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05 连续型随机变量与随机向量 ​

本章从一维连续随机变量进入多维随机向量。核心工具是密度函数、分布函数、联合分布、边缘化、独立性和变量变换。讲义中还讨论了和的分布、商的分布以及若干由正态和 Gamma 分布导出的统计分布。

1. 连续型随机变量 ​

随机变量 ξ 称为连续型,如果存在非负函数 f,使得对任意 x:

F(x)=P(ξ≤x)=∫−∞xf(t)dt.

函数 f 称为 ξ 的概率密度函数。

密度的基本性质:

f(x)≥0.∫−∞∞f(x)dx=1.

区间概率:

P(a≤ξ≤b)=P(a<ξ<b)=∫abf(x)dx.

点概率:

P(ξ=c)=0.

注意: P(ξ=c)=0 不表示事件 {ξ=c} 不可能,只表示概率为 0。

2. 分布函数与密度 ​

若 F(x)=∫−∞xf(t)dt,则 F 连续,且在 f 连续点有:

F′(x)=f(x).

反过来,如果分布函数 F 绝对连续,则存在密度 f 使上式成立。

计算概率时:

P(a<ξ≤b)=F(b)−F(a).

若已知密度,常先积分得到分布函数;若已知分布函数,常对其可导部分求导得到密度。

3. 连续变量的函数期望 ​

若 ξ 有密度 f,则:

Eφ(ξ)=∫−∞∞φ(x)f(x)dx.

特别地:

Eξ=∫−∞∞xf(x)dx.Eξ2=∫−∞∞x2f(x)dx.Var(ξ)=∫−∞∞x2f(x)dx−(∫−∞∞xf(x)dx)2.

4. 均匀分布 ​

若 ξ 在区间 (a,b) 上均匀分布,记作 ξ∼U(a,b),密度为:

f(x)={1b−a,a<x<b,0,其他.

分布函数:

F(x)={0,x≤a,x−ab−a,a<x<b,1,x≥b.

期望和方差:

Eξ=a+b2,Var(ξ)=(b−a)212.

5. 指数分布 ​

若 ξ∼Exp(λ),λ>0,密度为:

f(x)={λe−λx,x>0,0,x≤0.

分布函数:

F(x)={0,x≤0,1−e−λx,x>0.

期望和方差:

Eξ=1λ,Var(ξ)=1λ2.

无记忆性:

P(ξ>s+t∣ξ>s)=P(ξ>t),s,t≥0.

证明:

P(ξ>s+t∣ξ>s)=e−λ(s+t)e−λs=e−λt.

在连续非负分布中,无记忆性刻画指数分布。

6. 正态分布 ​

标准正态分布 N(0,1) 的密度为:

ϕ(x)=12πe−x2/2.

一般正态分布 ξ∼N(μ,σ2),σ>0,密度为:

f(x)=12πσexp⁡(−(x−μ)22σ2).

标准化:

Z=ξ−μσ∼N(0,1).

所以:

P(a<ξ≤b)=Φ(b−μσ)−Φ(a−μσ),

其中:

Φ(x)=∫−∞x12πe−t2/2dt.

期望和方差:

Eξ=μ,Var(ξ)=σ2.

7. Gamma 分布与 χ2 分布 ​

若 ξ∼Γ(r,λ),其中 r>0,λ>0,密度为:

f(x)={λrΓ(r)xr−1e−λx,x>0,0,x≤0.

Gamma 函数:

Γ(r)=∫0∞xr−1e−xdx.

性质:

Γ(r+1)=rΓ(r),Γ(n)=(n−1)!.

期望和方差:

Eξ=rλ,Var(ξ)=rλ2.

指数分布是 Gamma 分布的特例:

Exp(λ)=Γ(1,λ).

χ2 分布:

若 Z1,…,Zn 独立且都服从 N(0,1),则:

∑i=1nZi2∼χn2.

并且:

χn2∼Γ(n2,12).

因此:

Eχn2=n,Var(χn2)=2n.

8. Cauchy 分布 ​

标准 Cauchy 分布密度为:

f(x)=1π(1+x2),x∈R.

