第二章随机变量及其分布
§2.1随机变量及其分布函数
一、随机变量
用数量来表示试验的基本事件.
定义1.设试验E的基本空间为Ω,Ω={ω},如果对试验E的每一个基本事件ω,规定一个实数记作X(ω)与之对应,这样得到一个定义在基本空间Ω上的单值实函数X=X(ω),称变量X=X(ω)为随机变量.
随机变量常用字母X、Y、Z等表示.或用ξ、η等表示.
注:1 ∘ 随机变量X=X(ω)是基本事件的函数,具体问题里具体规定.
2 ∘ 对于不同的基本事件,X的取值亦要不同.
3 ∘ 每一个基本事件都可用随机变量的取值来表示,如X(ω k )=x k ,则ω k ={X=x k }.
4 ∘ 当x k ≠x r 时,事件{X=x k }与{X=x r }互不相容.
5 ∘ {X≤x}表示X取小于等于x的每一个值所对应的基本事件的和事件.
二、随机变量的分布函数
定义2.设X是一个随机变量,对任意实数x,令F(x)=P{X≤x},(−∞,+∞)称F(x)为随机变量X的分布函数.
分布函数是定义在(−∞,+∞)上的函数,具有如下性质:①0≤F(x)≤1且F(−∞)=0,F(+∞)=1.②F(x)是单调不减函数.③F(x)是右连续的,即F(x + )=F(x).④对于任意a<b,有P{a<X≤b}=F(b)−F(a).P{a<X<b}=F(b)−F(a)−P{X=b}.P{a≤X≤b}=F(b)−F(a)+P{X=a}.
§2.2离散型随机变量及其概率分布
一、离散型随机变量及其分布律
定义3.设E是一个试验,X为E中的随机变量,如果X只取有限个数值或可数无穷多个数值,则称X为离散型随机变量.
定义4.分布律:P{X=x k }=p k ,k=1,2,⋯,即
例如抛硬币的试验: XP 11/2 01/2
掷骰子的试验: XP 116 216 316 416 516 616
分布律的性质:①p k ≥0,k=1,2,⋯;②∑ k=1 ∞ p k =1.
例1.某人射击命中率为p,不断地独立射击目标,直到命中为止,求发射子弹数X的分布律(概率分布).
解:X可取值为1,2,⋯,k,⋯,{X=k}表示事件前k−1次不中,第k次击中,则p k =P{X=k}=(1−p) k−1 p,因此:
XP 1p 2(1−p)p 3(1−p) 2 p ⋯⋯ k(1−p) k−1 p ⋯⋯
例2.设
XP 01/2 11/2
,求X为分布函数F(x).
解:F(x)=⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ 0,x<01/2,0≤x<11,x≥1
例3.
XP 116 216 316 416 516 616
,
求分布函数F(x).
解:F(x)=⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ 0,x<11/6,1≤x<22/6,2≤x<33/6,3≤x<44/6,4≤x<55/6,5≤x<61,x≥6
二、几种常用的离散型随机变量及其分概率分布
1.(0−1)分布
若随机变量X只取0与1两个值,其概率分布为P{X=0}=1−p,P{X=1}=p,0<p<1或写成P{X=x}=p x (1−p) 1−x ,x=0,1,则称X服从参数为p的(0−1)分布或两点分布.
XP 01−p 1p
分布函数F(x)=⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ 0,x<01−p,0≤x<1,1,x≥1
2.二项分布
如果随机变量X的取值为0,1,2,⋯,n,其分布为P{X=k}=(nk)p k (1−p) n−k ,k=0,1,2,⋯,n;0<p<1.则称X服从参数为n,p的二项分布,证作X∼b(n,p)(或B(n,p)).
当n=1时,二项分布B(1,p)就是(0−1)分布.
在n重伯努利概型中,事件A发生的次数X就服从B(n,p),p=P(A).
3.泊松分布
如果随机变量X可能取值为0,1,2,⋯,k,⋯,并且P{X=k}=λ k k! e −λ ,k=0,1,2,⋯其中λ>0为常数,则称X服从参数为λ的泊松分布,记作X∼π(λ).
