多维随机变量
多维随机变量
若 \(X,Y\) 是两个定义在同一个样本空间上的随机变量,则称 \((X,Y)\) 是二维随机变量。
同理可以定义 \(n\) 维随机变量:\((X_1,X_2,X_3,...,X_n)\)
映射关系:\(\Omega \rightarrow \mathbb R^n\)
联合分布函数
对任意的实数 \(x\) 和 \(y\) ,称函数
为\((X,Y)\)的联合分布函数.
性质
- 单调性:\(F(x,y)\) 关于每个分量单调不降
- 有界性:\(0\le F(x,y)\le 1,F(\infty,\infty)=1,F(-\infty ,y)=F(x,-\infty) = F(-\infty,-\infty) = 0\)
- 右连续性:\(F\)分别关于\(x,y\)右连续
- 非负性:若\(a_1 < b_1,a_2<b_2\)
- n维分布函数的非负性:
设\(A = (a_1,b_1] \times (a_2,b_2]\times...\times(a_n,b_n]\),为n维矩体,\(V=\{a_1,b_1\}\times ...\times \{a_n,b_n\}\),为A的所有顶点组成的集合,\(v\in V\),\(sgn(v)=(-1)^{v中a_i的个数}\),则
二维离散随机变量
若\((X,Y)\)的可能取值为有限对或可列对,则称\((X,Y)\)为二维离散随机变量
联合分布列
联合分布列也可以用表格表示
联合分布列的性质
- 非负性:\(p_{ij}\ge 0\)
- 正则性:\(\sum_{i=1}^{\infty} \sum_{j=1}^{\infty} p_{ij}=1\)
确定联合分布列的方法
- 确定联合向量\((X,Y)\)的可能取值,
- 计算每个取值的概率
- 写出分布列
联合分布列求概率
设\((X,Y)\)具有分布列\(\{p_{ij},i,j\ge 1\}\),\(D \subset \mathbb R^2\)
二维连续分布
设二维随机变量\((X,Y)\) 的联合分布函数为\(F(x,y)\),若存在函数\(p(x,y)\) 使得\(F(x,y)=\int_{-\infty}^x\int_{-\infty}^yp(u,\nu)dud\nu\),则称 \((X,Y)\) 为二维连续随机变量 \(p(x,y)\) 称为联合概率密度函数
联合概率密度函数
- 非负性:\(p(x,y)\ge 0\)
- 正则性:\(\iint_{R^2} p(x,y)dxdy=1\)
联合密度函数求概率
- \(D\) 为二维平面上任意区域
- 已知
求概率\(P((X,Y)\in D)\)
- 画出区域\(I = D^* \cap D\),
- 计算累次积分即可。
总结求概率
常见多维分布
多项分布
每次实验有\(r\)种结果:\(a_1,a_2,...a_r\)。记\(P(a_i) = p_i,i=1,2,...,r\)
记\(X_i\)为\(n\)次独立重复试验中\(A_i\)出现的次数,
则\((X_1,X_2,...,X_r)\)联合分布列为
多维超几何分布
口袋中有\(N\)只球,分成\(r\)类,第\(i\)种有\(N_i\)只,\(N_1+N_2+...+N_r=N\).
从中任取\(n\)只,记\(X_i\)为这 \(n\) 只中第\(i\)种球的个数.
则\((X_1,X_2,...,X_r)\)联合分布列为
二维均匀分布
若\((X,Y)\sim U(D)\), 则联合密度函数为
其中\(S_D\)表示平面区域\(D\)的面积.
二维正态分布
\((X,Y)\sim N(\mu_1,\sigma_1^2;\mu_2,\sigma_2^2;\rho)\),其概率密度函数为
边际分布
设\(F(x,y)\)为二维随机变量\((X,Y)\)的联合分布函数,则\(F(x,\infty)=F_X(x)\)为随机变量\(X\)的分布函数,又称之为\(X\)的边际分布函数.同样,\(Y\)的边际分布函数为\(F(\infty,y)=F_Y\).
