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06 母函数与特征函数 ​

母函数和特征函数都是“用函数编码分布”的工具。母函数主要适合非负整数值随机变量,特征函数适合一般随机变量。它们的共同优势是:独立和的分布会转化为函数乘积。

1. 数列的母函数 ​

给定数列 a={an}n≥0,若幂级数:

Ga(t)=∑n=0∞antn

在 0 的某个邻域内收敛,则称 Ga 为数列 a 的母函数。

母函数把数列编码成函数。通过函数运算,可以研究数列的递推、卷积和求和。

卷积对应乘法:

若:

cn=∑k=0nakbn−k,

则:

Gc(t)=Ga(t)Gb(t).

2. 概率母函数 ​

若 ξ 是非负整数值随机变量:

P(ξ=k)=pk,k=0,1,2,…,

定义概率母函数:

Gξ(s)=E(sξ)=∑k=0∞pksk.

由于 ∑kpk=1,至少在 |s|≤1 上有意义,并且:

Gξ(1)=1.

概率母函数和分布律一一对应:

pk=Gξ(k)(0)k!.

因此,知道 Gξ 就知道 ξ 的分布。

3. 用母函数求矩 ​

一阶导数:

Gξ′(s)=∑k=1∞kpksk−1.

所以:

Gξ′(1)=Eξ,

如果期望有限。

二阶导数:

Gξ″(1)=E[ξ(ξ−1)].

因此:

Eξ2=Gξ″(1)+Gξ′(1).

方差:

Var(ξ)=Gξ″(1)+Gξ′(1)−[Gξ′(1)]2.

4. 常见离散分布的母函数 ​

Bernoulli 分布:

G(s)=1−p+ps.

二项分布 ξ∼B(n,p):

G(s)=(1−p+ps)n.

Poisson 分布 ξ∼P(λ):

G(s)=eλ(s−1).

几何分布,若 P(ξ=k)=(1−p)k−1p,k≥1:

G(s)=ps1−(1−p)s,|s|<11−p.

若采用从 0 开始的几何分布 P(ξ=k)=(1−p)kp, k≥0,则:

G(s)=p1−(1−p)s.

5. 独立和与母函数 ​

若 ξ,η 独立且均为非负整数值随机变量,则:

Gξ+η(s)=E(sξ+η)=E(sξsη)=E(sξ)E(sη)=Gξ(s)Gη(s).

推广到 n 个独立变量:

Gξ1+⋯+ξn(s)=∏i=1nGξi(s).

例:若 ξi∼Bernoulli(p) 独立,则:

G∑iξi(s)=(1−p+ps)n,

所以:

∑i=1nξi∼B(n,p).

例:若 ξi∼P(λi) 独立,则:

G∑iξi(s)=∏ieλi(s−1)=e(∑iλi)(s−1).

所以:

∑iξi∼P(∑iλi).

6. 特征函数 ​

随机变量 ξ 的特征函数定义为:

φξ(t)=E(eitξ),t∈R.

由于:

|eitξ|=1,

特征函数对任意随机变量都存在。

若 ξ 离散:

φξ(t)=∑keitxkP(ξ=xk).

若 ξ 有密度 f:

φξ(t)=∫−∞∞eitxf(x)dx.

特征函数本质上是分布的 Fourier 变换。

7. 特征函数的基本性质 ​

归一性:

φξ(0)=1.

有界性:

|φξ(t)|≤1.

共轭对称:

φξ(−t)=φξ(t)―.

连续性:

φξ(t)

在 t=0 连续,并且在全实轴上一致连续。

线性变换:

若 η=aξ+b,则:

φη(t)=eitbφξ(at).

独立和:

若 ξ,η 独立,则:

φξ+η(t)=φξ(t)φη(t).

推广到独立和:

φ∑k=1nξk(t)=∏k=1nφξk(t).

8. 特征函数与矩 ​

若 E|ξ|n<∞,则 φξ 在 0 附近可求到 n 阶导数,并且:

φξ(k)(0)=ikEξk,k=1,…,n.

特别地:

φξ′(0)=iEξ.φξ″(0)=−Eξ2.

因此:

Eξ=φξ′(0)i,Eξ2=−φξ″(0).

