\mu=(\mu_1,\cdots,\mu_d)^T$为$\mathbf{X}$的期望向量
- 记为X∼N(μ,Σ)
边际分布
- 边际分布函数
- 设随机变量(X,Y)联合分布函数为F(X,Y),则随机变量X和Y的分布函数分别为:
FX(x)=F(x,∞)≜y→∞limF(x,y)FY(y)=F(∞,y)≜x→∞limF(x,y)
- 边际分布列
- 设随机变量(X,Y)有分布列pij=P(X=xi,Y=yj),i,j=1,2,⋯,则随机变量X和Y的边际分布列为
P(X=xi)=j=1∑∞pij≜pi,i=1,2,⋯P(Y=yj)=i=1∑∞pij≜pj,j=1,2,⋯
- 边际概率密度函数
- 已知(X,Y)联合概率密度函数为p(x,y),则随机变量X和Y的边际概率密度函数分别为
pX(x)=∫−∞∞p(x,y)dypY(y)=∫−∞∞p(x,y)dx
- 一般无法由边际分布推导出联合分布;二维均匀分布的边际分布不一定是均匀分布。
- 二维正态分布的边际分布:
- 设(X,Y)服从二维正态分布N(μ1,σ12;μ2,σ22;ρ),则X服从正态分布N(μ1,σ12),Y服从正态分布N(μ2,σ22)
随机向量的独立性
- 二维定义:若对任意(x,y)∈R2,随机事件{X≤x}与{Y≤y}相互独立,则称随机变量X与Y相互独立。即:
F(x,y)=FX(x)FY(y)
- 等价描述:
- 若(X,Y)为离散随机向量,则X与Y独立⟺∀(i,j),pij=pipj;
-
- 若(X,Y)为连续随机向量,则X与Y独立⟺∀(x,y)∈R2,p(x,y)=pX(x)pY(y);
- 二维正态分布的独立性:
- 设随机变量(X,Y)服从二维正态分布N(μ1,σ12;μ2,σ22;ρ),则X与Y相互独立⟺ρ=0
- 一般定义:X1,⋯,Xd相互独立⟺F(x1,⋯,xd)=F1(x1)⋯Fd(xd),(x1,⋯,xd)∈Rd
随机变量函数的独立性
- 定理:设X,Y为定义在概率空间(Ω,F,P)上的随机变量,f,g均为(R,B(R))上的可测函数,若X与Y相互独立,则f(X)与g(Y)相互独立。
- 推论:若(X1,⋯,Xn)相互独立,则(Xi1,⋯,Xir)与(Xj1,⋯,Xjr)相互独立(i1,⋯,ir与j1,⋯,jr为互不相同的下标,均属于{1,2,⋯,n})
随机向量函数的分布
一元情形
- 定理:已知随机变量X有分布列{pk,k=1,2,⋯}或概率密度函数pX(x),则Y=f(X)(f为Borel可测函数)的分布函数为
FY(y)=⎩⎨⎧k:xk∈Dy∑pk,∫DypX(x)dx,离散情形连续情形.
其中Dy={x:f(x)≤y}
- 例子:
- 若X∼N(0,1),则Y=X2∼Ga(21,21)=χ2(1);
- 若X∼N(0,1),Y=eX,则
pY(y)=⎩⎨⎧2πyσ1e−2σ2(lny−μ)2,0,y>0y≤0.
- 定理1:若随机向量X的分布函数F(x)严格单调增,则Y=F(X)∼U(0,1)
FY(y)=P(Y≤y)=P(F(X)≤y)=⎩⎨⎧0,P(X≤F−1(y))=F(F−1(y))=y,1,y<00≤y<1y≥1
- 定理2:设随机变量X的概率密度函数为pX(x),函数y=f(x)严格单调,且其反函数x=h(y)连续可导,则随机变量Y=f(X)的概率密度函数为:
pY(y)={pX(h(y))⋅∣h′(y)∣,0,y∈Eotherwise.
其中E为f的值域。
- 定理3(正态分布的线性不变性):设X∼N(μ,σ2),则a=0时,Y=aX+b∼N(aμ+b,a2σ2).
- 推论:当X∼N(μ,σ2)时,σX−μ∼N(0,1)
- 定理4(Gamma分布线性性):设X∼Ga(α,λ),c>0,则cX∼Ga(α,cλ).
