Section04_已知X分布,求X=g(X)的分布
X X X 为离散型
P { X = x i } = p i , i = 1 , 2 , ⋯ \mathbb{P}\{X=x_{i}\} = p_{i},\quad i = 1,2,\cdots P { X = x i } = p i , i = 1 , 2 , ⋯ ,则P { Y = g ( x i ) } = p i \mathbb{P}\{Y = g(x_{i})\} = p_{i} P { Y = g ( x i )} = p i ,若g ( x i ) g(x_{i}) g ( x i ) 有相同值,应合并
例题
已知随机变量X X X 的分布律 X ∼ ( − 1 0 1 2 0.1 0.2 0.3 0.4 ) X\sim \left( \begin{matrix} -1 & 0 & 1 & 2 \\ 0.1 & 0.2 & 0.3 &0.4 \end{matrix} \right) X ∼ ( − 1 0.1 0 0.2 1 0.3 2 0.4 ) ,求 X 2 X^{2} X 2 和 max { X , 1 } \max\{X,1\} max { X , 1 } 的分布律
X 2 ∼ ( 0 1 4 0.2 0.4 0.4 ) max { X , 1 } ∼ ( 1 2 0.6 0.4 )
\begin{array}{ll}
X^{2} \sim
\left(
\begin{matrix}
0 & 1 & 4 \\
0.2& 0.4 & 0.4
\end{matrix}
\right) \\
\max \{X, 1\} \sim
\left(
\begin{matrix}
1 & 2 \\
0.6 & 0.4
\end{matrix}
\right)
\end{array}
X 2 ∼ ( 0 0.2 1 0.4 4 0.4 ) max { X , 1 } ∼ ( 1 0.6 2 0.4 )
X X X 为连续型 X ∼ f X ( x ) X\sim f_{X}(x) X ∼ f X ( x )
y = g ( X ) 可能为 { 离散型 求分布律 连续型 先求 f y ( y ) 再求 f y ( y ) 混合型 只求 f y ( y ) y= g(X) \text{可能为} \begin{cases}
\text{离散型} & \text{求分布律} \\
\text{连续型} & \text{先求}f_{y}(y)\text{再求}f_{y}(y) \\
\text{混合型} & \text{只求}f_{y}(y)
\end{cases} y = g ( X ) 可能为 ⎩ ⎨ ⎧ 离散型 连续型 混合型 求分布律 先求 f y ( y ) 再求 f y ( y ) 只求 f y ( y )
分布函数法 y = g ( X ) y = g(X) y = g ( X ) 的分布函数
f y ( y ) = P { Y ≤ y } = P { g ( X ) ≤ y } = ∫ g ( x ) ≤ y f X ( t ) ⋅ d t
f_{y}(y) = \mathbb{P}\{Y \le y\} = \mathbb{P}\{g(X) \le y\} = \int_{g(x)\le y}^{} f_{X}(t)\cdot dt
f y ( y ) = P { Y ≤ y } = P { g ( X ) ≤ y } = ∫ g ( x ) ≤ y f X ( t ) ⋅ d t
关键在于寻找 g ( x ) ≤ y g(x)\le y g ( x ) ≤ y 的区间
若 Y Y Y 为连续型,则 f Y ( y ) = F Y ′ ( y ) \displaystyle f_{Y}(y) = F'_{Y}(y) f Y ( y ) = F Y ′ ( y ) ,可
先积分后求导
直接用变先积分求导
d d x ∫ a x f ( t ) ⋅ d t = f ( x ) \displaystyle \frac{d}{dx}\int_{a}^{x}f(t)\cdot dt = f(x) d x d ∫ a x f ( t ) ⋅ d t = f ( x )
d d x ∫ a φ ( x ) f ( t ) ⋅ d t = φ ′ ( x ) f [ φ ( x ) ] \displaystyle \frac{d}{dx}\int_{a}^{\varphi(x)}f(t)\cdot dt = \varphi'(x)f[\varphi(x)] d x d ∫ a φ ( x ) f ( t ) ⋅ d t = φ ′ ( x ) f [ φ ( x )]
