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连续概率分布 (Continuous Probability Distributions)
本笔记整理自手写课堂笔记与 CS 70 课程教材 (Note 20),对公式进行了严谨的推导,并针对手写笔记中的重点疑问进行了直观解答。
1. 核心动机:从离散走向连续
在离散概率空间中,样本点 ω ∈ Ω \omega \in \Omega ω ∈ Ω 是有限或可数无限的,我们可以为每一个点赋予一个具体的概率值 P [ ω ] P[\omega] P [ ω ] 。 然而,在现实世界中,许多物理量是连续的(例如:幸运转盘指针停留的位置、粒子的位置、某事件发生的时间等)。
若设均匀转盘的周长为 l l l ,则指针的位置可能落在区间 [ 0 , l ] [0, l] [ 0 , l ] 内的任何实数。如果尝试用离散的方法对连续空间建模:
若每个点的概率 P [ ω ] > 0 P[\omega] > 0 P [ ω ] > 0 ,由于区间内有无穷多个实数点,所有点的概率之和将趋向于 ∞ \infty ∞ 。
若每个点的概率 P [ ω ] = 0 P[\omega] = 0 P [ ω ] = 0 ,则无法通过简单求和来计算任何事件的概率。
2. 解决方案:关注区间的占比
在连续概率中,我们不再对“点”赋予概率,而是对“区间(事件)”赋予概率。 对于均匀概率空间,区间 [ a , b ] ⊆ [ 0 , l ] [a, b] \subseteq [0, l] [ a , b ] ⊆ [ 0 , l ] (其中 b > a b > a b > a )的概率与该区间的长度占比 成正比:
P [ a ≤ X ≤ b ] = 区间 [ a , b ] 的长度 区间 [ 0 , l ] 的长度 = b − a l P[a \le X \le b] = \frac{\text{区间 } [a, b] \text{ 的长度}}{\text{区间 } [0, l] \text{ 的长度}} = \frac{b-a}{l} P [ a ≤ X ≤ b ] = 区间 [ 0 , l ] 的长度 区间 [ a , b ] 的长度 = l b − a
核心结论 :在连续概率空间中,我们只能求某一个区间上的概率 ,而单点概率 P [ X = a ] = 0 P[X=a] = 0 P [ X = a ] = 0 。
二、 连续随机变量与概率密度函数 (PDF)
1. 概率密度函数 (PDF) 的定义
由于单点概率为 0,我们引入概率密度函数 (Probability Density Function, PDF) f ( x ) f(x) f ( x ) 来描述连续随机变量的分布。
若实值随机变量 X X X 的函数 f : R → R f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} f : R → R 满足以下两个条件,则称其为 PDF:
非负性 :对于所有 x ∈ R x \in \mathbb{R} x ∈ R ,有 f ( x ) ≥ 0 f(x) \ge 0 f ( x ) ≥ 0 。
归一性 (总积分为 1):
∫ − ∞ ∞ f ( x ) d x = 1 \int_{-\infty}^{\infty} f(x) dx = 1 ∫ − ∞ ∞ f ( x ) d x = 1
此时,随机变量 X X X 落在区间 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 内的概率定义为 PDF 在该区间上的定积分(即曲线下的面积):
P [ a ≤ X ≤ b ] = ∫ a b f ( x ) d x P[a \le X \le b] = \int_{a}^{b} f(x) dx P [ a ≤ X ≤ b ] = ∫ a b f ( x ) d x
📌 【学生疑难解答 1】PDF f ( x ) f(x) f ( x ) 可以大于 1 吗?
解答 :可以,完全可以! 手写笔记中红字提到:“f ( x ) f(x) f ( x ) 可以大于 1,因为可能 b − a b-a b − a 太小了”。这是非常准确的直觉。
概念区分 :f ( x ) f(x) f ( x ) 不是概率 ,它是单位长度上的概率密度 (Probability per unit length)。
数值解释 :在微小区间 [ x , x + d x ] [x, x+dx] [ x , x + d x ] 近似中,有 P [ x ≤ X ≤ x + d x ] ≈ f ( x ) d x P[x \le X \le x+dx] \approx f(x) dx P [ x ≤ X ≤ x + d x ] ≈ f ( x ) d x 。
实例说明 :若 X X X 在区间 [ 0 , 1 2 ] [0, \frac{1}{2}] [ 0 , 2 1 ] 上服从均匀分布,为了保证总积分为 1,其密度函数必须为 f ( x ) = 2 f(x) = 2 f ( x ) = 2 (对于 x ∈ [ 0 , 1 2 ] x \in [0, \frac{1}{2}] x ∈ [ 0 , 2 1 ] )。这里的 2 2 2 远大于 1,但它依然是一个合法的 PDF。
2. 累积分布函数 (CDF)
手写笔记中指出,累积分布函数(Cumulative Distribution Function, CDF)是一个变上限积分 。 定义 F ( x ) F(x) F ( x ) 为随机变量 X X X 小于或等于 x x x 的概率:
F ( x ) = P [ X ≤ x ] = ∫ − ∞ x f ( z ) d z F(x) = P[X \le x] = \int_{-\infty}^{x} f(z) dz F ( x ) = P [ X ≤ x ] = ∫ − ∞ x f ( z ) d z
根据微积分基本定理,若 f ( x ) f(x) f ( x ) 连续,则 PDF 是 CDF 的导数:
f ( x ) = d F ( x ) d x f(x) = \frac{dF(x)}{dx} f ( x ) = d x d F ( x )
3. 期望与方差 (Expectation & Variance)
3.1 核心公式
将离散随机变量公式中的“求和 ∑ \sum ∑ ”自然替换为“积分 ∫ \int ∫ ”:
期望 (Expectation) :
E [ X ] = ∫ − ∞ ∞ x f ( x ) d x E[X] = \int_{-\infty}^{\infty} x f(x) dx E [ X ] = ∫ − ∞ ∞ x f ( x ) d x
方差 (Variance) :
Var ( X ) = E [ ( X − E [ X ] ) 2 ] = E [ X 2 ] − ( E [ X ] ) 2 \text{Var}(X) = E[(X - E[X])^2] = E[X^2] - (E[X])^2 Var ( X ) = E [( X − E [ X ] ) 2 ] = E [ X 2 ] − ( E [ X ] ) 2
其中:
E [ X 2 ] = ∫ − ∞ ∞ x 2 f ( x ) d x E[X^2] = \int_{-\infty}^{\infty} x^2 f(x) dx E [ X 2 ] = ∫ − ∞ ∞ x 2 f ( x ) d x
3.2 经典例题:连续均匀分布 U ( 0 , l ) U(0, l) U ( 0 , l ) 的期望与方差推导
设 X ∼ U ( 0 , l ) X \sim U(0, l) X ∼ U ( 0 , l ) ,其 PDF 为:
f ( x ) = { 1 l , 0 ≤ x ≤ l 0 , 其他 f(x) = \begin{cases} \frac{1}{l}, & 0 \le x \le l \\ 0, & \text{其他} \end{cases} f ( x ) = { l 1 , 0 , 0 ≤ x ≤ l 其他
期望推导 :
E [ X ] = ∫ 0 l x ⋅ 1 l d x = [ x 2 2 l ] 0 l = l 2 2 l = l 2 E[X] = \int_{0}^{l} x \cdot \frac{1}{l} dx = \left[ \frac{x^2}{2l} \right]_{0}^{l} = \frac{l^2}{2l} = \frac{l}{2} E [ X ] = ∫ 0 l x ⋅ l 1 d x = [ 2 l x 2 ] 0 l = 2 l l 2 = 2 l
方差推导 : 首先计算 E [ X 2 ] E[X^2] E [ X 2 ] :
E [ X 2 ] = ∫ 0 l x 2 ⋅ 1 l d x = [ x 3 3 l ] 0 l = l 3 3 l = l 2 3 E[X^2] = \int_{0}^{l} x^2 \cdot \frac{1}{l} dx = \left[ \frac{x^3}{3l} \right]_{0}^{l} = \frac{l^3}{3l} = \frac{l^2}{3} E [ X 2 ] = ∫ 0 l x 2 ⋅ l 1 d x = [ 3 l x 3 ] 0 l = 3 l l 3 = 3 l 2
进而计算 Var ( X ) \text{Var}(X) Var ( X ) :
Var ( X ) = E [ X 2 ] − ( E [ X ] ) 2 = l 2 3 − ( l 2 ) 2 = l 2 3 − l 2 4 = l 2 12 \text{Var}(X) = E[X^2] - (E[X])^2 = \frac{l^2}{3} - \left(\frac{l}{2}\right)^2 = \frac{l^2}{3} - \frac{l^2}{4} = \frac{l^2}{12} Var ( X ) = E [ X 2 ] − ( E [ X ] ) 2 = 3 l 2 − ( 2 l ) 2 = 3 l 2 − 4 l 2 = 12 l 2
4. 联合密度 (Joint Density)
当研究两个连续随机变量 X X X 和 Y Y Y 时,我们使用联合概率密度函数 f X , Y ( x , y ) f_{X,Y}(x, y) f X , Y ( x , y ) 。
满足条件:
f X , Y ( x , y ) ≥ 0 f_{X,Y}(x, y) \ge 0 f X , Y ( x , y ) ≥ 0
∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ f X , Y ( x , y ) d x d y = 1 \int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} f_{X,Y}(x, y) dx dy = 1 ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ f X , Y ( x , y ) d x d y = 1
区间概率计算(类似重积分):
P [ a ≤ X ≤ b , c ≤ Y ≤ d ] = ∫ c d ∫ a b f X , Y ( x , y ) d x d y P[a \le X \le b, c \le Y \le d] = \int_{c}^{d} \int_{a}^{b} f_{X,Y}(x, y) dx dy P [ a ≤ X ≤ b , c ≤ Y ≤ d ] = ∫ c d ∫ a b f X , Y ( x , y ) d x d y
4.1 边缘密度 (Marginal Density)
⚠️ 纠正手写笔记:手写笔记中边缘密度的积分限写成了 a a a 到 b b b ,这在一般情况下是不对的。应当积掉不关心的变量,积分限为 − ∞ -\infty − ∞ 到 + ∞ +\infty + ∞ 。
X X X 的边缘密度 (积掉 Y Y Y ):
f X ( x ) = ∫ − ∞ ∞ f X , Y ( x , y ) d y f_X(x) = \int_{-\infty}^{\infty} f_{X,Y}(x, y) dy f X ( x ) = ∫ − ∞ ∞ f X , Y ( x , y ) d y
Y Y Y 的边缘密度 (积掉 X X X ):
f Y ( y ) = ∫ − ∞ ∞ f X , Y ( x , y ) d x f_Y(y) = \int_{-\infty}^{\infty} f_{X,Y}(x, y) dx f Y ( y ) = ∫ − ∞ ∞ f X , Y ( x , y ) d x
4.2 条件密度 (Conditional Density)
已知 X = x X=x X = x 的条件下,Y Y Y 的条件概率密度为:
f Y ∣ X = x ( y ) = f X , Y ( x , y ) f X ( x ) f_{Y|X=x}(y) = \frac{f_{X,Y}(x, y)}{f_X(x)} f Y ∣ X = x ( y ) = f X ( x ) f X , Y ( x , y )
5. 独立性 (Independence)
若连续随机变量 X X X 和 Y Y Y 独立,则对任意区间均有 P [ a ≤ X ≤ b , c ≤ Y ≤ d ] = P [ a ≤ X ≤ b ] P [ c ≤ Y ≤ d ] P[a \le X \le b, c \le Y \le d] = P[a \le X \le b] P[c \le Y \le d] P [ a ≤ X ≤ b , c ≤ Y ≤ d ] = P [ a ≤ X ≤ b ] P [ c ≤ Y ≤ d ] 。 在密度函数上的等价条件为:
f X , Y ( x , y ) = f X ( x ) f Y ( y ) ( 对所有 x , y ∈ R ) f_{X,Y}(x, y) = f_X(x) f_Y(y) \quad (\text{对所有 } x, y \in \mathbb{R}) f X , Y ( x , y ) = f X ( x ) f Y ( y ) ( 对所有 x , y ∈ R )
此时,容易证明条件密度等于边缘密度:
f Y ∣ X = x ( y ) = f X ( x ) f Y ( y ) f X ( x ) = f Y ( y ) f_{Y|X=x}(y) = \frac{f_X(x)f_Y(y)}{f_X(x)} = f_Y(y) f Y ∣ X = x ( y ) = f X ( x ) f X ( x ) f Y ( y ) = f Y ( y )
6. 全概率公式 (Total Probability Rule)
在连续空间中,全概率公式可以写为积分形式:
对于事件 A A A :
P [ A ] = ∫ − ∞ ∞ P [ A ∣ X = x ] f X ( x ) d x P[A] = \int_{-\infty}^{\infty} P[A | X = x] f_X(x) dx P [ A ] = ∫ − ∞ ∞ P [ A ∣ X = x ] f X ( x ) d x
对于另一个随机变量 Y Y Y 的边际密度:
f Y ( y ) = ∫ − ∞ ∞ f Y ∣ X = x ( y ) f X ( x ) d x f_Y(y) = \int_{-\infty}^{\infty} f_{Y|X=x}(y) f_X(x) dx f Y ( y ) = ∫ − ∞ ∞ f Y ∣ X = x ( y ) f X ( x ) d x
三、 指数分布 (Exponential Distribution)
指数分布通常用于模拟事件发生前的“等待时间”(如设备寿命、下一次请求到达的时间等),它是几何分布在连续时间下的完美对应。
1. 定义与验证
对于参数 λ > 0 \lambda > 0 λ > 0 ,若随机变量 X ∼ Exp ( λ ) X \sim \text{Exp}(\lambda) X ∼ Exp ( λ ) ,其 PDF 为:
f ( x ) = { λ e − λ x , x ≥ 0 0 , x < 0 f(x) = \begin{cases} \lambda e^{-\lambda x}, & x \ge 0 \\ 0, & x < 0 \end{cases} f ( x ) = { λ e − λ x , 0 , x ≥ 0 x < 0
PDF 合法性验证 :
∫ 0 ∞ λ e − λ x d x = [ − e − λ x ] 0 ∞ = 0 − ( − 1 ) = 1 \int_{0}^{\infty} \lambda e^{-\lambda x} dx = \left[ -e^{-\lambda x} \right]_{0}^{\infty} = 0 - (-1) = 1 ∫ 0 ∞ λ e − λ x d x = [ − e − λ x ] 0 ∞ = 0 − ( − 1 ) = 1
2. 期望与方差的严格推导(必考:使用分部积分法)
