第三章多维随机变量及其分布
§3.1二维随机变量
一、二维随机变量及其分布函数
定义:设随机试验E的基本空间为Ω,X和Y是定义在Ω上的两个随机变量,由它们构成的向量(X,Y)叫做二维随机变量.
二维随机变量(X,Y)可以看作是xoy面上的随机点,它们的取值是xoy面上的一个定点(x,y).(X,Y)可能落在xoy面上的有限个点处,也可能落在xoy面上的某个区域内的所有点上.我们把二维随机变量分成离散型和连续型两类.
定义:设(X,Y)为二维随机变量,对任意实数x,y,二元函数F(x,y)=P{X≤x,Y≤y}称为二维随机变量(X,Y)的分布函数,或称为X与Y的联合分布函数.
注:①规定{X≤x,Y≤y}表示{X≤x}与{Y≤y}的积事件.
②分布函数F(x,y)在点(x,y)处的值,就是(X,Y)的取值落在矩形−∞<X≤x,−∞<Y≤y上的概率.
二维随机变量(X,Y)的分布函数F(x,y)具有性质:
①0≤F(x,y)≤1,且对任意x,y有F(−∞,y)=0,F(x,−∞)=0,F(−∞,−∞)=0,F(+∞,+∞)=1
②F(x,y)是变量x和y的单调不减函数.
③F(x,y)关于x右连续,关于y也右连续.
④(X,Y)落在矩形区域x 1 <X≤x 2 ,y 1 <Y≤y 2 上的概率为P{x 1 <X≤x 2 ,y 1 <Y≤y 2 }=F(x 2 ,y 2 )−F(x 1 ,y 2 )−F(x 2 ,y 1 )+F(x 1 ,y 1 )
二、二维离散随机变量
定义:若二维随机变量(X,Y)所有可能取的值是有限对或可列无穷多对,则称(X,Y)为二维离散型随机变量.
设二维离散型随机变量(X,Y)所有可能取值为(x i ,y j ),i=1,2,⋯,j=1,2,⋯,记p ij =P{X=x i ,Y=y j }i,j=1,2,⋯(∗)且有p ij ≥0,∑ i,j p ij =1则称(∗)式为(X,Y)的概率分布或X与Y的联合分布律.
例1.设试验E为掷一颗骰子,观察出现的点数,定义两个随机变量如下:X表示骰子出现的点数.Y={1,当出现奇数点时,2,当出现偶数点时. 试求X与Y的联合分布律.
解:(X,Y)可能取值为(1,1),(1,2),(2,1),(2,2),(3,1),(3,2),(4,1),(4,2),(5,1),(5,2),(6,1),(6,2).
P 11 =P{X=1,Y=1}=P{X=1}P{Y=1|X=1}=16 ×1=16 ,P 12 =P{X=1,Y=2}=P{X=1}P{Y=2|X=1}=16 ×0=0
同理P 22 =P 31 =P 42 =P 51 =P 62 =16 ,P 21 =P 32 =P 41 =P 52 =P 61 =0
二维离散型随机变量(X,Y)的分布函数为F(x,y)=∑ x i ≤x,y i ≤y p ij
三、二维连续型随机变量
定义:设二维随机变量(X,Y)的分布函数为F(x,y),如果存在非负函数f(x,y),使对任意x,y有F(x,y)=∫ x −∞ ∫ y −∞ f(x,y)dxdy(=∫ x −∞ ∫ y −∞ f(u,v)dudv).则称(X,Y)为二维连续型随机变量,称f(x,y)为(X,Y)的概率密度或X、Y的联合概率密度.
性质1.f(x,y)≥0
性质2.∫ +∞ −∞ ∫ +∞ −∞ f(x,y)dxdy=1
性质3.在f(x,y)的连续点处有f(x,y)=∂ 2 F(x,y)∂x∂y
性质4.设G为xoy面上一个区域,点(X,Y)落在G内的概率为P{(X,Y)∈G}=∬ G f(x,y)dxdy
例2.设二维随机变量(X,Y)的概率密度为
f(x,y)={ke −(2x+3y) ,x≥0,y≥0,0,其他.