分布函数:

F(x)=12+1πarctan⁡x.

Cauchy 分布没有数学期望,因为:

∫−∞∞|x|1π(1+x2)dx=∞.

典型来源:若 ξ,η 独立且均为 N(0,1),则:

ξη

服从标准 Cauchy 分布。

9. 分布函数的实现与逆变换法 ​

给定分布函数 F,定义广义逆:

F−1(u)=inf{x:F(x)≥u},0<u<1.

若 U∼U(0,1),则:

F−1(U)

的分布函数为 F。

这就是逆变换抽样法。它说明任意分布函数都可以由一个 U(0,1) 随机变量实现。

常见例子:指数分布。若 U∼U(0,1),则:

ξ=−1λln⁡(1−U)∼Exp(λ).

由于 1−U 与 U 同分布,也常写:

ξ=−1λln⁡U.

10. 随机向量与联合分布 ​

n 维随机向量:

ξ=(ξ1,…,ξn).

联合分布函数:

F(x1,…,xn)=P(ξ1≤x1,…,ξn≤xn).

二维情形中,矩形概率为:

P(a<ξ≤b, c<η≤d)=F(b,d)−F(a,d)−F(b,c)+F(a,c).

边缘分布函数:

Fξ(x)=limy→∞Fξ,η(x,y).Fη(y)=limx→∞Fξ,η(x,y).

11. 联合密度与边缘密度 ​

若存在非负函数 f(x,y),使得:

F(x,y)=∫−∞x∫−∞yf(u,v)dvdu,

则 f 是 (ξ,η) 的联合密度。

边缘密度:

fξ(x)=∫−∞∞f(x,y)dy.fη(y)=∫−∞∞f(x,y)dx.

区域概率:

P((ξ,η)∈D)=∬Df(x,y)dxdy.

多维连续题最重要的一步通常是画出积分区域 D。

12. 随机向量的独立性 ​

随机变量 ξ,η 独立等价于:

Fξ,η(x,y)=Fξ(x)Fη(y).

若存在联合密度,则等价于:

fξ,η(x,y)=fξ(x)fη(y)

几乎处处成立。

判断密度分解时要注意支撑区域。如果联合密度表面上可以写成 g(x)h(y),但支撑区域不是直积区域,通常不独立。

例如支撑为三角形:

0<x<y<1

就不是直积区域,通常不能分解为独立变量。

13. 多维期望与变量函数 ​

若 (ξ1,…,ξn) 有联合密度 f,则: Eφ(ξ1,…,ξn)=∫Rnφ(x1,…,xn)f(x1,…,xn)dx1⋯dxn.

这比先求 φ(ξ) 的分布再求期望更直接。

14. 变量变换定理 ​

设随机向量 X=(X1,…,Xn) 有密度 fX。若变换:

Y=g(X)

是一一可微变换,逆变换为 X=h(Y),Jacobian 行列式非零,则 Y 的密度为:

fY(y)=fX(h(y))|det∂h∂y|.

二维常见形式:

fU,V(u,v)=fX,Y(x(u,v),y(u,v))|∂(x,y)∂(u,v)|.

如果只关心 U=g(X,Y) 的分布,常添加辅助变量 V,先求 (U,V) 的联合密度,再对 v 积分。

15. 协方差、相关系数与协方差矩阵 ​

随机向量 ξ=(ξ1,…,ξn) 的方差向量:

Var(ξ)=(Var(ξ1),…,Var(ξn)).

两个随机变量的协方差:

Cov(ξ,η)=E[(ξ−Eξ)(η−Eη)].

相关系数:

r(ξ,η)=Cov(ξ,η)Var(ξ)Var(η).

协方差矩阵:

Σ=(σij)n×n,σij=Cov(ξi,ξj).

性质:

ΣT=Σ.

对任意向量 a∈Rn:

aTΣa=Var(aTξ)≥0.

