数学期望
数学期望的概念
设 离散型随机变量 的分布律为:
若级数 绝对收敛,则称:
Q: 为什么要求绝对收敛?即 .
不是绝对收敛的情况,例如 或 ,则数学期望不存在。
要求级数绝对收敛,是为了保证 和 取值的排列次序无关。
设 为 连续型随机变量,其概率密度为 ,若 绝对收敛,则称:
可以转化为离散的形式加以解释。
注:数学期望又称均值,反应了随机变量取值的平均值,是一种加权平均。
注: 是一个确定的数,因此叫做数学特征。
Q: 求 Poisson 分布 的期望:
法1:使用级数求和:
法2:使用 Poisson 分布的规范性:
Q:求 几何分布 的期望:
Q: 求 指数分布 的期望:
Q: 电子元器件的寿命服从指数分布,求三个串联 or 三个并联的数学期望。极小值分布 and 极大值分布
,服从参数为 的指数分布,.
,先求出分布函数,再求出概率密度函数,然后再积分。
Q: 说明对于 Cauchy 分布:
的数学期望不存在
随机变量函数的数学期望
定义:设 为随机变量,,其中 是一个确定函数.
设 为离散型随机变量,若级数 绝对收敛,则:
对于连续型,若积分……收敛,则:
对于二元函数,也是类似的。
Q: 求二维离散型随机变量的期望。
因此是边缘函数的期望。再求 ,也很简单。
求期望:
Q: 求二维连续型随机变量的期望。
求 ?
求 .
求 ? 当 独立,. 推出:.
求 ? 没有特殊的结论……
例题:设产品需求量为 吨,,每出售一吨可以赚 3w, 每剩下一顿需要付 1w 仓库管理费。使得赚的钱的期望 最大。
数学期望的性质
设 是任意随机变量,则 的数学期望存在的充要条件是 . 因为要求绝对收敛。
设 为常数,则 .
设 是任意两个数学期望存在的随机变量,且 ,则 .
设 为常数,且 存在,则 .
设 是任意两个数学期望存在的随机变量,则 也存在,.
推论:.
当 相互独立,且 存在,则 . 不是充要条件,不能推出相互独立。
例题:验血方案的选择,对 人监测,已知患病率 ,每个人患病与否相互独立,说明哪一种方法比较经济:
对于第一种方案,化验次数为 ,对于第二种方案,分为 组,第 组平均化验次数:
每组()化验结果相互独立,则:
所以比较这个和 的大小。
方差
方差的概念
引入,两个资产收益分布为 ,我们希望选择收益稳定的。
定义 设 是随机变量,若 存在,则称其为随机变量 的 方差,记为 . 标准差 记为
,变成期望,方便比较。
离散型:
连续型:
还可以用计算公式 .
Why?
注意证明时, 可以看作常数,利用期望的线性性。
Poisson 分布的方差。设 ,求 .
由上面的推导,,现在只用求 即可。
正态分布的方差。设 ,求 .
观察到
令 ,得到:
热水器实际使用寿命 ,用户使用的寿命 ,则 .
利用方差的计算公式……
归根结底还是随机变量函数的期望
方差的性质
若 存在,方差存在的充要条件是 存在。
设 是任意的随机变量,若 的方差都存在,则 的方差也存在。若 相互独立,还有:
应用:,独立,则 .
设 为常数,则 .
.
设 为一个方差存在的随机变量,则对任意实数 ,有:
因为:
设 ,且 相互独立,求 服从的分布。
设 ,求 . 可以转换为 次 0-1 分布。
引入随机变量 代表第 次事件是否发生,则
因此,.
帕斯卡分布:设 表示独立射击直到击中目标 次位置所需要的射击次数,设每次击中概率为 ,求 .
可以拆分成 个几何分布,这些分布还是独立的。
独立,.
其中:
(利用求导)
所以:
分布 | 表达式 | 期望 | 方差 |
---|
0-1分布 | | | |
: 个 0-1 | | | |
| | | |
| | | |
Pascal 分布: 个几何 | | | |
| 对于 ,其余为零 | | |
| 对于 ,其余为零 | | |
| | | |
标准化随机变量
引入,,.
设随机变量 的期望 和 都存在,且 ,则称:
为 的标准化随机变量。
.
因为 为常数。
若 ,则 标准化得到的随机变量相同。若 ,则 .
已知分布的类型,分布的期望和方差,就可以得到分布的表达式。
协方差
协方差的概念
若期望 存在,则称为 的协方差。
记为:
协方差的计算公式:
定义 若 ,称:
为 的相关系数。
当 时,称为不相关,但是不相关不能推出独立,因为 不能推出独立。
当 时,称 完全相关:正相关/负相关;
当 时,称 部分线性相关。
相关系数的本质是“标准化”了的协方差,即 ,其中 为 标准化随机变量。是因为:
分析特殊情况 (a>0),则:
若 ,则 .
.
.
.
.
Cauchy-Schwarz 不等式 .
等号取到相当于 与 有线性关系:.
或者按照书上的定义:存在常数 ,使得:
协方差和相关系数的性质
相关系数的性质
.
的充要条件为 ,并且
的充要条件为 ,此时称 完全正相关;
的充要条件为 ,此时称 完全负相关。
注:我们可以推导出 。即 越接近 1,线性均方误差越小。
与 不相关的等价命题
设随机变量 与 的方差都存在,且 ,,则下列命题等价:
与 不相关;
, , . 这三者的等价关系可以从表达式得出。
.
.
与 相互独立
但是二维正态分布, 不相关、独立都等价于 ,因此是等价的。
随机变量的高阶矩
Q: 描述了 和自身相比偏离中心的程度, 描述了 和 相比偏离程度,如果有 个随机变量,怎么度量它们之间的相互关系?
设 都是随机变量. 定义(混合)原点矩/中心矩:
若 ,则称 为 的 阶原点矩, 为 的 阶中心矩;
若 ,则称 为 的 阶混合原点矩, 为 的 阶混合中心矩。
是 的一阶原点矩, 是 的二阶中心矩, 是 的二阶混合中心矩。
定义 协方差矩阵,设 是 维随机变量, 的二阶矩都存在,记 ,则称矩阵:
为 维随机变量 的协方差矩阵。由于 ,因此是 对称矩阵。
对于任意实数 ,有:
由于 ,所以 为 半正定矩阵。
定义 维正态分布:设 为 维随机变量,如果 的联合概率密度满足:
则 .
相互独立的充要条件是协方差矩阵 为对角阵,此时若 ,……
往年试题
19-3
A 利用协方差的性质:
对于 ,因为 独立,所以 不相关,.
因此,.
再计算 C:
因为 相互独立,则:
D 同理也是不对的。
总结一下我们都用到了方差和协方差的哪些性质:
相互独立,推出 .
.
.
.