为了计算期望和方差,我们需要使用分部积分公式 ∫ u d v = u v − ∫ v d u \int u dv = uv - \int v du ∫ u d v = uv − ∫ v d u 。
2.1 期望 E [ X ] E[X] E [ X ] 的推导
E [ X ] = ∫ 0 ∞ x ( λ e − λ x ) d x E[X] = \int_{0}^{\infty} x \left( \lambda e^{-\lambda x} \right) dx E [ X ] = ∫ 0 ∞ x ( λ e − λ x ) d x
令 u = x ⟹ d u = d x u = x \implies du = dx u = x ⟹ d u = d x ;d v = λ e − λ x d x ⟹ v = − e − λ x dv = \lambda e^{-\lambda x} dx \implies v = -e^{-\lambda x} d v = λ e − λ x d x ⟹ v = − e − λ x 。
E [ X ] = [ − x e − λ x ] 0 ∞ − ∫ 0 ∞ ( − e − λ x ) d x E[X] = \left[ -x e^{-\lambda x} \right]_{0}^{\infty} - \int_{0}^{\infty} \left( -e^{-\lambda x} \right) dx E [ X ] = [ − x e − λ x ] 0 ∞ − ∫ 0 ∞ ( − e − λ x ) d x
由于 lim x → ∞ x e − λ x = 0 \lim_{x \to \infty} x e^{-\lambda x} = 0 lim x → ∞ x e − λ x = 0 (指数函数增长远快于线性增长),第一项在区间端点值均为 0。
E [ X ] = 0 + [ − 1 λ e − λ x ] 0 ∞ = 1 λ E[X] = 0 + \left[ -\frac{1}{\lambda} e^{-\lambda x} \right]_{0}^{\infty} = \frac{1}{\lambda} E [ X ] = 0 + [ − λ 1 e − λ x ] 0 ∞ = λ 1
2.2 二阶矩 E [ X 2 ] E[X^2] E [ X 2 ] 的推导
E [ X 2 ] = ∫ 0 ∞ x 2 ( λ e − λ x ) d x E[X^2] = \int_{0}^{\infty} x^2 \left( \lambda e^{-\lambda x} \right) dx E [ X 2 ] = ∫ 0 ∞ x 2 ( λ e − λ x ) d x
令 u = x 2 ⟹ d u = 2 x d x u = x^2 \implies du = 2x dx u = x 2 ⟹ d u = 2 x d x ;d v = λ e − λ x d x ⟹ v = − e − λ x dv = \lambda e^{-\lambda x} dx \implies v = -e^{-\lambda x} d v = λ e − λ x d x ⟹ v = − e − λ x 。
E [ X 2 ] = [ − x 2 e − λ x ] 0 ∞ − ∫ 0 ∞ ( − e − λ x ) ⋅ ( 2 x ) d x E[X^2] = \left[ -x^2 e^{-\lambda x} \right]_{0}^{\infty} - \int_{0}^{\infty} \left( -e^{-\lambda x} \right) \cdot (2x) dx E [ X 2 ] = [ − x 2 e − λ x ] 0 ∞ − ∫ 0 ∞ ( − e − λ x ) ⋅ ( 2 x ) d x
第一项同样为 0,第二项化简为:
E [ X 2 ] = 2 λ ∫ 0 ∞ x ( λ e − λ x ) d x = 2 λ E [ X ] = 2 λ 2 E[X^2] = \frac{2}{\lambda} \int_{0}^{\infty} x \left( \lambda e^{-\lambda x} \right) dx = \frac{2}{\lambda} E[X] = \frac{2}{\lambda^2} E [ X 2 ] = λ 2 ∫ 0 ∞ x ( λ e − λ x ) d x = λ 2 E [ X ] = λ 2 2
2.3 方差 Var ( X ) \text{Var}(X) Var ( X )
Var ( X ) = E [ X 2 ] − ( E [ X ] ) 2 = 2 λ 2 − ( 1 λ ) 2 = 1 λ 2 \text{Var}(X) = E[X^2] - (E[X])^2 = \frac{2}{\lambda^2} - \left(\frac{1}{\lambda}\right)^2 = \frac{1}{\lambda^2} Var ( X ) = E [ X 2 ] − ( E [ X ] ) 2 = λ 2 2 − ( λ 1 ) 2 = λ 2 1
3. 尾部概率 (Tail Probability)
设备在 t t t 时刻后仍未损坏(即生存概率)为:
P [ X > t ] = ∫ t ∞ λ e − λ x d x = [ − e − λ x ] t ∞ = e − λ t P[X > t] = \int_{t}^{\infty} \lambda e^{-\lambda x} dx = \left[ -e^{-\lambda x} \right]_{t}^{\infty} = e^{-\lambda t} P [ X > t ] = ∫ t ∞ λ e − λ x d x = [ − e − λ x ] t ∞ = e − λ t
这个结果表明,随着等待时间 t t t 的增加,未发生事件的概率呈现指数级衰减 。
📌 【学生疑难解答 2】为什么等了 t t t 秒之后,未来的等待时间还是“全同”的?(无记忆性)
解答 :这对应了手写笔记中画红星的疑惑:“我不能理解为什么 t t t 折进约二分之一后还是全同的(我不理解等了 t t t 秒之后还是同等的)”。
这被称为指数分布的无记忆性 (Memoryless Property) 。数学定义为:对任意 s , t ≥ 0 s, t \ge 0 s , t ≥ 0 ,有:
P [ X > s + t ∣ X > s ] = P [ X > t ] P[X > s+t \mid X > s] = P[X > t] P [ X > s + t ∣ X > s ] = P [ X > t ]
严格证明 : 根据条件概率公式:
P [ X > s + t ∣ X > s ] = P [ X > s + t ∩ X > s ] P [ X > s ] = P [ X > s + t ] P [ X > s ] P[X > s+t \mid X > s] = \frac{P[X > s+t \cap X > s]}{P[X > s]} = \frac{P[X > s+t]}{P[X > s]} P [ X > s + t ∣ X > s ] = P [ X > s ] P [ X > s + t ∩ X > s ] = P [ X > s ] P [ X > s + t ]
代入尾部概率公式 P [ X > y ] = e − λ y P[X > y] = e^{-\lambda y} P [ X > y ] = e − λ y :
e − λ ( s + t ) e − λ s = e − λ s ⋅ e − λ t e − λ s = e − λ t = P [ X > t ] \frac{e^{-\lambda(s+t)}}{e^{-\lambda s}} = \frac{e^{-\lambda s} \cdot e^{-\lambda t}}{e^{-\lambda s}} = e^{-\lambda t} = P[X > t] e − λ s e − λ ( s + t ) = e − λ s e − λ s ⋅ e − λ t = e − λ t = P [ X > t ]
直观物理理解 : 想象一颗放射性原子核 。它在下一个小时内衰变的概率,与它之前已经存在了 1 年还是 10 年完全无关 。原子核没有“衰老”的概念,它不会因为“活得久”就更容易在下一秒坏掉。 同样的,如果一个灯泡的寿命符合指数分布,那么一个已经用了 s s s 小时的旧灯泡,能再撑 t t t 小时的概率,和一个刚买来的新灯泡能撑 t t t 小时的概率是一模一样 的。这就是“无记忆性”。
📌 【学生疑难解答 3】指数分布和泊松分布有什么深刻联系?
解答 :手写笔记中写道:“为什么让我感觉有些像泊松分布?”。您的直觉极其敏锐! 它们确实是同一个随机过程的两面:
泊松分布 (Poisson Distribution) :关注的是个数 。在固定的单位时间内,某事件发生的次数 N ∼ Poisson ( λ ) N \sim \text{Poisson}(\lambda) N ∼ Poisson ( λ ) 。
指数分布 (Exponential Distribution) :关注的是时间 。在事件以恒定速率 λ \lambda λ 发生的过程中,两次事件之间的等待时间 T ∼ Exp ( λ ) T \sim \text{Exp}(\lambda) T ∼ Exp ( λ ) 。
简单关系 :如果一小时内平均发生 λ \lambda λ 次事件,那么发生一次事件平均需要等待 1 λ \frac{1}{\lambda} λ 1 小时(即期望 E [ T ] = 1 λ E[T] = \frac{1}{\lambda} E [ T ] = λ 1 )。
4. 补充例题
题目 :假设某服务器接收到请求的时间间隔(单位:秒)服从参数 λ = 0.5 \lambda = 0.5 λ = 0.5 的指数分布。
求两个相邻请求之间等待时间大于 4 秒的概率。
求服务器接收一个请求的平均等待时间。
解答 :
设等待时间为随机变量 T ∼ Exp ( 0.5 ) T \sim \text{Exp}(0.5) T ∼ Exp ( 0.5 ) 。
P [ T > 4 ] = e − 0.5 × 4 = e − 2 ≈ 0.1353 P[T > 4] = e^{-0.5 \times 4} = e^{-2} \approx 0.1353 P [ T > 4 ] = e − 0.5 × 4 = e − 2 ≈ 0.1353
平均等待时间即为期望:
E [ T ] = 1 λ = 1 0.5 = 2 秒 E[T] = \frac{1}{\lambda} = \frac{1}{0.5} = 2 \text{ 秒} E [ T ] = λ 1 = 0.5 1 = 2 秒
四、 正态分布 (Normal Distribution)
正态分布(高斯分布)是自然界中最常见、最重要的连续概率分布。
1. 定义
若随机变量 X ∼ N ( μ , σ 2 ) X \sim N(\mu, \sigma^2) X ∼ N ( μ , σ 2 ) (其中均值为 μ \mu μ ,方差为 σ 2 \sigma^2 σ 2 ),其 PDF 为:
f ( x ) = 1 2 π σ 2 e − ( x − μ ) 2 2 σ 2 f(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}} f ( x ) = 2 π σ 2 1 e − 2 σ 2 ( x − μ ) 2
当 μ = 0 , σ = 1 \mu=0, \sigma=1 μ = 0 , σ = 1 时,称为标准正态分布 N ( 0 , 1 ) N(0, 1) N ( 0 , 1 ) 。
📌 【学习技巧】如何优雅地记住这个公式?
手写笔记中红字写道:“有些记不住”。这里有一个直观的拆解记忆法:
核心形状 :钟形曲线的核心是负指数高斯核 e − z 2 / 2 e^{-z^2/2} e − z 2 /2 ,代表偏离中心的指数衰减。
标准化偏离度 :将偏离均值的距离标准化为标准差的倍数:z = x − μ σ z = \frac{x-\mu}{\sigma} z = σ x − μ 。代入高斯核得到:e − ( x − μ ) 2 2 σ 2 e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}} e − 2 σ 2 ( x − μ ) 2 。
归一化系数 :为了保证整个实数轴上的积分为 1,前面必须乘以系数 1 2 π σ \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} 2 π σ 1 。 *记作:一除根号二派西格玛,乘以 e 的负(偏差除以西格玛)平方除以二。*
2. 标准化引理 (Standardization Lemma)
这是正态分布最关键的计算性质。
若 X ∼ N ( μ , σ 2 ) X \sim N(\mu, \sigma^2) X ∼ N ( μ , σ 2 ) ,则通过平移和缩放:
Y = X − μ σ ∼ N ( 0 , 1 ) Y = \frac{X - \mu}{\sigma} \sim N(0, 1) Y = σ X − μ ∼ N ( 0 , 1 )
这意味着,所有的正态分布问题都可以转化为标准正态分布来求解。我们用 Φ ( z ) \Phi(z) Φ ( z ) 表示标准正态分布的 CDF:
Φ ( z ) = P [ Y ≤ z ] = 1 2 π ∫ − ∞ z e − t 2 / 2 d t \Phi(z) = P[Y \le z] = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{z} e^{-t^2/2} dt Φ ( z ) = P [ Y ≤ z ] = 2 π 1 ∫ − ∞ z e − t 2 /2 d t
3. 补充例题
题目 :已知某校男生的身高 X ∼ N ( 175 , 25 ) X \sim N(175, 25) X ∼ N ( 175 , 25 ) (即均值为 175 cm,方差为 25 c m 2 cm^2 c m 2 ,标准差 σ = 5 \sigma = 5 σ = 5 )。随机选一名男生,求其身高在 170 cm 到 185 cm 之间的概率。 (已知标准正态分布表值:Φ ( 1 ) ≈ 0.8413 \Phi(1) \approx 0.8413 Φ ( 1 ) ≈ 0.8413 , Φ ( 2 ) ≈ 0.9772 \Phi(2) \approx 0.9772 Φ ( 2 ) ≈ 0.9772 )
解答 : 我们欲求 P [ 170 ≤ X ≤ 185 ] P[170 \le X \le 185] P [ 170 ≤ X ≤ 185 ] 。利用标准化进行转化:
P [ 170 ≤ X ≤ 185 ] = P [ 170 − 175 5 ≤ X − 175 5 ≤ 185 − 175 5 ] P[170 \le X \le 185] = P\left[ \frac{170 - 175}{5} \le \frac{X - 175}{5} \le \frac{185 - 175}{5} \right] P [ 170 ≤ X ≤ 185 ] = P [ 5 170 − 175 ≤ 5 X − 175 ≤ 5 185 − 175 ]
= P [ − 1 ≤ Y ≤ 2 ] ( 其中 Y ∼ N ( 0 , 1 ) ) = P[-1 \le Y \le 2] \quad (\text{其中 } Y \sim N(0, 1)) = P [ − 1 ≤ Y ≤ 2 ] ( 其中 Y ∼ N ( 0 , 1 ))
= Φ ( 2 ) − Φ ( − 1 ) = \Phi(2) - \Phi(-1) = Φ ( 2 ) − Φ ( − 1 )
由于正态分布曲线的对称性,Φ ( − 1 ) = 1 − Φ ( 1 ) \Phi(-1) = 1 - \Phi(1) Φ ( − 1 ) = 1 − Φ ( 1 ) :
P [ − 1 ≤ Y ≤ 2 ] = Φ ( 2 ) − ( 1 − Φ ( 1 ) ) = 0.9772 − ( 1 − 0.8413 ) = 0.9772 − 0.1587 = 0.8185 P[-1 \le Y \le 2] = \Phi(2) - (1 - \Phi(1)) = 0.9772 - (1 - 0.8413) = 0.9772 - 0.1587 = 0.8185 P [ − 1 ≤ Y ≤ 2 ] = Φ ( 2 ) − ( 1 − Φ ( 1 )) = 0.9772 − ( 1 − 0.8413 ) = 0.9772 − 0.1587 = 0.8185
所以,该校男生身高在 170 ~ 185 cm 之间的概率约为 81.85 % 81.85\% 81.85% 。
五、 中心极限定理 (Central Limit Theorem, CLT)
1. 核心思想
无论底层独立同分布(i.i.d.)的随机变量 X i X_i X i 服从什么奇形怪状的分布,只要样本量 n n n 足够大,它们的累加和 S n S_n S n 或样本均值 A n A_n A n 都会趋向于正态分布!