显然p k =P{X=k}=λ k k! e −λ >0k=0,1,2,⋯∑ k=0 ∞ p k =∑ k=0 ∞ λ k k! e −λ =e −λ ⋅e λ =1.
泊松定理:设λ>0为一常数,n为任意正整数,np n =λ,则对于任一固定的非负整数k,有lim n→∞ (nk)p k n (1−p) n−k =λ k e −λ k! .
证:由p n =λn ,有(nk)p k n (1−p) n−k =n(n−1)⋯(n−k+1)k! (λn ) k (1−λn ) n−k =λ k k! [1⋅(1−1n )⋯(1−k−1n )](1−λn ) n (1−λn ) −k →λ k k! ⋅1⋅e −λ ⋅1=λ k k! e −λ ,(n→∞)
由泊松定理可知,当n很大,p很小时有近似公式(λ=np):(nk)p k (1−p) n−k ≈λ k k! e −λ 即二项分布近似泊松分布,而泊松分布有表可查.
例4.一部电话交换台每分钟接到的呼叫次数服从参数为4的泊松分布,求:(1)每分钟恰有6次呼叫的概率;(2)每分钟的呼叫次数大于5的概率.
解:以X表示每分钟呼叫的次数,则X∼π(4).P{X=k}=4 k k! e −4 ,k=0,1,2,⋯(1)P{X=6}=4 6 6! e −4 =0.1042(2)P{X>5}=1−P{X≤5}=1−[P{X=0}+P{X=1}+⋯+P{X=5}]=1−(0.0183+0.0733+0.1465+0.1954+0.1954+0.1563)=0.2148
例5.某人进行射击,每次命中率为0.02,独立射击400次,求至少命中两次的概率.
解:X∼B(400,0.02)P{X=k}=(400k)0.02 k (1−0.02) 400−k ,k=0,1,2⋯,400≈λ k k! e −λ =8 k k! e −8 ,λ=np=8所求概率为p=P{X≥2}=1−p{X=0}−P{X=1}≈1−e −8 −8e −8 =0.997
§2.3连续型随机变量及其概率密度
一、连续型随机变量的概率密度及其性质
定义4.设随机变量X的分布函数为F(x),如果存在一个非负函数f(x),使对于任意实数x,有F(x)=∫ x −∞ f(x)dx,−∞<x<∞则称X为连续型随机变量,其中f(x)称为X的概率密度.
性质:①f(x)≥0②∫ +∞ −∞ f(x)dx=1③F(x)连续④P{X=a}=0⑤P{x 1 <X<x 2 }=P{x 1 ≤X≤x 2 }=F(x 2 )−F(x 1 )=∫ x 2 x 1 f(x)dx⑥f(x)=F ′ (x)
例1.设X的概率密度为f(x)={ke −3x ,x>00,x≤0
(1)求k;(2)求P{X>0.1};(3)F(x).
解:(1)由∫ +∞ −∞ f(x)dx=1,有k=3.(2)P{X>0.1}=∫ +∞ 0.1 f(x)dx=0.7408
(3)F(x)={1−e −3x ,x>0,0,x≤0.
例2.设连续型随机变量X的概率密度为f(x)={A(8x−3x 2 ),0<x<2,0,其他
(1)求A,(2)求P{X>1};(3)分布函数F(x).
解:(1)∫ +∞ −∞ f(x)dx=A[4x 2 −x 3 ] 2 0 =8A=1A=18 (2)P{X>1}=∫ ∞ 1 f(x)dx=∫ 2 1 f(x)dx=18 [4x 2 −x 3 ] 2 1 =58
(3)F(x)=⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ 1,x≥24x 2 −x 3 8 ,0≤x<20,x<0
二、几种常见的连续型随机变量及其概率密度
1.均匀分布
若连续型随机变量X具有概率密度f(x)=⎧ ⎩ ⎨ 1b−a ,a<x<b,0,其他.
则称X在区间(a,b)上服从均匀分布.其分布函数为
F(x)=⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ 0,x≤a,x−ab−a ,a<x<b,1,x≥b.
对于任意x 1 ,x 2 ∈(a,b),若x 1 <x 2 ,则有
P{x 1 <X<x 2 }=∫ x 2 x 1 f(x)dx=∫ x 2 x 1 1b−a dx=x 2 −x 1 b−a .