(1).求k;(2)求分布函数F(x,y);(3)求P{X>Y}.
解:(1)由∫ +∞ −∞ f(x,y)dxdy=1,而∫ +∞ −∞ ∫ +∞ −∞ f(x,y)dxdy=∫ +∞ 0 ∫ +∞ 0 ke −(2x+3y) dxdy=k∫ +∞ 0 e −2x dx∫ +∞ 0 e −3y dy=k6 则有k=6.
(2)当x>0,y>0时,F(x,y)=∫ x −∞ ∫ y −∞ f(x,y)dxdy=∫ x 0 ∫ y 0 6e −(2x+3y) dxdy=(1−e −2x )(1−e −3y ).对于其它点(x,y),由于f(x,y)=0,则F(x,y)=0.于是
F(x,y)={(1−e −2x )(1−e −3y ),x>0,y>0,0,其它.
(3)P{X>Y}=P{(X,Y)∈G}=∬ G f(x,y)dxdy=∫ +∞ 0 dx∫ x 0 6e −(2x+3y) dy=35
四、均匀分布和正态分布
1.均匀分布
设D为xoy面上的有界区域,其面积为S,如果二维随机变量(X,Y)具有概率密度
f(x,y)=⎧ ⎩ ⎨ 1S ,(x,y)∈D,0,其它
则称(X,Y)在区域D上服从均匀分布.
例3.设二维随机变量(X,Y)在D={(x,y)|0≤y≤x,0≤x≤1}上服从均匀分布,求:(1)(X,Y)的概率密度;(2)P{12 <X<34 ,0<Y<34 }.
解:(1)区域D的面积S=12 ×1×1=12 ,因此(X,Y)的概率密度为
f(x,y)={2,(X,Y)∈D0,其它
(2)记区域G={(x,y)|12 <x<34 ,0<y<34 },
G 1 ={(x,y)|0<y<x,12 <x<34 },G 2 ={(x,y)|x≤y<34 ,12 <x<34 }.
则有P{12 <X<34 ,0<Y<34 }=P{(X,Y)∈G}=∬ G f(x,y)dxdy=∬ G 1 2dxdy+∬ G 2 0dxdy=516
2.正态分布
设二维随机变量(X,Y)的概率密度为
f(x,y)=12πσ 1 σ 2 1−ρ 2 − − − − − √ e {−12(1−ρ 2 ) [(x−μ 1 ) 2 σ 2 1 −2ρ(x−μ 1 )(y−μ 2 )σ 1 σ 2 +(y−μ 2 ) 2 σ 2 2 ]}
−∞<x<+∞,−∞<y<+∞
其中μ 1 ,μ 2 ,σ 1 ,σ 2 ,ρ均为常数,且σ 1 >0,σ 2 >0,−1<ρ<1,则称(X,Y)服从参数为μ 1 ,μ 2 ,σ 1 ,σ 2 ,ρ的二维正态分布,记作(X,Y)∼N(μ 1 ,μ 2 ,σ 2 1 ,σ 2 2 ,ρ).
例4.设二维随机变量(X,Y)的概率密度为
f(x,y)=12πσ 2 e −12σ 2 (x 2 +y 2 ) ,−∞<x,y<+∞G={(x,y)|x 2 +y 2 ≤σ 2 },求P{(X,Y)∈G}(P{X 2 +Y 2 ≤σ 2 }).
解:P{(X,Y)∈G}=∬ G f(x,y)dxdy=∬ G 12πσ 2 e −12σ 2 (x 2 +y 2 ) dxdy=12πσ 2 ∫ 2π 0 dθ∫ σ 0 e −r 2 2σ 2 rdr=1−e −12
§3.2边缘分布
一、二维随机变量(X,Y)的边缘分布函数
设(X,Y)的分布函数为F(x,y),关于X的边缘分布函数为F X (x)=P{X≤x}=P{X≤x,Y<+∞}=F(x,+∞)=lim y→+∞ F(x,y).
关于Y的边缘分布函数为
F Y (y)=F(+∞,y)=lim x→+∞ F(x,y).