d d x ∫ ψ ( x ) φ ( x ) f ( t ) ⋅ d t = φ ′ ( x ) f [ φ ( x ) ] − ψ ′ ( x ) f [ ψ ( x ) ] \displaystyle \frac{d}{dx}\int_{\psi (x)}^{\varphi(x)}f(t)\cdot dt = \varphi'(x)f[\varphi(x)] - \psi'(x)f[\psi(x)] d x d ∫ ψ ( x ) φ ( x ) f ( t ) ⋅ d t = φ ′ ( x ) f [ φ ( x )] − ψ ′ ( x ) f [ ψ ( x )]
解题步骤
讨论 Y Y Y 的取值,分段讨论
找出 g ( x ) ≤ y g(x)\le y g ( x ) ≤ y 对应的 x x x 的区间
先积后导或采用变限积分的求导
例题
X ∼ U ( − 1 , 2 ) , y = sgn x = { − 1 x < 0 0 , x = 0 1 , x > 0 X\sim U(-1,2), y = \text{sgn }x = \begin{cases} -1 & x<0 \\ 0, & x=0 \\ 1, & x>0 \\ \end{cases} X ∼ U ( − 1 , 2 ) , y = sgn x = ⎩ ⎨ ⎧ − 1 0 , 1 , x < 0 x = 0 x > 0 ,则 Y Y Y 的分布律为
Y ∼ ( − 1 0 1 1 3 0 2 3 )
Y\sim
\left(
\begin{matrix}
-1 & 0 & 1 \\
\frac{1}{3} & 0 & \frac{2}{3}
\end{matrix}
\right)
Y ∼ ( − 1 3 1 0 0 1 3 2 )
设随机变量 X X X 的分布函数为 F X ( x ) F_{X}(x) F X ( x ) ,则 Y = 2 X + 1 Y = 2X+1 Y = 2 X + 1 的分布函数 F Y ( y ) F_{Y}(y) F Y ( y ) 为
F Y ( y ) = P { Y ≤ y } = P { 2 X + 1 ≤ y } = P { X ≤ y − 1 2 } ∴ F Y ( y ) = F X ( y − 1 2 )
\begin{array}{ll}
& F_{Y}(y) = \mathbb{P}\{Y \le y\} = \mathbb{P}\{2X + 1\le y\} = \mathbb{P}\{X \le \frac{y-1}{2}\} \\
\therefore & F_{Y}(y) = F_{X}(\frac{y-1}{2}) \\
\end{array}
∴ F Y ( y ) = P { Y ≤ y } = P { 2 X + 1 ≤ y } = P { X ≤ 2 y − 1 } F Y ( y ) = F X ( 2 y − 1 )
设 X ∼ N ( μ , σ 2 ) X\sim \mathcal{N}(\mu,\sigma^{2}) X ∼ N ( μ , σ 2 ) ,证明 Y = X − μ σ ∼ N ( 0 , 1 ) Y = \frac{X-\mu}{\sigma}\sim \mathcal{N}(0,1) Y = σ X − μ ∼ N ( 0 , 1 )
∵ X ∼ N ( μ , σ 2 ) ∴ X ∼ f ( x ) = 1 2 π σ e − ( x − μ ) 2 2 σ 2 , X 的取值 ( − ∞ , + ∞ ) ∵ Y = X − μ σ ∴ Y 的取值范围 ( − ∞ , + ∞ ) ∵ F Y ( y ) = P { Y ≤ y } = P { X − μ σ ≤ y } = P { X ≤ y σ + μ } ∴ F Y ( y ) = F X ( y σ + μ ) = ∫ − ∞ y σ + μ 1 2 π σ e − ( y σ ) 2 2 σ ∵ f Y ( y ) = F Y ′ ( y ) ∴ f Y ( y ) = 1 2 π σ e − y 2 2 ⋅ σ = 1 2 π e − y 2 2 ∴ Y ∼ N ( 0 , 1 )
\begin{array}{ll}
\because & X\sim \mathcal{N}(\mu,\sigma^{2}) \\
\therefore & X\sim f(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{-\frac{(x-\mu)^{2}}{2\sigma^{2}}}, X \text{的取值}(-\infty,+\infty)\\
\because & Y = \frac{X-\mu}{\sigma} \\
\therefore & Y \text{的取值范围} (-\infty,+\infty) \\
\because & F_{Y}(y) = \mathbb{P}\{Y \le y\} = \mathbb{P}\{\frac{X-\mu}{\sigma}\le y\} = \mathbb{P}\{X\le y\sigma+\mu\} \\