2. 数学表述
设 X 1 , X 2 , … , X n X_1, X_2, \dots, X_n X 1 , X 2 , … , X n 是独立同分布的随机变量序列,其共同期望为 E [ X i ] = μ E[X_i] = \mu E [ X i ] = μ ,方差为 Var ( X i ) = σ 2 \text{Var}(X_i) = \sigma^2 Var ( X i ) = σ 2 (均有限)。 令其累加和为 S n = ∑ i = 1 n X i S_n = \sum_{i=1}^{n} X_i S n = ∑ i = 1 n X i 。容易得到:
E [ S n ] = n μ E[S_n] = n\mu E [ S n ] = n μ
Var ( S n ) = n σ 2 \text{Var}(S_n) = n\sigma^2 Var ( S n ) = n σ 2
当 n → ∞ n \to \infty n → ∞ 时,其标准化随机变量 Z n Z_n Z n 收敛到标准正态分布 N ( 0 , 1 ) N(0, 1) N ( 0 , 1 ) :
Z n = S n − n μ σ n → d N ( 0 , 1 ) Z_n = \frac{S_n - n\mu}{\sigma \sqrt{n}} \xrightarrow{d} N(0, 1) Z n = σ n S n − n μ d N ( 0 , 1 )
📌 【学生疑难解答 4】为什么 P ( Z n ≤ c ) P(Z_n \le c) P ( Z n ≤ c ) 会等后面那一长串积分?
解答 :手写笔记最后写道:“我不了解的是:为什么 P ( Z n ≤ c ) ≈ 1 2 π ∫ − ∞ c e − x 2 / 2 d x P(Z_n \le c) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{c} e^{-x^2/2} dx P ( Z n ≤ c ) ≈ 2 π 1 ∫ − ∞ c e − x 2 /2 d x ”。
极其简单的原因 :因为中心极限定理指出,当 n n n 很大时,Z n Z_n Z n 本质上就是一个标准正态分布随机变量 。
定义对应 :根据我们在第四章中介绍的标准正态分布 CDF 的定义,任何标准正态分布变量小于等于 c c c 的概率,就是标准正态分布的 PDF 在 − ∞ -\infty − ∞ 到 c c c 上的积分。
结论 :这个积分不是新推导出来的公式,它就是标准正态分布的累积概率 Φ ( c ) \Phi(c) Φ ( c ) 的微积分表达式 !由于 Z n ≈ N ( 0 , 1 ) Z_n \approx N(0, 1) Z n ≈ N ( 0 , 1 ) ,所以:
P [ Z n ≤ c ] ≈ Φ ( c ) = 1 2 π ∫ − ∞ c e − x 2 / 2 d x P[Z_n \le c] \approx \Phi(c) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{c} e^{-x^2/2} dx P [ Z n ≤ c ] ≈ Φ ( c ) = 2 π 1 ∫ − ∞ c e − x 2 /2 d x
3. CLT 标准解题步骤 (SOP)
在做题时,请严格按照以下三步执行(对应手写笔记中的红色 SOP 总结):
提取元数据 :提取单个随机变量的期望 μ \mu μ 和方差 σ 2 \sigma^2 σ 2 ,并明确样本量 n n n 。
构建标准化变量 Z n Z_n Z n :
Z n = S n − n μ σ n Z_n = \frac{S_n - n\mu}{\sigma\sqrt{n}} Z n = σ n S n − n μ
查表或写出标准正态形式 :将要求的概率形式转换为 P [ Z n ≤ c ] = Φ ( c ) P[Z_n \le c] = \Phi(c) P [ Z n ≤ c ] = Φ ( c ) ,查表求值。
4. 补充例题
题目 :假设一口井每天的产水量 X i X_i X i 是独立的随机变量,期望为 μ = 10 \mu = 10 μ = 10 吨,方差为 σ 2 = 4 \sigma^2 = 4 σ 2 = 4 吨 2 吨^2 吨 2 。求这口井 100 天的总产水量 S 100 S_{100} S 100 超过 1030 吨的概率。 (已知 Φ ( 1.5 ) ≈ 0.9332 \Phi(1.5) \approx 0.9332 Φ ( 1.5 ) ≈ 0.9332 )
解答 :
提取元数据 :μ = 10 , σ = 2 , n = 100 \mu = 10, \sigma = 2, n = 100 μ = 10 , σ = 2 , n = 100 。
E [ S 100 ] = n μ = 100 × 10 = 1000 E[S_{100}] = n\mu = 100 \times 10 = 1000 E [ S 100 ] = n μ = 100 × 10 = 1000 吨。
标准差为 σ n = 2 × 100 = 20 \sigma\sqrt{n} = 2 \times \sqrt{100} = 20 σ n = 2 × 100 = 20 。
构建标准化变量 :
P [ S 100 > 1030 ] = P [ S 100 − 1000 20 > 1030 − 1000 20 ] P[S_{100} > 1030] = P\left[ \frac{S_{100} - 1000}{20} > \frac{1030 - 1000}{20} \right] P [ S 100 > 1030 ] = P [ 20 S 100 − 1000 > 20 1030 − 1000 ]
= P [ Z n > 1.5 ] = P[Z_n > 1.5] = P [ Z n > 1.5 ]
求值 :
P [ Z n > 1.5 ] = 1 − Φ ( 1.5 ) ≈ 1 − 0.9332 = 0.0668 P[Z_n > 1.5] = 1 - \Phi(1.5) \approx 1 - 0.9332 = 0.0668 P [ Z n > 1.5 ] = 1 − Φ ( 1.5 ) ≈ 1 − 0.9332 = 0.0668
所以,100 天的总产水量超过 1030 吨的概率仅约为 6.68 % 6.68\% 6.68% 。
六、 经典综合应用:布丰投针问题 (Buffon’s Needle)
本节为教材中的重要综合案例,融合了联合均匀密度、三角函数积分等知识。
1. 问题描述
水平面上画有等距离为 l l l 的平行线。将一根长度为 l l l 的针随机投掷在平面上。求针与任意一条平行线相交的概率。
2. 建立数学模型
针在平面上的位置可以由两个独立的随机变量完全决定:
距离 Y Y Y :针的中点到最近平行线的垂直距离,显然 Y ∼ U ( 0 , l / 2 ) Y \sim U(0, l/2) Y ∼ U ( 0 , l /2 ) 。
夹角 Θ \Theta Θ :针与垂直方向的夹角,显然 Θ ∼ U ( − π / 2 , π / 2 ) \Theta \sim U(-\pi/2, \pi/2) Θ ∼ U ( − π /2 , π /2 ) 。
因为 Y Y Y 与 Θ \Theta Θ 相互独立,它们的联合 PDF 是它们各自均匀 PDF 的乘积:
f Y , Θ ( y , θ ) = f Y ( y ) ⋅ f Θ ( θ ) = 2 l ⋅ 1 π = 2 π l ( 0 ≤ y ≤ l 2 , − π 2 ≤ θ ≤ π 2 ) f_{Y,\Theta}(y, \theta) = f_Y(y) \cdot f_\Theta(\theta) = \frac{2}{l} \cdot \frac{1}{\pi} = \frac{2}{\pi l} \quad \left(0 \le y \le \frac{l}{2}, -\frac{\pi}{2} \le \theta \le \frac{\pi}{2}\right) f Y , Θ ( y , θ ) = f Y ( y ) ⋅ f Θ ( θ ) = l 2 ⋅ π 1 = π l 2 ( 0 ≤ y ≤ 2 l , − 2 π ≤ θ ≤ 2 π )
3. 相交条件与积分计算
根据几何三角关系,针的一半投射在垂直方向的半长度为 l 2 cos Θ \frac{l}{2} \cos\Theta 2 l cos Θ 。 针与平行线相交的充要条件是:
Y ≤ l 2 cos Θ Y \le \frac{l}{2} \cos\Theta Y ≤ 2 l cos Θ
设相交事件为 E E E ,其概率为在相交区域上的二重积分:
P [ E ] = ∫ − π / 2 π / 2 ∫ 0 l 2 cos θ f Y , Θ ( y , θ ) d y d θ P[E] = \int_{-\pi/2}^{\pi/2} \int_{0}^{\frac{l}{2}\cos\theta} f_{Y,\Theta}(y, \theta) dy d\theta P [ E ] = ∫ − π /2 π /2 ∫ 0 2 l c o s θ f Y , Θ ( y , θ ) d y d θ
= ∫ − π / 2 π / 2 ∫ 0 l 2 cos θ 2 π l d y d θ = \int_{-\pi/2}^{\pi/2} \int_{0}^{\frac{l}{2}\cos\theta} \frac{2}{\pi l} dy d\theta = ∫ − π /2 π /2 ∫ 0 2 l c o s θ π l 2 d y d θ
= ∫ − π / 2 π / 2 ( 2 π l ⋅ l 2 cos θ ) d θ = \int_{-\pi/2}^{\pi/2} \left( \frac{2}{\pi l} \cdot \frac{l}{2}\cos\theta \right) d\theta = ∫ − π /2 π /2 ( π l 2 ⋅ 2 l cos θ ) d θ
= 1 π ∫ − π / 2 π / 2 cos θ d θ = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi/2}^{\pi/2} \cos\theta d\theta = π 1 ∫ − π /2 π /2 cos θ d θ
= 1 π [ sin θ ] − π / 2 π / 2 = 1 π ( 1 − ( − 1 ) ) = 2 π = \frac{1}{\pi} \left[ \sin\theta \right]_{-\pi/2}^{\pi/2} = \frac{1}{\pi} (1 - (-1)) = \frac{2}{\pi} = π 1 [ sin θ ] − π /2 π /2 = π 1 ( 1 − ( − 1 )) = π 2
4. 奇妙的结论
投针相交概率 P [ E ] = 2 π \text{投针相交概率 } P[E] = \frac{2}{\pi} 投针相交概率 P [ E ] = π 2
利用大数定律,我们通过大量重复投针试验,统计相交的频率,便可以用 π ≈ 2 相交频率 \pi \approx \frac{2}{\text{相交频率}} π ≈ 相交频率 2 来估算圆周率 π \pi π 的值!这就是著名的蒙特卡洛模拟的鼻祖。
连续与多维概率分布巩固练习指南 (含全真题翻译与详析)
本指南针对你的手写笔记盲点,精选了上传教材《Chapter 4》与《Chapter 5》中的典型习题,所有题目均附带中文翻译 与极其详尽的微积分推导过程 ,帮助你通过实战消灭知识死角。
阶段一:连续随机变量基础与积分基本功
🎯 对应笔记知识点:
连续均匀概率空间(区间长度占比)
概率密度函数(PDF)的非负性与归一化(解答:PDF为什么能大于1 )
期望 E [ X ] E[X] E [ X ] 、方差 Var ( X ) \text{Var}(X) Var ( X ) 与累积分布函数(CDF)的微积分转换关系
1. 【问题 32】连续概率变量、概率密度函数与分布函数Ⅰ (教材第 70-71 页)
📝 【原题翻译】
已知连续随机变量 X X X 的概率密度函数 f X ( x ) f_{X}(x) f X ( x ) (其中 c c c 为常数,在指定区间外的取值均为 0),求以下各项:
当 f X ( x ) = c x ( 2 ≤ x ≤ 6 ) f_{X}(x) = cx \quad (2 \le x \le 6) f X ( x ) = c x ( 2 ≤ x ≤ 6 ) 时: (a) 求常数 c c c 的值; (b) 计算期望 E ( X ) E(X) E ( X ) ; (c) 计算方差 V ( X ) V(X) V ( X ) 。
当 f X ( x ) = c x ( − 8 ≤ x ≤ − 4 ) f_{X}(x) = \frac{c}{x} \quad (-8 \le x \le -4) f X ( x ) = x c ( − 8 ≤ x ≤ − 4 ) 时: (a) 求常数 c c c 的值; (b) 计算期望 E ( X ) E(X) E ( X ) ; (c) 计算方差 V ( X ) V(X) V ( X ) 。
✍️ 【详细解答过程】
第一小题解答:
(a) 求常数 c c c : 根据概率密度函数的归一性 (总积分为 1):
∫ − ∞ ∞ f X ( x ) d x = 1 ⟹ ∫ 2 6 c x d x = 1 \int_{-\infty}^{\infty} f_X(x) dx = 1 \implies \int_{2}^{6} cx \, dx = 1 ∫ − ∞ ∞ f X ( x ) d x = 1 ⟹ ∫ 2 6 c x d x = 1
计算定积分:
[ 1 2 c x 2 ] 2 6 = 1 ⟹ 1 2 c ( 6 2 − 2 2 ) = 1 ⟹ 1 2 c ( 36 − 4 ) = 16 c = 1 ⟹ c = 1 16 \left[ \frac{1}{2}cx^2 \right]_{2}^{6} = 1 \implies \frac{1}{2}c \left(6^2 - 2^2\right) = 1 \implies \frac{1}{2}c(36 - 4) = 16c = 1 \implies c = \frac{1}{16} [ 2 1 c x 2 ] 2 6 = 1 ⟹ 2 1 c ( 6 2 − 2 2 ) = 1 ⟹ 2 1 c ( 36 − 4 ) = 16 c = 1 ⟹ c = 16 1
(b) 计算期望 E ( X ) E(X) E ( X ) : 将 c = 1 16 c = \frac{1}{16} c = 16 1 代入 E ( X ) = ∫ − ∞ ∞ x f X ( x ) d x E(X) = \int_{-\infty}^{\infty} x f_X(x) dx E ( X ) = ∫ − ∞ ∞ x f X ( x ) d x :
E ( X ) = ∫ 2 6 x ⋅ ( 1 16 x ) d x = 1 16 ∫ 2 6 x 2 d x E(X) = \int_{2}^{6} x \cdot \left(\frac{1}{16}x\right) dx = \frac{1}{16} \int_{2}^{6} x^2 \, dx E ( X ) = ∫ 2 6 x ⋅ ( 16 1 x ) d x = 16 1 ∫ 2 6 x 2 d x
E ( X ) = 1 16 [ x 3 3 ] 2 6 = 1 48 ( 6 3 − 2 3 ) = 1 48 ( 216 − 8 ) = 208 48 = 13 3 E(X) = \frac{1}{16} \left[ \frac{x^3}{3} \right]_{2}^{6} = \frac{1}{48} (6^3 - 2^3) = \frac{1}{48} (216 - 8) = \frac{208}{48} = \frac{13}{3} E ( X ) = 16 1 [ 3 x 3 ] 2 6 = 48 1 ( 6 3 − 2 3 ) = 48 1 ( 216 − 8 ) = 48 208 = 3 13
(c) 计算方差 V ( X ) V(X) V ( X ) : 首先计算二阶矩 E ( X 2 ) E(X^2) E ( X 2 ) :
E ( X 2 ) = ∫ 2 6 x 2 ⋅ ( 1 16 x ) d x = 1 16 ∫ 2 6 x 3 d x E(X^2) = \int_{2}^{6} x^2 \cdot \left(\frac{1}{16}x\right) dx = \frac{1}{16} \int_{2}^{6} x^3 \, dx E ( X 2 ) = ∫ 2 6 x 2 ⋅ ( 16 1 x ) d x = 16 1 ∫ 2 6 x 3 d x
