# 随机变量
# 离散型随机变量
# 连续型随机变量
定义
# 多维随机变量
# 概念
将多个一维的随机变量进行组合,就得到了多维随机变量。我们一般以二维随机变量(X,Y) 作为对象进行研究。这样,我们可以类似地定义二维随机变量的联合分布函数p(x,y)=P(X≤x,Y≤y)。
对二维随机变量,我们依然可以将其分为离散型随机变量和连续型随机变量。然而,依旧存在既不为连续型也不为离散型的情况。例如,我们取X=Y∼N(0,1),则(X,Y) 只分布于y=x 上,从而不能表示成二重积分的形式,因此不为连续型随机变量。
# 边际分布
对二维随机变量(X,Y),我们以X 为变量,对Y 取一切值的概率求和得到的函数称为(X,Y) 关于X 的边际概率分布。常用fX(x) 表示。例如,对连续型随机变量,有fX(x)=∫−∞+∞p(x,y)dy。关于Y 的编辑概率分布也是类似的。
# 条件分布
对二维随机变量(X,Y),我们将Y=y0 时,X=x0 的概率称为Y=y0 条件下,X 的条件分布律,记作P(X=xi∣Y=y0),i=1,2,…。
# 独立性
定义若二维随机变量(X,Y) 满足∀x,y∈R,事件{X≤x} 与事件{Y≤y} 相互独立,则称随机变量X 与Y 相互独立。
因此,想要判断两随机变量是否相互独立,需要计算两随机变量的边际密度,然后验证乘积是否与联合密度相等。
如果希望判断两随机变量不独立,那么只需要选择两个特定的区间A 及B,使得P(X∈A,Y∈B)=P(X∈A)P(Y∈B)。这一般比求联合分布更简便。
性质 1 若X,Y 相互独立,则对∀a<b,c<d,事件{a<X<b} 与{c<Y<d} 相互独立。
实际上,改换成任何两个博雷尔点集都是成立的,不过证明略显困难。
性质 2 对离散型随机变量X,Y,X 与Y 独立的充要条件为对∀i,j,有p(xi,yj)=p(xi)p(yj)。
类比到连续型随机变量也是一样的。
性质 3 对连续型随机变量X,Y,X 与Y 独立的充要条件为p(x,y)=p(x)p(y),∀x,y∈R。
# 二维随机变量函数的分布
设(X,Y) 是二维随机变量,则Z=g(X,Y) 是以为随机变量。下面我们考虑Z 的分布。
对于离散的情况,容易得到P(Z=zk)=P(g(X,Y)=zk)=∑g(xi,yj)=zkpij,k=1,2,….
下面我们主要考虑连续的情况。
对连续的情况,由于不了解函数的性质,故先考虑Z 的分布函数
FZ(z)=P(Z≤z)=P(g(x,y)≤z)=g(x,y)≤z∬f(x,y)dxdy
在此基础上求导可以得到 Z 的密度函数 f(z)=FZ′(z).
下面,我们对几种常见的函数 g(x,y) 进行分析。
# 和的分布
若 Z=g(X,Y)=X+Y, 则有
FZ(z)=P(X+Y≤z)=x+y≤z∬f(x,y)dxdy=∫−∞+∞∫−∞z−xf(x,y)dydx
进行变量代换 y=u−x 可得
FZ(z)=∫−∞+∞∫−∞zf(x,u−x)dudx=∫−∞z∫−∞+∞f(x,u−x)dxdu
此时,密度函数为
fZ(z)=∫−∞+∞f(x,z−x)dx=∫−∞+∞f(z−y,y)dy
若 X,Y 独立,则有
fZ(z)=∫−∞+∞fX(x)fY(z−x)dx=∫−∞+∞fX(z−y)fY(y)dy
我们称此公式为概率密度函数的卷积公式。
例若X∼N(μ1,σ12),Y∼N(μ2,σ22),则Z=X+Y∼N(μ1+μ2,σ12+σ22)。
证明根据卷积公式,
fZ(z)=2πσ1σ21∫−∞+∞exp(−2σ12x2−2σ22(z−x)2)dx=2πσ1σ21∫−∞+∞exp(−2σ12σ22(σ12+σ22)x2−2σ12zx+σ12z2)dx=2πσ1σ21∫−∞+∞exp⎝⎛−2σ12σ22(σ12+σ22)(x−σ12+σ22σ12z)2+σ12+σ22σ12σ22z2⎠⎞dx=2πσ1σ21⋅exp(−2(σ12+σ22)z2)∫−∞+∞exp(−2σ12σ22(σ12+σ22)t2)dt=2π(σ12+σ22)1exp(−2(σ12+σ22)z2)
这就证明了若X∼N(0,σ12),Y∼N(0,σ22),则Z=X+Y∼N(0,σ12+σ22)。又显然可以进行代换X′=X−μ1,Y′=Y−μ2,则Z′=Z−μ1−μ2∼N(0,σ12+σ22),于是Z=X+Y∼N(μ1+μ2,σ12+σ22)。
# 商的分布