所以协方差矩阵是半正定矩阵。

16. 二维正态分布 ​

二维正态分布常写为: f(x,y)=12πσ1σ21−ρ2exp⁡(−12(1−ρ2)[(x−μ1)2σ12−2ρ(x−μ1)(y−μ2)σ1σ2+(y−μ2)2σ22]).

其中:

Eξ=μ1,Eη=μ2,Var(ξ)=σ12,Var(η)=σ22,

并且:

Cov(ξ,η)=ρσ1σ2.

所以相关系数就是 ρ。

在联合正态情形中:

ρ=0⟺ξ,η 独立.

这是正态分布的特殊性质,不能随意推广到一般分布。

17. 和的分布与卷积 ​

若 ξ,η 独立,密度分别为 fξ,fη,则:

ζ=ξ+η

的密度为卷积:

fζ(z)=∫−∞∞fξ(x)fη(z−x)dx.

如果不独立,但有联合密度 f(x,y),则:

fζ(z)=∫−∞∞f(x,z−x)dx.

常见结论:

  • 独立正态之和仍为正态:
N(μ1,σ12)+N(μ2,σ22)=N(μ1+μ2,σ12+σ22).
  • 相同参数 λ 的独立 Gamma 变量之和仍为 Gamma:
Γ(r1,λ)+Γ(r2,λ)=Γ(r1+r2,λ).

18. Beta 分布与比率 ​

若 ξ∼Γ(α,λ), η∼Γ(β,λ) 独立,则:

ξξ+η∼Beta(α,β),

其密度为:

f(x)=Γ(α+β)Γ(α)Γ(β)xα−1(1−x)β−1,0<x<1.

并且:

ξ+η

与:

ξξ+η

独立。

特别地,若 ξ,η 独立标准正态,则:

ξ2ξ2+η2∼Beta(12,12),

密度为:

f(x)=1πx(1−x),0<x<1.

19. 商的分布 ​

若 (ξ,η) 有联合密度 f(x,y),且 P(η=0)=0,令:

ζ=ξη.

用变换:

u=xy,v=y,

则:

x=uv,y=v,

Jacobian 为:

|∂(x,y)∂(u,v)|=|v|.

因此商的密度为:

fζ(u)=∫−∞∞f(uv,v)|v|dv.

若 ξ,η 独立标准正态,则得到标准 Cauchy 分布:

ξη∼Cauchy(0,1).

若 Z∼N(0,1), V∼χn2 且独立,则:

T=ZV/n

服从自由度为 n 的 t 分布,密度为:

fT(t)=Γ((n+1)/2)nπΓ(n/2)(1+t2n)−(n+1)/2.

20. 本章知识图谱 ​

图表渲染中…

21. 解题模板 ​

一维连续题:

  1. 确定密度支撑。
  2. 检查密度积分是否为 1。
  3. 求概率用积分,求期望用 Eφ(ξ)。
  4. 求分布函数时分段积分。

二维密度题:

  1. 画出支撑区域。
  2. 求边缘密度时沿另一个变量积分。
  3. 判断独立性时同时检查密度分解和支撑区域是否为直积。
  4. 求区域概率时先定积分区域,再定积分次序。

变量变换题:

  1. 选新变量并补充辅助变量。
  2. 写出逆变换。
  3. 求 Jacobian 绝对值。
  4. 写联合密度。
  5. 对辅助变量积分。

22. 易错点 ​

  • 连续型随机变量点概率为 0,但不能说点事件不可能。
  • 密度值可以大于 1,概率才必须在 [0,1]。
  • 联合密度能分解还不够,支撑区域也必须分解为直积。
  • 变量变换时忘记 Jacobian。
  • 求和的密度时积分限由支撑决定,不能机械写 −∞ 到 ∞ 后不处理。
  • 正态中“不相关等价独立”只在联合正态条件下成立。

23. 本章小结 ​

连续随机变量用密度替代分布律,用积分替代求和。随机向量引入联合分布和联合密度,边缘化负责从整体看局部,独立性负责把整体拆成乘积,变量变换负责构造新分布。卷积、Beta 分布、Cauchy 分布和 t 分布都可以统一放在变量变换框架中理解。