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随机变量及其分布 ​

分布函数变量区域左闭右开,概率密度则不要求。

分布概念 ​

分布函数存在性 ​

分布函数的充要条件是:

  1. 单调不减。
  2. 。
  3. 。
  4. 右连续。

这也是下面的计算需要考虑的性质。

例题:设随机变量的分布函数,判断、、、是否可以做出分布函数。

解:逐个分析中的走向。

,不满足。

由于在的趋向为而不是,,不满足。

满足分布函数的四个条件,在两边趋向与原函数一致。

的在的趋向为而不是,不满足,不满足。

分布函数计算 ​

这里所说的分布函数都是不定式,需要利用分布函数性质来换算。

例题:随机变量的概率密度函数满足,且,则求分布函数的值。

解:已知,所以关于对称。所以。

所以。

。

概率密度存在性 ​

分布函数的充要条件是:

  1. 。
  2. 。

例题:随机变量的概率密度函数,判断、是否可以作出概率密度函数。

解:,不满足。

,令,则时,时,。

概率密度计算 ​

例题:随机变量的分布函数和概率密度函数为,,求的分布函数和概率密度。

解:已知,则,即。

对进行求导:。

例题:随机变量的概率密度为,求随机变量的概率密度函数。

解:设,所以的分布函数为。

所以其概率密度为。

一维随机变量 ​

一维随机变量分布 ​

二项分布 ​

(,),。

例题:已知随机变量的概率密度为,表示对进行3次独立重复试验中出现事件,求。

解:已知对进行独立重复试验,表示这个进行的是伯努利试验,从而。又是3次,所以。

只用求出这个即的概率就可以了。又已知。

。。

🌱 大一新生提示

一句话提示:这道题把「连续型」和「离散型」串起来了:先用连续随机变量 的密度算出单次事件 的概率 ,这个 就是一次伯努利试验的成功率;再把「重复 3 次、问成功 2 次」交给二项分布 求 。记牢二项分布公式 即可。

💻 计算机专业视角

引导句:「先估一个事件概率、再重复 次数成功次数」正是机器学习评估里的标准套路:把单条样本判对/判错看作伯努利试验,准确率就是 ,测试集上判对的条数服从二项分布——这也是用置信区间估计模型准确率、做 A/B 实验显著性检验的理论基础。蒙特卡洛模拟、随机化算法的成功率分析同样建立在这个模型上。

泊松分布 ​

(,),。

例题:设一本书的各页印刷错误的个数服从泊松分布。已知只有一个和只有两个印刷错误的页数相同,则随机抽查的4页中无印刷错误的概率为?

解:,,。

由于随机抽四页类似于伯努利试验是相互独立的,所以随机抽4页都无错误的概率为。

几何分布 ​

(,),。

例题:袋中有8个球,其中3个白球5个黑球,现在任意从中取出4个球,若四个球中有2个黑球和2个白球则试验停止,否则将其放回袋中重新抽取直到满足条件,用表示试验次数,则求。

解:由题目的停止,则说明这个题目的概率是服从几何分布的,最重要的就是求出单次满足事件概率。

根据组合和乘法原理,。

则。

例题:已知随机变量的概率密度为,对进行独立重复观测,直到第2个大于3的观测值出现时停止,记为观测次数,求的概率分布。

解:由题目直到就停止,知道。

又

这是对几何分布的变形,首先进行次试验,第次成功,所以要乘,而因为是第2个成功,所以前面的次中有次失败和一次成功,所以一共。因为前面的成功的一次在中任意一个地方就可以了,所以一共有中可能性,要考虑到排列,所以还要乘。

。

均匀分布 ​

,,。

例题:已知随机变量()且,,求的概率密度以及。

解:,4在其区间中点上,。

,若在左边则概率为0,所以必然在右边。

,,。

解得,,。

。

例题:已知随机变量在区间上服从均匀分布,在()的条件下随机变量在区间上服从均匀分布。

(1)的概率密度。

解:在区间上服从均匀分布,则。

在下均匀分布,则。

联合概率=条件概率×边缘概率。

即。

(2)的概率密度。

解:首先求的边缘概率密度,就需要积。然后求的区间,的联合区间是横坐标到纵坐标的下三角形,则。

然后求就在联合概率密度所规定的区间中画一条的线,从左先交到的是,所以下限就是,后交的是,所以上限为1。最后将的联合分布函数放在中间,得到。

(3)概率。

解:求就是求一个区间的概率值,即。

所以,。。

指数分布 ​

,,。

例题:已知随机变量,为常数且大于0,求。

解:。

也可以根据指数分布的无记忆性:。

例题:随机变量服从参数为1的指数分布,求。

已知,则。且。

则。

正态分布 ​

(,,),。

例题:已知随机变量,对给定的(),数满足,若,求。

解:即表示为标准正态分布的上分位点。

又,即的面积为,所以两边的面积各为,。

面积为的下标为,面积为的下标为,。

🌱 大一新生提示

一句话提示:正态分布的图像是对称的「钟形」,对称轴在均值 处。上 分位点 就是「右尾巴面积恰好等于 的那个分界点」。求 时,画图把中间一块面积 拿掉,剩下两侧各 ,再去查对应的分位点即可——遇到正态分布题,先画对称图、标面积,几乎都能做出来。