E ( X 2 ) = 1 16 [ x 4 4 ] 2 6 = 1 64 ( 6 4 − 2 4 ) = 1 64 ( 1296 − 16 ) = 1280 64 = 20 E(X^2) = \frac{1}{16} \left[ \frac{x^4}{4} \right]_{2}^{6} = \frac{1}{64} (6^4 - 2^4) = \frac{1}{64} (1296 - 16) = \frac{1280}{64} = 20 E ( X 2 ) = 16 1 [ 4 x 4 ] 2 6 = 64 1 ( 6 4 − 2 4 ) = 64 1 ( 1296 − 16 ) = 64 1280 = 20
利用方差公式 V ( X ) = E ( X 2 ) − ( E ( X ) ) 2 V(X) = E(X^2) - (E(X))^2 V ( X ) = E ( X 2 ) − ( E ( X ) ) 2 :
V ( X ) = 20 − ( 13 3 ) 2 = 20 − 169 9 = 180 − 169 9 = 11 9 V(X) = 20 - \left(\frac{13}{3}\right)^2 = 20 - \frac{169}{9} = \frac{180 - 169}{9} = \frac{11}{9} V ( X ) = 20 − ( 3 13 ) 2 = 20 − 9 169 = 9 180 − 169 = 9 11
第二小题解答:
(a) 求常数 c c c : 根据归一性:
∫ − 8 − 4 c x d x = 1 ⟹ c [ ln ∣ x ∣ ] − 8 − 4 = 1 \int_{-8}^{-4} \frac{c}{x} \, dx = 1 \implies c \Big[ \ln|x| \Big]_{-8}^{-4} = 1 ∫ − 8 − 4 x c d x = 1 ⟹ c [ ln ∣ x ∣ ] − 8 − 4 = 1
注意在负数区间求导时,对数项内部必须加绝对值:
c ( ln ∣ − 4 ∣ − ln ∣ − 8 ∣ ) = 1 ⟹ c ( ln 4 − ln 8 ) = 1 ⟹ c ln ( 4 8 ) = 1 c \left( \ln|-4| - \ln|-8| \right) = 1 \implies c (\ln 4 - \ln 8) = 1 \implies c \ln\left(\frac{4}{8}\right) = 1 c ( ln ∣ − 4∣ − ln ∣ − 8∣ ) = 1 ⟹ c ( ln 4 − ln 8 ) = 1 ⟹ c ln ( 8 4 ) = 1
c ln ( 1 2 ) = 1 ⟹ − c ln 2 = 1 ⟹ c = − 1 ln 2 c \ln\left(\frac{1}{2}\right) = 1 \implies -c \ln 2 = 1 \implies c = -\frac{1}{\ln 2} c ln ( 2 1 ) = 1 ⟹ − c ln 2 = 1 ⟹ c = − l n 2 1
(考点剖析:因为自变量 x x x 在区间 [ − 8 , − 4 ] [-8, -4] [ − 8 , − 4 ] 上均为负数,为了使概率密度 f X ( x ) = c x ≥ 0 f_X(x) = \frac{c}{x} \ge 0 f X ( x ) = x c ≥ 0 恒成立,常数 c c c 必须为负数。求出的 c = − 1 / ln 2 < 0 c = -1/\ln 2 < 0 c = − 1/ ln 2 < 0 完美符合非负性要求!)
(b) 计算期望 E ( X ) E(X) E ( X ) :
E ( X ) = ∫ − 8 − 4 x ⋅ ( c x ) d x = c ∫ − 8 − 4 1 d x = c [ x ] − 8 − 4 = c ( − 4 − ( − 8 ) ) = 4 c E(X) = \int_{-8}^{-4} x \cdot \left( \frac{c}{x} \right) dx = c \int_{-8}^{-4} 1 \, dx = c \Big[ x \Big]_{-8}^{-4} = c (-4 - (-8)) = 4c E ( X ) = ∫ − 8 − 4 x ⋅ ( x c ) d x = c ∫ − 8 − 4 1 d x = c [ x ] − 8 − 4 = c ( − 4 − ( − 8 )) = 4 c
代入 c c c 值:
E ( X ) = − 4 ln 2 E(X) = -\frac{4}{\ln 2} E ( X ) = − l n 2 4
(c) 计算方差 V ( X ) V(X) V ( X ) : 计算二阶矩 E ( X 2 ) E(X^2) E ( X 2 ) :
E ( X 2 ) = ∫ − 8 − 4 x 2 ⋅ ( c x ) d x = c ∫ − 8 − 4 x d x = c [ x 2 2 ] − 8 − 4 E(X^2) = \int_{-8}^{-4} x^2 \cdot \left( \frac{c}{x} \right) dx = c \int_{-8}^{-4} x \, dx = c \left[ \frac{x^2}{2} \right]_{-8}^{-4} E ( X 2 ) = ∫ − 8 − 4 x 2 ⋅ ( x c ) d x = c ∫ − 8 − 4 x d x = c [ 2 x 2 ] − 8 − 4
E ( X 2 ) = c 2 ( ( − 4 ) 2 − ( − 8 ) 2 ) = c 2 ( 16 − 64 ) = − 24 c E(X^2) = \frac{c}{2} \left( (-4)^2 - (-8)^2 \right) = \frac{c}{2} (16 - 64) = -24c E ( X 2 ) = 2 c ( ( − 4 ) 2 − ( − 8 ) 2 ) = 2 c ( 16 − 64 ) = − 24 c
代入 c = − 1 ln 2 c = -\frac{1}{\ln 2} c = − l n 2 1 :
E ( X 2 ) = 24 ln 2 E(X^2) = \frac{24}{\ln 2} E ( X 2 ) = l n 2 24
利用方差公式:
V ( X ) = E ( X 2 ) − ( E ( X ) ) 2 = 24 ln 2 − ( − 4 ln 2 ) 2 = 24 ln 2 − 16 ( ln 2 ) 2 = 24 ln 2 − 16 ( ln 2 ) 2 V(X) = E(X^2) - (E(X))^2 = \frac{24}{\ln 2} - \left( -\frac{4}{\ln 2} \right)^2 = \frac{24}{\ln 2} - \frac{16}{(\ln 2)^2} = \frac{24\ln 2 - 16}{(\ln 2)^2} V ( X ) = E ( X 2 ) − ( E ( X ) ) 2 = l n 2 24 − ( − l n 2 4 ) 2 = l n 2 24 − ( l n 2 ) 2 16 = ( l n 2 ) 2 24 l n 2 − 16
2. 【问题 37】连续概率变量、概率分布、均匀分布Ⅱ (教材第 80-81 页)
📝 【原题翻译】
设随机变量 X X X 服从区间 [ 0 , 1 ] [0, 1] [ 0 , 1 ] 上的连续均匀分布。
求 X X X 的累积分布函数 F X ( x ) = P ( X ≤ x ) F_X(x) = P(X \le x) F X ( x ) = P ( X ≤ x ) 的分段表达式。
求出下列各项概率值: (a) 单点概率 P ( X = 0.5 ) P(X = 0.5) P ( X = 0.5 ) ; (b) 设 X , Y X, Y X , Y 是独立同一分布的(i.i.d.)且都服从 [ 0 , 1 ] [0, 1] [ 0 , 1 ] 上的均匀分布,计算并集概率 P ( X ≤ 0.5 ∪ Y ≤ 0.5 ) P(X \le 0.5 \cup Y \le 0.5) P ( X ≤ 0.5 ∪ Y ≤ 0.5 ) ; (c) 新随机变量的概率 P ( X 2 ≤ x ) P(X^2 \le x) P ( X 2 ≤ x ) 。
✍️ 【详细解答过程】
第一小题解答:
由于 X ∼ U ( 0 , 1 ) X \sim U(0,1) X ∼ U ( 0 , 1 ) ,其 PDF 为 f X ( x ) = 1 ( 0 ≤ x ≤ 1 ) f_X(x) = 1 \quad (0 \le x \le 1) f X ( x ) = 1 ( 0 ≤ x ≤ 1 ) 。 累积分布函数 F X ( x ) = ∫ − ∞ x f X ( z ) d z F_X(x) = \int_{-\infty}^{x} f_X(z) dz F X ( x ) = ∫ − ∞ x f X ( z ) d z 采用分段积分:
当 x < 0 x < 0 x < 0 时:F X ( x ) = 0 F_X(x) = 0 F X ( x ) = 0
当 0 ≤ x ≤ 1 0 \le x \le 1 0 ≤ x ≤ 1 时:F X ( x ) = ∫ 0 x 1 d z = x F_X(x) = \int_{0}^{x} 1 \, dz = x F X ( x ) = ∫ 0 x 1 d z = x
当 x > 1 x > 1 x > 1 时:F X ( x ) = 1 F_X(x) = 1 F X ( x ) = 1 因此:
F X ( x ) = { 0 , x < 0 x , 0 ≤ x ≤ 1 1 , x > 1 F_X(x) = \begin{cases} 0, & x < 0 \\ x, & 0 \le x \le 1 \\ 1, & x > 1 \end{cases} F X ( x ) = ⎩ ⎨ ⎧ 0 , x , 1 , x < 0 0 ≤ x ≤ 1 x > 1
第二小题解答:
(a) 单点概率 P ( X = 0.5 ) P(X = 0.5) P ( X = 0.5 ) : 对于任意连续型随机变量,单点的测度(积分长度)为 0:
P ( X = 0.5 ) = ∫ 0.5 0.5 f X ( x ) d x = 0 P(X = 0.5) = \int_{0.5}^{0.5} f_X(x) dx = 0 P ( X = 0.5 ) = ∫ 0.5 0.5 f X ( x ) d x = 0
(b) 并集概率 P ( X ≤ 0.5 ∪ Y ≤ 0.5 ) P(X \le 0.5 \cup Y \le 0.5) P ( X ≤ 0.5 ∪ Y ≤ 0.5 ) : 由于 X , Y X, Y X , Y 独立,利用互补事件的概率计算(减法原理):
P ( X ≤ 0.5 ∪ Y ≤ 0.5 ) = 1 − P ( X > 0.5 ∩ Y > 0.5 ) P(X \le 0.5 \cup Y \le 0.5) = 1 - P(X > 0.5 \cap Y > 0.5) P ( X ≤ 0.5 ∪ Y ≤ 0.5 ) = 1 − P ( X > 0.5 ∩ Y > 0.5 )
由于独立性,交集概率等于概率的乘积:
= 1 − P ( X > 0.5 ) ⋅ P ( Y > 0.5 ) = 1 - P(X > 0.5) \cdot P(Y > 0.5) = 1 − P ( X > 0.5 ) ⋅ P ( Y > 0.5 )
计算单项概率:P ( X > 0.5 ) = 1 − F X ( 0.5 ) = 1 − 0.5 = 0.5 P(X > 0.5) = 1 - F_X(0.5) = 1 - 0.5 = 0.5 P ( X > 0.5 ) = 1 − F X ( 0.5 ) = 1 − 0.5 = 0.5 :
= 1 − ( 0.5 × 0.5 ) = 1 − 0.25 = 0.75 = 1 - (0.5 \times 0.5) = 1 - 0.25 = 0.75 = 1 − ( 0.5 × 0.5 ) = 1 − 0.25 = 0.75
(c) 计算 P ( X 2 ≤ x ) P(X^2 \le x) P ( X 2 ≤ x ) : 设 W = X 2 W = X^2 W = X 2 ,由于 X X X 只能取正数,我们可以将不等式两边开根号: 当 x < 0 x < 0 x < 0 时:由于 X 2 ≥ 0 X^2 \ge 0 X 2 ≥ 0 恒成立,概率 P ( X 2 ≤ x ) = 0 P(X^2 \le x) = 0 P ( X 2 ≤ x ) = 0 。 当 0 ≤ x ≤ 1 0 \le x \le 1 0 ≤ x ≤ 1 时:
P ( X 2 ≤ x ) = P ( X ≤ x ) = F X ( x ) = x P(X^2 \le x) = P(X \le \sqrt{x}) = F_X(\sqrt{x}) = \sqrt{x} P ( X 2 ≤ x ) = P ( X ≤ x ) = F X ( x ) = x
当 x > 1 x > 1 x > 1 时:由于 X ∈ [ 0 , 1 ] X \in [0, 1] X ∈ [ 0 , 1 ] , X 2 X^2 X 2 必然小于 x x x ,故概率为 1。 综上,新随机变量的分布函数为:
P ( X 2 ≤ x ) = { 0 , x < 0 x , 0 ≤ x ≤ 1 1 , x > 1 P(X^2 \le x) = \begin{cases} 0, & x < 0 \\ \sqrt{x}, & 0 \le x \le 1 \\ 1, & x > 1 \end{cases} P ( X 2 ≤ x ) = ⎩ ⎨ ⎧ 0 , x , 1 , x < 0 0 ≤ x ≤ 1 x > 1
阶段二:两大明星分布深挖(指数分布与正态分布)
🎯 对应笔记知识点:
指数分布 Exp ( λ ) \text{Exp}(\lambda) Exp ( λ ) 的无记忆性推导及其物理直观
正态分布 N ( μ , σ 2 ) N(\mu, \sigma^2) N ( μ , σ 2 ) 的归一性证明、标准化过程及矩母函数(MGF)推导
1. 【问题 38】指数分布与无记忆性 (教材第 82-83 页)
📝 【原题翻译】
设随机变量 X X X 服从参数为 λ > 0 \lambda > 0 λ > 0 的指数分布 Exp ( λ ) \text{Exp}(\lambda) Exp ( λ ) 。 (a) 求期望 E ( X ) E(X) E ( X ) ; (b) 求方差 V ( X ) V(X) V ( X ) ; (c) 求解新随机变量 Y = X 2 Y = X^2 Y = X 2 的概率密度函数 f Y ( y ) f_Y(y) f Y ( y ) 。
探讨指数分布的无记忆性(Memoryless Property): (a) 设 s ≥ 0 s \ge 0 s ≥ 0 ,求尾部概率 P ( X > s ) P(X > s) P ( X > s ) ; (b) 设 s , t ≥ 0 s, t \ge 0 s , t ≥ 0 ,求条件概率 P ( X > s + t ∣ X > s ) P(X > s+t \mid X > s) P ( X > s + t ∣ X > s ) ; (c) 证明等式 P ( X > s + t ∣ X > s ) = P ( X > t ) P(X > s+t \mid X > s) = P(X > t) P ( X > s + t ∣ X > s ) = P ( X > t ) 恒成立; (d) 某物理现象平均每秒发生 1 / 30 1/30 1/30 次(即发生间隔时间服从指数分布)。若该现象已经持续 60 秒未发生,求它还要再等待至少 90 秒才发生的概率。
✍️ 【详细解答过程】
第一小题解答:
(a) 期望 E ( X ) E(X) E ( X ) 与 (b) 方差 V ( X ) V(X) V ( X ) 的推导 : 此处可采用伽马函数(Gamma Function)法进行极速证明,其定义为:
Γ ( n ) = ∫ 0 ∞ u n − 1 e − u d u = ( n − 1 ) ! \Gamma(n) = \int_{0}^{\infty} u^{n-1} e^{-u} du = (n-1)! Γ ( n ) = ∫ 0 ∞ u n − 1 e − u d u = ( n − 1 )!