- 推论:设X∼N(0,σ2),则X2∼Ga(21,2σ21).
多个随机变量函数的分布(二元情形)
- 定理:设(X,Y)有分布列{pij,i,j,=1,2,⋯}或联合概率密度函数p(x,y),则Z=g(X,Y)(g为R2到R上可测函数)的分布函数为
FZ(z)=P((X,Y)∈Dz)=⎩⎨⎧i,j:(xi,yj)∈Dz∑pij,∬Dzp(x,y)dxdy,离散情形连续情形.
- 特别地,当g(x,y)=x或y时,即为求边际分布函数。
- 推论:当Z=g(X,Y)所有取值为{zk,k=1,2,⋯},则Z的分布函数为
i,j:g(xi,yj)=zk∑pij
卷积公式
- 离散情形:设(X,Y)分布列为pij=P(X=xi,Y=yj),则Z=X+Y的分布列为
P(Z=zk)=i∑P(X=xi,Y=zk−xi)=j∑P(X=zk−yj,Y=yj)
特别地,当X与Y相互独立,则
P(Z=zk)=i∑P(X=xi)P(Y=zk−xi)=j∑P(X=zk−yj)P(Y=yj)
- 连续情形:设(X,Y)联合概率密度函数为p(x,y),则∀t∈R,Z=tX+Y的概率密度函数为
pZ(z)=∫−∞∞p(x,z−tx)dx
- 特别地,当t=1时,Z=X+Y的概率密度函数为
pZ(z)=∫−∞∞p(x,z−x)dx=∫−∞∞p(z−y,y)dy
- 当然,当X与Y相互独立,则p(x,z−tx)=pX(x)pY(z−tx).
- 另外,当pX(x)与pY(y)为分段函数时,计算Dz就需要根据分段函数划定范围,再积分
概率分布的可加性
- 二项分布的可加性
- 若X∼b(n,p),Y∼n(n,p),且相互独立,则Z=X+Y∼b(n+m,p)
- 即二项分布可视为多个相互独立的两点分布的和
- 泊松分布的可加性
- 若X∼P(λ1),Y∼P(λ2),且相互独立,则Z=X+Y∼P(λ1+λ2)
- Gamma分布的可加性
- 若X∼Ga(α1,λ),Y∼Ga(λ2,λ),且相互独立,则Z=X+Y∼Ga(α1+α2,λ)
- 推论:卡方分布的可加性
- 若X∼χ2(n),Y∼χ2(m),且相互独立,则Z=X+Y∼χ2(n+m)
- 注:指数分布不具有可加性
- 正态分布的可加性
- 设(X,Y)服从二维正态分布N(μ1,σ1;μ2,σ22;ρ),则Z=X+Y∼N(μ1+μ2,σ12+σ22+2ρσ1σ2).
- 推论:若X∼N(μ1,σ12),Y∼N(μ2,σ22),且相互独立,则X±Y∼N(μ1±μ2,σ12+σ22)
- 正态分布的线性性:若Xi∼N(μi,σi2),i=1,2,⋯,n且相互独立,αi为任意常数,则
α1X1+α2X2+⋯+αnXn∼N(α1μ1+⋯+αnXN,α12σ12+⋯+αn2σn2)
极值分布
- 设(X1,⋯,Xn)相互独立,分布函数为Fi(x),i=1,⋯,n,记Y=max(X1,⋯,Xn),Z=min(X1,⋯,Xn),则Y与Z的分布函数分别为
FY(y)=i=1∏nFi(y),FZ(z)=1−i=1∏n(1−Fi(z))
- 特别地,当X1,⋯,Xn相互独立且同分布,分布函数均为FX(x),则FY(y)=[FX(y)]n,FZ(z)=1=[1−FZ(z)]n.
