Section01_数学期望
定义
离散型
- 设 P{X=xi}=pi,i=1,2,⋯,若 i∑∞xipi 绝对收敛(指 i∑∞∣xi∣pi 收敛),则称 i∑∞xipi 为随机变量的数学期望,记为 EX 或 E(X)
常见离散型分布期望推导
- X∼(01−p1p),求 EX
∵∴EX=i∑∞xipiEX=0×(1−p)+1×p=p
- X∼P(λ),求 EX
∵∴P{X=k}=k!λke−λ,k=0,1,2,⋯EX=i∑∞xipiEX=k=0∑∞k⋅k!λke−λ=k=1∑∞k⋅k!λke−λ=e−λk=1∑∞(k−1)!λk=λe−λk=1∑∞(k−1)!λk−1=λe−λeλ=λ
- X∼几何分布,求 EX
∵∴P{X=k}=(1−p)k−1p,k=1,2,3,⋯EX=i∑∞xipiEX=k=1∑∞k(1−p)k−1p=pk=1∑∞k(1−p)k−11−p=xpk=1∑∞kxk−1=pk=1∑∞(xk)′=p(k=1∑∞xk)′=p(1−xx)′=p(−1+1−x1)′=p(1−x)21=pp21=p1
连续型
- X∼fX(x),若 ∫−∞+∞∣x∣fX(x)⋅dx 收敛,则 EX=∫−∞+∞xfX(x)⋅dx 为随机变量的数学期望
常见连续型分布的期望推导
- X∼U(a,b),求 EX
∵∴fX(x)={b−a1,0,a<x<b其他EX=∫−∞+∞xfX(x)⋅dxEX=∫abb−ax⋅dx=b−a1(2x2)∣∣ab=2a+b
- X∼E(λ),求 EX
∵∴fX(x)={λe−λx,0,x>0x≤0EX=∫−∞+∞xfX(x)⋅dxmethod 1EX=∫0∞xλe−λx⋅dx=−∫0∞x⋅de−λx=−[(xe−λx)∣0∞−∫0∞e−λx⋅dx]=λ1e−λx∣∣0∞=λ1method 2 Γ(z)=∫0∞xz−1e−x⋅dxz∈N+(z−1)!EX=∫0∞xλe−λx⋅dx=λ1∫0∞λxe−λx⋅dλx=λ1!=λ1
- 注 X 服从均值为 θ 的指数分布,则:fX(x)={θ1e−θx,0,x>0x≤0
- X∼N(μ,σ2),求 EX
∵∴fX(x)=2πσ1e−2σ2(x−μ)2⋅dxEX=∫−∞+∞xfX(x)⋅dxEX=∫−∞+∞x2πσ1e−2σ2(x−μ)2⋅dxσx−μ=t∫−∞+∞(σt+μ)2πσ1e−2t2⋅d(σt+μ)=μ∫−∞+∞2π1e−2t2⋅dt+∫−∞+∞2πσte−2t2⋅dt=μ
求Eg(X)和Eg(X,Y)
求 Eg(X)
- Eg(X)=⎩⎨⎧i∑g(xi)P{X=xi}∫−∞+∞g(x)fX(x)⋅dx
- 如 X∼(−11/301/311/3) 求 EX2
- 用 X 的分布求 EX2=(−1)2×31+02×31+12×31=32
- 用 X2 的分布求 X2∼(01/312/3)⇒EX2=0×31+1×32=32
- 如 X∼E(λ),求 EX2
- EX2=∫0∞x2λe−λx⋅dx=λ21∫0∞(λx)2e−λx⋅dλx=2λ21
- 注 连续型时,由 fX(x) 求 Y=X2 的密度 fY(y) 为第二章的一个难点,一般不用 fY(y) 求 EY
求常见分布的 EX2
- X∼(01−p1p),求 EX2
EX2=i∑∞xi2pi=02×(1−p)+12×p=p
- X∼P(λ),求 EX2
EX2=i∑∞xi2pi=k=0∑∞k2k!λke−λ=e−λk=1∑∞k2k!λk=e−λk=1∑∞[k(k−1)k!λk+kk!λk]=λ2e−λk=2∑∞(k−2)!λk−2+λe−λk=1∑∞(k−1)!λk−1=λ2+λ