在计算 E [ X k ] = ∫ 0 ∞ x k λ e − λ x d x E[X^k] = \int_{0}^{\infty} x^k \lambda e^{-\lambda x} dx E [ X k ] = ∫ 0 ∞ x k λ e − λ x d x 时,令 u = λ x ⟹ d x = 1 λ d u u = \lambda x \implies dx = \frac{1}{\lambda} du u = λ x ⟹ d x = λ 1 d u :
E [ X k ] = ∫ 0 ∞ ( u λ ) k λ e − u 1 λ d u = 1 λ k ∫ 0 ∞ u k e − u d u = Γ ( k + 1 ) λ k = k ! λ k E[X^k] = \int_{0}^{\infty} \left(\frac{u}{\lambda}\right)^k \lambda e^{-u} \frac{1}{\lambda} du = \frac{1}{\lambda^k} \int_{0}^{\infty} u^k e^{-u} du = \frac{\Gamma(k+1)}{\lambda^k} = \frac{k!}{\lambda^k} E [ X k ] = ∫ 0 ∞ ( λ u ) k λ e − u λ 1 d u = λ k 1 ∫ 0 ∞ u k e − u d u = λ k Γ ( k + 1 ) = λ k k !
利用该结论,可以瞬间求出:
当 k = 1 k=1 k = 1 时:E ( X ) = 1 ! λ 1 = 1 λ E(X) = \frac{1!}{\lambda^1} = \frac{1}{\lambda} E ( X ) = λ 1 1 ! = λ 1
当 k = 2 k=2 k = 2 时:E ( X 2 ) = 2 ! λ 2 = 2 λ 2 E(X^2) = \frac{2!}{\lambda^2} = \frac{2}{\lambda^2} E ( X 2 ) = λ 2 2 ! = λ 2 2
方差:V ( X ) = E ( X 2 ) − ( E ( X ) ) 2 = 2 λ 2 − 1 λ 2 = 1 λ 2 V(X) = E(X^2) - (E(X))^2 = \frac{2}{\lambda^2} - \frac{1}{\lambda^2} = \frac{1}{\lambda^2} V ( X ) = E ( X 2 ) − ( E ( X ) ) 2 = λ 2 2 − λ 2 1 = λ 2 1
(c) 求 Y = X 2 Y = X^2 Y = X 2 的密度函数 f Y ( y ) f_Y(y) f Y ( y ) : 先求其分布函数 F Y ( y ) F_Y(y) F Y ( y ) 。因为 X ≥ 0 X \ge 0 X ≥ 0 ,故 Y ≥ 0 Y \ge 0 Y ≥ 0 。 当 y > 0 y > 0 y > 0 时:
F Y ( y ) = P ( Y ≤ y ) = P ( X 2 ≤ y ) = P ( X ≤ y ) = ∫ 0 y λ e − λ x d x = 1 − e − λ y F_Y(y) = P(Y \le y) = P(X^2 \le y) = P(X \le \sqrt{y}) = \int_{0}^{\sqrt{y}} \lambda e^{-\lambda x} dx = 1 - e^{-\lambda \sqrt{y}} F Y ( y ) = P ( Y ≤ y ) = P ( X 2 ≤ y ) = P ( X ≤ y ) = ∫ 0 y λ e − λ x d x = 1 − e − λ y
对 F Y ( y ) F_Y(y) F Y ( y ) 进行变上限复合函数求导,即可得 PDF f Y ( y ) f_Y(y) f Y ( y ) :
f Y ( y ) = d d y ( 1 − e − λ y ) = − e − λ y ⋅ ( − λ ⋅ 1 2 y ) = λ 2 y e − λ y ( y > 0 ) f_Y(y) = \frac{d}{dy} \left( 1 - e^{-\lambda \sqrt{y}} \right) = -e^{-\lambda \sqrt{y}} \cdot \left(-\lambda \cdot \frac{1}{2\sqrt{y}}\right) = \frac{\lambda}{2\sqrt{y}} e^{-\lambda\sqrt{y}} \quad (y > 0) f Y ( y ) = d y d ( 1 − e − λ y ) = − e − λ y ⋅ ( − λ ⋅ 2 y 1 ) = 2 y λ e − λ y ( y > 0 )
第二小题解答:
(a) 求尾部概率 P ( X > s ) P(X > s) P ( X > s ) :
P ( X > s ) = ∫ s ∞ λ e − λ x d x = [ − e − λ x ] s ∞ = 0 − ( − e − λ s ) = e − λ s P(X > s) = \int_{s}^{\infty} \lambda e^{-\lambda x} dx = \Big[ -e^{-\lambda x} \Big]_{s}^{\infty} = 0 - (-e^{-\lambda s}) = e^{-\lambda s} P ( X > s ) = ∫ s ∞ λ e − λ x d x = [ − e − λ x ] s ∞ = 0 − ( − e − λ s ) = e − λ s
(b) 与 (c) 证明无记忆性 : 根据条件概率定义:
P ( X > s + t ∣ X > s ) = P ( X > s + t ∩ X > s ) P ( X > s ) P(X > s+t \mid X > s) = \frac{P(X > s+t \cap X > s)}{P(X > s)} P ( X > s + t ∣ X > s ) = P ( X > s ) P ( X > s + t ∩ X > s )
因为 s + t > s s+t > s s + t > s ,所以当 X > s + t X > s+t X > s + t 时必有 X > s X > s X > s 。交集事件化简为:
= P ( X > s + t ) P ( X > s ) = e − λ ( s + t ) e − λ s = e − λ s ⋅ e − λ t e − λ s = e − λ t = \frac{P(X > s+t)}{P(X > s)} = \frac{e^{-\lambda(s+t)}}{e^{-\lambda s}} = \frac{e^{-\lambda s} \cdot e^{-\lambda t}}{e^{-\lambda s}} = e^{-\lambda t} = P ( X > s ) P ( X > s + t ) = e − λ s e − λ ( s + t ) = e − λ s e − λ s ⋅ e − λ t = e − λ t
而 P ( X > t ) = e − λ t P(X > t) = e^{-\lambda t} P ( X > t ) = e − λ t ,因此:
P ( X > s + t ∣ X > s ) = P ( X > t ) (得证) P(X > s+t \mid X > s) = P(X > t) \quad \text{(得证)} P ( X > s + t ∣ X > s ) = P ( X > t ) ( 得证 )
(d) 实际应用计算 : 由题设,事件发生率 λ = 1 30 \lambda = \frac{1}{30} λ = 30 1 。设等待时间为 X ∼ Exp ( 1 / 30 ) X \sim \text{Exp}(1/30) X ∼ Exp ( 1/30 ) 。 题目欲求:在已经等待了 60 秒的基础上,总共要等待 150 秒(即再等 90 秒)以上的概率:
P ( X > 60 + 90 ∣ X > 60 ) P(X > 60 + 90 \mid X > 60) P ( X > 60 + 90 ∣ X > 60 )
利用无记忆性 ,该概率与从 0 秒开始等待 90 秒以上的概率完全一致:
= P ( X > 90 ) = e − λ ⋅ 90 = e − 1 30 × 90 = e − 3 ≈ 0.0498 ( 4.98 % ) = P(X > 90) = e^{-\lambda \cdot 90} = e^{-\frac{1}{30} \times 90} = e^{-3} \approx 0.0498 \quad (4.98\%) = P ( X > 90 ) = e − λ ⋅ 90 = e − 30 1 × 90 = e − 3 ≈ 0.0498 ( 4.98% )
2. 【问题 39】正态分布、矩母函数 (教材第 84-85 页)
📝 【原题翻译】
已知随机变量 X X X 服从正态分布 N ( μ , σ 2 ) N(\mu, \sigma^2) N ( μ , σ 2 ) 。
使用 X X X 的概率密度函数,证明归一性: ∫ − ∞ ∞ f X ( x ) d x = 1 \int_{-\infty}^{\infty} f_X(x) dx = 1 ∫ − ∞ ∞ f X ( x ) d x = 1 。
证明当引入标准化变量 Y = X − μ σ Y = \frac{X-\mu}{\sigma} Y = σ X − μ 时, Y Y Y 服从标准正态分布 N ( 0 , 1 ) N(0, 1) N ( 0 , 1 ) 。
严格计算并证明:期望 E ( X ) = μ E(X) = \mu E ( X ) = μ ,方差 V ( X ) = σ 2 V(X) = \sigma^2 V ( X ) = σ 2 。
求解 X X X 的积率母函数(矩母函数) M X ( θ ) = E ( e θ X ) M_X(\theta) = E(e^{\theta X}) M X ( θ ) = E ( e θ X ) 。
✍️ 【详细解答过程】
第一小题解答:
欲证:
∫ − ∞ ∞ 1 2 π σ 2 e − ( x − μ ) 2 2 σ 2 d x = 1 \int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}} dx = 1 ∫ − ∞ ∞ 2 π σ 2 1 e − 2 σ 2 ( x − μ ) 2 d x = 1
进行变量替换。令 u = x − μ σ ⟹ d x = σ d u u = \frac{x-\mu}{\sigma} \implies dx = \sigma \, du u = σ x − μ ⟹ d x = σ d u 。原积分化为:
∫ − ∞ ∞ 1 2 π σ e − u 2 2 σ d u = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ e − u 2 2 d u \int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{-\frac{u^2}{2}} \sigma \, du = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{\infty} e^{-\frac{u^2}{2}} du ∫ − ∞ ∞ 2 π σ 1 e − 2 u 2 σ d u = 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ e − 2 u 2 d u
现在证明高斯积分 I = ∫ − ∞ ∞ e − u 2 / 2 d u = 2 π I = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-u^2/2} du = \sqrt{2\pi} I = ∫ − ∞ ∞ e − u 2 /2 d u = 2 π 。采用二重积分极坐标变换法:
I 2 = ( ∫ − ∞ ∞ e − u 2 / 2 d u ) ( ∫ − ∞ ∞ e − v 2 / 2 d v ) = ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ e − u 2 + v 2 2 d u d v I^2 = \left( \int_{-\infty}^{\infty} e^{-u^2/2} du \right) \left( \int_{-\infty}^{\infty} e^{-v^2/2} dv \right) = \int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} e^{-\frac{u^2+v^2}{2}} du \, dv I 2 = ( ∫ − ∞ ∞ e − u 2 /2 d u ) ( ∫ − ∞ ∞ e − v 2 /2 d v ) = ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ e − 2 u 2 + v 2 d u d v
令 u = r cos ϕ , v = r sin ϕ u = r \cos\phi, v = r \sin\phi u = r cos ϕ , v = r sin ϕ ,雅可比行列式 d u d v = r d r d ϕ du \, dv = r \, dr \, d\phi d u d v = r d r d ϕ 。积分限变为 r ∈ [ 0 , ∞ ) , ϕ ∈ [ 0 , 2 π ] r \in [0, \infty), \phi \in [0, 2\pi] r ∈ [ 0 , ∞ ) , ϕ ∈ [ 0 , 2 π ] :
I 2 = ∫ 0 2 π d ϕ ∫ 0 ∞ r e − r 2 2 d r = 2 π [ − e − r 2 2 ] 0 ∞ = 2 π ( 0 − ( − 1 ) ) = 2 π I^2 = \int_{0}^{2\pi} d\phi \int_{0}^{\infty} r e^{-\frac{r^2}{2}} dr = 2\pi \Big[ -e^{-\frac{r^2}{2}} \Big]_{0}^{\infty} = 2\pi (0 - (-1)) = 2\pi I 2 = ∫ 0 2 π d ϕ ∫ 0 ∞ r e − 2 r 2 d r = 2 π [ − e − 2 r 2 ] 0 ∞ = 2 π ( 0 − ( − 1 )) = 2 π
因为积分项大于 0,故 I = 2 π I = \sqrt{2\pi} I = 2 π 。 代入原式:
1 2 π ⋅ I = 1 2 π ⋅ 2 π = 1 (得证) \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \cdot I = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \cdot \sqrt{2\pi} = 1 \quad \text{(得证)} 2 π 1 ⋅ I = 2 π 1 ⋅ 2 π = 1 ( 得证 )
第二小题解答:
求标准化变量 Y = X − μ σ Y = \frac{X-\mu}{\sigma} Y = σ X − μ 的累积分布函数 F Y ( y ) F_Y(y) F Y ( y ) :