注意:特征函数总存在,但矩不一定存在。只有在矩存在时,才可以用导数求矩。

9. 常见分布的特征函数 ​

单点分布 ξ=a:

φ(t)=eita.

Bernoulli 分布:

φ(t)=1−p+peit.

二项分布 B(n,p):

φ(t)=(1−p+peit)n.

Poisson 分布 P(λ):

φ(t)=exp⁡{λ(eit−1)}.

均匀分布 U(a,b):

φ(t)=eitb−eitait(b−a),t≠0,

并且 φ(0)=1。

指数分布 Exp(λ):

φ(t)=λλ−it.

Gamma 分布 Γ(r,λ):

φ(t)=(λλ−it)r.

标准正态分布 N(0,1):

φ(t)=e−t2/2.

一般正态分布 N(μ,σ2):

φ(t)=exp⁡(iμt−12σ2t2).

标准 Cauchy 分布:

φ(t)=e−|t|.

10. 逆转公式 ​

特征函数可以反推出分布。一个常用形式是:若 a<b 且 a,b 都是分布函数 F 的连续点,则:

P(a<ξ<b)=limT→∞12π∫−TTe−ita−e−itbitφξ(t)dt.

如果 φξ 可积,则 ξ 有连续有界密度:

f(x)=12π∫−∞∞e−itxφξ(t)dt.

逆转公式说明特征函数不是只保留部分信息,而是完整编码分布。

11. 唯一性定理 ​

若两个随机变量 ξ,η 的特征函数相同:

φξ(t)=φη(t),∀t∈R,

则它们同分布:

ξ=dη.

反之,若同分布,则特征函数必相同。

唯一性定理是用特征函数证明分布相等的基础。

12. 特征函数的局部展开 ​

若 Eξ=a, Var(ξ)=σ2<∞,则在 t→0 时:

φξ(t)=1+iat−12Eξ2t2+o(t2).

对中心化变量 ξ−a:

φξ−a(t)=1−12σ2t2+o(t2).

这个展开是 Lindeberg−Levy 中心极限定理的证明核心。

若 ξ1,…,ξn 独立同分布, Eξi=a, Var(ξi)=σ2,则标准化和:

ηn=∑k=1nξk−naσn

的特征函数为:

φηn(t)=[φξ1−aσ(tn)]n.

使用展开:

φξ1−aσ(u)=1−u22+o(u2),

得到:

φηn(t)→e−t2/2.

再由连续性定理得到中心极限定理。

13. 母函数与特征函数的比较 ​

工具适用对象定义优势
概率母函数非负整数值随机变量G(s)=E(sξ)提取分布律和阶乘矩方便
矩母函数有指数矩时M(t)=E(etξ)求矩方便,但不总存在
特征函数任意随机变量φ(t)=E(eitξ)总存在,可唯一决定分布

母函数偏计算,特征函数偏理论。中心极限定理通常使用特征函数证明,因为特征函数总存在。

14. 本章知识图谱 ​

图表渲染中…

15. 解题模板 ​

用母函数:

  1. 确认变量是非负整数值。
  2. 写出 G(s)=E(sξ)。
  3. 独立和用乘积。
  4. 通过识别母函数确定分布,或通过导数求矩。

用特征函数:

  1. 写 φ(t)=E(eitξ)。
  2. 线性变换用 eitbφ(at)。
  3. 独立和用乘积。
  4. 分布相等用唯一性。
  5. 极限分布用连续性定理。

16. 易错点 ​

  • 概率母函数只适合非负整数值变量。
  • 特征函数一定存在,但矩母函数不一定存在。
  • 用导数求矩前必须确认相应矩存在。
  • 独立和的函数乘积需要独立性。
  • 特征函数点态极限要成为某个分布的特征函数,才可推出弱收敛;连续性定理会处理这个条件。

17. 本章小结 ​

母函数和特征函数把分布问题转化为函数问题。母函数适合离散计数型随机变量,特征函数适合一般随机变量。二者最重要的共同点是把独立随机变量之和变成函数乘积。特征函数的逆转公式和唯一性定理保证了它完整保存分布信息,连续性定理则把它变成证明极限定理的核心工具。