- 更进一步,当上述X1,⋯,Xn均为连续型随机变量,概率密度函数均为pX(x),则pY(y)=n[FX(y)]n−1pX(y),pZ(z)=n[1−FX(z)]n−1pX(z)
混合型随机变量函数的分布
- 计算分布函数:使用定义(F(x,y)=P(X≤x,Y≤y),FT(X+Y)=P(X+Y≤t),⋯)
随机向量变换的分布
- 注:本节所述随机变量均为连续型随机变量
- 问题:设随机变量X=(X1,⋯,Xn)的联合概率密度函数为p(x1,⋯,xn),且有Yi=hi(X),i=1,⋯,m(hi为Rn到R上可测函数),试求Y=(Y1,⋯,Ym)的分布。
- 使用定义——多重积分(麻烦,略去)
- 使用坐标变换:若对任意i=1,2,⋯,n,yi=hi(x1,⋯,xn)的逆变换xi=ki(y1,⋯,yn)存在且有连续偏导数,则Y=(Y1,⋯,Ym)的概率密度函数为
p∗(y1,⋯,yn)={p(k1(y1,⋯,yn),⋯,kn(y1,⋯,yn))∣J∣,0,(y1,⋯,yn)∈E,otherwise.
其中E为(h1X,⋯,hnX)的值域,J为坐标变换的雅格比行列式:
J=∂(y1,⋯,yn)∂(x1,⋯,xn)=∂y1∂x1∂y1∂x2⋯∂y1∂xn∂y2∂x1∂y2∂x2⋯∂y2∂xn⋯⋯⋯⋯∂yn∂x1∂yn∂x2⋯∂yn∂xn
增补变量法求联合分布函数的分布
- 问题:已知(X,Y)的联合分布,求U=G(X,Y)的分布。
- 方法:增加一个随机变量V=h(X,Y)(通常取V=X或V=Y),再求(U,V)的联合分布,最后对U求边际分布。
- 例:
U=XY⟹pU(u)=∫−∞∞pX(vu)pY(v)∣v∣1dv
U=YX⟹pU(u)=∫−∞∞pX(uv)pY(v)∣v∣dv
随机变量的数字特征
数学期望与方差
- 数学期望定义:设(X,Y)为二维随机向量,若EX与EY均存在(通过边际分布求得),则称(EX,EY)为(X,Y)的数学期望(向量)【也可推广为d维随机向量,下略】
- 方差定义:类似一维随机变量,故省略
- 定理:设随机变量Z=g(X,Y)为(X,Y)的函数,若EZ存在,则
EZ=E[g(X,Y)]=⎩⎨⎧i,j∑g(xi,yj)pij,∬g(x,y)p(x,y)dxdy,离散情形连续情形
- 性质(注:下面将X,Y替换为f(X),g(Y)也成立):
- E(X+Y)=EX+EY
- 若X,Y相互独立,则E(XY)=EX⋅EY
- Var(X±Y)=VarX+VarY±2E[(X−EX)(Y−EY)]
- E[(X−EX)(Y−EY)]=E(XY)−EX⋅EY
- 若X与Y相互独立,则:
- E[(X−EX)(Y−EY)]=0
- Var(X±Y)=VarX+VarY
- 推论:若n维随机变量X=∑i=1nXi,则
VarX=i=1∑nVar(Xi)+2i=1∑nj=1∑i−1E[(Xi−EXi)(Yj−EYj)]
协方差
- 定义:设(X,Y)为二维随机变量,若E[(X−EX)(Y−EY)]存在,则称其为X与Y的协方差,记为Cov(X,Y).
- 性质:
- Cov(X,Y)=Cov(Y,X)
- Cov(aX,bY)=abCov(X,Y)
- Cov(X,Y)=E(XY)−EX⋅EY(计算时更常用)
- 若X与Y独立,则Cov(X,Y)=0
- Cov(X,a)=0,Cov(X,X)=VarX
- Cov(X+Y,Z)=Cov(X,Z)+Cov(Y,Z)
- Var(aX±bY)=a2Var(X)+b2Var(Y)±2abCov(X,Y)
- 协方差阵
- 设(X1,⋯,Xn)为n维随机向量,若∀i,j(1≤i,j≤n),Cov(Xi,Xj)存在,则称Σ=(Cov(Xi,Xj))n×n为(X1,⋯,Xn)的协方差矩阵
- 性质:
- 主对角线上元素为Xi的方差
- 所有元素之和为X=X1+⋯+Xn的方差(Var(∑i=1nXi)=∑i,j=1nCov(Xi,Xj))
- 若(X,Y)∼N(μ1,σ12;μ2,σ22;ρ),则
Σ=(σ12ρσ1σ2ρσ1σ2σ22)
- $\Sigma$有对称性与半正定性
相关系数
- 定义:若(X,Y)为二维随机向量,则称
Corr(X,Y)=VarXVarYCov(X,Y)