F Y ( y ) = P ( Y ≤ y ) = P ( X − μ σ ≤ y ) = P ( X ≤ σ y + μ ) = ∫ − ∞ σ y + μ 1 2 π σ e − ( x − μ ) 2 2 σ 2 d x F_Y(y) = P(Y \le y) = P\left(\frac{X-\mu}{\sigma} \le y\right) = P(X \le \sigma y + \mu) = \int_{-\infty}^{\sigma y + \mu} \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}} dx F Y ( y ) = P ( Y ≤ y ) = P ( σ X − μ ≤ y ) = P ( X ≤ σ y + μ ) = ∫ − ∞ σ y + μ 2 π σ 1 e − 2 σ 2 ( x − μ ) 2 d x
令 t = x − μ σ ⟹ d x = σ d t t = \frac{x-\mu}{\sigma} \implies dx = \sigma \, dt t = σ x − μ ⟹ d x = σ d t ,当 x = σ y + μ x = \sigma y + \mu x = σ y + μ 时上限变为 y y y :
F Y ( y ) = ∫ − ∞ y 1 2 π σ e − t 2 2 σ d t = ∫ − ∞ y 1 2 π e − t 2 2 d t F_Y(y) = \int_{-\infty}^{y} \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{-\frac{t^2}{2}} \sigma \, dt = \int_{-\infty}^{y} \frac{1}{\sqrt{2\pi}} e^{-\frac{t^2}{2}} dt F Y ( y ) = ∫ − ∞ y 2 π σ 1 e − 2 t 2 σ d t = ∫ − ∞ y 2 π 1 e − 2 t 2 d t
对变上限积分求导可得 Y Y Y 的密度函数:
f Y ( y ) = d F Y ( y ) d y = 1 2 π e − y 2 2 f_Y(y) = \frac{dF_Y(y)}{dy} = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} e^{-\frac{y^2}{2}} f Y ( y ) = d y d F Y ( y ) = 2 π 1 e − 2 y 2
该函数正是标准正态分布 N ( 0 , 1 ) N(0, 1) N ( 0 , 1 ) 的 PDF。
第三小题解答:
计算 E ( Y ) E(Y) E ( Y ) :
E ( Y ) = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ y e − y 2 2 d y = 0 (被积函数为奇函数,在对称区间上积分为0) E(Y) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{\infty} y e^{-\frac{y^2}{2}} dy = 0 \quad \text{(被积函数为奇函数,在对称区间上积分为0)} E ( Y ) = 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ y e − 2 y 2 d y = 0 ( 被积函数为奇函数,在对称区间上积分为 0)
计算 V ( Y ) V(Y) V ( Y ) :
E ( Y 2 ) = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ y 2 e − y 2 2 d y E(Y^2) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{\infty} y^2 e^{-\frac{y^2}{2}} dy E ( Y 2 ) = 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ y 2 e − 2 y 2 d y
采用分部积分法,令 u = y ⟹ d u = d y u = y \implies du = dy u = y ⟹ d u = d y ;d v = y e − y 2 / 2 d y ⟹ v = − e − y 2 / 2 dv = y e^{-y^2/2} dy \implies v = -e^{-y^2/2} d v = y e − y 2 /2 d y ⟹ v = − e − y 2 /2 :
E ( Y 2 ) = 1 2 π ( [ − y e − y 2 / 2 ] − ∞ ∞ + ∫ − ∞ ∞ e − y 2 / 2 d y ) E(Y^2) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \left( \Big[ -y e^{-y^2/2} \Big]_{-\infty}^{\infty} + \int_{-\infty}^{\infty} e^{-y^2/2} dy \right) E ( Y 2 ) = 2 π 1 ( [ − y e − y 2 /2 ] − ∞ ∞ + ∫ − ∞ ∞ e − y 2 /2 d y )
E ( Y 2 ) = 1 2 π ( 0 + 2 π ) = 1 E(Y^2) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \left( 0 + \sqrt{2\pi} \right) = 1 E ( Y 2 ) = 2 π 1 ( 0 + 2 π ) = 1
故 V ( Y ) = E ( Y 2 ) − ( E ( Y ) ) 2 = 1 − 0 = 1 V(Y) = E(Y^2) - (E(Y))^2 = 1 - 0 = 1 V ( Y ) = E ( Y 2 ) − ( E ( Y ) ) 2 = 1 − 0 = 1 。
利用线性性质求 E ( X ) E(X) E ( X ) 与 V ( X ) V(X) V ( X ) : 由 X = σ Y + μ X = \sigma Y + \mu X = σ Y + μ 可得:
E ( X ) = E ( σ Y + μ ) = σ E ( Y ) + μ = σ ⋅ 0 + μ = μ E(X) = E(\sigma Y + \mu) = \sigma E(Y) + \mu = \sigma \cdot 0 + \mu = \mu E ( X ) = E ( σ Y + μ ) = σ E ( Y ) + μ = σ ⋅ 0 + μ = μ
V ( X ) = V ( σ Y + μ ) = σ 2 V ( Y ) = σ 2 ⋅ 1 = σ 2 (得证) V(X) = V(\sigma Y + \mu) = \sigma^2 V(Y) = \sigma^2 \cdot 1 = \sigma^2 \quad \text{(得证)} V ( X ) = V ( σ Y + μ ) = σ 2 V ( Y ) = σ 2 ⋅ 1 = σ 2 ( 得证 )
第四小题解答:
根据矩母函数定义:
M X ( θ ) = E ( e θ X ) = ∫ − ∞ ∞ e θ x 1 2 π σ e − ( x − μ ) 2 2 σ 2 d x M_X(\theta) = E(e^{\theta X}) = \int_{-\infty}^{\infty} e^{\theta x} \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}} dx M X ( θ ) = E ( e θ X ) = ∫ − ∞ ∞ e θ x 2 π σ 1 e − 2 σ 2 ( x − μ ) 2 d x
将指数上的多项式合并并进行配方 :
θ x − ( x − μ ) 2 2 σ 2 = 2 σ 2 θ x − ( x 2 − 2 μ x + μ 2 ) 2 σ 2 = − x 2 − 2 ( μ + σ 2 θ ) x + μ 2 2 σ 2 \theta x - \frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2} = \frac{2\sigma^2 \theta x - (x^2 - 2\mu x + \mu^2)}{2\sigma^2} = -\frac{x^2 - 2(\mu + \sigma^2\theta)x + \mu^2}{2\sigma^2} θ x − 2 σ 2 ( x − μ ) 2 = 2 σ 2 2 σ 2 θ x − ( x 2 − 2 μx + μ 2 ) = − 2 σ 2 x 2 − 2 ( μ + σ 2 θ ) x + μ 2
= − ( x − ( μ + σ 2 θ ) ) 2 − ( μ + σ 2 θ ) 2 + μ 2 2 σ 2 = − ( x − ( μ + σ 2 θ ) ) 2 2 σ 2 + μ θ + 1 2 σ 2 θ 2 = -\frac{\left( x - (\mu + \sigma^2\theta) \right)^2 - (\mu + \sigma^2\theta)^2 + \mu^2}{2\sigma^2} = -\frac{\left( x - (\mu + \sigma^2\theta) \right)^2}{2\sigma^2} + \mu\theta + \frac{1}{2}\sigma^2\theta^2 = − 2 σ 2 ( x − ( μ + σ 2 θ ) ) 2 − ( μ + σ 2 θ ) 2 + μ 2 = − 2 σ 2 ( x − ( μ + σ 2 θ ) ) 2 + μ θ + 2 1 σ 2 θ 2
代回原积分:
M X ( θ ) = e μ θ + 1 2 σ 2 θ 2 ∫ − ∞ ∞ 1 2 π σ e − ( x − ( μ + σ 2 θ ) ) 2 2 σ 2 d x M_X(\theta) = e^{\mu\theta + \frac{1}{2}\sigma^2\theta^2} \int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{-\frac{\left( x - (\mu + \sigma^2\theta) \right)^2}{2\sigma^2}} dx M X ( θ ) = e μ θ + 2 1 σ 2 θ 2 ∫ − ∞ ∞ 2 π σ 1 e − 2 σ 2 ( x − ( μ + σ 2 θ ) ) 2 d x
后面积分项是以 μ + σ 2 θ \mu + \sigma^2\theta μ + σ 2 θ 为均值,σ 2 \sigma^2 σ 2 为方差的正态分布的完整 PDF 积分,由归一性其值为 1。 因此:
M X ( θ ) = e μ θ + 1 2 σ 2 θ 2 M_X(\theta) = e^{\mu\theta + \frac{1}{2}\sigma^2\theta^2} M X ( θ ) = e μ θ + 2 1 σ 2 θ 2
阶段三:多维连续分布(联合密度与条件期望)
🎯 对应笔记知识点:
联合 PDF 的重积分边界确定(避免区域交叉出错)
边缘概率密度计算(积掉不要的自变量)
条件期望 E [ Y ∣ X ] E[Y \mid X] E [ Y ∣ X ] 的计算(深入理解条件期望作为随机变量的本质)
1. 【问题 50】多次元连续概率分布 (教材第 110-111 页)
📝 【原题翻译】
以下为 X , Y X, Y X , Y 的联合概率密度函数 f ( X , Y ) ( x , y ) f_{(X,Y)}(x, y) f ( X , Y ) ( x , y ) ,在指定范围外时其值均为 0。求解以下各项:
若联合密度为 f ( X , Y ) ( x , y ) = c ( 0 ≤ x ≤ 1 , 0 ≤ y ≤ 1 ) f_{(X,Y)}(x, y) = c \quad (0 \le x \le 1, \,\, 0 \le y \le 1) f ( X , Y ) ( x , y ) = c ( 0 ≤ x ≤ 1 , 0 ≤ y ≤ 1 ) : (a) 求常数 c c c ; (b) 计算 P ( X + Y < 1 ) P(X+Y < 1) P ( X + Y < 1 ) ; (c) 计算协方差 C o v ( X , Y ) Cov(X,Y) C o v ( X , Y ) ; (d) 计算 P ( 2 X + 3 Y ≤ 1 ) P(2X+3Y \le 1) P ( 2 X + 3 Y ≤ 1 ) 。
若联合密度为 f ( X , Y ) ( x , y ) = c ( 0 ≤ y ≤ x ≤ 1 ) f_{(X,Y)}(x, y) = c \quad (0 \le y \le x \le 1) f ( X , Y ) ( x , y ) = c ( 0 ≤ y ≤ x ≤ 1 ) (区域为三角形区域): (a) 求常数 c c c ; (b) 计算 P ( X + Y < 1 ) P(X+Y < 1) P ( X + Y < 1 ) ; (c) 求边缘密度函数 f X ( x ) f_X(x) f X ( x ) 和 f Y ( y ) f_Y(y) f Y ( y ) ; (d) 计算协方差 C o v ( X , Y ) Cov(X,Y) C o v ( X , Y ) ; (e) 计算 P ( Y + 2 X ≤ 1 ) P(Y + 2X \le 1) P ( Y + 2 X ≤ 1 ) 。
✍️ 【详细解答过程】
第一小题解答:
(a) 求常数 c c c :
∫ 0 1 ∫ 0 1 c d x d y = c = 1 ⟹ c = 1 \int_{0}^{1} \int_{0}^{1} c \, dx \, dy = c = 1 \implies c = 1 ∫ 0 1 ∫ 0 1 c d x d y = c = 1 ⟹ c = 1
(b) 计算 P ( X + Y < 1 ) P(X+Y < 1) P ( X + Y < 1 ) : 积分区域为 y < 1 − x y < 1-x y < 1 − x :
P ( X + Y < 1 ) = ∫ 0 1 ∫ 0 1 − x 1 d y d x = ∫ 0 1 ( 1 − x ) d x = [ x − x 2 2 ] 0 1 = 1 2 P(X+Y < 1) = \int_{0}^{1} \int_{0}^{1-x} 1 \, dy \, dx = \int_{0}^{1} (1-x) dx = \left[ x - \frac{x^2}{2} \right]_{0}^{1} = \frac{1}{2} P ( X + Y < 1 ) = ∫ 0 1 ∫ 0 1 − x 1 d y d x = ∫ 0 1 ( 1 − x ) d x = [ x − 2 x 2 ] 0 1 = 2 1
(c) 计算协方差 C o v ( X , Y ) Cov(X,Y) C o v ( X , Y ) : 由于联合分布在正方形上常数化,易知其独立,故 C o v ( X , Y ) = 0 Cov(X,Y) = 0 C o v ( X , Y ) = 0 。严格计算如下:
E ( X ) = ∫ 0 1 ∫ 0 1 x d x d y = 1 2 , E ( Y ) = 1 2 E(X) = \int_{0}^{1} \int_{0}^{1} x \, dx \, dy = \frac{1}{2}, \quad E(Y) = \frac{1}{2} E ( X ) = ∫ 0 1 ∫ 0 1 x d x d y = 2 1 , E ( Y ) = 2 1
E ( X Y ) = ∫ 0 1 ∫ 0 1 x y d x d y = ( ∫ 0 1 x d x ) ( ∫ 0 1 y d y ) = 1 2 × 1 2 = 1 4 E(XY) = \int_{0}^{1} \int_{0}^{1} xy \, dx \, dy = \left( \int_{0}^{1} x dx \right) \left( \int_{0}^{1} y dy \right) = \frac{1}{2} \times \frac{1}{2} = \frac{1}{4} E ( X Y ) = ∫ 0 1 ∫ 0 1 x y d x d y = ( ∫ 0 1 x d x ) ( ∫ 0 1 y d y ) = 2 1 × 2 1 = 4 1
