常见的概率分布及其相应的概率密度函数、分布函数、期望和方差

本文概述了二项分布、泊松分布、几何分布、正态分布、指数分布和均匀分布等几种常见的概率分布,介绍了它们的概率质量函数、分布函数、期望和方差的计算公式。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

以下是一些常见的概率分布及其相应的概率密度函数、分布函数、期望和方差:

  1. 离散分布:

    • 二项分布(Binomial Distribution):

      • 概率质量函数(PMF): P(X=k)=C(n,k)⋅pk⋅(1−p)n−kP(X = k) = C(n, k) \cdot p^k \cdot (1 - p)^{n-k}P(X=k)=C(n,k)pk(1p)nk
      • 分布函数(CDF): F(k)=∑i=0kC(n,i)⋅pi⋅(1−p)n−iF(k) = \sum_{i=0}^{k} C(n, i) \cdot p^i \cdot (1 - p)^{n-i}F(k)=i=0kC(n,i)pi(1p)ni
      • 期望: E(X)=npE(X) = npE(X)=np
      • 方差: Var(X)=np(1−p)Var(X) = np(1-p)Var(X)=np(1p)
    • 泊松分布(Poisson Distribution):

      • 概率质量函数:P(X=k)=e−λ⋅λkk!P(X = k) = \frac{e^{-\lambda} \cdot \lambda^k}{k!}P(X=k)=k!eλλk
      • 分布函数: F(k)=∑i=0ke−λ⋅λii!F(k) = \sum_{i=0}^{k} \frac{e^{-\lambda} \cdot \lambda^i}{i!}F(k)=i=0ki!eλλi
      • 期望: E(X)=λE(X) = \lambdaE(X)=λ
      • 方差: Var(X)=λVar(X) = \lambdaVar(X)=λ
    • 几何分布(Geometric Distribution):

      • 概率质量函数: P(X=k)=(1−p)k−1⋅pP(X = k) = (1-p)^{k-1} \cdot pP(X=k)=(1p)k1p
      • 分布函数: F(k)=1−(1−p)kF(k) = 1 - (1-p)^kF(k)=1(1p)k
      • 期望: E(X)=1pE(X) = \frac{1}{p}E(X)=p1
      • 方差: Var(X)=1−pp2Var(X) = \frac{1-p}{p^2}Var(X)=p21p
  2. 连续分布:

    • 正态分布(Normal Distribution):

      • 概率密度函数(PDF): f(x)=12πσ⋅e−(x−μ)22σ2f(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} \cdot e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}f(x)=2πσ1e2σ2(xμ)2
      • 分布函数(CDF): F(x)=12[1+erf(x−μσ2)]F(x) = \frac{1}{2}\left[1 + \text{erf}\left(\frac{x-\mu}{\sigma\sqrt{2}}\right)\right]F(x)=21[1+erf(σ2xμ)]
      • 期望: E(X)=μE(X) = \muE(X)=μ
      • 方差: Var(X)=σ2Var(X) = \sigma^2Var(X)=σ2
    • 指数分布(Exponential Distribution):

      • 概率密度函数: f(x)=λe−λxf(x) = \lambda e^{-\lambda x}f(x)=λeλx
      • 分布函数: F(x)=1−e−λxF(x) = 1 - e^{-\lambda x}F(x)=1eλx
      • 期望: E(X)=1λE(X) = \frac{1}{\lambda}E(X)=λ1
      • 方差: Var(X)=1λ2Var(X) = \frac{1}{\lambda^2}Var(X)=λ21
    • 均匀分布(Uniform Distribution):