为X与Y的相关系数(也记为ρxy)
Corr(X,Y)=EX2−(EX)2EY2−(EY)2E(XY)−EX⋅EY
即计算$\mathbb{E}X,\mathbb{E}Y,\mathbb{E}X^2,\mathbb{E}Y^2,\mathbb{E}(XY)$五个量。
- 性质:
- 若X∗=VarXX−EX,Y∗=VarYY−EY,则Corr(X,Y)=Cov(X∗,Y∗)=Corr(X∗,Y∗)=E(X∗Y∗)
- ∣Corr(X,Y)∣≤1,且取等号当且仅当X与Y有线性关系(即∃a,b满足P(Y=aX+b)=1)
- 推论:
- 由∣Corr(X,Y)∣≤1可立即推得
∣E[(X−EX)(Y−EY)]∣2≤VarX⋅VarY
而令$\mathbb{E}X=\mathbb{E}Y=0$即得柯西-施瓦茨不等式:
∣E(XY)∣2≤EX2⋅EY2
当然这个不等式在$\mathbb{E}X,\mathbb{E}Y\neq 0$时也成立,不过就需要其他证明方法。
- 当Corr(X,Y)=±1时,称X与Y正/负相关(隐去了线性性);当Corr(X,Y)=0时,称X与Y不相关(但不代表没有关系!)
- 若X与Y相互独立,则Corr(X,Y)=0,即X与Y不相关,但反之不成立
- 二维正态分布的相关系数:
- 若(X,Y)∼N(μ1,σ12;μ2,σ22;ρ),则Corr(X,Y)=ρ.
- 如果(X,Y)满足二维正态分布,则X与Y不相关⟺X与Y相互独立(但如果只有X与Y满足正态分布命题不成立)
条件分布
- 定义:设(X,Y)为二维随机变量,且对任意Δy>0,P(y−Δy<Y≤y)>0(若Y离散,则等价于Y可取到y;若Y连续,则等价于pY(y)>0)。若对任意实数x,
=Δy→0+limP(X≤x∣y−Δy<Y≤y)Δy→0+limP(y−Δy<Y≤y)P(X≤x,y−Δy<Y≤y)
存在,则称其为Y=y条件下X的条件分布函数,记为P(X≤x∣Y=y)或FX∣Y(x∣y)。
条件分布列
- 设(X,Y)的联合分布列为P(X=xi,Y=yj)=Pij,i,j=1,2,⋯,若P(Y=yj)>0,则Y=yj条件下X的条件分布列为
P(X=xi∣Y=yj)=P(Y=yj)P(X=xi,Y=yj)=∑kpkjpij,i=1,2,⋯
条件概率密度函数
- 设(X,Y)的联合概率密度函数为p(x,y),X与Y的边际概率密度函数分别为pX(x)与pY(y),则Y=y(pY(y)>0)条件下X的条件分布函数为
FX∣Y(x∣y)=∫−∞xpY(y)p(u,y)du
其中pY(y)p(x,y)被称为Y=y条件下X的条件概率密度函数,记为pX∣Y(x∣y).
P(X≤x∣y−Δy<Y≤y)=∫−∞x∫y−Δyyp(u,v)dudv=∫y−Δyy(∫−∞xp(u,v)du)dv
故
==Δy→0+limΔy1P(X≤x∣y−Δy<Y≤y)Δy→0+limΔy1∫y−Δyy(∫−∞xp(u,v)du)dv∫−∞xp(u,y)du
最后一个等号由微分中值定理得到。
同理,
==Δy→0+limΔy1P(y−Δy<Y≤y)Δy→0+limΔy1∫y−ΔyypY(v)dvpY(y)
- 注:在计算连续型随机变量条件概率(如P(X>a∣Y=y))时不能直接使用条件概率公式(因为P(Y=y)=0),而应该先求条件概率密度函数,再用积分求解。
条件数学期望
- 定义:设(X,Y)为二维随机变量,称
E(X∣Y=y)=⎩⎨⎧i∑xiP(X=xi∣Y=y),∫−∞∞xpX∣Y(x∣y)dx,离散情形连续情形
为Y=y条件下X的条件数学期望。(在连续情形下,需要pX∣Y(x∣y)有意义)
- 另外,对于随机变量X与随机事件B,若P(B)=0,可定义X关于B的条件数学期望:
E(X∣B)=P(B)E(X⋅1B)
- 在实际运算中,一般会先求出条件分布,再使用期望公式得出。
- 注:条件数学期望是关于y的函数,且可能不存在。
- 设E(X∣Y=y)=g(y),则可以考虑随机变量Y的函数g(Y),记为E(X∣Y)(即Y=y时取值E(X∣Y=y))。
- 重期望公式:
- 设(X,Y)为二维随机变量,且EX存在,则EX=E(E(X∣Y))=E(g(Y)).