C o v ( X , Y ) = E ( X Y ) − E ( X ) E ( Y ) = 1 4 − 1 4 = 0 Cov(X,Y) = E(XY) - E(X)E(Y) = \frac{1}{4} - \frac{1}{4} = 0 C o v ( X , Y ) = E ( X Y ) − E ( X ) E ( Y ) = 4 1 − 4 1 = 0
(d) 计算 P ( 2 X + 3 Y ≤ 1 ) P(2X+3Y \le 1) P ( 2 X + 3 Y ≤ 1 ) : 积分边界:当给定 x x x 时, y y y 从 0 积到 1 − 2 x 3 \frac{1-2x}{3} 3 1 − 2 x 。由于 y ≥ 0 y \ge 0 y ≥ 0 ,上限必须满足 1 − 2 x 3 ≥ 0 ⟹ x ≤ 1 2 \frac{1-2x}{3} \ge 0 \implies x \le \frac{1}{2} 3 1 − 2 x ≥ 0 ⟹ x ≤ 2 1 :
P ( 2 X + 3 Y ≤ 1 ) = ∫ 0 1 / 2 ∫ 0 1 − 2 x 3 1 d y d x = ∫ 0 1 / 2 1 − 2 x 3 d x P(2X+3Y \le 1) = \int_{0}^{1/2} \int_{0}^{\frac{1-2x}{3}} 1 \, dy \, dx = \int_{0}^{1/2} \frac{1-2x}{3} \, dx P ( 2 X + 3 Y ≤ 1 ) = ∫ 0 1/2 ∫ 0 3 1 − 2 x 1 d y d x = ∫ 0 1/2 3 1 − 2 x d x
= 1 3 [ x − x 2 ] 0 1 / 2 = 1 3 ( 1 2 − 1 4 ) = 1 12 = \frac{1}{3} \left[ x - x^2 \right]_{0}^{1/2} = \frac{1}{3} \left( \frac{1}{2} - \frac{1}{4} \right) = \frac{1}{12} = 3 1 [ x − x 2 ] 0 1/2 = 3 1 ( 2 1 − 4 1 ) = 12 1
第二小题解答:
(a) 求常数 c c c : 区域为由直线 y = 0 , x = 1 , y = x y=0, x=1, y=x y = 0 , x = 1 , y = x 围成的直角三角形,面积为 1 / 2 1/2 1/2 。
∫ 0 1 ∫ 0 x c d y d x = c ∫ 0 1 x d x = c 2 = 1 ⟹ c = 2 \int_{0}^{1} \int_{0}^{x} c \, dy \, dx = c \int_{0}^{1} x \, dx = \frac{c}{2} = 1 \implies c = 2 ∫ 0 1 ∫ 0 x c d y d x = c ∫ 0 1 x d x = 2 c = 1 ⟹ c = 2
(b) 计算 P ( X + Y < 1 ) P(X+Y < 1) P ( X + Y < 1 ) : 边界为 y ≤ x y \le x y ≤ x 且 y ≤ 1 − x y \le 1-x y ≤ 1 − x 。交点在 x = 0.5 , y = 0.5 x = 0.5, y = 0.5 x = 0.5 , y = 0.5 。 采用先积 x x x 的方法比较简单:给写 y y y , x x x 的取值从 y y y 积到 1 − y 1-y 1 − y :
P ( X + Y < 1 ) = ∫ 0 1 / 2 ∫ y 1 − y 2 d x d y = ∫ 0 1 / 2 2 ( 1 − 2 y ) d y = 2 [ y − y 2 ] 0 1 / 2 = 2 ( 1 2 − 1 4 ) = 1 2 P(X+Y < 1) = \int_{0}^{1/2} \int_{y}^{1-y} 2 \, dx \, dy = \int_{0}^{1/2} 2(1-2y) dy = 2 \left[ y - y^2 \right]_{0}^{1/2} = 2 \left(\frac{1}{2} - \frac{1}{4}\right) = \frac{1}{2} P ( X + Y < 1 ) = ∫ 0 1/2 ∫ y 1 − y 2 d x d y = ∫ 0 1/2 2 ( 1 − 2 y ) d y = 2 [ y − y 2 ] 0 1/2 = 2 ( 2 1 − 4 1 ) = 2 1
(c) 求边缘密度函数 f X ( x ) f_X(x) f X ( x ) 和 f Y ( y ) f_Y(y) f Y ( y ) :
X X X 的边缘密度 (积掉 Y Y Y , y y y 取值范围为 [ 0 , x ] [0, x] [ 0 , x ] ):
f X ( x ) = ∫ 0 x 2 d y = 2 x ( 0 ≤ x ≤ 1 ) f_X(x) = \int_{0}^{x} 2 \, dy = 2x \quad (0 \le x \le 1) f X ( x ) = ∫ 0 x 2 d y = 2 x ( 0 ≤ x ≤ 1 )
Y Y Y 的边缘密度 (积掉 X X X , x x x 取值范围为 [ y , 1 ] [y, 1] [ y , 1 ] ):
f Y ( y ) = ∫ y 1 2 d x = 2 ( 1 − y ) ( 0 ≤ y ≤ 1 ) f_Y(y) = \int_{y}^{1} 2 \, dx = 2(1-y) \quad (0 \le y \le 1) f Y ( y ) = ∫ y 1 2 d x = 2 ( 1 − y ) ( 0 ≤ y ≤ 1 )
(d) 计算协方差 C o v ( X , Y ) Cov(X,Y) C o v ( X , Y ) :
E ( X ) = ∫ 0 1 x ⋅ ( 2 x ) d x = [ 2 x 3 3 ] 0 1 = 2 3 E(X) = \int_{0}^{1} x \cdot (2x) \, dx = \left[ \frac{2x^3}{3} \right]_{0}^{1} = \frac{2}{3} E ( X ) = ∫ 0 1 x ⋅ ( 2 x ) d x = [ 3 2 x 3 ] 0 1 = 3 2
E ( Y ) = ∫ 0 1 y ⋅ 2 ( 1 − y ) d y = 2 [ y 2 2 − y 3 3 ] 0 1 = 2 ( 1 2 − 1 3 ) = 1 3 E(Y) = \int_{0}^{1} y \cdot 2(1-y) \, dy = 2 \left[ \frac{y^2}{2} - \frac{y^3}{3} \right]_{0}^{1} = 2 \left( \frac{1}{2} - \frac{1}{3} \right) = \frac{1}{3} E ( Y ) = ∫ 0 1 y ⋅ 2 ( 1 − y ) d y = 2 [ 2 y 2 − 3 y 3 ] 0 1 = 2 ( 2 1 − 3 1 ) = 3 1
E ( X Y ) = ∫ 0 1 ∫ 0 x 2 x y d y d x = ∫ 0 1 2 x [ y 2 2 ] 0 x d x = ∫ 0 1 x 3 d x = 1 4 E(XY) = \int_{0}^{1} \int_{0}^{x} 2xy \, dy \, dx = \int_{0}^{1} 2x \left[ \frac{y^2}{2} \right]_{0}^{x} dx = \int_{0}^{1} x^3 \, dx = \frac{1}{4} E ( X Y ) = ∫ 0 1 ∫ 0 x 2 x y d y d x = ∫ 0 1 2 x [ 2 y 2 ] 0 x d x = ∫ 0 1 x 3 d x = 4 1
C o v ( X , Y ) = E ( X Y ) − E ( X ) E ( Y ) = 1 4 − ( 2 3 × 1 3 ) = 1 4 − 2 9 = 9 − 8 36 = 1 36 Cov(X,Y) = E(XY) - E(X)E(Y) = \frac{1}{4} - \left(\frac{2}{3} \times \frac{1}{3}\right) = \frac{1}{4} - \frac{2}{9} = \frac{9 - 8}{36} = \frac{1}{36} C o v ( X , Y ) = E ( X Y ) − E ( X ) E ( Y ) = 4 1 − ( 3 2 × 3 1 ) = 4 1 − 9 2 = 36 9 − 8 = 36 1
(e) 计算 P ( Y + 2 X ≤ 1 ) P(Y + 2X \le 1) P ( Y + 2 X ≤ 1 ) : 积分区域同时受到 y ≤ x y \le x y ≤ x 和 y ≤ 1 − 2 x y \le 1 - 2x y ≤ 1 − 2 x 限制。 找出两条边界线的交点: x = 1 − 2 x ⟹ x = 1 / 3 , y = 1 / 3 x = 1-2x \implies x = 1/3, y = 1/3 x = 1 − 2 x ⟹ x = 1/3 , y = 1/3 。 利用对 x x x 积分:给定 y ∈ [ 0 , 1 / 3 ] y \in [0, 1/3] y ∈ [ 0 , 1/3 ] , x x x 的范围为 [ y , 1 − y 2 ] [y, \frac{1-y}{2}] [ y , 2 1 − y ] :
P ( Y + 2 X ≤ 1 ) = ∫ 0 1 / 3 ∫ y 1 − y 2 2 d x d y = ∫ 0 1 / 3 2 ( 1 − y 2 − y ) d y = ∫ 0 1 / 3 ( 1 − 3 y ) d y P(Y + 2X \le 1) = \int_{0}^{1/3} \int_{y}^{\frac{1-y}{2}} 2 \, dx \, dy = \int_{0}^{1/3} 2\left(\frac{1-y}{2} - y\right) dy = \int_{0}^{1/3} (1 - 3y) \, dy P ( Y + 2 X ≤ 1 ) = ∫ 0 1/3 ∫ y 2 1 − y 2 d x d y = ∫ 0 1/3 2 ( 2 1 − y − y ) d y = ∫ 0 1/3 ( 1 − 3 y ) d y
= [ y − 3 y 2 2 ] 0 1 / 3 = 1 3 − 3 2 × 1 9 = 1 3 − 1 6 = 1 6 = \left[ y - \frac{3y^2}{2} \right]_{0}^{1/3} = \frac{1}{3} - \frac{3}{2} \times \frac{1}{9} = \frac{1}{3} - \frac{1}{6} = \frac{1}{6} = [ y − 2 3 y 2 ] 0 1/3 = 3 1 − 2 3 × 9 1 = 3 1 − 6 1 = 6 1
2. 【问题 60】连续条件期望核心演练 (教材第 130-131 页)
📝 【原题翻译】
已知随机变量 X , Y X, Y X , Y 的联合概率密度函数为:
f ( X , Y ) ( x , y ) = 51 e − 2 x e − 3 y ( 0 < 5 x < y < ∞ ) f_{(X,Y)}(x, y) = 51 e^{-2x} e^{-3y} \quad (0 < 5x < y < \infty) f ( X , Y ) ( x , y ) = 51 e − 2 x e − 3 y ( 0 < 5 x < y < ∞ )
求以下各项:
证明该分布常数 c = 51 c = 51 c = 51 的合理性。
求 X X X 的边缘概率密度 f X ( x ) f_X(x) f X ( x ) 。
求已知 X = x X=x X = x 的条件下, Y Y Y 的条件概率密度 f Y ∣ X ( y ∣ x ) f_{Y \mid X}(y \mid x) f Y ∣ X ( y ∣ x ) 。
计算条件期望 E [ Y ∣ X = x ] E[Y \mid X = x] E [ Y ∣ X = x ] 。
✍️ 【详细解答过程】
1. 验证常数 51 的合理性 :
∫ 0 ∞ ∫ 5 x ∞ c e − 2 x e − 3 y d y d x = 1 \int_{0}^{\infty} \int_{5x}^{\infty} c e^{-2x} e^{-3y} \, dy \, dx = 1 ∫ 0 ∞ ∫ 5 x ∞ c e − 2 x e − 3 y d y d x = 1
先算内层对 y y y 的积分:
∫ 5 x ∞ e − 3 y d y = [ − 1 3 e − 3 y ] 5 x ∞ = 1 3 e − 15 x \int_{5x}^{\infty} e^{-3y} dy = \left[ -\frac{1}{3} e^{-3y} \right]_{5x}^{\infty} = \frac{1}{3} e^{-15x} ∫ 5 x ∞ e − 3 y d y = [ − 3 1 e − 3 y ] 5 x ∞ = 3 1 e − 15 x
代回外层对 x x x 积分:
c ∫ 0 ∞ e − 2 x ⋅ ( 1 3 e − 15 x ) d x = c 3 ∫ 0 ∞ e − 17 x d x = c 3 [ − 1 17 e − 17 x ] 0 ∞ = c 51 = 1 ⟹ c = 51 c \int_{0}^{\infty} e^{-2x} \cdot \left( \frac{1}{3} e^{-15x} \right) dx = \frac{c}{3} \int_{0}^{\infty} e^{-17x} dx = \frac{c}{3} \left[ -\frac{1}{17} e^{-17x} \right]_{0}^{\infty} = \frac{c}{51} = 1 \implies c = 51 c ∫ 0 ∞ e − 2 x ⋅ ( 3 1 e − 15 x ) d x = 3 c ∫ 0 ∞ e − 17 x d x = 3 c [ − 17 1 e − 17 x ] 0 ∞ = 51 c = 1 ⟹ c = 51
2. 求 X X X 的边缘概率密度 f X ( x ) f_X(x) f X ( x ) : 给定 x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0 ,将 Y Y Y 从下限 5 x 5x 5 x 到 ∞ \infty ∞ 进行积分积掉:
f X ( x ) = ∫ 5 x ∞ 51 e − 2 x e − 3 y d y = 51 e − 2 x [ − 1 3 e − 3 y ] 5 x ∞ = 17 e − 17 x ( x ≥ 0 ) f_X(x) = \int_{5x}^{\infty} 51 e^{-2x} e^{-3y} \, dy = 51 e^{-2x} \left[ -\frac{1}{3} e^{-3y} \right]_{5x}^{\infty} = 17 e^{-17x} \quad (x \ge 0) f X ( x ) = ∫ 5 x ∞ 51 e − 2 x e − 3 y d y = 51 e − 2 x [ − 3 1 e − 3 y ] 5 x ∞ = 17 e − 17 x ( x ≥ 0 )
(可以看出 X X X 服从参数为 17 的指数分布 Exp ( 17 ) \text{Exp}(17) Exp ( 17 ) !)
