随机变量的数字特征

一、数学期望 #

1、随机变量的数学期望 #

若 XX 为离散型 r⋅vr \cdot v ,其概率分布为 P{X=xk}=pk(k=1,2,⋯ )P\left\{X=x_{k}\right\}=p_{k} \quad(k=1,2, \cdots),若级数 ∑k=1∞xkpk\sum_{k=1}^{\infty} x_{k} p_{k} 绝对收敛,则称其为 XX 的数学期望,简称为期望,记作 EXEX ,即 EX=∑k=1∞xkpkE X=\sum_{k=1}^{\infty} x_{k} p_{k}。否则,称 XX 的数学期望不存在。

若 X 为连续型 r⋅vr \cdot v ,其概率分布为 f(x)f(x) ,如果广义积分 ∫−∞+∞xf(x)dx\int_{-\infty}^{+\infty} x f(x) dx 绝对收敛,则称其为 XX 的数学期望,记作 EX=∫−∞+∞xf(x)dxEX=\int_{-\infty}^{+\infty} x f(x) dx 。否则,称 XX 的数学期望不存在。

2、随机变量函数的数学期望 #

一维随机变量函数的数学期望: 设 YY 是随机变量 XX 的函数,记为 Y=g(X)Y=g(X) , g(x)g(x) 为连续函数。

  • 设离散型r⋅vXr\cdot v X 的概率分布为 P{X=xk}=pk(k=1,2,⋯ )P\left\{X=x_{k}\right\}=p_{k} (k=1,2, \cdots) 。如果级数 ∑k=1∞g(xk)pk\sum_{k=1}^{\infty} g\left(x_{k}\right) p_{k} 绝对收敛,则有EY=Eg(X)=∑k=1∞g(xk)pkEY=Eg(X)=\sum_{k=1}^{\infty} g\left(x_{k}\right) p_{k}。
  • 设连续型 r⋅vXr \cdot v X 概率分布为 f(x)f(x) ,若 ∫−∞+∞g(x)f(x)dx\int_{-\infty}^{+\infty} g(x) f(x) dx 绝对收敛,则有EY=Eg(X)=∫−∞+∞g(x)f(x)dxE Y=E g(X)=\int_{-\infty}^{+\infty} g(x) f(x) dx。

二维随机变量函数的数学期望: 设 (X, Y) 是二维随机向量,g(X, Y) 为 (X, Y) 函数,且 g 连续。

  • 若 (X,Y)(X, Y) 为离散型 r⋅vr \cdot v ,其概率分布为P{X=xi,Y=yj}=pij(i,j=1,2,⋯ )P\left\{X=x_{i}, Y=y_{j}\right\}=p_{i j} (i, j=1,2, \cdots)。如果级数 ∑i=1∞∑j=1∞g(xi,yj)pij\sum_{i=1}^{\infty} \sum_{j=1}^{\infty} g\left(x_{i}, y_{j}\right) p_{i j} 绝对收敛,则有 Eg(X,Y)=∑i=1∞∑j=1∞g(xi,yj)pijE g(X, Y)=\sum_{i=1}^{\infty} \sum_{j=1}^{\infty} g\left(x_{i}, y_{j}\right) p_{i j}。
  • 若 (X, Y) 为连续型 r⋅vr \cdot v ,其概率分布为 f(x,y)f(x, y) ,如果广义积分 ∫−∞+∞∫−∞+∞g(x,y)f(x,y)dxdy\int_{-\infty}^{+\infty} \int_{-\infty}^{+\infty} g(x, y) f(x, y) d x d y 绝对收敛,则有Eg(X,Y)=∫−∞+∞∫−∞+∞g(x,y)f(x,y)dxdyE g(X, Y)=\int_{-\infty}^{+\infty} \int_{-\infty}^{+\infty} g(x, y) f(x, y) d x d y。
3、数学期望的性质 #
  1. EC=CE C=C, CC 为常数;
  2. E(CX)=CEXE(C X)=C E X, CC 为常数;
  3. E(X+Y)=EX+EYE(X+Y)=E X+E Y 。此性质可推广到任意有限个随机变量的情形,即E(X1+X2+⋯+Xn)=EX1+EX2+⋯+EXnE\left(X_{1}+X_{2}+\cdots+X_{n}\right)=E X_{1}+E X_{2}+\cdots+E X_{n};
  4. 当 XX 、YY 相互独立时,则有 EXY=EX⋅EYE X Y=E X \cdot E Y 。此性质也可推广到任意有限个相互独立随机变量的情形。
4、常用分布的数学期望 #
分布名称符号数学期望
0-1分布B(1,p)B(1,p)pp
二项分布B(n,p)B(n,p)npnp
泊松分布P(λ)P(\lambda)λ\lambda
几何分布G(p)G(p)1p\frac{1}{p}
超几何分布H(N,M,n)H(N,M,n)nMN\frac{nM}{N}
均匀分布U(a,b)U(a,b)a+b2\frac{a+b}{2}
指数分布e(λ)e(\lambda)1λ\frac{1}{\lambda}
正态分布N(μ,σ2)N(\mu,\sigma^2)μ\mu

二、方差 #

方差:设 XX 为随机变量,若 E(X−EX)2E(X-E X)^{2} 存在,则称 E(X−EX)2E(X-E X)^{2} 为 XX 的方差,记为 DXDX 或 Var⁡(X)\operatorname{Var}(X) ,即DX=E(X−EX)2D X=E(X-E X)^{2}。而 DX\sqrt{D X} 称为 XX 的标准差或均方差,记为 σ(X)\sigma(X) 。

方差的计算:

