知识点

4.1 随机变量的数学期望

  • 离散型随机变量的期望定义

    设离散型随机变量的分布律为若级数 绝对收敛,则称

    为随机变量 的数学期望,若级数 不收敛,则称 的数学期望不存在.数学期望也称为平均值、均值。

  • 连续型随机变量的期望定义

    设连续型随机变量 的密度函数为 ,若积分 收敛,则称

    为随机变量 的数学期望。

  • 一维随机变量函数的数学期望

    设 是随机变量 的函数,即 ,其中 是连续函数。

    1. 若 是离散型随机变量,其分布律为 (),且绝对收敛,则随机变量 的数学期望存在,且

    2. 若 是连续型随机变量,其概率密度为 ,且绝对收敛,则

  • 二维随机变量函数的期望

    设 是随机变量 和 的函数,即 ,其中 为连续函数。

    1. 当 为二维离散型随机变量,其分布律为若则随机变量 的数学期望存在,且

      且

    2. 设 为二维连续型随机变量,联合概率密度为 。若则随机变量 的数学期望存在,且

      且

  • 期望的性质

    1. ,其中 为常数.
    2. 若随机变量 与 相互独立,则

4.2 方差

  • 方差的定义

    设 为随机变量,若 存在,则称 为 的方差,记作 ,即

    称 为 的标准差(或者均方差),记作 ,即

  • 离散型随机变量的方差:,为分布律

  • 连续型随机变量的方差:

  • 方差的计算:

  • 方差的性质

    1. 若 为常数,则
    2. 若 为常数,为随机变量,则
    3. 若随机变量和相互独立,则

4.3 常见分布的随机变量的期望与方差

  • 常见离散型分布

    1. 0-1分布

      设 服从 0-1 分布,则其分布列为 。数学期望:,,方差:

    2. 二项分布

      设 服从参数为 的二项分布,则其数学期望为 ,方差为 。

    3. 泊松分布

      设 服从参数为 的泊松分布,则其数学期望为 ,,方差为 。

    4. 几何分布

      设 服从参数为 的几何分布,则其数学期望为 ,,方差为 ,其中 。

  • 常见连续型分布

    1. 均匀分布

      设 服从参数为 的均匀分布,则其数学期望为 ,,方差为 。

    2. 指数分布

      设 服从参数为 的指数分布,则其数学期望为 ,,方差为 。

    3. 正态分布

      设 服从参数为 的正态分布,则其数学期望为 ,方差为 。

4.4 协方差和相关系数

  • 协方差定义

    设为二维随机变量,若 存在,则称其为随机变量 和 的协方差,记为​。即

  • 协方差的性质

    1. 对称性:

    2. 若为常数,则

    3. 若 与 相互独立,则

    4. 随机变量和的方差与协方差的关系:

  • 相关系数定义

    由于协方差不能很好地量化两个变量的关系强度,协方差的绝对值越大并不直接意味着相关程度越强,因为它还取决于变量的尺度。因此引入相关系数

    设 为二维随机变量,且 ,。则称

    为随机变量 和 的相关系数。

  • 相关系数的性质

    1. 用于衡量 和 之间的线性相关性,其取值范围为 。越接近1越相关。

    2. 时,表示 和 完全正相关,即存在 使 ;

      当 时,表示 和 完全负相关,即存在 使 ;

    3. 当 和 同号时,

    4. 当 和 相互独立时, , 和 不相关,反之不成立,“不相关”是比“独立”要弱的一个概念。

      如果服从二维正态分布,那么 与 相互独立的充要条件是 与 互不相关。

  • 设 二 维 随 机 变 量 ,则,相关系数为

    令,其中 为任意常数,则 也服从二维正态分布。,均为一维正态分布,且、独立和不相关互为充要条件

  • 随机变量的标准化

    设随机变量 的期望和方差都存在,则 的标准化随机变量为

    1. 对任何一个随机变量有
    2. 设 和 的期望和方差都存在,则

4.5 矩和协方差矩阵

  • 矩

    1. 原点矩

      设与是随机变量,如果 存在,则称它为 与​的 阶混合原点矩.

      特别地,当 时,称 为 的 阶原点矩.

      显然,随机变量 的一阶原点矩就是它的数学期望 .

    2. 中心矩

      设随机变量、的数学期望 、存在,且存在,则它称为与的阶混合中心矩.

      特别地,当时,就是的协方差​

      当时,称为 的 阶中心矩

      显然,随机变量 的二阶中心矩就是它的方差

  • 协方差矩阵

    设为维随机变量,记 Cov,称

    为的协方差矩阵.

    1. 协方差矩阵为对称矩阵
    2. 协方差矩阵为半正定矩阵

习题

期望

  • 求离散型随机变量的期望

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  • 求连续型随机变量的期望

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  • 求离散型二维随机变量函数的期望

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  • 求连续型二维随机变量函数的期望

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  • 利用性质求期望

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  • 利用对称性证明期望

    例:设随机变量的概率密度为关于对称 ,即且存在.证明

方差

  • 方差的计算

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  • 期望和方差的综合运用

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协方差和相关系数

  • 计算矩和协方差矩阵

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  • 性质

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