- 本质为全概率公式:
EX=⎩⎨⎧j∑E(X∣Y=yj)P(Y=yj),∫−∞∞E(X∣Y=y)pY(y)dy,离散情形连续情形
- 条件数学期望的性质:
- E(aX+bY∣Z)=aE(X∣Z)+bE(Y∣Z)
- E(X∣X)=X
条件方差
=Var(X∣Y=y)=E[(X−E(X∣Y=y))2∣Y=y]E(X2∣Y=y)−(E(X∣Y=y))2
为Y=y时X的条件方差(也为y的函数)
- 类似有Var(X∣Y)为Y的函数
- 条件方差公式:VarX=E(Var(X∣Y))+Var(E(X∣Y))
E(Var(X∣Y))+Var(E(X∣Y))=E[E(X2∣Y)−(E(X∣Y))2]+E[(E(X∣Y))2]−[E[E(X∣Y)]]2=E[E(X2∣Y)]−[E[E(X∣Y)]]2=EX2−(EX)2=VarX
极限理论
随机变量序列的收敛性
- 几乎处处收敛(依概率1收敛)
- 定义:若随机变量序列{Xn,n≥1}满足
P(n→∞limXn=X)=1
则称$\{X_n,n\geq 1\}$几乎处处收敛到$X$(记为$X_n\stackrel{a.s.}{\longrightarrow}X$)
P({ω:n→∞limXn(ω)=X(ω)})=1
即满足$X_n(\omega)\nrightarrow X(\omega)\hspace{0.5em}(n\to\infty)$的$\omega$发生的概率为$0$
- 依概率收敛
- 定义:若∀ϵ>0,
n→∞limP(∣Xn−X∣≥ϵ)=0
则称$\{X_n,n\geq 1\}$依概率收敛到$X$(记为$X_n\stackrel{P}{\longrightarrow}X$)
- 与几乎处处收敛的区别:“几乎处处收敛”针对随机变量取值取极限,而“依概率收敛”针对随机变量偏离的概率求极限
- 依分布收敛
- 定义:设随机变量Xn的分布函数为Fn(x),随机变量X的分布函数为F(x),如果对于F(x)的任意连续点x,有
n→∞limFn(x)=F(x)
则称$\{X_n,n\geq 1\}$依分布收敛到$X$(记为$X_n\stackrel{d}{\longrightarrow}X$或$X_n\stackrel{L}{\longrightarrow}X$),也称$\{F_n,n\geq 1\}$弱收敛于$F$(记为$F_n\stackrel{w}{\longrightarrow}F$)
性质
- 几乎处处收敛性质
Xn⟶a.s.XP(k=1⋃∞n=1⋂∞m=n⋃∞{∣Xm−X∣≥k1})=0∀ϵ>0,P(n=1⋂∞m=n⋃∞{∣Xm−X∣≥ϵ})=0∀ϵ>0,n→∞limP(m=n⋃∞{∣Xm−X∣≥ϵ})=0
- Borel-Cantelli引理:设{An,n≥1}为(Ω,F,P)中的随机事件列,记
{An,i.o.}=n=1⋂∞m=n⋃∞Am
表示为“事件$A_n$发生无穷多次”(infinity often),那么:
- 若$\sum_{n=1}^\infty P(A_n)<\infty$,则$P(A_n,i.o.)=0$;
- 若$\{A_n,n\geq 1\}$为相互独立的事件列,且$\sum_{n=1}^\infty p(A_n)=\infty$,则$P(A_n,i.o.)=1$
- 那么由引理可得:
- 若∀ϵ>0,∑n=1∞P(∣Xn−X∣≥ϵ)<∞,则Xn⟶a.s.X;
- 若{Xn,n≥1}为相互独立的随机变量序列,c为常数,则
Xn⟶a.s.c⟺∀ϵ>0,n=1∑∞P(∣Xn−c∣≥ϵ)<∞
- 依概率收敛性质
- 若随机变量序列{Xn,n≥1}满足limn→∞EXn2=0,则Xn⟶P0(可使用马尔科夫不等式证明)
- 计算:设Xn⟶PX,Yn⟶PY,则