  • 对于离散型随机变量 XX ,若其概率分布为 P{X=xk}=pk(k=1,2,⋯ )P\left\{X=x_{k}\right\}=p_{k}(k=1,2, \cdots) 则有 DX=∑k=1∞(xk−EX)2pkDX=\sum_{k=1}^{\infty}\left(x_{k}-E X\right)^{2} p_{k};
  • 对于连续型随机变量 XX ,若其概率分布为 f(x)f(x) ,则有 DX=∫−∞+∞(x−EX)2f(x)dxDX=\int_{-\infty}^{+\infty}(x-E X)^{2} f(x) d x;
  • 计算方差的一个重要公式:DX=EX2−(EX)2DX=E X^{2}-(E X)^{2}。

方差的性质:

  1. DC=0DC=0(CC 为常数);
  2. D(CX)=C2DXD(CX)=C^{2} DX (CC 为常数);
  3. 设 XX 为随机变量,CC 为常数且 C≠EXC \neq EX ,则DX<E(X−C)2D X<E(X-C)^{2};
  4. 当 XX 、YY 相互独立时,有 D(X+Y)=DX+DYD(X+Y)=D X+D Y ;
  5. 设 XX 为随机变量,DX=0D X=0 的充分必要条件是 P{X=C}=1P\{X=C\}=1,CC 为常数。

常用分布的方差:

分布名称符号数学期望方差
0-1分布B(1,p)B(1,p)pppqpq
二项分布B(n,p)B(n,p)npnpnpqnpq
泊松分布P(λ)P(\lambda)λ\lambdaλ\lambda
几何分布G(p)G(p)1p\frac{1}{p}1−pp2\frac{1-p}{p^2}
超几何分布H(N,M,n)H(N,M,n)nMN\frac{nM}{N}nMN(1−MN)(N−nN−1)\frac{nM}{N}(1-\frac{M}{N})(\frac{N-n}{N-1})
均匀分布U(a,b)U(a,b)a+b2\frac{a+b}{2}(b−a)212\frac{(b-a)^2}{12}
指数分布e(λ)e(\lambda)1λ\frac{1}{\lambda}1λ2\frac{1}{\lambda^2}
正态分布N(μ,σ2)N(\mu,\sigma^2)μ\muσ2\sigma^2

三、协方差与相关系数 #

设 XX 与 YY 是两个随机变量,若 E(X−EX)(Y−EY)E(X-E X)(Y-E Y) 存在,则称其为随机变量 XX 与 YY 的协方差,记为 Cov⁡(X,Y)\operatorname{Cov}(X, Y) ,即

Cov⁡(X,Y)=E(X−EX)(Y−EY)\operatorname{Cov}(X, Y)=E(X-E X)(Y-E Y)

称

ρXY=Cov⁡(X,Y)DXDY\rho_{X Y} =\frac{\operatorname{Cov}(X, Y)}{\sqrt{D X} \sqrt{D Y}}

为 XX 与 YY 的相关系数或标准协方差。

协方差的计算公式:Cov⁡(X,Y)=EXY−EXEY\operatorname{Cov}(X, Y)=EXY-EXEY。

协方差的性质

  1. Cov⁡(X,X)=DX\operatorname{Cov}(X, X)=D X;
  2. Cov⁡(X,Y)=Cov⁡(Y,X)\operatorname{Cov}(X, Y)=\operatorname{Cov}(Y, X);
  3. Cov⁡(C,X)=0\operatorname{Cov}(C, X)=0 ,其中CC为常数;
  4. XX、YY 相互独立时,Cov⁡(X,Y)=0\operatorname{Cov}(X, Y)=0;
  5. Cov⁡(aX,bY)=abCov⁡(X,Y)\operatorname{Cov}(a X, b Y)=a b \operatorname{Cov}(X, Y),其中 aa, bb 为常数;
  6. Cov⁡(X1+X2,Y)=Cov⁡(X1,Y)+Cov⁡(X2,Y)\operatorname{Cov}\left(X_{1}+X_{2},Y\right)=\operatorname{Cov}\left(X_{1}, Y\right)+\operatorname{Cov}\left(X_{2},Y\right);

相关系数的性质:

  1. 设 ρXY\rho_{X Y} 是随机变量 XX 与 YY 的相关系数,则有 ∣ρXY∣≤1|\rho_{X Y}| \leq 1 ;且 ∣ρXY∣=1|\rho_{X Y}|=1 的充要条件是 XX 与 YY 依概率1线性相关,即存在常数 aa、bb 使 P{Y=aX+b}=1P\{Y=aX+b\}=1 。
  2. 若 ρXY=0\rho_{X Y}=0 ,则称 XX 与 YY 不相关。显然,当 XX 与 YY 相互独立时,必有 Cov⁡(X,Y)=0\operatorname{Cov}(X, Y)=0 ,从而 ρXY=0\rho_{X Y}=0 ,即 XX 与 YY 不相关。当 X 与 Y 相互独立时,则有 \rho_{X Y}=0 ;反之不然 特殊情况:当 (X, Y) 服从二维正态分布时, X 与 Y 不相关 (ρ=0(ρXY=ρ))\left(\rho=0\left(\rho_{X Y}=\rho\right)\right) ⇔\Leftrightarrow X 与 Y 相互独立。

不相关与独立性的关系:

X,Y相互独立⇒X,Y不相关⇔ρXY=0⇔Cov⁡(X,Y)=0⇔EXY=EXEY⇔D(X+Y)=DX+DYX,Y相互独立\Rightarrow X,Y不相关\Leftrightarrow \rho _{XY}=0\Leftrightarrow \operatorname{Cov}(X,Y)=0 \Leftrightarrow EXY=EXEY\Leftrightarrow D(X+Y)=DX+DY

评论

0

评论功能待配置数据库后启用。