边际分布列
若已知\((X,Y)\)的联合分布列\(p_{ij}\),则\(X\)的分布列为
同理则\(Y\)的分布列为
表格形式为

边际概率密度函数
已知 \((X,Y)\) 的联合概率密度函数 \(p(x,y)\) ,则\(X\)的联合概率密度函数为
则\(X\)的联合概率密度函数为
性质
- 由联合分布可以求出边际分布
- 但由边际分布一般无法求出联合分布.
- 二维正态分布的边际分布是一维正态分布.
- 二维均匀分布的边际分布不一定是一维均匀分布.
- 边际分布为一维正态分布的二维随机向量不一定服从二维正态分布
独立性
若两个变量\(X,Y\)相互独立,则有
同理,可以扩展至\(n\)维的情况
- 若\((X,Y)\)是离散型随机变量,\(X,Y\)相互独立
- 若\((X,Y)\)是连续型随机变量,\(X,Y\)相互独立
性质
- 若\(X\)与\(Y\)相互独立,则\(f(X)\)与\(g(Y)\)亦独立.
- 常数与任一随机变量相互独立
- \(X_1,X_2,...,X_n\)相互独立,则\((X_1,X_2,...,X_r)\)与\((X_{r+1},...,X_n)\)相互独立,它们的函数亦然.
- 若二维联合密度函数\(p(x,y)\)可分离为两个函数\(g(x)\)与\(h(y)\)的乘积,且\(g(x)\)的非0区域与\(y\)无关,\(h(y)\)的非0区域与\(x\)无关,则\(X\)与\(Y\)独立.
- 若\((X,Y)\sim U(D)\),当\(D\)为矩形区域时,\(X\)与\(Y\)独立;当\(D\)为圆盘时,\(X\)与\(Y\)不独立.
- 若\((X,Y)\sim N(\mu_1,\sigma_1^2;\mu_2,\sigma_2^2;\rho)\),则\(X\)与\(Y\)独立当且仅当\(\rho=0\).
随机变量函数的分布
设已知\((X,Y)\)的联合分布,求随机变量\(Z = g(X,Y)\)的分布函数。
设随机变量\((X,Y)\)具有分布列\(\{p_{ij},i,j=1,2,…\}\)(离散情形)或概率密度函数\(p(x,y)\)连续情形),则随机变量\(Z=(X,Y)\)的分布函数为
离散型随机变量函数
若二维离散型随机变量\((X,Y)\)具有分布列\(p_{ij},i,j=1,2,\cdots\),随机变量\(Z=g(X,Y)\)所有可能的取值为\(z_k,k=1,2,\cdots\),则\(Z\)的分布列为
卷积公式
若二维离散型随机变量\((X,Y)\)具有分布列\(p_{ij}=P(X=x_i,Y=y_j),i,j=1,2,\cdots\),
则\(Z=X+Y\)的分布列为
连续型随机变量函数
设随机变量\(X\)的概率密度函数为\(P_X(x)\),\(y=f(x)\)是严格单调函数,且其反函数\(x=h(y)\)有连续的导函数,则随机变量\(Y=f(X)\)的概率密度函数为
正态函数的线性不变性
- 若\(X\sim N(\mu,\sigma^2)\),\(a\not = 0\),\(Y=aX+b\),则\(Y\sim N(a\mu+b,a^2\sigma^2)\)
- 特殊地,若\(X\sim N(\mu,\sigma^2)\),\(\frac{X-\mu}{\sigma}\sim N(0,1)\)
Gamma分布
- 若\(X\sim Ga(\alpha,\lambda)\),\(k>0\),则\(kX\sim Ga(\alpha,\frac{\lambda}{k})\)
- 若\(X\sim N(0,\sigma^2)\),则\(X\sim Ga(\frac{1}{2},\frac{1}{2\sigma^2})\)
最值分布
设\(X_1,X_2,...,X_n\)相互独立,分布函数分别为\(F_i(x)\),\(p_i(x)\),若\(Y=\max(X_1,...,X_n)\),\(Z = \min(X_1,...,X_n)\),则有
因为

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