这说明X取值落在(a,b)内任一子区间(x 1 ,x 2 )内的概率,只依赖于子区间的长度x 2 −x 1 ,而与子区间位置无关.
例3.设连续型随机变量X的分布函数为F(x)=⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ 0,x<−3,x+312 ,−3≤x<9,1,x≥9.
(1)求密度f(x);(2)若−3<a<a+l<9,求P{a<X<a+l}.
解:
(1)f(x)=F ′ (x)=⎧ ⎩ ⎨ 112 ,−3≤x<9,0,其他.
(2)P{a<X<a+l}=∫ a+l a 112 dx=l12
2.指数分布
若连续型随机变量X的概率密度为f(x)={λe −λx ,x>00,其他
其中λ>0为常数,则称X服从参数为λ的指数分布.其分布函数为:
F(x)={1−e −λx ,x>0,0,x≤0.
例4.已知某种电子管的寿命X(单位小时)服从指数分布,其概率密度为
f(x)=⎧ ⎩ ⎨ 11000 e −x1000 ,x>0,0,x≤0,
求这种电子管能使用1000小时以上的概率.
解:P{X>1000}=∫ ∞ 1000 f(x)dx=∫ ∞ 1000 11000 e −x1000 dx=−[e −x1000 ] ∞ 1000 =0.368
§2.4正态分布
一、正态分布的定义与性质
若连续型随机变量X的概率密度为:f(x)=12π − − √ σ e −(x−μ) 2 2σ 2 ,−∞<x<+∞其中μ,σ(σ>0)为常数,则称X服从参数为μ,σ 2 的正太分布,记作X∼N(μ,σ 2 ).其分布函数为:F(x)=12π − − √ σ ∫ x −∞ e −(t−μ) 2 2σ 2 dt,−∞<x<+∞
性质:f(x)关于直线x=μ对称,并在x=μ处取最大值12π − − √ σ .
实际问题中,许多随机变量都服从正太分布,如测量长度的误差,机器包装货物的重量等.
二、标准正态分布
设X∼N(μ,σ 2 ),如果μ=0,σ=1,则X服从标准正态分布.记作X∼N(0,1).X的概率密度为φ(x)=12π − − √ e −x 2 2 ,−∞<x<+∞分布函数为Φ(x)=∫ x −∞ 12π − − √ e −t 2 2 dt,−∞<x<+∞
(∫ +∞ 0 e −x 2 dx=π √ 2 ,∫ +∞ −∞ e −x 2 dx=π √ )
性质:若X∼N(0,1),则Φ(x)=P{X≤x}有表可查.
P{X>x 1 }=1−P{X≤x 1 }=1−Φ(x 1 )
P{x 1 <X<x 2 }=P{x 1 ≤X≤x 2 }=Φ(x 2 )−Φ(x 1 )
Φ(−x)=1−Φ(x)
例5.设X∼N(0,1).求P{|X|≤1},P{|X|≤3},P{|X|>1.96}
解:P{|X|≤1}=P{−1≤X≤1}=Φ(1)−Φ(−1)=2Φ(1)−1=0.6826,P{|X|≤3}=2Φ(3)−1=0.9974,P{|X|>1.96}=1−P{|X|≤1.96}=2[1−Φ(1.96)]=0.05.
三、一般正态分布与标准正态分布的关系
设X∼N(μ,σ 2 )分布函数为F(x),则F(x)=12π − − √ σ ∫ +∞ −∞ e −(t−μ) 2 2σ 2 dt= u=t−uσ 12π − − √ ∫ x−μσ −∞ e −u 2 2 du=Φ(x−μσ )即F(x)=Φ(x−μσ )Y=X−μσ ∼N(0,1)
例6.设X∼N(1,4),求(1)P{X>0};(2)P{−1<X<2};(3)P{|X−2|<1};(4)P{|X−1|≥1}.