Xn+Yn⟶PX+YXnYn⟶PXY
- 判别:若Xn⟶PX,则
- 设f为定义在R上的连续函数,则f(Xn)⟶Pf(X);
- 判别公式:
n→∞limE(1+∣Xn−X∣∣Xn−X∣)=0
- 依分布收敛性质
- Slutsky定理:若Xn⟶dX,Yn⟶Pc(c为常数),则
- Xn+Yn⟶dX+c;
- XnYn⟶dcX
- c=0,Yn=0时,YnXn⟶dcX
三种收敛之间的关系
- Xn⟶a.s.X蕴含Xn⟶PX,反之不成立
- Xn⟶PX⟺对每个子列{Xnk,k≥1},存在子子列{Xnkj,j≥1}满足Xnkj⟶a.s.X
- Xn⟶PX蕴含Xn⟶dX,反之不成立
- 设c为一个常数,则Xn⟶dc蕴含Xn⟶Pc
特征函数
- 前提概念:
- 复值随机变量:设X,Y为(Ω,F,P)上的实值随机变量,则称Z=X+iY为复值随机变量(若EX,EY存在,则称EZ=EX+iEY为Z的数学期望);
- Z的共轭随机变量:Z=X−iY;
- Z的模:∣Z∣=∣X∣2+∣Y∣2;
- 独立性:设Z1=X1+iY1,Z2=X2+iY2,若X1,Y1分别与X2,Y2相互独立,则称Z1与Z2相互独立。
- 另一种形式:若X与Y相互独立,则eiX与eiY相互独立
- 定义:设X为随机变量,其分布函数为F,则称复值函数
f(t)=EeitX=E[cos(tX)+isin(tX)]=E[cos(tX)]+iE[sin(tX)]
为X(或F)的特征函数。
- 任何随机变量(或概率分布)的特征函数均存在(因为∣eitX∣=1<∞)
- 常见分布特征函数:
| 分布 |
特征函数 |
| b(1,p) |
peit+1−p |
| Ge(p) |
1−(1−p)eitpeit |
| P(λ) |
eλ(eit−1) |
| U(0,1) |
⎩⎨⎧iteit−1,1,t=0t=0 |
| Exp(λ) |
λ−itλ |
| N(0,1) |
e−2t2 |
特征函数的性质
- f(0)=1,∣f(t)∣≤1
- f(−t)=f(t)(共轭)
- 设a,b为常数,Y=aX+b,则fY(t)=eibtfX(at)
- 若X与Y相互独立,则fX+Y(t)=fX(t)fY(t)
比卷积公式好记
- 特征函数与矩的关系:若随机变量X的k阶矩μk=EXk存在,则∀j,1≤j≤k,f(t)的j阶导数存在,且
f(j)(0)=ijμj
- 定理1:设f(t)为随机变量X的特征函数,则f(t)非负定,即对于任意正整数n,取任意n个复数z1,⋯,zn与n个实数t1,⋯,tn,有
i,j=1∑nf(ti−tj)zizj>0
- 定理2(唯一性定理):概率分布由其特征函数唯一确定。设f为分布函数F的特征函数,则
F(x)=y→−∞limT→∞lim∫−TTi⋅2πte−ity−e−itxf(t)dt
(这一公式也被称为逆转公式)
- 定理3(连续性定理):
- 设Xn⟶dX,fn(n≥1)为Xn的特征函数,f为X的特征函数,则limn→∞fn(t)=f(t),t∈R;
- 设f在0点连续,limn→∞fn(t)=f(t)对任意t∈R成立,则Xn⟶dX(Xn,X同上)
- 注:上面条件中f在0点连续是为了保证limn→∞fn(t)为分布函数。
多维随机变量的特征函数
- 定义:设X=(X1,⋯,Xd)T为d维随机变量,则称
f(t1,⋯,td)=EeitTX=Eexp{ii=1∑dtiXi}
为X的特征函数,这里t=(t1,⋯,td)T∈Rd
- 例:设(X,Y)服从二维正态分布N(0,1;0,1;ρ),则(X,Y)的特征函数为
f(t1,t2)=Eexp[i(t1X+t2Y)]=exp{−2t12+t22+2ρt1t2}
矩母函数(特征函数的实数版本)