- X∼几何分布,求 EX2
EX2=i∑∞xi2pi=k=1∑∞k2(1−p)k−1p=pk=1∑∞[k(k+1)(1−p)k−1−k(1−p)k−1]x=1−pp[k=1∑∞(xk+1)′′−k=1∑∞(xk)′]=p[(k=1∑∞xk+1)′′−(k=1∑∞xk)′]=p[(1−xx2)′′−(1−xx)′]=p[(1−x)32−(1−x)21]=p22−p
- X∼U(a,b),求 EX2
EX2=∫−∞+∞x2fX(x)⋅dx=b−a1∫abx2⋅dx=b−a1×3x3∣∣ab=3(b−a)b3−a3=3(b−a)(b−a)(a2+b2+ab)=3a2+b2+ab
- X∼E(λ),求 EX2
EX2=∫−∞+∞x2fX(x)⋅dx=∫0∞x2λe−λx⋅dx=λ21∫0∞(λx)2e−λx⋅dλx=λ22
- X∼N(μ,σ2),求 EX2
EX2=∫−∞+∞x2fX(x)⋅dx=∫−∞+∞x22πσ1e−2σ2(x−μ)2t=σx−μ∫−∞+∞(σt−μ)22π1e−2t2⋅dt=μ2∫−∞+∞2π1e−2t2⋅dt+σ2∫−∞+∞2πt2e−2t2⋅dt−2σμ∫−∞+∞2πte−2t2⋅dt=μ2−σ2∫−∞+∞2πt⋅de−2t2=μ2−σ2(te−2t2∣−∞+∞−∫−∞+∞2π1e−2t2⋅dt)=μ2+σ2
求 Eg(X,Y)
- Eg(X,Y)=⎩⎨⎧i∑j∑g(xi,yj)P{X=xi,Y=yj}∫−∞+∞∫−∞+∞g(x,y)f(x,y)⋅dxdy
例题
- 设二维随机变量 (X,Y) 的分布律如下所示,分别计算E(X),E(XY)
(X,Y)P(0,0)0.2(0,1)0.1(1,0)0.4(1,1)0.3
E(X)=0×0.2+0×0.1+1×0.4+1×0.3=0.7E(XY)=0×0.2+0×0.1+0×0.4+1×0.3=0.3
- 设随机变量 X 的概率密度为 fX(x)={1,0,−21<x<21其他,设 Y=cosx,试分别计算 E(X),[E∣X∣]2,EX2,E(XY)
E(X)=∫−∞+∞xfX(x)⋅dx=∫−2121x⋅dx=2x2∣∣−2121=0[E∣X∣]2=[∫−∞+∞∣x∣fX(x)⋅dx]2=[2∫021x⋅dx]2=161EX2=∫−2121x2⋅dx=121E(XY)=∫−2121xcosx⋅dx=0
- 注
- E∣X∣=∣EX∣
- EX2=(EX)2
- 设二维随机变量 (X,Y) 的概率密度为 f(x,y)={π1,0,x2+y2≤1其他,分别计算 EY2,EXY
EY2=x2+y2≤1∬y2f(x,y)⋅dσx=rcosθy=rsinθr≤1∬r2sin2θf(x,y)⋅rdrdθ=∫01r3⋅dr∫−πππsin2θ⋅dθ=4∫01r3⋅dr∫02ππsin2θ=∫01r3⋅dr=41EXY=x2+y2≤1∬xyf(x,y)⋅dσx=rcosθy=rsinθr≤1∬r2cosθsinθ⋅rdrdθ=∫01r3⋅dr∫−ππcosθsinθ⋅dθ=0
- 注 本题中 EXY=EX⋅EY,但 X,Y 并不独立;但当 X,Y 独立时,EXY=EX⋅EY
期望的性质
- E(c)=c,c为常数
- E(aX)=aEX,a为常数
- E(X+Y)=EX+EY;E(aX+bY+c)=aEX+bEY+c
- EXY=EX⋅EY⇔X,Y不相关(无线性关系)↛→X,Y独立(无任何关系)
- X≥c⇒EX≥c
- 若 X,Y 独立,则 X2 与 Y2 仍独立 EX2Y2=EX2⋅EY2