3. 求条件概率密度 f Y ∣ X ( y ∣ x ) f_{Y \mid X}(y \mid x) f Y ∣ X ( y ∣ x ) : 根据定义:
f Y ∣ X ( y ∣ x ) = f ( X , Y ) ( x , y ) f X ( x ) = 51 e − 2 x e − 3 y 17 e − 17 x = 3 e 17 x − 2 x − 3 y = 3 e − 3 ( y − 5 x ) ( y > 5 x ) f_{Y \mid X}(y \mid x) = \frac{f_{(X,Y)}(x, y)}{f_X(x)} = \frac{51 e^{-2x} e^{-3y}}{17 e^{-17x}} = 3 e^{17x - 2x - 3y} = 3 e^{-3(y - 5x)} \quad (y > 5x) f Y ∣ X ( y ∣ x ) = f X ( x ) f ( X , Y ) ( x , y ) = 17 e − 17 x 51 e − 2 x e − 3 y = 3 e 17 x − 2 x − 3 y = 3 e − 3 ( y − 5 x ) ( y > 5 x )
4. 计算条件期望 E [ Y ∣ X = x ] E[Y \mid X = x] E [ Y ∣ X = x ] :
E [ Y ∣ X = x ] = ∫ 5 x ∞ y ⋅ f Y ∣ X ( y ∣ x ) d y = ∫ 5 x ∞ y ⋅ 3 e − 3 ( y − 5 x ) d y E[Y \mid X = x] = \int_{5x}^{\infty} y \cdot f_{Y \mid X}(y \mid x) \, dy = \int_{5x}^{\infty} y \cdot 3 e^{-3(y - 5x)} \, dy E [ Y ∣ X = x ] = ∫ 5 x ∞ y ⋅ f Y ∣ X ( y ∣ x ) d y = ∫ 5 x ∞ y ⋅ 3 e − 3 ( y − 5 x ) d y
我们引入换元法让积分极简化。令 u = y − 5 x ⟹ y = u + 5 x u = y - 5x \implies y = u + 5x u = y − 5 x ⟹ y = u + 5 x 且 d y = d u dy = du d y = d u ,当 y = 5 x y = 5x y = 5 x 时 u = 0 u = 0 u = 0 :
E [ Y ∣ X = x ] = ∫ 0 ∞ ( u + 5 x ) ⋅ 3 e − 3 u d u = ∫ 0 ∞ u ⋅ 3 e − 3 u d u + 5 x ∫ 0 ∞ 3 e − 3 u d u E[Y \mid X = x] = \int_{0}^{\infty} (u + 5x) \cdot 3 e^{-3u} \, du = \int_{0}^{\infty} u \cdot 3 e^{-3u} \, du + 5x \int_{0}^{\infty} 3 e^{-3u} \, du E [ Y ∣ X = x ] = ∫ 0 ∞ ( u + 5 x ) ⋅ 3 e − 3 u d u = ∫ 0 ∞ u ⋅ 3 e − 3 u d u + 5 x ∫ 0 ∞ 3 e − 3 u d u
注意观察这两项积分:
第一项 ∫ 0 ∞ u ⋅ 3 e − 3 u d u \int_{0}^{\infty} u \cdot 3 e^{-3u} \, du ∫ 0 ∞ u ⋅ 3 e − 3 u d u 正是指数分布 Exp ( 3 ) \text{Exp}(3) Exp ( 3 ) 的期望,其值为 1 3 \frac{1}{3} 3 1 ;
第二项 ∫ 0 ∞ 3 e − 3 u d u \int_{0}^{\infty} 3 e^{-3u} \, du ∫ 0 ∞ 3 e − 3 u d u 是指数分布 Exp ( 3 ) \text{Exp}(3) Exp ( 3 ) 的密度函数在定义域上的全积分,其值必为 1。 因此,无需繁琐的分部积分,即可写出:
E [ Y ∣ X = x ] = 1 3 + 5 x ⋅ 1 = 5 x + 1 3 E[Y \mid X = x] = \frac{1}{3} + 5x \cdot 1 = 5x + \frac{1}{3} E [ Y ∣ X = x ] = 3 1 + 5 x ⋅ 1 = 5 x + 3 1
(考点剖析:最终条件期望 E [ Y ∣ X ] = 5 X + 1 / 3 E[Y|X] = 5X + 1/3 E [ Y ∣ X ] = 5 X + 1/3 。它说明条件期望在求出具体数值后,仍然是一个包含自变量 X X X 的随机变量,这也彻底解决了你手写笔记中关于这一概念的疑惑!)
阶段四:极限与大数定理(CLT 与连续近似)
🎯 对应笔记知识点:
中心极限定理(CLT)通过积率母函数趋向于标准高斯分布的严格证明
连续性修正(半整数修正)的引入依据与计算
1. 【问题 48】中心极限定理与正态近似 (教材第 102-103 页)
📝 【原题翻译】
设随机变量序列 X 1 , X 2 , … X_1, X_2, \dots X 1 , X 2 , … 独立同一分布,且其均值为 μ \mu μ ,方差为 σ 2 \sigma^2 σ 2 (均有限),在其原点近邻存在矩母函数 M X ( θ ) M_X(\theta) M X ( θ ) 。 令 S n = ∑ i = 1 n X i S_n = \sum_{i=1}^{n} X_i S n = ∑ i = 1 n X i ,构建标准化变量:
Z n = S n − n μ σ n Z_n = \frac{S_n - n\mu}{\sigma \sqrt{n}} Z n = σ n S n − n μ
证明:当 n → ∞ n \to \infty n → ∞ 时, Z n Z_n Z n 的矩母函数 M Z n ( θ ) M_{Z_n}(\theta) M Z n ( θ ) 收敛到标准正态分布的矩母函数 e θ 2 / 2 e^{\theta^2/2} e θ 2 /2 。
某工厂生产的产品的非合格率(不良率)为 0.1。现随机抽取 400 个产品,求其中不良品数量大于或等于 50 个的概率。请使用中心极限定理,分别在半整数补正(连续修正)**和**不进行修正 的两种情况下求出概率估计。 (已知: Φ ( 1.67 ) ≈ 0.9525 , Φ ( 1.58 ) ≈ 0.9429 \Phi(1.67) \approx 0.9525, \,\, \Phi(1.58) \approx 0.9429 Φ ( 1.67 ) ≈ 0.9525 , Φ ( 1.58 ) ≈ 0.9429 )
✍️ 【详细解答过程】
第一小题解答(CLT 的严格证明):
我们令标准化单项变量 Y i = X i − μ σ Y_i = \frac{X_i - \mu}{\sigma} Y i = σ X i − μ 。显然, E [ Y i ] = 0 E[Y_i] = 0 E [ Y i ] = 0 ,且 V [ Y i ] = E [ Y i 2 ] = 1 V[Y_i] = E[Y_i^2] = 1 V [ Y i ] = E [ Y i 2 ] = 1 。 我们将 Y i Y_i Y i 的矩母函数 M Y ( θ ) M_Y(\theta) M Y ( θ ) 在原点附近展开成泰勒级数(Taylor Series):
M Y ( θ ) = E [ e θ Y i ] = E [ 1 + θ Y i + θ 2 Y i 2 2 ! + o ( θ 2 ) ] M_Y(\theta) = E\left[ e^{\theta Y_i} \right] = E\left[ 1 + \theta Y_i + \frac{\theta^2 Y_i^2}{2!} + o(\theta^2) \right] M Y ( θ ) = E [ e θ Y i ] = E [ 1 + θ Y i + 2 ! θ 2 Y i 2 + o ( θ 2 ) ]
根据期望的线性性质:
M Y ( θ ) = 1 + θ E [ Y i ] + θ 2 2 E [ Y i 2 ] + o ( θ 2 ) = 1 + 0 + θ 2 2 + o ( θ 2 ) M_Y(\theta) = 1 + \theta E[Y_i] + \frac{\theta^2}{2} E[Y_i^2] + o(\theta^2) = 1 + 0 + \frac{\theta^2}{2} + o(\theta^2) M Y ( θ ) = 1 + θ E [ Y i ] + 2 θ 2 E [ Y i 2 ] + o ( θ 2 ) = 1 + 0 + 2 θ 2 + o ( θ 2 )
现在,我们将标准化之和 Z n Z_n Z n 写为 Y i Y_i Y i 的加权和:
Z n = S n − n μ σ n = ∑ i = 1 n X i − μ σ n = ∑ i = 1 n Y i n Z_n = \frac{S_n - n\mu}{\sigma \sqrt{n}} = \sum_{i=1}^{n} \frac{X_i - \mu}{\sigma\sqrt{n}} = \sum_{i=1}^{n} \frac{Y_i}{\sqrt{n}} Z n = σ n S n − n μ = ∑ i = 1 n σ n X i − μ = ∑ i = 1 n n Y i
利用独立性,多个独立随机变量和的矩母函数等于其各自矩母函数的乘积:
M Z n ( θ ) = E [ e θ ∑ i = 1 n Y i n ] = ∏ i = 1 n M Y ( θ n ) = [ M Y ( θ n ) ] n M_{Z_n}(\theta) = E\left[ e^{\theta \sum_{i=1}^n \frac{Y_i}{\sqrt{n}}} \right] = \prod_{i=1}^{n} M_Y\left( \frac{\theta}{\sqrt{n}} \right) = \left[ M_Y\left( \frac{\theta}{\sqrt{n}} \right) \right]^n M Z n ( θ ) = E [ e θ ∑ i = 1 n n Y i ] = ∏ i = 1 n M Y ( n θ ) = [ M Y ( n θ ) ] n
将泰勒展开式代入:
M Z n ( θ ) = [ 1 + ( θ n ) 2 2 + o ( θ 2 n ) ] n = [ 1 + θ 2 2 n + o ( θ 2 n ) ] n M_{Z_n}(\theta) = \left[ 1 + \frac{\left( \frac{\theta}{\sqrt{n}} \right)^2}{2} + o\left(\frac{\theta^2}{n}\right) \right]^n = \left[ 1 + \frac{\theta^2}{2n} + o\left(\frac{\theta^2}{n}\right) \right]^n M Z n ( θ ) = [ 1 + 2 ( n θ ) 2 + o ( n θ 2 ) ] n = [ 1 + 2 n θ 2 + o ( n θ 2 ) ] n
当我们令 n → ∞ n \to \infty n → ∞ 时,利用极限重要公式 lim n → ∞ ( 1 + x n ) n = e x \lim_{n \to \infty} (1 + \frac{x}{n})^n = e^x lim n → ∞ ( 1 + n x ) n = e x :
lim n → ∞ M Z n ( θ ) = e θ 2 2 (得证) \lim_{n \to \infty} M_{Z_n}(\theta) = e^{\frac{\theta^2}{2}} \quad \text{(得证)} lim n → ∞ M Z n ( θ ) = e 2 θ 2 ( 得证 )
(标准正态分布的矩母函数唯一确定了标准正态分布,因此中心极限定理得证。)
第二小题解答:
每个产品是否为不良品服从伯努利试验,设不良品总数为 S 400 ∼ B ( 400 , 0.1 ) S_{400} \sim B(400, 0.1) S 400 ∼ B ( 400 , 0.1 ) (二项分布)。
提取元数据 :
单项期望 μ = p = 0.1 \mu = p = 0.1 μ = p = 0.1 ,单项方差 σ 2 = p ( 1 − p ) = 0.09 \sigma^2 = p(1-p) = 0.09 σ 2 = p ( 1 − p ) = 0.09 。
样本量 n = 400 n = 400 n = 400 。
总期望 E [ S 400 ] = n μ = 400 × 0.1 = 40 E[S_{400}] = n\mu = 400 \times 0.1 = 40 E [ S 400 ] = n μ = 400 × 0.1 = 40 。
总标准差 σ t o t a l = n σ 2 = 400 × 0.09 = 36 = 6 \sigma_{total} = \sqrt{n\sigma^2} = \sqrt{400 \times 0.09} = \sqrt{36} = 6 σ t o t a l = n σ 2 = 400 × 0.09 = 36 = 6 。
(a) 情况一:不进行半整数修正 : 直接将离散边界值 50 带入连续化进行标准化:
P ( S 400 ≥ 50 ) = P ( S 400 − 40 6 ≥ 50 − 40 6 ) ≈ P ( Z ≥ 1.67 ) P(S_{400} \ge 50) = P\left( \frac{S_{400} - 40}{6} \ge \frac{50 - 40}{6} \right) \approx P(Z \ge 1.67) P ( S 400 ≥ 50 ) = P ( 6 S 400 − 40 ≥ 6 50 − 40 ) ≈ P ( Z ≥ 1.67 )
由于对称性,利用标准正态 CDF Φ \Phi Φ 计算:
P ( Z ≥ 1.67 ) = 1 − Φ ( 1.67 ) ≈ 1 − 0.9525 = 0.0475 ( 4.75 % ) P(Z \ge 1.67) = 1 - \Phi(1.67) \approx 1 - 0.9525 = 0.0475 \quad (4.75\%) P ( Z ≥ 1.67 ) = 1 − Φ ( 1.67 ) ≈ 1 − 0.9525 = 0.0475 ( 4.75% )
(b) 情况二:进行半整数修正(连续性修正) : 由于二项分布是离散的,柱状图中的“50”这一项占用了区间 [ 49.5 , 50.5 ] [49.5, 50.5] [ 49.5 , 50.5 ] 的宽度。 为了在连续正态近似中完整保留“大于等于 50”这一离散整型事件,必须将连续边界左移到 49.5 处:
P ( S 400 ≥ 50 ) ≈ P ( S c o n t i n u o u s ≥ 49.5 ) P(S_{400} \ge 50) \approx P(S_{continuous} \ge 49.5) P ( S 400 ≥ 50 ) ≈ P ( S co n t in u o u s ≥ 49.5 )
对其进行标准化:
= P ( S c o n t i n u o u s − 40 6 ≥ 49.5 − 40 6 ) = P ( Z ≥ 9.5 6 ) ≈ P ( Z ≥ 1.58 ) = P\left( \frac{S_{continuous} - 40}{6} \ge \frac{49.5 - 40}{6} \right) = P\left( Z \ge \frac{9.5}{6} \right) \approx P(Z \ge 1.58) = P ( 6 S co n t in u o u s − 40 ≥ 6 49.5 − 40 ) = P ( Z ≥ 6 9.5 ) ≈ P ( Z ≥ 1.58 )
利用正态分布表:
P ( Z ≥ 1.58 ) = 1 − Φ ( 1.58 ) ≈ 1 − 0.9429 = 0.0571 ( 5.71 % ) P(Z \ge 1.58) = 1 - \Phi(1.58) \approx 1 - 0.9429 = 0.0571 \quad (5.71\%) P ( Z ≥ 1.58 ) = 1 − Φ ( 1.58 ) ≈ 1 − 0.9429 = 0.0571 ( 5.71% )
(可以看出:进行修正后,由于将 50 到 49.5 的连续过渡区域算入,概率估计提升了大约 1 % 1\% 1% ,在实际统计工程中半整数修正是不可或缺的。)