- 定义:设X为一随机变量,对于t∈R使得E[etX]<∞,则称
MX(t)=E[etX]
为X的矩母函数。
- 注:矩母函数不一定对所有t∈R均存在(比特征函数条件更严格)
- 若X=(X1,⋯,Xd)T为d维随机变量,则称
MX(t)=EetTX=Eexp{i=1∑dtiXi}
为X的特征函数,这里t=(t1,⋯,td)T∈Rd
- 性质:
- 若随机变量X与Y相互独立,则MX+Y(t)=MX(t)MY(t)(与特征函数相同)
- 与原点矩的关系(基于泰勒展开):MX(n)(t)=E[XnetX]⟹MX(n)(0)=E[Xn]=μn
- 与中心矩的关系:设μ=EX,MX−μ(t)=E[et(X−μ)]=e−μMX(t),则
MX−μ(n)(t)=E[(X−μ)net(X−μ)]⟹MX−μ(n)(0)=E[(X−μ)n]=νn
- 常见分布矩母函数(基本就是特征函数把it换成了t):
| 分布 |
矩母函数 |
| b(n,p) |
(pet+1−p)n |
| Ge(p) |
1−(1−p)eitpeit |
| P(λ) |
eλ(et−1) |
| Exp(λ) |
λ−tλ,∀t<λ |
| N(0,1) |
e2t2 |
大数定律
- 伯努利大数定律
- 设一次试验中事件A发生的概率为p,记Sn为n次独立实验中事件A的发生次数,则n→∞时,
nSn⟶Pp
- (弱)大数定律
- 定义:对于随机变量序列{Xn,n≥1},若存在数列{an,n≥1}与{bn,n≥1}({bn}单调增且趋于无穷),且有n→∞时,
bnSn−an⟶P0
其中$S_n=\sum_{k=1}^nX_k$.则称$X_n$满足(弱)大数定律。
- 注1:如无特别说明,一般取an=ESn,bn=n,即
nSn−ESn⟶P0
- 注2:若{Xn}独立同分布,上式也等价于
n→∞limP(∣n∑k=1nXk−EX1∣≥ϵ)=0
(伯努利大数定律就是$X_k\sim b(1,p)$的情形)
- 其他大数定律(均对于随机变量序列{Xn,n≥1},并设Sn=∑k=1nXk,满足下述条件之一即满足(弱)大数定律)
- 切比雪夫大数定律:{Xn,n≥1}两两不相关,且{VarXn}一致有界;
- 马尔科夫大数定律:马尔科夫条件成立,即limn→∞n2VarSn=0;
- 辛钦大数定律:{Xn,n≥1}独立同分布且EX1存在。
- 相互关系:
- 伯努利大数定律是切比雪夫大数定律的特例;切比雪夫大数定律是马尔科夫大数定律的推论(前者成立,后者一定成立);马尔科夫大数定律可以由切比雪夫不等式推得:
P(∣nSn−ESn∣≥ϵ)=P(∣Sn−ESn∣≥nϵ)≤n2ϵ2VarSn→0(n→∞)
(弱)大数定律的应用
I=∫01f(x)dx=∫01f(x)⋅1dx=E(f(X))(X∼U(0,1))=EY(Y=F(X))
故可以在(0,1)中随机生成n个均匀分布的随机数x1,⋯,xn,再由大数定律,
I≈n1k=1∑nf(xk)
更一般的大数定律(不要求数学期望存在)
- 设{Xn,n≥1}为相互独立的随机变量序列,对任意n≥1,记
Yn,k={Xk,0,∣Xk∣≤n∣Xk∣>n
另记an=∑k=1nEYn,k,Sn=∑k=1nXk,若n→∞时,
k=1∑nP(∣Xk∣>n)→0n21k=1∑nEYn,k2→0
则有
nSn−an⟶P0
即{Xn,n≥1}满足大数定律。
强大数定律
- 定义:对于随机变量序列{Xn,n≥1},若存在数列{an,n≥1}与{bn,n≥1}({bn}单调增且趋于无穷),且有n→∞时,
bnSn−an⟶a.s.0
其中Sn=∑k=1nXk.则称Xn满足强大数定律。
- 特别地,当{Xn,n≥1}独立同分布,且数学期望EX1=μ存在,则有:n→∞时,