\therefore &\displaystyle F_{Y}(y) = F_{X}(y\sigma + \mu) = \int_{-\infty}^{y\sigma + \mu} \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}e^{-\frac{(y\sigma)^{2}}{2\sigma}}\\
\because & f_{Y}(y) = F'_{Y}(y) \\
\therefore & f_{Y}(y) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}e^{-\frac{y^{2}}{2}}\cdot \sigma = \frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-\frac{y^{2}}{2}} \\
\therefore & Y \sim \mathcal{N}(0,1) \\
\end{array}
∵ ∴ ∵ ∴ ∵ ∴ ∵ ∴ ∴ X ∼ N ( μ , σ 2 ) X ∼ f ( x ) = 2 π σ 1 e − 2 σ 2 ( x − μ ) 2 , X 的取值 ( − ∞ , + ∞ ) Y = σ X − μ Y 的取值范围 ( − ∞ , + ∞ ) F Y ( y ) = P { Y ≤ y } = P { σ X − μ ≤ y } = P { X ≤ y σ + μ } F Y ( y ) = F X ( y σ + μ ) = ∫ − ∞ y σ + μ 2 π σ 1 e − 2 σ ( y σ ) 2 f Y ( y ) = F Y ′ ( y ) f Y ( y ) = 2 π σ 1 e − 2 y 2 ⋅ σ = 2 π 1 e − 2 y 2 Y ∼ N ( 0 , 1 )
设随机变量 X X X 的概率密度为 f ( x ) = { 3 2 x 2 , − 1 < x < 1 0 , 其他 f(x)= \begin{cases} \frac{3}{2}x^{2}, & -1 < x < 1 \\ 0, & \text{其他} \end{cases} f ( x ) = { 2 3 x 2 , 0 , − 1 < x < 1 其他 求随机变量 Y = X 2 + 1 Y = X^{2} + 1 Y = X 2 + 1 的概率密度函数 f ( y ) f(y) f ( y )
∵ X ∈ ( − 1 , 1 ) ∴ Y = X 2 + 1 ∈ [ 1 , 2 ) F ( y ) = P { Y ≤ y } = P { X 2 + 1 ≤ y } = P { − y − 1 ≤ X ≤ y − 1 } ∴ F ( y ) = ∫ x 2 ≤ y f ( x ) ⋅ d x = ∫ − y − 1 y − 1 f ( x ) ⋅ d x ∴ When y ∈ [ 1 , 2 ) , F ( y ) = ∫ − y − 1 y − 1 3 2 x 2 ⋅ d x ∴ f ( y ) = F ′ ( y ) = ( y − 1 ) ′ 3 2 ( y − 1 ) − ( − y − 1 ) ′ 3 2 ( y − 1 ) = ( y − 1 ) ′ 3 ( y − 1 ) = 3 2 y − 1 ∴ f ( y ) = { 3 2 y − 1 , 1 ≤ y < 2 0 , others
\begin{array}{ll}
\because & X \in (-1, 1) \\
\therefore & Y = X^{2} + 1\in [1,2) \\\\
& F(y) = \mathbb{P}\{Y\le y\} = \mathbb{P}\{X^{2} + 1 \le y\} = \mathbb{P}\{-\sqrt{y-1} \le X\le \sqrt{y-1}\} \\
\therefore & F(y) = \displaystyle \int_{x^{2}\le y}^{} f(x)\cdot dx = \int_{-\sqrt{y-1}}^{\sqrt{y-1}}f(x)\cdot dx \\
\therefore &\displaystyle \text{When y}\in [1,2), F(y) = \int_{-\sqrt{y-1}}^{\sqrt{y-1}}\frac{3}{2}x^{2}\cdot dx \\
\therefore & f(y) = F'(y) = (\sqrt{y-1})'\frac{3}{2}(y-1) - (-\sqrt{y-1})' \frac{3}{2}(y-1) = (\sqrt{y-1})'3(y-1) \\
