概率论与数理统计 第四章 随机变量的数字特征

第四章 随机变量的数字特征

4.1 数学期望

一、随机变量的数学期望

定义 设离散型随机变量 的分布律为 ,则称 为随机变量 数学期望均值

设随机变量 服从柯西分布,其概率分布为 则其数学期望不存在

二、随机变量的函数的数学期望

定理 是随机变量 的函数 连续)

  1. 是离散型随机变量,其分布律为 绝对收敛,则有

  2. 是连续型随机变量,其概率密度是 ,若 定理也可以推广到多维随机变量的情形

三、数学期望的性质

  1. 是常数,则
  2. 是随机变量, 是常数,则有
  3. 是两个随机变量,则有
  4. 是相互独立的随机变量,则有

4.2 随机变量的方差

定义 是随机变量,若 存在,则称 方差,称 标准差(或均方差

常用的计算公式为 方差的性质有

  1. 是常数,则

  2. 若随机变量 的方差存在, 是常数,则有

  3. 设随机变量 的方差存在,有 有设 相互独立,则

  4. 随机变量 的方差为零的充要条件是 以概率为 取常数 ,即

设随机变量 的数学期望存在,方差 ,令 为随机变量 标准化随机变量,满足

4.3 几种常见分布的数学期望和方差

一、二项分布

,有

二、泊松分布

,有

三、均匀分布

,则

四、指数分布

设随机变量 服从参数为 的指数分布,其概率密度为

五、正态分布

设随机变量 ,其概率密度为 则有

4.4 协方差、相关系数与矩

一、协方差

定义 若关于随机变量 的数学期望 存在,则称 为随机变量 协方差

特别地,有 协方差的性质

  1. 对称性:
  2. 齐性: 是常数
  3. 可加性

常利用公式 定义 维随机变量 的协方差均存在,称矩阵 维随机变量 协方差矩阵

协方差矩阵满足

二、相关系数

定义 设随机变量 的协方差及方差均存在且 ,则称 为随机变量 相关系数

也可写成下列形式 即相关系数 相应的标准化随机变量的协方差

定理 两个随机变量的相关系数 存在,则有

  1. 的充要条件是 依概率为 线性相关,即存在常数 使

定义 若随机变量 相关系数存在,且 则称 不相关;若 ,则称 正相关;若 ,则称 负相关

定理 相互独立,则 不相关

但此定理的逆定理不存在

三、矩

定义 设随机变量 的数学期望 存在,若有 ,则称 阶原点矩,称 阶绝对原点矩

随机变量 的数学期望即一阶原点矩

定义 设随机变量 的数学期望 存在,且 ,则称 阶中心距,称 阶绝对中心距

可以证明,若高阶矩存在,则低阶矩一定存在

随机变量 各阶中心距

为奇数时,

为偶数时,

带入,得 其中 ,如

4.3 多维正态随机变量

定义 维随机变量 的协方差矩阵 阶正定对称矩阵,联合概率密度为 其中 则称 服从 维正态分布

时无法写出其概率密度,称 服从退化正态分布或奇异正态分布

维正态随机变量的概率密度均由其均质向量 和协方差矩阵 确定,记为 服从

性质

  1. 维正态分布随机变量的任一 维子向量服从 维正态分布,特别地, 均为一维正态随机变量

  2. 维正态随机变量 相互独立的充要条件是其协方差矩阵是对角矩阵

​ 等价地, 维正态随机变量相互独立的充要条件是 两两不相关

  1. 相互独立的正态随机变量的有限线性组合仍然服从正态分布

  2. 为正态随机变量 的任一非零线性组合 服从正态分布,其中 不全为零

  3. 设有矩阵 随机变量 ,其线性变换 服从 维正态分布 ,特别若 阶满秩矩阵,则该线性变换是非退化的 维正态随机变量,也称正态随机变量的线性不变性