nSn⟶a.s.μ
中心极限定理
- 与大数定律的区别:大数定律研究的是随机变量和的均值与和的期望的关系;而中心极限定理研究的是随机变量和的分布与正态分布的关系
- 定义:设{Xn,n≥1}为随机变量序列,Sn=∑k=1n,n≥1,若数学期望ESn与方差VarSn均存在,且
Sn∗=VarSnSn−ESn
依分布收敛于标准正态分布N(0,1),则称{Xn,n≥1}满足中心极限定理。
- 性质:若{Xn,n≥1}满足中心极限定理,则对任意x∈R,
n→∞limP(VarSnSn−ESn≤x)=Φ(x)
其中Φ为标准正态分布N(0,1)的分布函数。
- Lindeberg-Lévy中心极限定理:设{Xn,n≥1}为独立同分布的随机变量序列,数学期望为μ,方差为σ2,则{Xn,n≥1}满足中心极限定理。
P(a≤k=1∑nXn≤b)≈Φ(σnb−nμ)−Φ(σna−nμ)
(提示:$S_n$均值为$n\mu$,方差为$n\sigma^2$)
- DeMoivre-Laplace中心极限定理:设Yn服从二项分布b(n,p),则
n→∞limP(np(1−p)Yn−np≤y)=Φ(y)
其中Φ为标准正态分布N(0,1)的分布函数。
- 注:由于二项分布为离散分布,正态分布为连续分布,故用正态分布近似二项分布时,需要做以下修正:
P(k1≤Yn≤k2)=P(k1−0.5<Yn<k2+0.5)≈Φ(np(1−p)k2+0.5−np)−Φ(np(1−p)k1−0.5−np)
- 三类应用:已知n和y,求概率;已知n和概率,求y;已知y和概率,求n。(具体见题目分类汇编)
- 中心极限定理比直接用切比雪夫不等式作近似计算精度更好。
*独立不同分布情形(仅作了解)
- Lindeberg-Feller条件:对于独立的随机变量序列{Xn,n≥1},若EXn=μn,VarXn=σn2<∞,记sn=∑i=1nσi2,若∀ϵ>0,
sn21i=1∑nE(Xi−μi)2⋅1{∣Xi−μi∣>ϵsn}→0(n→∞)
则称{Xn,n≥1}满足Lindeberg-Feller条件。
- Lindeberg-Feller中心极限定理:若独立随机变量序列{Xn,n≥1}满足Lindeberg-Feller条件,则对任意x∈R,
n→∞limP(Sn∑i=1n(Xi−μi)≤x)=Φ(x)
- Lyapunov定理:对于独立的随机变量序列{Xn,n≥1},EXn=μn,VarXn=σn2<∞,记sn=∑i=1nσi2,若存在δ>0,满足
n→∞limsn2+δ1i=1∑nE∣Xi−μi∣2+δ=0,
则对任意x∈R,
n→∞limP(Sn∑i=1n(Xi−μi)≤x)=Φ(x)
- 注:这里δ常取1或2。
- 推论(伯努利分布的中心极限定理):若独立随机变量序列{Xn,n≥1}满足∀n≥1,Xn∼b(1,pn),记Yn=∑i=1npi(1−pi)∑i=1n(Xi−pi),若∑i=1∞pi(1−pi)=∞,则对任意x∈R,
n→∞limP(Yn≤x)=Φ(x)
*Delta方法(也仅作了解)
- Delta定理:设{Yn,n≥1}为随机变量序列,F∗为连续的分布函数,θ为实数,数列{an,n≥1}满足0<an↑∞,且使得
an(Yn−θ)⟶dF∗,
若α(θ)为θ的函数,且有连续导函数α′(θ)=0,则
α′(θ)an(α(Yn)−α(θ))⟶dF∗
即α′(θ)an(α(Yn)−α(θ))与an(Yn−θ)具有相同渐近分布F∗。
- 推论:设随机变量序列{Xn,n≥1}独立同分布,具有数学期望μ和方差σ2,记Xn=n1∑k=1nXk.设α(μ)为μ的函数且有连续的导函数α′(μ)=0,则
σ⋅α′(μ)n(α(Xn)−α(μ))⟶dN(0,1).