& = \frac{3}{2}\sqrt{y-1} \\
\therefore & f(y) = \begin{cases}
\frac{3}{2}\sqrt{y-1}, & 1\le y < 2 \\
0,& \text{others}
\end{cases} \\
\end{array}
∵ ∴ ∴ ∴ ∴ ∴ X ∈ ( − 1 , 1 ) Y = X 2 + 1 ∈ [ 1 , 2 ) F ( y ) = P { Y ≤ y } = P { X 2 + 1 ≤ y } = P { − y − 1 ≤ X ≤ y − 1 } F ( y ) = ∫ x 2 ≤ y f ( x ) ⋅ d x = ∫ − y − 1 y − 1 f ( x ) ⋅ d x When y ∈ [ 1 , 2 ) , F ( y ) = ∫ − y − 1 y − 1 2 3 x 2 ⋅ d x f ( y ) = F ′ ( y ) = ( y − 1 ) ′ 2 3 ( y − 1 ) − ( − y − 1 ) ′ 2 3 ( y − 1 ) = ( y − 1 ) ′ 3 ( y − 1 ) = 2 3 y − 1 f ( y ) = { 2 3 y − 1 , 0 , 1 ≤ y < 2 others
X ∼ E ( λ ) , Y = min { X , 2 } X\sim E(\lambda), Y = \min\{X,2\} X ∼ E ( λ ) , Y = min { X , 2 } ,求 F Y ( y ) F_{Y}(y) F Y ( y ) ,并请回答 Y Y Y 是否为连续变量?
∵ X ∼ E ( λ ) ∴ f X ( x ) = { λ e − λ x , x > 0 0 , x ≤ 0 , X 的取值范围 ( 0 , + ∞ ) ∵ Y = min { X , 2 } ∴ Y 的取值范围 ( 0 , 2 ) ∴ Y < 0 , F ( y ) = 0 Y ≥ 2 , F ( y ) = 1 0 ≤ Y < 2 : F ( y ) = P { Y ≤ y } = P { X ≤ y } = F X ( y ) = ∫ 0 y λ e − λ x = 1 − e − λ y ∴ F ( y ) = { 0 , y < 0 1 − e − λ y , 0 ≤ y < 2 1 , y ≥ 2 ∵ f ( 2 ) ≠ f ( 2 − 0 ) ∴ Y 不为连续型随机变量,无密度
\begin{array}{ll}
\because & X\sim E(\lambda) \\
\therefore & f_{X}(x) = \begin{cases}
\lambda e^{-\lambda x}, & x > 0 \\
0, & x\le 0
\end{cases}, X \text{的取值范围}(0,+\infty) \\
\because & Y = \min\{X,2\} \\
\therefore & Y \text{的取值范围}(0,2) \\
\therefore & Y < 0, F(y) = 0\\
& Y \ge 2, F(y) = 1 \\
& 0 \le Y < 2: \\
& \displaystyle F(y) = \mathbb{P}\{Y \le y\} = \mathbb{P}\{X\le y\} = F_{X}(y) \\
& \displaystyle = \int_{0}^{y}\lambda e^{-\lambda x} = 1 - e^{-\lambda y} \\
\therefore & F(y) = \begin{cases}
0, & y < 0 \\
1- e^{-\lambda y}, & 0 \le y < 2 \\
1, & y \ge 2 \\
\end{cases} \\
\because & f(2) \ne f(2-0) \\
\therefore & Y \text{不为连续型随机变量,无密度} \\
\end{array}
∵ ∴ ∵ ∴ ∴ ∴ ∵ ∴ X ∼ E ( λ ) f X ( x ) = { λ e − λ x , 0 , x > 0 x ≤ 0 , X 的取值范围 ( 0 , + ∞ ) Y = min { X , 2 } Y 的取值范围 ( 0 , 2 ) Y < 0 , F ( y ) = 0 Y ≥ 2 , F ( y ) = 1 0 ≤ Y < 2 : F ( y ) = P { Y ≤ y } = P { X ≤ y } = F X ( y ) = ∫ 0 y λ e − λ x = 1 − e − λ y F ( y ) = ⎩ ⎨ ⎧ 0 , 1 − e − λ y , 1 , y < 0 0 ≤ y < 2 y ≥ 2 f ( 2 ) = f ( 2 − 0 ) Y 不为连续型随机变量,无密度