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随机变量

相关概念

随机变量

给定概率空间 (Ω,F,P)(\Omega, \mathcal{F}, P),定义在样本空间 Ω\Omega 上的函数 X:ΩRX : \Omega \to \mathbb{R} 若满足:对任意 tRt \in \mathbb{R} 都有

{ωΩ:X(ω)t}F\{ \omega \in \Omega : X(\omega) \le t \} \in \mathcal{F}

则称 XX随机变量

示性函数

对于样本空间 Ω\Omega 上的事件 AA,定义随机变量

IA(ω)={1,ωA0,ωAI_A(\omega) = \begin{cases} 1, & \omega \in A \\ 0, & \omega \notin A \end{cases}

IAI_A 是事件 AA示性函数

分布函数

对于随机变量 XX,称函数

F(x)=P(Xx)F(x) = P( X \leq x )

为随机变量 XX分布函数。记作 XF(x)X \sim F(x)

分布函数具有以下性质:

  • 右连续性F(x)=F(x+0)F(x) = F(x + 0)
  • 单调性:在 R\mathbb{R} 上单调递增(非严格)
  • F()=0F(-\infty) = 0,F(+)=1F(+\infty) = 1

同时我们可以证明,满足上述要求的函数都是某个随机变量的分布函数。因此,分布函数与随机变量之间一一对应。

随机变量的分类

随机变量按其值域(根据定义,随机变量是一个函数)是否可数分为 离散型连续型 两种。

离散型随机变量

XX 为离散型随机变量,其所有可能的取值为 x1,x2,x_1, x_2, \cdots,则我们可以用一系列形如 P{X=xi}=piP\{ X = x_i \} = p_i 的等式来描述 XX。这就是我们在高中课本中学过的 分布列

连续型随机变量

XX 为连续型随机变量,考察 P{X=x}P\{ X = x \} 往往是无意义的(因为这一概率很可能是 00)。

为什么说概率「很可能」是 00

考虑这样的随机变量 XX:它以 12\frac{1}{2} 的概率取 00,以 12\frac{1}{2} 的概率服从开区间 (0,1)(0, 1) 上的均匀分布。显然 XX 满足连续型随机变量的定义。

对任何实数 r(0,1)r \in (0, 1),不难得到 P{X=r}=0P\{ X = r \} = 0,但同时有 P{X=0}=12P\{ X = 0 \} = \frac{1}{2}

另一方面,设 XF(x)X \sim F(x),则

P(l<xl+Δx)=F(l+Δx)F(l)P( l < x \leq l + \Delta x ) = F(l + \Delta x) - F(l)

一个自然的想法是用极限 limΔx0+F(l+Δx)F(l)Δx\lim\limits_{\Delta x \to 0^+} \frac{F(l + \Delta x) - F(l)}{\Delta x} 来描述 XX 取值为 ll 的可能性。

这个式子就是我们熟知的导数,于是问题转化为寻找一个非负函数 f(x)f(x) 使得

F(x)=xf(x)dxF(x) = \int_{-\infty}^{x} f(x) \text{d} x

若这样的 f(x)f(x) 存在,则称之为 XX密度函数

随机变量的独立性

前面讨论了随机事件的独立性。由于随机变量和随机事件紧密联系,我们还可以类似地给出随机变量独立性的定义。

定义

若随机变量 X,YX, Y 满足对任意的 x,yRx, y \in \mathbb{R} 都有

P(Xx,Yy)=P(Xx)P(Yy)P( X \leq x, Y \leq y ) = P( X \leq x ) P( Y \leq y )

则称随机变量 X,YX, Y 独立

Note

注意到,中学课本中对随机变量独立性的定义是用形如 P(X=α)P(X = \alpha) 的概率定义的,但由于连续性随机变量取特定值的概率通常是 00,故在更一般的情形下借助分布函数定义才是更加明智的选择。

性质

若随机变量 XX,YY 相互独立,则对于任意函数 f,gf, g,随机变量 f(X)f(X)g(Y)g(Y) 相互独立。

注意

有时候我们会研究相互独立的随机变量 XX,YY 的某一函数 f(X,Y)f(X, Y)(如 XY2XY^2)的分布。

尽管 XXYY 是独立的,但不能想当然地认为对 YY 的某一取值 yyf(X,y)f(X, y)f(X,Y)f(X, Y) 服从同样的分布。