解:μ=1,σ=2P{X>0}=1−P{X≤0}=1−F(0)=1−Φ(0−12 )=1−Φ(−0.5)=1−[1−Φ(0.5)]=Φ(0.5)=0.6915(2)P{−1<X<2}=F(2)−F(−1)=Φ(2−12 )−Φ(−1−12 )=Φ(12 )−Φ(−1)=Φ(0.5)−1+Φ(1)=0.6915−1+0.8413=0.5328(3)P{|X−2|<1}=P{1≤X≤3}=F(3)−F(1)=Φ(3−12 )−Φ(1−12 )=Φ(1)−Φ(0)=0.8413−0.5=0.3413(4)P{|X−1|≥1}=1−P{|X−1|<1}=1−P{0<X<x}=1−F(2)+F(0)=1−Φ(0.5)+Φ(−0.5)=2[1−Φ(0.5)]=2(1−0.6915)=0.6170
例7.设X∼N(μ,σ 2 ),求P{|X−μ|<3σ}
解:P{|X−μ|<3σ}=P{μ−3σ<X<μ+3σ}=F(μ+3σ)−F(μ−3σ)=Φ(3)−Φ(−3)=2Φ(3)−1=0.9974
P{|X−μ|<kσ}=2Φ(k)−1
四、标准正态分布的上α分位点
设X∼N(0,1),对于给定的α(0<α<1).若点μ α 满足
P{X>μ α }=α,则称点μ α 为标准正态分布的上α分位点.
−μ α =μ 1−α ,Φ(μ α )=1−α.
当α=0.025时,由Φ(μ α )=1−α=0.975,查表得μ 0.025 =1.96
§2.5随机变量的函数分布
定义.设有函数y=f(x),X与Y是两个随机变量,如果当随机变量X取x时,随机变量Y取值为y=f(x),则称随机变量Y是随机变量X的函数,记作Y=f(X).
本节举例说明由随机变量X的分布,求Y=f(X)的分布方法.
例1.设离散型随机变量X的分布律为
XP −1110 0210 1310 2310 3110
求Y 1 =−2X和Y 2 =X 2 的分布律.
解:
XY 1 =−2XY 2 =X 2 P −121110 000210 1−21310 2−44310 3−69110
Y 1 P 2110 0210 −2310 −4310 −6110
Y 2 P 0210 1410 4310 9110
例2.设X的概率密度为f X (x)=⎧ ⎩ ⎨ x8 ,0<x<4,0,其他.
求Y=2X+8的概率密度.
解:先求Y的分布函数F Y (y).F Y (y)=P{Y≤y}=P{2X+8≤y}=P{X≤y−82 }=F X (y−82 )f Y (y)=ddy F Y (y)=ddy F X (y−82 )=f X (y−82 )⋅(y−82 ) ′ =12 f X (y−82 )
=⎧ ⎩ ⎨ 12 y−816 ,0<y−82 <40,其他
=⎧ ⎩ ⎨ y−832 ,8<y<120,其他
例3.已知X∼N(μ,σ 2 ),求Y=X−μσ 的概率密度.
解:f X (x)=12π − − √ σ e −(x−μ) 2 2σ 2 ,−∞<x<+∞,F Y (y)=P{Y≤y}=P{X−μσ ≤y}=P{X≤σy+μ}=F x (σ+μ).f Y (y)=ddy F Y (y)=f X (σy+μ)⋅(σy+μ) ′ =σf X (σy+μ)=12π − − √ e −y 2 2 ,−∞<y<+∞.即Y=X−μσ ∼N(0,1).
例4.设X∼N(0,1),求Y=X 2 的概率密度.
解:由于Y=X 2 的取值非负,故当y≤0时,F Y (y)=P{Y≤y}=0f Y (y)=0.当y>0时,F Y (y)=P{Y≤y}=P{X 2 ≤y}=P{−y √ ≤X≤y √ }=Φ(y √ )−Φ(−y √ )=2Φ(y √ )−1f Y (y)=ddy F Y (y)=2φ(y √ )(y √ ) ′ =1y √ φ(y √ )=12πy − − − √ e −y2
练习:1.设,
XP −115 016 115 2115 31130
求Y=2X 2 +1的分布律
解:
XY=2X 2 +1P −1315 0116 1315 29115 3191130
YP 116 325 9115 191130
2.设X∼N(μ,σ 2 ),求Y=aX+b的密度.
3.设X∼N(0,1),求Y=e X 的密度.