💻 计算机专业视角

引导句:正态分布是统计与机器学习里最核心的分布:参数初始化、噪声建模、高斯过程、卡尔曼滤波都以它为基础。这里的「分位点」对应代码里的 ppf(百分点函数,正态 CDF 的反函数),是计算置信区间、设定异常检测阈值、做假设检验临界值的关键工具;标准化 则正是特征工程里的 z-score 归一化。

一维随机变量函数分布 ​

例题:随机变量服从,求随机变量在内的概率分布密度。

解:求概率分布密度函数,可以求出其积分概率分布函数,,又,所以。

则概率分布函数就是概率密度的积分,此时已经将变为了关于的积分,。即。

则。

二维随机变量 ​

使用定义法则直接用二重积分的分布函数来求,使用卷积公式则使用概率密度。

二维离散型随机变量 ​

二维连续型随机变量 ​

有两种主要方法,一个是分布函数法,一个是卷积公式法。如果给出联合概率密度使用分布函数法,如果给出边缘概率密度使用卷积公式法。

联合概率 ​

联合概率密度 ​

利用联合概率函数来计算,有两种方式,一种是以概率形式,一种是以积分形式。

例题:已知二维随机变量的概率密度函数,求,的联合概率密度。

解:概率形式:设。所以。

积分形式:已知,将,代入,,所以。

联合概率函数 ​

已知联合概率密度,可以求概率函数,通过二重积分的方式,图像面积即是概率。

例题:已知概率密度为,求,。

解:

。

。

边缘概率 ​

边缘概率函数 ​

往往是已知联合概率函数求边缘概率函数、,需要将联合概率函数中的,然后求这个函数的极限值。

例题:如果二维随机变量的分布函数为,求各自的边缘分布函数。

解:,。

,,当其他时。

,,当其他时。

边缘概率密度 ​

往往是已知联合概率密度求边缘概率密度、,需要将联合概率密度对另一个变量进行上下限无穷的一重积分,如果有上下限的定义域则需要画出图像取交集。

确定上下限时要注意,如果求的边缘分布对积分,表示不动,求的范围,求的则反之。

例题:求的边缘概率密度。

如果求的边缘概率密度,则的取值范围为最底部的0到函数。如果求的边缘密度,则发现为对称函数,所以可以拆为左右两个部分,的范围是到函数。

。

。

🌱 大一新生提示

一句话提示:求边缘密度就是「把不关心的那个变量积分掉」:求 就对 积分,求 就对 积分。最容易错的是积分上下限——一定要先画出联合密度的定义域 ,再固定一个变量、看另一个变量在 里能取到的范围。这道题 关于 轴对称,所以对 积分时取右半支再乘 2。

💻 计算机专业视角

引导句:「积掉一个变量得到另一个变量的分布」就是概率里的边缘化(marginalization),在概率图模型、贝叶斯推断中无处不在:联合分布 求 正是这一步。连续情形的积分在工程里常用数值积分或采样近似,而「先确定积分区域再定限」对应蒙特卡洛积分里对支撑集(support)的采样设计。

二维均匀分布 ​

二维正态分布 ​

概率密度为:

其中,,。

正态分布性质 ​

例题:,分布函数为,已知,求。

解:当时,,即相互独立。

,,。

,则,即根据性质。

标准正态化 ​

。

即将的相关系数消去。

例题:设随机变量的分布函数为,其中为标准正态分布函数,求的分布函数。

解:由分布函数为是的分布函数和的分布函数的乘积,所以可知相互独立。

所以根据标准化公式:。

。

二维随机变量函数分布 ​

离散型 ​

连续型 ​

可以使用卷积公式法和分布函数法两种。

和的分布 ​

例题:随机变量的概率密度函数,求。

解:根据和划分区域:

其中积分区域如图所示,所以。

差的分布 ​

例题:设,,相互独立,已知,求。

解:若,,则。则的均值为,即其图像的对称轴为。

又,则在这里均分,则对称轴为,即。

混合型 ​

使用全概率公式根据离散变量进行概率拆分。

例题:设随机变量和相互独立,已知,的分布函数为,求的分布函数。

解:已知,的分布函数为,则为混合型。

则,。

,由相互独立性。

根据分布函数定义,则。

🌱 大一新生提示

一句话提示:当一个随机变量既有离散成分又有连续成分(这里 离散、 连续),求 的分布用全概率公式把离散变量的每个取值拆开讨论:。把每个条件下的 化成只含 的事件,再用 的分布函数表示,加权求和即可。

💻 计算机专业视角

引导句:「按离散变量取值分情形、加权合并」就是混合模型(mixture model)的雏形:高斯混合模型 GMM 的密度 正是这种「先选一个分量、再在该分量下取值」的结构,权重 对应这里的 。全概率公式也是隐变量模型、EM 算法、条件期望分解的基本工具。