一、二维离散型随机变量的边缘分布律
设(X,Y)的联合分布律为P{X=x i ,Y=y i }=p ij (i,j=1,2,⋯),则P{X=x i }=P{X=x i ,Y<+∞}=P{X=x i ,∑ j=1 ∞ (Y=y j )}=P(∑ j=1 ∞ {X=x i ,Y=y i })=∑ j=1 ∞ P{X=x i ,Y=y i }=∑ j=1 ∞ p ij =p i⋅
即关于X的边缘分布律为
P{X=x i }=p i⋅ =∑ j=1 ∞ p ij (i=1,2,⋯)
关于Y的边缘分布律为
P{Y=y j }=p ⋅j =∑ i=1 ∞ p ij (j=1,2,⋯)
例1.设(X,Y)的联合分布律为
求关于X、Y的边缘分布律.
解:P{X=1}=p 1⋅ =p 11 +p 12 =16 +0=16 ,P{X=2}=p 2⋅ =p 21 +p 22 =0+16 =16 ,⋯⋯⋯P{X=6}=p 6⋅ =p 61 +p 62 =0+16 =16 ,
即关于X的边缘分布律为
P{Y=1}=p ⋅1 =p 11 +p 21 +p 31 +p 41 +p 51 +p 61 =16 +0+16 +0+16 +0=12 ,P{Y=2}=p ⋅2 =p 12 +p 22 +p 32 +p 42 +p 52 +p 62 =0+16 +0+16 +0+16 =12 ,
即关于Y的边缘分布律为
例2.设(X,Y)的联合分布律为
解:
X的边缘分布律
Y的边缘分布律
三、二维连续型随机变量的边缘概率密度
设(X,Y)的联合概率密度为f(x,y),则关于X的边缘分布函数为F X (x)=F(x,+∞)=∫ x −∞ (∫ +∞ −∞ f(x,y)dy)dx关于X的边缘概率密度为f X (x)=∫ +∞ −∞ f(x,y)dy(−∞<x<+∞)
同理,关于Y的边缘概率密度为f Y (y)=∫ +∞ −∞ f(x,y)dx(−∞<y<+∞)
例3.设(X,Y)在由曲线y=x 2 与y=x围成的区域D上服从均匀分布,求关于X,Y的边缘密度.
解:S D =∫ 1 0 (x−x 2 )dx=[12 x 2 −13 x 3 ] 1 0 =16
密度函数f(x,y)={6,(x 2 ≤y≤x,0≤x≤1)0,其它
f X (x)=∫ +∞ −∞ f(x,y)dy=∫ x 2 −∞ 0dy+∫ x x 2 6dy+∫ +∞ x 0dy=0+6(x−x 2 )+0=6(x−x 2 )
f X (x)={6(x−x 2 ),0≤x≤1,0,其它
f Y (y)=∫ +∞ −∞ f(x,y)dx=∫ y −∞ 0dy+∫ y √ y 6dx+∫ +∞ y √ 0dx=6(y √ −y)
f Y (y)={6(y √ −y),0≤y≤1,0,其它
练习:1.设(X,Y)在由x=0,y=0,x+y=1围成的区域上服从均匀分布,求关于X、Y的边缘分布.
(f X (x)={2(1−x),0<x<1,0,其它 ,f Y (y)={2(1−y),0<y<1,0,其它. )
练习:2.设(X,Y)∼N(μ 1 ,μ 2 ,σ 2 1 ,σ 2 2 ,ρ),即f(x,y)=12πσ 1 σ 2 1−ρ 2 − − − − − √ e {−12(1−ρ 2 ) [(x−μ 1 ) 2 σ 2 1 −2ρ(x−μ 1 )(y−μ 2 )σ 1 σ 2 +(y−μ 2 ) 2 σ 2 2 ]} (−∞<x,y<+∞)
关于X、Y的边缘密度分别为f X (x)=12π − − √ σ 1 e −(x−μ 1 ) 2 2σ 2 1 ,−∞<x<+∞
f Y (y)=12π − − √ σ 2 e −(y−μ 2 ) 2 2σ 2 2 ,−∞<y<+∞
即X∼N(μ 1 ,σ 2 1 ),Y∼N(μ 2 ,σ 2 2 ).