随机变量及其分布

离散性随机变量和常见分布

分布律:取各个可能值的概率,即,或者用表格描述

几何分布,记为或。所有可能取值为,。(独立重复实验第次才成功)

二项分布,记为。所有可能取值为,。(次独立重复实验共成功次)

泊松分布,记为。所有可能取值为,。(大量实验中稀有事件的出现次数,的概率意义为事件的平均发生次数)

泊松定理:设是一个常数,是任意正整数,设,则对于任意一固定的非负整数,有。

连续性随机变量和常见分布

分布函数。离散型随机变量也有分布函数。

概率密度满足,此时是连续函数,称为连续型随机变量。

均匀分布,记为,。

指数分布,记为,。(大量实验中稀有事件的出现次数,的概率意义为事件的平均发生次数)

正态分布,记为,。

随机变量的函数的分布

求的分布函数,此时。

随机变量具有概率密度,函数处处可导且恒有。则是连续型随机变量,且概率密度为,其中是的反函数。

若,,则。

二维随机变量及其分布

二维随机变量

联合分布函数。

边缘分布函数,对,。对同理。

对于二维离散型随机变量,联合分布律为,边缘分布律。也可以列表表示

X\Y

随机变量相互独立当且仅当或对于任意均成立。

二维正态分布:

二维正态分布的边缘分布仍为正态分布:。

二维随机变量函数的分布

若均为连续型随机变量且已知其密度函数,求的密度函数。

分布函数法:,其中。

和的分布:,,。

商的分布:,。

积的分布:,。

极大极小分布:,,。

随机变量的期望与方差

常见分布的期望和方差

  • (0-1)分布
  • 二项分布
  • 泊松分布
  • 指数分布
  • 正态分布

数学期望的性质

  • 若相互独立,则

方差的性质

  • 。当相互独立时,。

  • 切比雪夫不等式

矩

对随机变量,若存在,则称为的阶原点矩,简称阶矩。是的一阶矩。

对随机变量,若存在,则称为的阶中心矩。是的二阶中心矩。

协方差

方差有性质。其中称为和的协方差,记为。

相互独立时,有,但是时不一定相互独立。

协方差的性质:

  • ,

相关系数

设,称为随机变量的相关系数。

显然,且当且仅当存在常数使得。

不相关时,,且。注意不相关不等价于独立。

大数定律和中心极限定理

大数定律

设是随机变量序列,是一个常数。若对任意,有,或者,则称依概率收敛与,记为。

若,也即,则称服从大数定律(随机变量的平均值依概率收敛于它们数学期望的平均值)。

马尔可夫大数定律

切比雪夫不等式:。

设随机变量满足,则服从大数定律。

。

切比雪夫大数定律

设随机变量两两互不相关,且存在常数使得对于每个,都有,则服从大数定律。(由马尔可夫大数定律可证)

独立同分布大数定律

设随机变量独立同分布,,则服从大数定律。(由切比雪夫大数定律可证)

中心极限定理

若随机变量满足,则称为标准化的随机变量。任意随机变量都可以通过化为标准化的随机变量。

设随机变量独立同分布,,则。(的极限分布为正态分布,从而标准化后为标准正态分布)

抽样分布

样本统计量

定义:

  • 总体:研究对象的某项数量指标的值的全体。
  • 个体:总体中的每个元素为个体。
  • 对于分布函数为的随机变量,是具有同一分布函数的相互独立的随机变量,则称为从总体中得到的容量为的简单随机样本,简称为样本,其观察值称为样本值。 由定义,可得的联合分布函数为。
  • 设是来自总体的样本,是的函数,若是连续函数,且中不含任何未知参数,则称是一个统计量。设是的样本值,则称是的观察值。(统计量也是随机变量)

常见的统计量:

  • 样本均值:。
  • 样本方差:。
  • 修正的样本方差:。修正原因在第七章(无偏估计)。
  • 设是来自正态总体的样本,。

正态总体的分布

分位点:对于分布函数,其分位点满足,也即。

设是来自正态总体的样本,则随机变量,或。

设是来自正态总体的样本,则称随机变量服从自由度为的分布,记为。

若,则。(分布的可加性)

。

设,且相互独立,则称随机变量服从自由度为的分布,记为。

设,且相互独立,则称随机变量服从自由度为的分布,记为。若,则。

正态总体样本统计量的分布

设是来自正态总体的样本,则,或。

设是来自正态总体的样本,则。(注意:)

证明:


和独立,且有。

参数估计

点估计

矩估计

使用阶样本矩估计阶总体矩。

具体而言,先使用未知参数表示出阶总体矩,然后用样本矩估计总体矩(令)得到未知参数的矩估计量。有多个未知数则取多组阶矩即可。

极大似然估计

选取使观测值出现的概率最大的参数作为估计量。

具体而言,先得到观测值的出现概率,其中称为样本的似然函数。令或,得到似然函数最大时的作为极大似然估计量。有多个未知参数则分别令偏导为零即可。

设是的函数且反函数存在,则也是的极大似然估计。

均方误差

称为均方误差,记为。

。

也即,均方误差由点估计的方差与偏差的平方两个部分组成。

,又,因此,。。

,故。

估计量的评价标准

无偏性

若,则称是的无偏估计量。(要求估计值的平均值和真值相等)

样本均值是总体均值的无偏估计量,样本二阶矩是总体二阶矩的无偏估计量,然而样本方差不是总体方差的无偏估计量。

是总体方差的无偏估计量,因此通常选用估计。

有效性

若参数都是参数的无偏估计量,若对于任意,都有,则比更有效。

一致性

设是在样本下对总体参数的估计量,若当时,依概率收敛于,即,则称是对总体参数的一致估计量。

样本阶矩是总体阶矩的一致性估计量。(大数定理)

设是对总体参数的无偏估计量,且,则是的一致估计量。(切比雪夫不等式)

区间估计

置信区间与置信度

设总体含未知参数,对于样本找出统计量,使得,则称区间为的置信度为的置信区间。

设是来自正态总体的样本。在置信度下:

  • 已知方差,求的置信区间。

    由于,或。

    通常而言,针对给出的置信度选取长度最小的 置信区间,即令。

    此时可通过标准正态分布的上分位点找到。

    最后解出的置信区间。

  • 未知方差,求的置信区间。

    由于方差未知,使用样本方差代替。

    令;,

    有。

    令,

    此时可通过t分布的上分位点找到。

    最后解出的置信区间。

  • 求方差的置信区间。

    由于,令,

    此时可通过分布的上分位点找到和。

    最后解出的置信区间。

对于双正态分布:

  • 已知方差,求的置信区间。

    ,,转化为正态分布情况。

  • 方差比的置信区间。

    令;,

    有

对于其他非正态分布,由中心极限定理,可知当足够大时,样本均值近似服从,转化为正态分布求解。