(概率论基础3)随机变量及其分布律-总结

离散型随机变量

以飞行棋中扔骰子为例,开局只有扔到6才能出发。

分布律

对于随机变量而言,每一个值都对应着试验中发生的一个概率,记为p,离散型随机变量的取值范围是有限可列的,因此,随机变量的n个取值就有n种概率。那么,好事者需要知道这个随机变量所有的取值,就诞生了分布律的概念。

骰子中每一面(每一种可能的结果)就是一次试验的结果,那么可能的结果就是离散型变量的取值范围。那么,6个面就代表有6种取值,每一种取值都对应一个概率,都是1/6。那么把它们都汇总到一张表中,这张表所表示的内容,就是分布律

X x_1 x_2 x_3 x_4 x_5 x_6
P 1/6 1/6 1/6 1/6 1/6 1/6

分布函数

在进行随机试验的结果中,第一次试验的结果可能不尽人意,因此你想要尝试再试一次,直到。。。10次投掷之后,你仍然在大本营里转悠,回头看看这10次试验的所有结果,你发现,在这10次结果中,你的点数是这样的:

点数 1点 2点 3点 4点 5点 6点
次数 1 3 4 1 1 0

看了这10次的结果,你需要尽快出门,于是修改了规则:不需要扔到6点,只要扔到点数小于4即可,这样的话,小于任意一个实数的所有可能性之和,称作为分布函数。通俗的说,就是研究的目标从一个点变成了一个范围。那么,用数学公示表达就是:P(X \leq x),在你的提议中,x=3。你能够大本营离开的几率从原来的P\left \{ X=x_6 \right \}=1/6;提升到了P\left \{ X \leq 3 \right \}=P\left \{ X =x_1 \right \} + P\left \{ X =x_2 \right \} + P\left \{ X =x_3 \right \} = 1/2

随机变量函数的分布函数

这个标题应该划分成:随机变量 / 的函数 / 的分布函数。
依旧是飞行棋,你的对手一听,小于4点你就能走了?为了尽可能保证自己的优势,又防止你放弃游戏,就说,这样吧,你投的点数的平方小于6,你才能走,这样的话,"投的点数的平方" 就是一个随机变量的函数,即Y=X^2,那么这样的话:

X x_1 x_2 x_3 x_4 x_5 x_6
Y 1 4 9 16 25 36
P 1/6 1/6 1/6 1/6 1/6 1/6

你朋友的内心OS:1/2太大了,整小点,我可能会多走几步。于是乎就有了P\left \{ Y \leq 6 \right \}=P\left \{ X^2 \leq 6 \right \} = P\left \{ X =x_1 \right \} + P\left \{ X =x_2 \right \} = 1/3

二维随机变量

你终于出门了,但是发现对手已经跑完半圈了,这个时候,他提议要不然玩点刺激的:在掷骰子之前,先掷硬币,正面向上,你掷骰子的点数翻倍,若是硬币反面朝上,你掷骰子的点数是多少,你后退多少步。

掷骰子和掷硬币,二者之间没有啥联系,非要说联系,就是都是通过你投掷的,因此,硬币可能的取值和骰子可能的取值,这两个随机变量,就是相互独立的。由掷硬币和掷骰子共同决定一次能走多少步,则称之为联合分布,原先两个独立的事件(掷骰子和掷硬币)在这样的情况下,只能改名叫边缘分布了。

x_1 x_2 x_3 x_4 x_5 x_6
硬币正面 走2步:p=\frac{1}{2} \frac{1}{6}=\frac{1}{12} 走4步:p=\frac{1}{2} \frac{1}{6}=\frac{1}{12} 走6步:p=\frac{1}{2} \frac{1}{6}=\frac{1}{12} 走8步:p=\frac{1}{2} \frac{1}{6}=\frac{1}{12} 走10步:p=\frac{1}{2} \frac{1}{6}=\frac{1}{12} 走12步:p=\frac{1}{2} \frac{1}{6}=\frac{1}{12}
硬币反面 走-1步:p=\frac{1}{2} \frac{1}{6}=\frac{1}{12} 走-2步:p=\frac{1}{2} \frac{1}{6}=\frac{1}{12} 走-3步:p=\frac{1}{2} \frac{1}{6}=\frac{1}{12} 走-4步:p=\frac{1}{2} \frac{1}{6}=\frac{1}{12} 走-5步:p=\frac{1}{2} \frac{1}{6}=\frac{1}{12} 走-6步:p=\frac{1}{2} \frac{1}{6}=\frac{1}{12}

连续型随机变量

同样的

  • 离散型随机变量中的分布律,在连续性随机变量中称为概率密度
  • 离散随机变量的分布函数,是计算小于某一实数(掷骰子中是3)所有概率之和,那么连续型随机变量的分布函数,也是计算小于某一实数的和,但是在连续性随机变量中是取不尽的,咋办,在高树中,各种极限的累加,可以用积分来处理,因此,求某一随机变量X在一个数x的分布函数(所有可能性小于这个数x),其实就相当于计算概率密度函数在小于x的积分。

那么,在二维连续型随机变量中,两个随机变量共同决定的概率密度,叫做联合概率密度。我要求边缘概率密度怎么办?以X为例,随机变量X的概率密度和Y没有关系,那就把令关于Y部分的和为1就好了,也就是求联合概率密度对Y求积分。

更进一步地想,联合分布函数(二维)是对随机变量XY在内的积分,也就是说,其实就是两个实数:x、yxOy平面上圈了一块地,现在要在这块地上建一个房子。
这个房子有两个要求:

  1. 房子的总体积为1.
  2. 房子的盖子的形状,要跟f(x,y)保持一致。

两个随机变量的函数的分布

那么两个随机变量的函数的分布又是一个什么鬼?
x,y两人按照要求盖好了房子,准备入住,另一个随机变量Z过来说,我也要盖房子,给我一点建议吧。我呢,你们俩凑合凑合就可以伪装成我,即:

  1. Z=X+Y
    \begin{align} f(z)=& \int_{-\infty}^{\infty} f(x,z-x)dx \\ =& \int_{-\infty}^{\infty} f(z-y,y)dy \tag{1.1} \end{align}

  2. Z=XY
    \begin{align} f(z)=& \int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{|x|}f(x,z/x)dx \\ \\ =& \int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{|y|} f(z/y,y)dy \tag{1.2} \end{align}

  3. Z=Y/X
    \begin{align} f(z)=& \int_{-\infty}^{\infty} |x| f(x,z/x)dx \\ \\ =& \int_{-\infty}^{\infty} |y| f(z/y,y)dy \tag{1.3} \end{align}

  4. Z=max(X,Y)
    \begin{align} F(z) =F(x) F(y) \tag{1.3} \end{align}

  5. Z=min(X,Y)
    \begin{align} F(z) =1-[1-F(x)][1-F(y)] \tag{1.3} \end{align}

说白了,Z就是在原有X,Y基础上,加了一点点限制,比如若Z=X+Y,限制为x+y \leq z;若限制关系为:Z=Y/X,则有y/x \leq z

既然多了限制,x,y的取值范围就要做出相应的调整。
需要注意的点有:

  1. z本身的取值范围,若z本身与x,y无是任何关系,那么随机变量Z的概率密度一定为0.
  2. zx,y有关系了,那么,根据z修改x,y的取值范围,建造属于Z自己的房子。
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