Section01_随机变量及分布函数

随机变量

  1. 定义 取值有随机性的变量,数学上指在 Ω\Omega 上的单值实值函数 X=X(ω),ωΩX = X(\omega),\quad \omega\in \Omega
    • 注1 XX为实数而ω\omega不一定为数值(其为样本空间中的样本点)
    • 注2 例如跑一枚硬币,Ω={ω}={正, 反}\Omega = \{\omega\} = \{\text{正, 反}\}
      • X=X(ω)={0,ω=1,ω=X= X(\omega) = \begin{cases} 0, & \omega = \text{正}\\ 1, & \omega = \text{反}\\ \end{cases}
      • 则事件 {X=0}={}={X0}={X12}\{X=0\} = \{\text{正}\} = \{X\le 0 \} = \{X\le \frac{1}{2}\}

随机变量的分布函数

  1. 定义 P{Xx}F(x) or FX(x),xR\mathbb{P}\{X\le x\} \triangleq F(x) \text{ or }F_{X}(x), x\in \mathbb{R}
    • 上例中 P{X=0}=P{X=1}=12\mathbb{P}\{X=0\} = \mathbb{P}\{X=1\} = \frac{1}{2},则 FX(x)=P{Xx}={0,x<012,0x<11,1x F_{X}(x) = \mathbb{P}\{X\le x\} = \begin{cases} 0, & x<0 \\ \frac{1}{2}, & 0\le x< 1 \\ 1, & 1 \le x \end{cases}
    • 注1 几何上 FX(x)F_{X}(x)F(x)F(x),表示 XX 落在 (,x](-\infty, x] 内的概率
    • 注2 F(x)=P{Xx}F(x) = \mathbb{P}\{X\le x\}xx 不是随机变量的取值,xRx\in \mathbb{R}
    • 注3 P{Xy},yR\mathbb{P}\{X\le y\}, y\in \mathbb{R} 仍然为 XX 的分布函数 (P{Xy}=F(y)=FX(y))(\mathbb{P}\{X\le y\} = F(y) = F_{X}(y))
  2. F(x)F(x) 为某随机变量的分布函数 \Leftrightarrow
    1. F()=0,F(+)=1,0F(x)1F(-\infty) = 0, F(+\infty) = 1, 0\le F(x)\le 1
    2. 单调不减,即 x1<x2, FX(x1)FX(x2)\forall x_{1}<x_{2},\ F_{X}(x_{1})\le F_{X}(x_{2})
    3. 处处右连续,即 x, F(x+0)=F(x)\forall x,\ F(x+0) = F(x)
  3. 用分布函数求概率
    1. P{a<Xb}=F(b)F(a)\mathbb{P}\{a<X\le b\} = F(b)- F(a)
    2. P{X=x0}=F(x0)F(x00)\mathbb{P}\{X=x_{0}\} = F(x_{0}) - F(x_{0}-0)

      Proof

      A={Xa},B={Xb}, 则ABP{a<Xb}=P(BAˉ)=P(B)P(AB)=P(B)P(A)=F(a)F(b) \begin{array}{ll} & \text{令}A=\{X\le a\}, B =\{X\le b\}\text{, 则}A\subset B \\ & \mathbb{P}\{a < X\le b\} = \mathbb{P}(B \bar{A}) = \mathbb{P}(B)- \mathbb{P}(AB) \\ & = \mathbb{P}(B) - \mathbb{P}(A) = F(a) - F(b) \end{array}

    3. F(x)={0,x<013,0x<11,x1F(x) = \begin{cases} 0, & x<0 \\ \frac{1}{3},& 0\le x <1 \\ 1,& x\ge 1 \end{cases} P{X=1}=F(1)F(10)=23P{X=0}=F(0)F(10)=13P{X=2}=F(2)F(20)=0P{0<X1}=F(1)F(0)=23 \begin{array}{ll} \mathbb{P}\{X=1\} = F(1) - F(1-0) = \frac{2}{3} \\ \mathbb{P}\{X=0\} = F(0) - F(1-0) = \frac{1}{3} \\ \mathbb{P}\{X = 2\} = F(2) - F(2-0) = 0 \\ \mathbb{P}\{0<X\le 1\} = F(1) - F(0) = \frac{2}{3} \end{array}

例题

  1. 下列可作为分布函数的选项是(D) a. F(x)={0,x<04e4x,x0F(x) = \begin{cases} 0, & x<0 \\ 4e^{4x}, & x\ge 0 \\ \end{cases} b. F(x)={0,x<013,0x<11,x1F(x) = \begin{cases} 0, & x<0 \\ \frac{1}{3}, & 0\le x <1 \\ 1, & x \ge 1 \end{cases} c. F(x)={0,x<01x2,0x<11,x1F(x) = \begin{cases} 0, & x<0 \\ \frac{1-x}{2}, & 0\le x<1 \\ 1, & x\ge 1 \end{cases} d. F(x)={0,x<0sinx,0xπ21,x>π2F(x) = \begin{cases} 0, & x<0 \\ \sin x, & 0\le x\le \frac{\pi}{2} \\ 1, & x> \frac{\pi}{2} \end{cases}

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