随机变量

  • 离散型随机变量
    • 0-1 分布 b(1,p)b(1,p)
      • P(X=k)=(1p)k1pk (k=0,1)P(X = k) = (1-p)^{k - 1}p^k\ (k = 0,1)
    • 二项分布 b(n,p)b(n, p)
      • XX 的可能取值为 0,1,2,,n0,1,2,\dots,nP(X=k)=Cnkpk(1p)kP(X = k) = C_n^k p^k (1-p)^k
    • 几何分布 G(p)G(p)
      • XX 的可能取值集合为 N\mathrm N^*P(X=k)=(1p)k1pP(X = k) = (1 - p)^{k - 1}p
      • 几何分布具有无记忆性,即 P(X=m+nX=m)=P(X=n)P(X = m + n | X = m) = P(X = n)
    • 超几何分布 H(n,M,N)H(n,M,N)
      • XX 的可能取值集合为 [0,min{n,M}]N[0, \min\{n, M \}] \cap N^*P(X=k)=CMkCNMnkCNnP(X = k) = \dfrac{C_M^k C_{N - M}^{n - k}}{C_N^n}
    • 泊松分布 π(λ)\pi(\lambda)
      • XX 的可能取值集合为 NN^*P(X=k)=λkk!eλP(X = k) = \dfrac{\lambda^k}{k!} e^{-\lambda}
      • 一段时间和空间中出现的事件的个数服从泊松分布。
  • 分布函数
    • 定义
      • XX 为一个随机变量,xRx \in \mathrm R,则 F(x)=P(Xx)F(x) = P(X \le x) 称为分布函数。
    • 性质
      • 单调递增。
      • 非负,对于任意 xx,均有 F(x)[0,1]F(x) \in [0,1]limxF(x)=0,limx+F(x)=1\lim\limits_{x \to -\infty} F(x) = 0,\lim\limits_{x \to +\infty} F(x) = 1
      • 连续
  • 连续型随机变量
    • 定义
      • XX 的分布函数为 F(x)F(x),如果存在非负可积函数 f(x)f(x),使得 F(x)=xf(t)dtF(x) = \displaystyle\int_{-\infty}^x f(t)\mathrm dt,则 XX 是连续型随机变量,f(x)f(x) 是概率密度函数。
      • f(x)0f(x) \ge 0+f(t)dt=1\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} f(t)\mathrm dt = 1 是判断 f(x)f(x) 是不是概率密度函数的充要条件。
    • 均匀分布 U(a,b)U(a,b)
      • f(x)={1ba,a<x<b0,otherwisef(x) = \left\{\begin{matrix}\dfrac{1}{b - a}, & a < x < b \\ 0, & \text{otherwise}\end{matrix}\right.F(x)={0,x<axaba,ax<b1,xbF(x) = \left\{\begin{matrix} 0, & x < a \\ \dfrac{x - a}{b - a}, & a\le x < b \\ 1, & x \ge b\end{matrix}\right.
    • 指数分布 E(λ)E(\lambda)
      • f(x)={λeλx,x00,x<0f(x) = \left\{\begin{matrix} \lambda e^{-\lambda x}, & x \ge 0 \\ 0, & x < 0 \end{matrix}\right.F(x)={1eλx,x00,x<0F(x) = \left\{\begin{matrix} 1 - e^{-\lambda x}, & x \ge 0 \\ 0, & x < 0 \end{matrix}\right.
      • 指数分布有无记忆性。
      • 损坏率不变的事物的寿命、排队时间等服从指数分布。
      • 如果任意 tt 时间内,发生某一个事件的个数 Xπ(λ)X \sim \pi(\lambda),则任意相邻两个事件的间隔 TE(λ)T \sim E(\lambda)
    • 正态分布 N(μ,σ2)N(\mu, \sigma^2)
      • f(x)=12πσexp[(xμ)22σ2]f(x) = \dfrac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} \exp\left[-\dfrac{(x - \mu)^2}{2\sigma^2}\right]
      • μ=0,σ=1\mu = 0,\sigma = 1 的正态分布称为标准正态分布,其密度函数为 φ(x)\varphi(x),分布函数为 Φ(x)\Phi(x)
      • XN(μ,σ2)X \sim N(\mu, \sigma^2),则 XμσN(0,1),F(x)=Φ(xμσ)\dfrac{X - \mu}{\sigma} \sim N(0, 1), F(x) = \Phi\left(\dfrac{x - \mu}{\sigma}\right)
      • Φ(x)=1Φ(x)\Phi(-x) = 1 - \Phi(x)
  • 随机变量函数
    • 定义
      • y=g(x)y = g(x) 是一个已知函数X,YX,Y 是随机变量。
      • 如果 X=xX = xY=g(x)Y = g(x),则 YYXX 的函数,Y=g(X)Y = g(X)
    • 离散型随机变量的函数
      • XX 是离散型随机变量时,Y=g(X)Y = g(X) 一定是离散型随机变量。
      • 对于不同的 X=xX = x 对应相同 Y=yY = y,则把所有对应的概率相加。
    • 连续型随机变量的函数
      • XX 是连续型随机变量时,YY 也有可能是离散型的。此时处理方法类似离散型随机变量。
      • 如果 y=g(x)y = g(x) 单调,则有 fY(y)={fX(h(y))h(y),α<y<β0,otherwisef_Y(y) = \left\{\begin{matrix} f_X(h(y))|h'(y)|, & \alpha < y<\beta\\ 0, & \text{otherwise} \end{matrix}\right.
        • h(y)h(y)g(x)g(x) 反函数,α=min{h(a),h(b)},β=max{h(a),h(b)}\alpha = \min\{h(a),h(b)\},\beta = \max\{h(a),h(b)\}
      • 通用方法:先求 FY(y)=P(g(X)y)F_Y(y) = P(g(X) \le y),化为用 xx 表示后求值,最后求导得到 fY(y)f_Y(y)