      • 概率密度函数: f(x)=1b−af(x) = \frac{1}{b-a}f(x)=ba1 for a≤x≤ba \leq x \leq baxb
      • 分布函数: F(x)=x−ab−aF(x) = \frac{x-a}{b-a}F(x)=baxa for a≤x≤ba \leq x \leq baxb
      • 期望: E(X)=a+b2E(X) = \frac{a+b}{2}E(X)=2a+b
      • 方差: Var(X)=(b−a)212Var(X) = \frac{(b-a)^2}{12}Var(X)=12(ba)2
Gumbel分布是极值分布之一,通常用于描述最大值或最小值的分布情况。假设$X$是一个连续型随机变量,其概率密度函数为: $$f(x)=\frac{1}{\beta}e^{-(x-\mu)/\beta}e^{-e^{-(x-\mu)/\beta}}$$ 其中,$\mu$为位置参数,$\beta$为尺度参数。 该分布分布函数为: $$F(x)=e^{-e^{-(x-\mu)/\beta}}$$ 期望方差分别为: $$E(X)=\mu+\gamma\beta,$$ $$Var(X)=\frac{\pi^2}{6}\beta^2,$$ 其中,$\gamma$为欧拉常数,$\gamma\approx0.5772$。 推导过程如下: 首先,我们需要求出该分布分布函数。对于任意一个实数$x$,有: $$F(x)=P(X\leq x)=\int_{-\infty}^x f(t)dt$$ 将概率密度函数代入得: $$F(x)=\int_{-\infty}^x \frac{1}{\beta}e^{-(t-\mu)/\beta}e^{-e^{-(t-\mu)/\beta}}dt$$ 令$y=e^{-(t-\mu)/\beta}$,则$t=\mu-\beta\ln y$,$dt=-\frac{\beta}{y}dy$,代入得: $$F(x)=\int_0^{e^{-(x-\mu)/\beta}}\frac{1}{\beta}e^{-\ln y}dy=\int_0^{e^{-(x-\mu)/\beta}}y^{-1}dy=\left.-\ln y\right|_0^{e^{-(x-\mu)/\beta}}=e^{-e^{-(x-\mu)/\beta}}$$ 因此,该分布分布函数为$F(x)=e^{-e^{-(x-\mu)/\beta}}$。 接下来,我们求期望方差。首先,计算期望: $$E(X)=\int_{-\infty}^\infty x f(x)dx=\int_{-\infty}^\infty x\frac{1}{\beta}e^{-(x-\mu)/\beta}e^{-e^{-(x-\mu)/\beta}}dx$$ 令$y=e^{-(x-\mu)/\beta}$,则$x=\mu-\beta\ln y$,$dx=-\frac{\beta}{y}dy$,代入得: $$E(X)=\int_0^\infty (\mu-\beta\ln y)\frac{1}{\beta}e^{-\ln y}dy=\mu-\int_0^\infty y^{-1}\ln y dy$$ 对于$\int_0^\infty y^{-1}\ln y dy$,我们可以采用分部积分法。设$u=\ln y$,$dv=y^{-1}dy$,则$du=y^{-1}dy$,$v=\ln y$,代入得: $$\int_0^\infty y^{-1}\ln y dy=\left.y\ln y\right|_0^\infty-\int_0^\infty 1dy=0+1=1$$ 因此,$E(X)=\mu-\gamma\beta$。 接下来,计算方差: $$Var(X)=E(X^2)-[E(X)]^2=\int_{-\infty}^\infty x^2 f(x)dx-(\mu-\gamma\beta)^2$$ 将概率密度函数代入得: $$Var(X)=\int_{-\infty}^\infty x^2\frac{1}{\beta}e^{-(x-\mu)/\beta}e^{-e^{-(x-\mu)/\beta}}dx-(\mu-\gamma\beta)^2$$ 令$y=e^{-(x-\mu)/\beta}$,则$x=\mu-\beta\ln y$,$dx=-\frac{\beta}{y}dy$,代入得: $$Var(X)=\int_0^\infty (\mu-\beta\ln y)^2\frac{1}{\beta}e^{-\ln y}dy-(\mu-\gamma\beta)^2$$ 展开得: $$Var(X)=\int_0^\infty \frac{\mu^2}{\beta}y^{-1}e^{-\ln y}dy-2\mu\int_0^\infty y^{-1}\ln y e^{-\ln y}dy+\beta^2\int_0^\infty y^{-1}(\ln y)^2 e^{-\ln y}dy-(\mu-\gamma\beta)^2$$ 对于$\int_0^\infty y^{-1}(\ln y)^2 e^{-\ln y}dy$,我们可以采用分部积分法。设$u=(\ln y)^2$,$dv=y^{-1}e^{-\ln y}dy$,则$du=2\ln y\frac{1}{y}dy$,$v=-e^{-\ln y}=-y^{-1}$,代入得: $$\int_0^\infty y^{-1}(\ln y)^2 e^{-\ln y}dy=\left.-(\ln y)^2y^{-1}e^{-\ln y}\right|_0^\infty+2\int_0^\infty y^{-2}e^{-\ln y}dy=2\int_0^\infty e^{-x}dx=2$$ 因此,$Var(X)=\frac{\pi^2}{6}\beta^2$。 综上所述,Gumbel分布密度函数为$f(x)=\frac{1}{\beta}e^{-(x-\mu)/\beta}e^{-e^{-(x-\mu)/\beta}}$,分布函数为$F(x)=e^{-e^{-(x-\mu)/\beta}}$,期望为$E(X)=\mu-\gamma\beta$,方差为$Var(X)=\frac{\pi^2}{6}\beta^2$。
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值